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摘要光呼吸是C3植物中伴随着光合作用发生的代谢流，光呼吸过程导致植物碳和能量的损失，通常被认为是一种浪费过程。然而，光呼吸代谢也是保障植物在有氧环境下实现高效光合作用、正常生长和发育所必需的代谢过程，完全缺失或降低光呼吸相关基因表达，往往导致植物的光合效率降低或致死。一些研究表明光呼吸不仅与光合作用相关，与植物其他基础代谢过程也密切相关，包括氮的同化、呼吸作用、氨基酸代谢、一碳代谢、脂肪酸代谢等。通过正向遗传学筛选具有典型光呼吸表型的突变体，克隆与光呼吸代谢相关的新基因，探索与光呼吸作用的机理，将有助于完善光呼吸通路以及与其他代谢途径的相互调节关系。<br>　　本研究通过筛选EMS诱变的拟南芥Columbia（Col-0）生态型突变体库，利用光呼吸突变体在正常大气条件下出现叶片黄化、植株矮小或无法存活，而在高浓度CO2条件下可以正常生长和发育的典型光呼吸表型进行筛选，研究获得了两个突变体4-14和1-2，通过图位克隆、全基因组重测序和遗传互补实验证明突变表型均是由于CAC2（AT5G35360）突变造成的。该基因编码生物素羧化酶（Biotincarboxylase，BC），是乙酰辅酶A羧化酶的亚基之一，研究将突变体分别命名为cac2-1和cac2-2。主要研究结果如下：<br>　　（1）相较野生型，cac2-1在大气条件下的净光合速率、最大光化学量子效率（Fv/Fm）值较低，而光呼吸中间产物甘氨酸和甘油酸的含量积累，表明CAC2突变破坏了植物正常的光合作用和光呼吸途径。<br>　　（2）电镜观察显示CAC2基因纯合突变造成胚发育受损，表明CAC2是植物胚发育的必需基因；瞬时表达分析表明BC定位在叶绿体；qRT-PCR和GUS染色观察分析表明CAC2及其编码蛋白在植物的所有组织中都有表达，在幼苗、花药、幼嫩的果荚等生长旺盛的部位表达较高；CAC2转录表达受光和CO2诱导。<br>　　（3）与野生型相比，正常大气条件下cac2-1的总脂肪酸、C18不饱和脂肪酸含量、以及叶绿体膜脂MGDG和DGDG比例显著下降。透射电镜显示cac2-1突变体的叶绿体数目和淀粉粒减少，类囊体堆叠变薄。高浓度CO2条件下（0.3%CO2），cac2-1脂肪酸含量和叶绿体形态都基本恢复到野生型水平。<br>　　（4）转录组分析表明，大气条件下cac2-1中部分光合作用、光呼吸、脂肪酸和脂质合成的相关基因表达下调，而逆境响应基因（比如HSP家族基因）表达水平显著上升；活性氧染色显示cac2-1活性氧水平上升，表明大气条件下cac2-1中氧化还原平衡受到破坏。<br>　　（5）蛋白免疫印迹显示cac2-1中脂酰化H蛋白水平下降，表明叶绿体脂肪酸合成可能为GDC-H（甘氨酸脱羧酶H蛋白）脂酰化提供原料。在cac2-1中过量表达GDC-H1可部分恢复cac2-1的生长缺陷。<br>　　（6）在cac2-1背景下杂合突变plNAD-MDH（叶绿体NAD依赖的苹果酸脱氢酶），可部分恢复cac2-1的生长缺陷，表明CAC2缺失表达影响叶绿体向线粒体还原力的传递过程。<br>　　综上所述，本研究筛选了光呼吸突变体4-14和1-2，突变基因均为CAC2。本研究分析了CAC2基本表达特性和生物学功能，初步揭示了CAC2对植物光合作用和光呼吸代谢的影响及其机理，研究将有助于解析脂肪酸生物合成与光呼吸代谢之间的相互调节关系。