近日，米兰体育网页版涂晓雨团队在Molecular Plant发表题为Single-cell multi-omics reveals distinct regulatory architectures coordinating carbon assimilation and cyclic electron flow in maize C4 photosynthesis 的研究论文。研究结合细胞类型相关多组学、转录因子结合图谱、可解释机器学习与功能实验，发现部分碳同化基因与NDH相关供能基因呈现不同的调控配置。进一步找到可操作的DOF–NDH调控切入，在维管束鞘富集表达ZmDOF30，可增强循环电子流、叶片ATP水平、光合表现及田间生物量。同时，研究鉴定出49 bp的DOF响应顺式元件，并建立植物ChIP-exo与BPNet相结合的高分辨率跨物种预测流程。

研究背景

玉米已拥有高效的C₄光合作用。叶肉细胞先固定无机碳，维管束鞘细胞再释放并富集CO₂，让Rubisco在高CO₂环境中运行。但高效“碳泵”需要额外的ATP，碳同化能否持续提速，也取决于能量能否及时跟上。对于玉米等NADP-ME型C₄植物，维管束鞘叶绿体中NDH复合体参与的光系统Ⅰ循环电子流（CEF），是补充ATP供给的重要途径。过去，C₄分子调控研究更多聚焦PEPC、PPDK及Rubisco相关的碳反应环节，NDH供能系统如何受到上游调控、能否据此继续改善玉米光合表现，仍缺少连贯的分子与功能证据。

图1. 玉米C4光合作用中碳同化与供能的协调及其调控架构。

研究内容

一、碳同化与能量供给，为什么采用不同的调控方式？

为解析这两类功能的上游调控，团队将单核转录组、单核染色质开放区域图谱与叶肉、维管束鞘富集材料的组蛋白修饰图谱，以及原生质体（等同于叶肉细胞）获得的转录因子结合图谱整合分析，并通过CatBoost和SHAP评估不同调控特征的贡献。结果表明，细胞特异性表达并不对应单一的染色质模式。以所分析的代表性位点为例，碳同化基因ZmRbcS1表现出明显的细胞间H3K27me3差异，而多个NDH相关供能基因更突出开放染色质及DOF关联的转录调控特征。这一差别在ZmNdhU位点尤为清楚，它自身缺少与ZmRbcS1类似的H3K27me3细胞间差异，但上游候选调控因子ZmDOF30却具有差异性H3K27me3特征。由此，研究提示了两种并存的调控配置，部分碳同化基因与靶位点自身的染色质限制相关，NDH供能模块则可以通过上游DOF因子和局部顺式序列受到调节（图2）。

图2. 玉米C4光合作用碳同化与电子传递模块的功能分工及差异化调控架构。

二、找到DOF上游入口，能否真正提升光合供能？

增强这一调控作用，是否真的能改变叶片的能量状态和光合表现？进一步利用可驱动维管束鞘富集表达的pRbcS启动子驱动ZmDOF30，构建稳定转基因玉米。在维管束鞘富集材料中，ZmNdhU、ZmNdhS等NDH相关基因表达增加，多个NDH复合体相关蛋白也随之积累。生理测定显示，转基因植株的P700⁺再还原速率加快，循环电子流估算值升高。叶片ATP含量和净CO₂同化速率也显著提高（图3）。这些结果表明，通过ZmDOF30增强维管束鞘的循环电子流，能够改善玉米的光合表现，也为从能量供给环节进一步提升C₄光合效率提供了新的思路。

图3. 维管束鞘富集表达ZmDOF30增强NDH相关基因表达、循环电子流与光合性能。

三、光合增益，能否在田间看得见？

在上海松江田间试验中，两条pRbcS::ZmDOF30转基因株系的株高、茎粗和地上部干重均显著提高（图4）。从分子调控、电子传递和碳同化，到成熟期植株生长，这项研究形成了跨层次的功能证据。需要区分的是，本次田间试验中单株籽粒产量并未显著增加。光合“源”能力的增强，仍需与同化物运输、灌浆及籽粒利用相匹配，才能进一步转化为稳定的产量收益。

