Epiphyten sind eine eigenständige Gruppe in den Ökosystemen des Kohlenstoffkreislaufs der Erde. Die meisten Gefäßaufsitzerpflanzen stammen aus der besonders artenreichen Familie der Orchideen (Orchidaceae), wobei etwa 70 % der Orchidaceae-Arten Aufsitzerpflanzen sind. Crassulacean Acid Metabolism (CAM) ist ein wassersparender Kohlendioxid (CO2)-Fixierungsweg, und Epiphyten mit CAM-Photosynthese sind in Gefäßpflanzen weit verbreitet.
Durch die Verwendung eines zeitlich getrennten Kohlenstoffkonzentrationsmechanismus ist eine CAM-Pflanze in der Lage, tagsüber Photosynthese zu betreiben und nachts Gase auszutauschen, um den Wasserverlust zu minimieren. Das Verständnis der molekularen Regulation der CAM-Photosynthese in Epiphyten bleibt jedoch schwer fassbar.
Forscher des Kunming Institute of Botany (KIB) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben ein hochwertiges Genom der epiphytischen CAM-Orchidee Cymbidium mannii zusammengestellt und Transkriptom-, Proteom- und Metabolomanalysen integriert, um den facettenreichen Regulationsmechanismus in CAM aufzudecken Epiphyten.
Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Anlagenkommunikation mit dem Titel „Hochwertiges Cymbidium mannii-Genom und vielseitige Regulierung des Crassulacean-Säurestoffwechsels in Epiphyten“.
Den Forschern zufolge ist das Genom von C. mannii 2,88 Gb lang mit einem Contig N50 von 22,7 Mb, von denen 82,8 % repetitive Elemente waren. Die Expansion des Genoms in Cymbidium ist hauptsächlich auf die langen terminalen Wiederholungsinsertionen zurückzuführen, und die Insertionszeit stimmt mit der Zeit der Diversifizierung von Cymbidium-Arten überein.
Sie fanden heraus, dass die Muster von rhythmisch oszillierenden Metaboliten, insbesondere CAM-verwandten Produkten, die zirkadiane Rhythmik der Metabolitenakkumulation in Epiphyten widerspiegeln.
Die genomweite Analyse der Transkript- und Proteinlevelregulation offenbarte Phasenverschiebungen in der facettenreichen Regulation des zirkadianen Stoffwechsels. Die Forscher zeigen die tägliche Expression mehrerer zentraler CAM-Gene (insbesondere βCA und PPC), die Kohlenstoffquellen zeitlich fixieren könnten.
Die Genexpressionsniveaus von NADP-ME und PPDK in C. mannii stimmten in hohem Maße mit denen in Kalanchoe fedtschenkoi und Sedum album überein, was zeigt, dass sie alle die Verwendung des Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Malic-Enzyms (NADP-ME) und der Pyruvat-Orthophosphat-Dikinase bevorzugen ( PPDK) Wege für die Decarboxylierung.
Da die mit der zirkadianen Uhr assoziierten Gene und cis-regulatorischen Elemente (CREs) eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des CAM-Signalwegs spielen, untersuchten die Forscher das Expressionsmuster der zirkadianen Uhr und der CAM-Gene während des Diel-Zyklus und fanden die auf Licht ansprechenden CREs darin Promotorregionen, die am Photoperiodismus beteiligt sein können.
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Weishu Fan et al, Hochwertiges Cymbidium mannii-Genom und vielfältige Regulierung des Crassulacean-Säurestoffwechsels in Epiphyten, Anlagenkommunikation (2023). DOI: 10.1016/j.xplc.2023.100564