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木薯是世界六大粮食作物之一,被誉为“淀粉之王”。栽培型的木薯具有高光效,高淀粉率等特点。但是有关木薯光合作用特性以及高光效机理研究较少。光合作用是一个复杂的生命过程也是有机物生产的源,研究木薯高光效机制不仅可以丰富木薯的研究理论,还能为木薯高光效育种以及种质筛选提供理论依据。本研究采用块根产量和淀粉率有显著差异的木薯栽培品种Arg7(Manihot esculenta)和野生近缘类型W14(Manihot esculenta subsp. flabellifolia)为材料,通过对光合生理、叶片解剖结构、光合作用转录组比较及部分关键基因表达分析探讨栽培木薯高光效的机制及其与淀粉高效累积的关系,取得的主要研究结果如下：1.木薯栽培类型净光合效率高于野生类型,均存在较高的PEPC酶活性,相应叶片碳固定的2种酶Rubisco和PEPC活性均以栽培类型中较高,野生类型中低,而蔗糖合酶SuSy活性表现相反。在田间条件下跟踪测定2个木薯品系在整个生育期的光合作用效率及几种光合作用以及光合产物转移酶活性,结果表明,从种植后120d到270d之间,Arg7功能叶的净光合速率Pn始终高于W14,两者最高相差10μmol·m-2·s-1, Arg7功能叶中的Rubisco、PEPCase、AGPase活性始终高于W14,而SuSy活性则以W14中较高,Arg7中低,两个木薯品系几种酶的活性峰值均出现在180天左右。PEPC在Arg7和W14功能叶中均表现出较高的活性。两个木薯品系茎秆中均表现出较高的SuSy活性。叶绿素含量始终以Arg7较低,而W14较高。2.栽培木薯叶片叶脉周围维管细胞较野生类型发达,具有类似花环结构排列,但是存在明显的栅栏组织和海绵组织分布。叶片光学显微结构分析表明,Arg7叶片叶脉周围维管细胞较其W14发达,呈环层状排列且延伸至紧靠上表皮的栅栏组织区域。但是两种木薯叶片解剖结构均表现为C3光合型结构特征,即存在明显的栅栏组织和海绵组织的分布。电镜超微结构分析显示,Arg7叶片超微结构显示出类似‘’Kranz"花环结构的细胞排列。叶肉细胞间及叶肉细胞与韧皮部细胞之间均存在不同程度的胞间连丝。叶绿体结构上,Arg7基粒和基质片层数较W14完整和发达且基质片层更加致密。此外,叶绿体内部均存在淀粉颗粒,且Arg7叶绿体内部的淀粉颗粒明显少于W14。3.免疫荧光定位显示Rubisco和PEPCase两种酶的亚细胞分布及半定量特征,栽培木薯中PEPCase集中分布于维管束周围叶肉细胞中。免疫荧光定位结果表明,Rubisco酶在Arg7和W14功能叶组织不同细胞中分布无明显差异,但是PEPCase在Arg7中呈现特异分布,且集中于维管束细胞周围的叶肉细胞内,而在其余组织细胞中也有分布。4.全长cDNA文库构建与部分测序获得32640个克隆、5013条EST、1259个unigenes,找到了22个淀粉合成以及光合能量代谢重要基因资源。分别选取木薯Arg7与W14功能叶与块根构建全长cDNA文库,一共获得32640个重组克隆,随机挑取6167个克隆进行测序得到5013条EST(NCBI access number JK733886-JK738898),组装获得1259条unigenes。结果显示323条unienes被注释到KEGG代谢途径中。找到了22个淀粉合成以及光合能量代谢重要基因资源,如：编码PEPCase、NADH:quinone reductase、ferredoxin:NADP+oxidoreductase和Rubisco等的基因。5.转录组测序与注释获得大量叶片表达基因,其中光合作用途径相关基因27个,未发现在品种间有显著差异的表达基因。在木薯生产发育旺盛期180d,分别对Arg7和W14的功能叶2个样本做转录组测序分析,2个样本共获得131256条unigenes,其中,51131条unigenes来自于Arg7；80125条unigenes来自于W14。其中在叶片和幼茎中光合作用途径相关酶的基因27个,在块根中淀粉代谢途径相关酶的基因44个,部分酶基因在两个木薯类型中存在表达水平差异。6、首次克隆了木薯pepc基因全长序列,实时定量表达分析揭示栽培类型叶片中表达水平高于野生类型,启动子区比较分析发现栽培类型具有特异的元件。分别克隆了Arg7与W14的pepc基因cDNA全长序列,两序列均为全长2945bp,含1个2895bp开放阅读框,预测编码蛋白含964个氨基酸,且木薯PEPC蛋白与麻疯树和蓖麻PEPC蛋白氨基酸序列同源性高达99%；生物信息比对分析表明Arg7与W14pepc cDNA序列同源性高达98%. Q-PCR分析表明,pepc在W14和Arg7叶中表达量最高,其次是须根和块根,茎中最低,每日动态表达分析结果,从早8：00到下午18：00之间,叶中Arg7pepc,总体表达量高于W14,但是16：00后W14高于Arg7,表达高峰在上午10：00-12：00之间,与酶活性分析结果一致。进一步克隆得到两个木薯类型pepc基因5’上游约1500bp启动子区序列,两者启动子序列相似性高达97.63%,顺式作用元件分揭示栽培品种Arg7启动子区存在较W14特异的顺势作用元件。文章对如何进一步研究木薯高光效机制,及其与淀粉高效累积的关系进行了讨论。