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摘要：C4光合作用是最高效利用光照、水分和氮气进行碳固定的光合途径；C4植物，如玉米是农业生产中最重要的作物之一，但是C4植物的分布主要局限在热带和亚热带地区。讨论了寒冷气候对C4光合途径和C4作物玉米的影响；并介绍了一部分能适应寒冷气候的C4植物及其耐冷机制，指出通过增加丙酮酸磷酸二激酶（pyruvate orthophosphate dikinase，PPDK）及其有关调节蛋白含量，并适度增加RuBP羧化酶（ribulose bisphosphate carboxylase，RuBisCO）含量，可以提高C4作物玉米等的耐冷性。
关键词：C4作物；寒冷气候；玉米；耐冷机制；奇岗
中图分类号： Q945.11文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0010-02
收稿日期：2014-02-17
基金项目：国家“863”计划（编号：2012AA021701）；江苏省自然科学基金青年基金（编号：BK2012073）；南京晓庄学院生物学重点学科项目（编号：XZZDXK201203）。
作者简介：周峰（1978—），男，山东淄博人，博士，副教授，从事植物生理生化研究。E-mail：[email protected]。C4光合作用是最高效利用光照、水分和氮气进行碳固定的光合途径，其效率可比C3途径高30%。C4植物是陆地上生产力最高的植物，目前世界上陆地植物最大干物质产量就是来自C4植物多穗稗（Echinochloa polystachya），年产量高达100 t/hm2；而陆地作物最大干物质产量来自象草（Pennisetum purpureum），年产量88 t/hm2。C4植物的分布主要局限在热带和亚热带地区，由于C4光合作用起源于热带和亚热带地区，因此有人认为C4光合作用器官只限于温暖环境；但有一小部分C4植物并不是这样，它们的光合作用器官已经适应了寒冷气候，所谓寒冷气候指的是冬天平均最低气温≤-3 ℃。尽管像多年生牧草（perennial grasses）等C4植物在休眠期能度过≤-20 ℃的冬天，但是C4植物为温暖性植物，不是由冬季温度而是由生长期温度决定其生存和产量，对于C4植物而言，一年中温暖季节平均温度至少要≥9 ℃才能保证其正常生长。尽管大多数作物都是C3植物，但是像玉米、高粱和甘蔗等重要作物为C4植物，还有一些生物能源作物如互花米草（Spartina pectinata）、黍稷（Panicum virgatum）、奇岗（Miscanthus giganteus），这些C4植物适应寒冷气候的能力较强，所以它们生长的季节和纬度范围都扩大了[1-2]。
1C4作物在农业生产中的重要性
玉米是现在全球最重要的作物，产量居全球农作物首位。2010年，全球玉米产量为8.44亿万t，其中美国产量3.16亿万t，中国产量1.78万t，欧盟产量5 800万t，三者占全球产量的65%；同年，水稻产量为6.96万t，居第2位，小麦产量为6.54万t，居第3位[2]。在最适温度及光饱和情况下，玉米的CO2吸收率为50～60 μmol/（m2 ·s），是水稻和小麦的2倍，且玉米单位面积产量比水稻和小麦高42%。尽管玉米起源于热带地区，但目前主要产于低温和温带地区。按照目前世界人口的增长的趋势，预计2050年世界粮食产量要增加70%才能避免粮食短缺问题，但是现在水稻和小麦的产量停滞不前，只能寄希望于玉米的增产，但是由于很多地区受寒冷气候影响，使得玉米增产受到影响。有些耐寒冷的C4植物，如奇岗，其产量比玉米高59%，如果能把这些C4植物耐受寒冷的基因导入玉米或水稻，这样将使全球粮食产量大大增加，有助于维护世界粮食安全。此外，研究玉米如何适应寒冷气候也有助于获得有效的C4途径水稻[3-4]。
2寒冷气候对C4光合途径的影响