图4. ZmDOF30转基因玉米的田间生长表现与生物量积累。

四、从转录因子到顺式元件：49个碱基能做什么？

DOF为何能结合许多DNA位点，却产生不同的转录响应？全基因组分析显示，响应性与AAAG基序的数量、间距，以及结合位点相对于启动子和开放染色质的位置相关。被激活靶基因的结合位点在统计上更靠近转录起始位点和开放染色质中心，但结合本身不等于激活。通过启动子截短和突变实验，团队在ZmNdhU启动子中鉴定出49 bp的DOF响应顺式元件，包含成簇AAAG基序及邻近TATA样序列。该元件插入拟南芥AtNdhU启动子的特定位置后，可产生维管束相关的报告基因表达（图5）。它为精细表达设计提供了候选模块，但活性受周围序列与插入位置影响，并非普遍适用的“万能开关”。

图5. 49 bp DOF响应顺式调控元件的鉴定与启动子报告实验。

五、开发植物ChIP-exo–BPNet流程，从碱基分辨率走向跨物种预测

要理解短顺式元件的作用，还必须看清相邻基序究竟怎样被转录因子识别。常规ChIP-seq能够定位大致结合区域，却较难分辨紧邻的DNA基序。团队针对植物材料开发并优化ChIP-exo实验流程，在烟草瞬时表达体系中获得高分辨率DOF结合图谱，分辨出成对AAAG基序周围的链特异性结合足迹。随后，以实验图谱训练BPNet模型，从DNA序列预测结合信号，再将模型应用于不同植物的同源启动子（图6）。

图6. 植物ChIP-exo高分辨率测绘与BPNet跨物种预测流程。

模型预测与玉米ZmDOF30 ChIP-seq、拟南芥AtOBP3 DAP-seq等独立实验数据呈显著相关。在ZmNdhU启动子，模型识别出的成对AAAG序列与实验鉴定的49 bp响应元件相对应。跨物种分析还发现，该元件位于禾本科保守非编码区段内，NDH相关基因附近的潜在DOF结合配置在不同谱系间存在差异，DOF基因的H3K27me3修饰则见于更广泛的陆生植物（图7）。这些结果为理解DOF结合的序列基础及其跨物种差异提供了线索。

图7. DOF结合与49 bp元件的序列特征及相关调控配置的跨物种比较。

六、从天然C₄机制中寻找提升光合性能的新入口

这项研究将染色质状态、转录因子和顺式调控序列联系起来，揭示了玉米C₄光合作用中碳同化与NDH相关供能模块的不同调控配置。部分碳同化基因与更直接的染色质限制相关，而NDH介导的循环电子流则具有DOF关联的转录与顺式调控特征。维管束鞘富集表达ZmDOF30提高NDH相关组分、循环电子流和光合表现，49 bp元件的功能分析则把调控关系推进到具体的DNA序列层面。玉米已经是高光效作物，但要进一步改善光合性能，不能只关注“固定多少碳”，还要考虑“提供多少能量、在哪些细胞供能”。这项研究为协调碳同化与NDH相关供能提供了新的实验依据，也为后续把供能模块与碳同化、同化物运输和籽粒利用相结合奠定基础。能否将这些光合增益稳定转化为籽粒增产，仍需进一步的遗传组合与多环境田间验证。

研究团队

米兰体育网页版博士研究生李传顺、博士后张优为论文共同第一作者，涂晓雨副教授为通讯作者。米兰体育网页版自动化与感知学院潘小勇教授、山东农业大学李平华教授、中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱新广研究员、扬州大学马斌教授、香港中文大学钟思林教授、华大生命科学研究院魏桐研究员等及其团队为本研究提供了重要支持。本研究得到国家自然科学基金（32370247、32461160289）、上海市农业科技创新项目（T2024306）、宁夏回族自治区重点研发计划项目（2024BBF02003）以及米兰体育网页版“2030计划”等资助。

原文链接：https://www.cell.com/molecular-plant/abstract/S1674-2052(26)00355-2