单细胞多组学研究揭示大莎草C3/C4光合作用切换的分子机制
我们近期的研究揭示了大莎草（Eleocharis baldwinii）如何通过环境触发的顺式调控变化，在C3和C4光合模式之间进行灵活切换。
由 XinLab 与华中农业大学等机构合作的研究论文 “Genomic and Cis-Regulatory Basis of a Plastic $C_3$-$C_4$ Photosynthesis in Eleocharis baldwinii” 已在 Advanced Science 发表。该研究利用单细胞多组学技术，解析了这种兼性C4植物在环境适应中的复杂分子机制。
研究背景
$C_4$ 光合作用具有极高的碳固定效率，是解决全球粮食安全的关键方向。然而，C4特征（如特殊的克兰兹结构）是如何在进化中形成的，以及环境如何调控这一过程，仍有待深入研究。大莎草作为一种能在C3（水中）和C4（陆地）模式间自由切换的“双修”植物，是破解这一奥秘的绝佳模型。
核心发现
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组装高质量的异源四倍体基因组 研究团队组装了大莎草高质量的端到端基因组（708.9 Mb），并发现其亚基因组在不同环境下表现出明显的表达优势现象。
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单细胞水平的细胞异质性解析 利用单细胞核 RNA 测序（snRNA-seq），研究构建了大莎草叶片的细胞表达图谱。结果显示，在陆地环境下，$C_4$ 代谢相关的关键酶基因在维管束鞘细胞（BS）和叶肉细胞（M）中表现出高度的细胞特异性。
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环境触发的顺式调控开关 结合单细胞染色质可及性测序（snATAC-seq），研究发现 $C_4$ 通路的开启仅涉及少数受环境诱导、且具有细胞特异性的顺式调控元件。这意味着，通过少量的调控改变，植物就能在不同光合模式间切换。
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进化上的保守性与差异 通过与玉米（专性 $C_4$ 植物）的对比分析，发现控制“克兰兹结构（Kranz anatomy）”发育的顺式调控家族在物种间是保守的，但 $C_4$ 代谢核心酶的调控模式则表现出物种特异性。
研究意义
这项工作不仅为理解光合作用的进化提供了新视角，更重要的是，它证明了通过精准调控少数顺式作用元件，就有可能在非 $C_4$ 植物中诱导产生 $C_4$ 效率，为未来“ $C_3$ 改 $C_4$” 的作物精准育种提供了理论依据。
协作与支持
本项目由华中农业大学林拥军教授、李祥教授团队与华大研究院（XinLab）等单位合作完成。XinLab 团队（刘心、陈钏等）在基因组组装、单细胞多组学数据分析及调控网络重构中贡献了核心力量。