C4植物固定CO2发生在叶肉细胞的胞质溶胶中，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的催化下，磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）和CO2生成草酰乙酸。草酰乙酸可转变成其他四碳酸，如苹果酸和天冬氨酸，然后运输到维管束鞘细胞，在维管束鞘细胞中分解为CO2和丙酮酸，CO2在维管束鞘细胞中进入C3途径。由于PEP羧化酶的活性很高，所以转运到叶肉细胞中的CO2浓度很高，大约是空气中的10倍，足够抑制RuBP加氧酶，从而抑制光呼吸。由于能有效地抑制光呼吸，C4途径平均比C3途径在光合产量、水分和氮气利用率上高30%。这就是温暖气候下，C4植物比C3植物光合高效的原因。然而当气温≤14 ℃时，C4植物就失去了这种高效光合能力，因为C4植物起源于热带和亚热带地区的C3植物祖先，具有所有热带植物面对寒冷气候的生理缺陷。研究表明，C3植物在≤25 ℃下，其CO2最大固定效率要比C4植物高；而在大于25 ℃环境下，C4植物CO2最大固定效率比C3植物要高，这与C4植物在25 ℃等温线的地理分布吻合[5]。在寒冷地区，C4植物生存竞争能力较弱可能与其CO2最大固定效率不高有关，RuBP羧化酶（ribulose bisphosphate carboxylase，RuBisCO）在C4植物代谢中起到非常重要作用，但在寒冷温度下，其作用受到限制。如果在寒冷条件下，增加和积累RuBisCO量便可消除这种限制作用，但是C4植物不能容纳过多的RuBisCO，因为C4植物是二形的光合细胞，只有一半即维管束鞘细胞含有RuBisCO，大约只是C3植物的一半[6]。我国的C4植物有13.3%～14.3%分布在寒温带，因此研究寒冷气候对C4光合途径的影响具有重要意义[7]。
3寒冷气候对C4作物玉米的影响
玉米是现在全球最重要的作物，也是C4植物。玉米在最适温度下，CO2同化效率最高，但温度一旦降到14 ℃以下，叶片几乎失去光合能力。尽管低温会影响玉米发芽率和根的生长，但主要还是日间低温对幼苗的影响最大，因此低温期用大棚遮蔽可有效保证光合能力和光合产量。日间温度低于 17 ℃ 以下，玉米的光合能力就开始减弱，主要原因是低温造成的不可逆光抑制，这种伤害既降低了玉米对光能的光化学利用，又会产生激发能的耗散作用，影响类囊膜蛋白如光系统Ⅱ（photosystem Ⅱ，PSⅡ）和捕光天线蛋白（light harvesting complex，LHC）的合成。植物适应低温下的主要机制是PSⅡ的组装修复和D1蛋白的周转。冷害会造成PSⅡ中D1蛋白的降解，植物对D1蛋白的重新合成及组装到PSⅡ的能力是适应寒冷环境的重要机制。但玉米遭受冷害后，D1蛋白的修复能力有限，主要原因是编码D1蛋白的基因psb A的转录和表达受到抑制。此外，植物在寒冷环境下，光合器官会耗散过多的激发能，这会产生大量氧自由基如过氧化氢，而过氧化氢对编码LHC蛋白的基因有下调作用，这也影响了玉米的光合能力[8]。 4适应寒冷气候的C4植物
钾猪毛菜（Salsola kali）是第一个被发现的能生活在寒冷地区的C4植物，能分布于欧洲58°N的地区。这类植物一般还具有较高的抗逆性如抗盐性，能避免种间竞争，此外个体植物叶片的光合能力也很强。此外，还有很多C4植物能生活在寒冷地区，比如英格兰的莎草（Cyperus longus）、加拿大的乱子草（Muhlenbergia glomerata）、日本和中国的芒（Miscanthus sacchariorus）。这些C4植物可分为两类：一类是能避免寒冷环境，一类是能适应寒冷环境。避免寒冷环境的C4植物主要通过将生长限制在夏季或是一些微型的C4植物，这些微型植物叶片的温度要明显高于空气中的温度，以保证C4光合途径正常进行[9]。而互花米草类植物基本上都是C4植物，它们能够适应寒冷环境，这是玉米所不具有的特点。互花米草分布广泛，从热带地区一直到61°N。玉米是属于C4植物NADP-苹果酸型，互花米草属于磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶型（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK）。免疫学研究表明，在寒冷条件下，互花米草丙酮酸磷酸二激酶（pyruvate ortho-phosphate dikinase，PPDK）和RuBisCO活性都上升，但后者活性上升程度要低些；不同冷适应C4植物的进化路线表明，PPDK 对于C4光合途径的冷适应非常重要。因此，增加 PPDK 及其有关调节蛋白含量，并适度增加RuBisCO含量，可以提高C4植物的耐冷性[10]。
