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光合作用,通常是指植物吸收光能,将CO2和H2O合成淀粉等有机物,同时释放出O2的过程,地球上几乎所有的生命活动的能量都来源于光合作用。光合作用类型有C3光合途径、C4光合途径、CAM（景天酸代谢）,其中C3、C4光合途径是绿色植物的主要的光合类型。C4植物的生产潜力远远高于C3植物,为了更好地利用C4光合作用的优势,许多研究尝试将C4光合作用的特征引入到C3作物中来提高其生产率。研究表明C4光合途径是从C3光合途径进化而来的,而C4光合途径进化的关键性驱动力可能是低浓度CO2。胁迫诱导突变是适应进化的非随机的定向突变机制,增加生长在非适环境下细胞中的遗传和表观遗传突变来增加适应性进化。其分子机制（DNA双链断裂修复过程中引入突变）也已证实在拟南芥中存在,在胁迫条件下增加有益突变的积累。我们课题组先前将C3模式植物拟南芥在低CO2条件下培养,发现拟南芥中对应的C4光合途径关键酶如PEPC及PEPC-K的表达上调,而且胁迫诱导突变通路上的参与DNA损伤修复的四个基因—CIPK3、UVR3、TEB、RBB1的表达上调。我们实验室首先获得了该4个DNA损伤修复相关的基因敲除突变体,通过杂交获得纯合四突变株系cipk3/teb/uvr3/rbb1（Quad mutant）。我们推测纯合四突变体的基因组稳定性下降,在低CO2胁迫条件下,突变率会增加,通过连续多代培养累积更多的突变,期望获得更多的适应性突变。在前期工作中,我们已经获得了转玉米C4型PEPC（C4光合途径的第一个关键酶）拟南芥株系,通过与cipk3/teb/uvr3/rbb1（Quad mutant）纯合四突变体株系杂交获得了 oePEPC/cpk3/teb/uvr3/rbb1（oePEPC/Quad mutant）拟南芥纯合株系。本实验是在上述实验基础上开展而来的,将不同类型的拟南芥株系（野生型、cipk3/teb/uvr3/rbb1和oePEPC/cipk3/teb/uvr3/rbb1）在 100 ppm CO2 胁迫环境条件下连续培育多代,建立突变累积株系,观察低CO2对不同拟南芥株型生长发育的影响,并计划对第十一代的株系进行基因组重测序以追踪在此过程中的遗传变异（更多的适应性突变）。本论文的主要研究内容及结果如下:1.低CO2胁迫环境下拟南芥突变累积株系的培育（1）本论文设置了两个CO2生长条件,正常CO2（380 ppm）和低CO2（100 ppm）条件,对野生型（Col-0）、cipk3/teb/uvr3/rbb1（Quad mutant）和 oePEPC/cipk3/teb/uvr3/rbb1（oePEPC/Quad mutant）拟南芥株系进行连续多代培育并对每一代进行表型分析。在正常CO2和低CO2环境条件下,相较于野生型拟南芥,cipk3/teb/uvr3/rbb1（Quad mutant）和 oePEPC/cipk3/teb/uvr3/rbb1（oePEPC/Quad mutant）株系的植株矮小,表明DNA损伤修复相关基因的敲除抑制植物的生长。（2）对每一代野生型、cipk3/teb/uvr3/rbb1（Quad mutant）和 oePEPC/cipk3/teb/uvr3/rbb1（oePEPC/Quad mutant）拟南芥株系进行了生理数据的测定,结果表明在低CO2胁迫条件下生长的3种类型的植株与正常CO2条件下的相比,其PEPC酶活性、叶绿素含量、叶面积及花瓣长度、宽度、面积等减小,表明低CO2对拟南芥生长是一种严重胁迫,抑制这3种类型的拟南芥株系的生长。在正常CO2条件和低CO2条件下,每一代的 oePEPC/cipk3/teb/uvr3/rbb1（oePEPC/Quad mutant）株系的 PEPC 酶活性均显著高于同一代的野生型拟南芥和cipk3/teb/uvr3/rbb1（Quad mutant）株系的酶活性,可见过表达PEPC基因在其后代中稳定过表达。在正常CO2和低CO2条件下,cipk3/teb/uvr3/rbb1（Quad mutant）和 oePEPC/cipk3/teb/uvr3/rbb1（oePEPC/Quad mutant）植株的叶面积和花瓣面积比野生型小,表明DNA损伤修复相关基因的敲除影响拟南芥的叶和花瓣大小。在正常CO2和低CO2条件下,oePEPC/cipk3/teb/uvr3/rbb1（oePEPC/Quad mutant）株系的植株叶面积和花瓣的长度、宽度、面积等比cipk3/teb/uvr3/rbb1（Quad mutant）植株的大,说明转玉米C4型PEPC基因对拟南芥生长有积极作用,有利于增强光合作用。2.到目前为止,我们已连续种植了 9代（MA-8）,下一步将获得在正常CO2和低CO2胁迫条件下快速进化的拟南芥突变累积株系（野生型Col-0、cipk3/teb/uvr3/rbb1、oePEPC/cipk3/teb/uvr3/rbb1）第十一代（MA-10）,进行基因组重测序追踪遗传变异,为将来C3作物的光合途径改造提供基因组编辑方案。