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A Carbonic Anhydrase, ZmCA4, Contributes to Photosynthetic Efficiency and Modulates CO2 Signaling Gene Expression by Interacting with Aquaporin ZmPIP2;6 in Maize

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 光系统II 光合作用 突变体 鲁比斯科 叶绿体 生物 碳酸酐酶 光系统I 生物化学 细胞生物学 化学 基因
作者
Lian Zhou,Xiaoqin Xiang,Dan Ji,Qiulan Chen,Tengfei Ma,Jiuguang Wang,Chaoxian Liu
出处
期刊:Plant and Cell Physiology [Oxford University Press]
卷期号:65 (2): 243-258 被引量:2
标识
DOI:10.1093/pcp/pcad145
摘要

Abstract Carbonic anhydrase (CA) catalyzes the reversible CO2 hydration reaction that produces bicarbonate for phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC). This is the initial step for transmitting the CO2 signal in C4 photosynthesis. However, it remains unknown whether the maize (Zea mays L.) CA gene, ZmCA4, plays a role in the maize photosynthesis process. In our study, we found that ZmCA4 was relatively highly expressed in leaves and localized in the chloroplast and the plasma membrane of mesophyll protoplasts. Knock-out of ZmCA4 reduced CA activity, while overexpression of ZmCA4 increased rubisco activity, as well as the quantum yield and relative electron transport rate in photosystem II. Overexpression of ZmCA4 enhanced maize yield–related traits. Moreover, ZmCA4 interacted with aquaporin ZmPIP2;6 in bimolecular fluorescence complementation and co-immunoprecipitation experiments. The double-knock-out mutant for ZmPIP2;6 and ZmCA4 genes showed reductions in its growth, CA and PEPC activities, assimilation rate and photosystem activity. RNA-Seq analysis revealed that the expression of other ZmCAs, ZmPIPs, as well as CO2 signaling pathway homologous genes, and photosynthetic-related genes was all altered in the double-knock-out mutant compared with the wild type. Altogether, our study’s findings point to a critical role of ZmCA4 in determining photosynthetic capacity and modulating CO2 signaling regulation via its interaction with ZmPIP2;6, thus providing insight into the potential genetic value of ZmCA4 for maize yield improvement.
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