外来植物奇岗能生活在52°N的地区，能将太阳能高效地转化为干物质产量，干物质产量最高达30 t/hm2[11]。奇岗能适应寒冷环境，但玉米不能，将生长在温暖环境下的2种植物转移至寒冷环境下，在前2 d，2种植物的光合能力均下降；但接下来的7d，奇岗能恢复到原来光合能力的90%，而玉米的光合能力会继续下降；在这9d当中，玉米的RuBisCO活性丧失40%，PPDK丧失75%，而奇岗的PPDK含量会加倍。早期的研究并没有发现，寒冷环境下C4植物RuBisCO会升高，但近几年通过免疫检测发现，寒冷环境下奇岗的RuBisCO显著升高[12]。黄百合（Flaveria brownii）则是通过增加PPDK的冷稳定性而适应寒冷环境的，因为黄百合的PPDK氨基酸组成特殊，能适应寒冷环境，而奇岗和玉米的RuBisCO和PPDK的氨基酸组成几乎没有差别[13]。此外，在寒冷条件下，奇岗和玉米的玉米黄质含量均为原来的2.5倍，但玉米在寒冷黑暗环境下，玉米黄质含量仍然较高，这可能是导致其光合能力下降的原因之一；而奇岗在强光下玉米黄质含量高，可耗散过多的激发能，但弱光下不会影响光合作用[14]。
参考文献：
[1]Kajala K，Covshoff S，Karki S，et al. Strategies for engineering a two-celled C4 photosynthetic pathway into rice[J]. Journal of Experimental Botany，2011，62（9）：3001-3010.
[2]Long S P，Spence A K. Toward cool C4 crops[J]. Annual Review of Plant Biology，2013，64：701-722.
[3]Dohleman F G，Long S P. More productive than maize in the midwest：how does Miscanthus do it？[J]. Plant Physiology，2009，150（4）：2104-2115.
[4]Olsen K M，Wendel J F. A bountiful harvest：genomic insights into crop domestication phenotypes[J]. Annual Review of Plant Biology，2013，64：47-70.
[5]Sage R F，Sage T L，Kocacinar F. Photorespiration and the evolution of C4 photosynthesis[J]. Annual Review of Plant Biology，2012，63：19-47.
[6]Long S P，Ort D R. More than taking the heat：crops and global change[J]. Current Opinion in Plant Biology，2010，13（3）：241-247.
[7]殷立娟，李美荣. 中国C4植物的地理分布与生态学研究Ⅰ. 中国C4植物及其与气候环境的关系[J]. 生态学报，1997，17（4）：350-363.
[8]Komenda J，Sobotka R，Nixon P J. Assembling and maintaining the photosystem Ⅱ complex in chloroplasts and cyanobacteria[J]. Current Opinion in Plant Biology，2012，15（3）：245-251.
[9]Wang L，Peterson R B，Brutnell T P. Regulatory mechanisms underlying C4 photosynthesis[J]. New Phytologist，2011，190（1）：9-20.
[10]Smith A M，Woolhouse H W. Metabolism of phosphoenolpyruvate in the C4 cycle during photosynthesis in the phosphoenolpyruvate-carboxykinase C4 grass Spartina anglica Hubb.[J]. Planta，1983，159（6）：570-578.
[11]席庆国，洪浩. 外来植物奇岗的生物学特征[J]. 草业科学，2008，25（2）：26-28.
[12]Wang D F，Jr Portis A R，Moose S P，et al. Cool C4 photosynthesis：pyruvate Pi dikinase expression and activity corresponds to the exceptional cold tolerance of carbon assimilation in Miscanthus×giganteus[J]. Plant Physiology，2008，148（1）：557-567.
[13]Ludwig M. The molecular evolution of β-carbonic anhydrase in Flaveria[J]. Journal of Experimental Botany，2011，62（9）：3071-3081.
[14]Long S P，Humphries S，Falkowski P G. Photoinhibition of photosynthesis in nature[J]. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol，1994，45：633-662.田靖，王玲. 核磁共振技术在农业中的应用研究进展[J]. 江苏农业科学，2015，43（1）：12-15.
关键词：C4作物；寒冷气候；玉米；耐冷机制；奇岗
中图分类号： Q945.11文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0010-02
收稿日期：2014-02-17
基金项目：国家“863”计划（编号：2012AA021701）；江苏省自然科学基金青年基金（编号：BK2012073）；南京晓庄学院生物学重点学科项目（编号：XZZDXK201203）。
作者简介：周峰（1978—），男，山东淄博人，博士，副教授，从事植物生理生化研究。E-mail：[email protected]。C4光合作用是最高效利用光照、水分和氮气进行碳固定的光合途径，其效率可比C3途径高30%。C4植物是陆地上生产力最高的植物，目前世界上陆地植物最大干物质产量就是来自C4植物多穗稗（Echinochloa polystachya），年产量高达100 t/hm2；而陆地作物最大干物质产量来自象草（Pennisetum purpureum），年产量88 t/hm2。C4植物的分布主要局限在热带和亚热带地区，由于C4光合作用起源于热带和亚热带地区，因此有人认为C4光合作用器官只限于温暖环境；但有一小部分C4植物并不是这样，它们的光合作用器官已经适应了寒冷气候，所谓寒冷气候指的是冬天平均最低气温≤-3 ℃。尽管像多年生牧草（perennial grasses）等C4植物在休眠期能度过≤-20 ℃的冬天，但是C4植物为温暖性植物，不是由冬季温度而是由生长期温度决定其生存和产量，对于C4植物而言，一年中温暖季节平均温度至少要≥9 ℃才能保证其正常生长。尽管大多数作物都是C3植物，但是像玉米、高粱和甘蔗等重要作物为C4植物，还有一些生物能源作物如互花米草（Spartina pectinata）、黍稷（Panicum virgatum）、奇岗（Miscanthus giganteus），这些C4植物适应寒冷气候的能力较强，所以它们生长的季节和纬度范围都扩大了[1-2]。
1C4作物在农业生产中的重要性
玉米是现在全球最重要的作物，产量居全球农作物首位。2010年，全球玉米产量为8.44亿万t，其中美国产量3.16亿万t，中国产量1.78万t，欧盟产量5 800万t，三者占全球产量的65%；同年，水稻产量为6.96万t，居第2位，小麦产量为6.54万t，居第3位[2]。在最适温度及光饱和情况下，玉米的CO2吸收率为50～60 μmol/（m2 ·s），是水稻和小麦的2倍，且玉米单位面积产量比水稻和小麦高42%。尽管玉米起源于热带地区，但目前主要产于低温和温带地区。按照目前世界人口的增长的趋势，预计2050年世界粮食产量要增加70%才能避免粮食短缺问题，但是现在水稻和小麦的产量停滞不前，只能寄希望于玉米的增产，但是由于很多地区受寒冷气候影响，使得玉米增产受到影响。有些耐寒冷的C4植物，如奇岗，其产量比玉米高59%，如果能把这些C4植物耐受寒冷的基因导入玉米或水稻，这样将使全球粮食产量大大增加，有助于维护世界粮食安全。此外，研究玉米如何适应寒冷气候也有助于获得有效的C4途径水稻[3-4]。
2寒冷气候对C4光合途径的影响
C4植物固定CO2发生在叶肉细胞的胞质溶胶中，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的催化下，磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）和CO2生成草酰乙酸。草酰乙酸可转变成其他四碳酸，如苹果酸和天冬氨酸，然后运输到维管束鞘细胞，在维管束鞘细胞中分解为CO2和丙酮酸，CO2在维管束鞘细胞中进入C3途径。由于PEP羧化酶的活性很高，所以转运到叶肉细胞中的CO2浓度很高，大约是空气中的10倍，足够抑制RuBP加氧酶，从而抑制光呼吸。由于能有效地抑制光呼吸，C4途径平均比C3途径在光合产量、水分和氮气利用率上高30%。这就是温暖气候下，C4植物比C3植物光合高效的原因。然而当气温≤14 ℃时，C4植物就失去了这种高效光合能力，因为C4植物起源于热带和亚热带地区的C3植物祖先，具有所有热带植物面对寒冷气候的生理缺陷。研究表明，C3植物在≤25 ℃下，其CO2最大固定效率要比C4植物高；而在大于25 ℃环境下，C4植物CO2最大固定效率比C3植物要高，这与C4植物在25 ℃等温线的地理分布吻合[5]。在寒冷地区，C4植物生存竞争能力较弱可能与其CO2最大固定效率不高有关，RuBP羧化酶（ribulose bisphosphate carboxylase，RuBisCO）在C4植物代谢中起到非常重要作用，但在寒冷温度下，其作用受到限制。如果在寒冷条件下，增加和积累RuBisCO量便可消除这种限制作用，但是C4植物不能容纳过多的RuBisCO，因为C4植物是二形的光合细胞，只有一半即维管束鞘细胞含有RuBisCO，大约只是C3植物的一半[6]。我国的C4植物有13.3%～14.3%分布在寒温带，因此研究寒冷气候对C4光合途径的影响具有重要意义[7]。
3寒冷气候对C4作物玉米的影响
玉米是现在全球最重要的作物，也是C4植物。玉米在最适温度下，CO2同化效率最高，但温度一旦降到14 ℃以下，叶片几乎失去光合能力。尽管低温会影响玉米发芽率和根的生长，但主要还是日间低温对幼苗的影响最大，因此低温期用大棚遮蔽可有效保证光合能力和光合产量。日间温度低于 17 ℃ 以下，玉米的光合能力就开始减弱，主要原因是低温造成的不可逆光抑制，这种伤害既降低了玉米对光能的光化学利用，又会产生激发能的耗散作用，影响类囊膜蛋白如光系统Ⅱ（photosystem Ⅱ，PSⅡ）和捕光天线蛋白（light harvesting complex，LHC）的合成。植物适应低温下的主要机制是PSⅡ的组装修复和D1蛋白的周转。冷害会造成PSⅡ中D1蛋白的降解，植物对D1蛋白的重新合成及组装到PSⅡ的能力是适应寒冷环境的重要机制。但玉米遭受冷害后，D1蛋白的修复能力有限，主要原因是编码D1蛋白的基因psb A的转录和表达受到抑制。此外，植物在寒冷环境下，光合器官会耗散过多的激发能，这会产生大量氧自由基如过氧化氢，而过氧化氢对编码LHC蛋白的基因有下调作用，这也影响了玉米的光合能力[8]。 4适应寒冷气候的C4植物
钾猪毛菜（Salsola kali）是第一个被发现的能生活在寒冷地区的C4植物，能分布于欧洲58°N的地区。这类植物一般还具有较高的抗逆性如抗盐性，能避免种间竞争，此外个体植物叶片的光合能力也很强。此外，还有很多C4植物能生活在寒冷地区，比如英格兰的莎草（Cyperus longus）、加拿大的乱子草（Muhlenbergia glomerata）、日本和中国的芒（Miscanthus sacchariorus）。这些C4植物可分为两类：一类是能避免寒冷环境，一类是能适应寒冷环境。避免寒冷环境的C4植物主要通过将生长限制在夏季或是一些微型的C4植物，这些微型植物叶片的温度要明显高于空气中的温度，以保证C4光合途径正常进行[9]。而互花米草类植物基本上都是C4植物，它们能够适应寒冷环境，这是玉米所不具有的特点。互花米草分布广泛，从热带地区一直到61°N。玉米是属于C4植物NADP-苹果酸型，互花米草属于磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶型（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK）。免疫学研究表明，在寒冷条件下，互花米草丙酮酸磷酸二激酶（pyruvate ortho-phosphate dikinase，PPDK）和RuBisCO活性都上升，但后者活性上升程度要低些；不同冷适应C4植物的进化路线表明，PPDK 对于C4光合途径的冷适应非常重要。因此，增加 PPDK 及其有关调节蛋白含量，并适度增加RuBisCO含量，可以提高C4植物的耐冷性[10]。
外来植物奇岗能生活在52°N的地区，能将太阳能高效地转化为干物质产量，干物质产量最高达30 t/hm2[11]。奇岗能适应寒冷环境，但玉米不能，将生长在温暖环境下的2种植物转移至寒冷环境下，在前2 d，2种植物的光合能力均下降；但接下来的7d，奇岗能恢复到原来光合能力的90%，而玉米的光合能力会继续下降；在这9d当中，玉米的RuBisCO活性丧失40%，PPDK丧失75%，而奇岗的PPDK含量会加倍。早期的研究并没有发现，寒冷环境下C4植物RuBisCO会升高，但近几年通过免疫检测发现，寒冷环境下奇岗的RuBisCO显著升高[12]。黄百合（Flaveria brownii）则是通过增加PPDK的冷稳定性而适应寒冷环境的，因为黄百合的PPDK氨基酸组成特殊，能适应寒冷环境，而奇岗和玉米的RuBisCO和PPDK的氨基酸组成几乎没有差别[13]。此外，在寒冷条件下，奇岗和玉米的玉米黄质含量均为原来的2.5倍，但玉米在寒冷黑暗环境下，玉米黄质含量仍然较高，这可能是导致其光合能力下降的原因之一；而奇岗在强光下玉米黄质含量高，可耗散过多的激发能，但弱光下不会影响光合作用[14]。
参考文献：
[1]Kajala K，Covshoff S，Karki S，et al. Strategies for engineering a two-celled C4 photosynthetic pathway into rice[J]. Journal of Experimental Botany，2011，62（9）：3001-3010.
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[5]Sage R F，Sage T L，Kocacinar F. Photorespiration and the evolution of C4 photosynthesis[J]. Annual Review of Plant Biology，2012，63：19-47.
[6]Long S P，Ort D R. More than taking the heat：crops and global change[J]. Current Opinion in Plant Biology，2010，13（3）：241-247.
[7]殷立娟，李美荣. 中国C4植物的地理分布与生态学研究Ⅰ. 中国C4植物及其与气候环境的关系[J]. 生态学报，1997，17（4）：350-363.
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[10]Smith A M，Woolhouse H W. Metabolism of phosphoenolpyruvate in the C4 cycle during photosynthesis in the phosphoenolpyruvate-carboxykinase C4 grass Spartina anglica Hubb.[J]. Planta，1983，159（6）：570-578.
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[13]Ludwig M. The molecular evolution of β-carbonic anhydrase in Flaveria[J]. Journal of Experimental Botany，2011，62（9）：3071-3081.
[14]Long S P，Humphries S，Falkowski P G. Photoinhibition of photosynthesis in nature[J]. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol，1994，45：633-662.田靖，王玲. 核磁共振技术在农业中的应用研究进展[J]. 江苏农业科学，2015，43（1）：12-15.