本研究题为《Exaptation of Ancestral Cell-Identity Networks Enables C4 Photosynthesis》，作者团队包括Joseph Swift、Leonie H. Luginbuehl、Lei Hua等，主要机构为Salk Institute for Biological Studies和剑桥大学植物科学系。本论文发表于Nature期刊，并于2024年在线发布。
C4光合作用是一种独特的光合作用路径，能够相比于传统的C3光合作用提升光能化学转化效率约50%。这一路径在包括玉米和高粱等重要粮食作物在内的超过60个植物谱系中独立演化，展现出对于高温和干旱环境的极强适应力。这一路径的重要特征在于将CO2固定作用分割至叶肉细胞（mesophyll cells）和维管束鞘细胞（bundle-sheath cells）。然而，维管束鞘细胞如何获得允许高效光合作用的“新细胞身份”，这一复杂调控过程的关键分子机制此前尚不清楚。
本研究的目标是通过研究传统C3植物（如水稻）和C4植物（如高粱）的基因表达和染色质开放图谱，解析维管束鞘细胞在C4光合作用中的转录因子调控网络，并探索这一网络如何通过进化在C4植物中被重新利用。
研究大致可分为几个步骤： 1. 创建单核基因表达和染色质开放图谱
作者使用水稻和高粱生成单细胞水平的基因表达和染色质开放性图谱，覆盖脱黄化（de-etiolation）条件下的多个时间点（0小时至48小时）。通过分析这些图谱，揭示植物细胞对光刺激产生的响应，以及与特定细胞类型相关的基因特异性表达差异和染色质开放特性。
正交基因鉴定
使用Orthofinder进行跨物种基因同源性比对，将高粱和水稻的基因进行正交分析以创建跨物种基因关联信息。
染色质调控元件的分析
综合不同细胞类型的染色质开放区域，筛选过表达cis-调控元件（cis-regulatory elements），并在C4植物高粱中验证与维管束细胞特异性调控相关的特定转录因子结合位点，如“DOF”motif（DNA binding with one finger motif）。
定性实验验证
通过荧光激活核筛选（FANS）技术对维管束细胞核进行分离，并借助转录激活试验和GUS检测验证转录因子调控的有效性。
实验建模
作者最终构建模型，说明DOF结合位点的获取如何使C3光合作用中维管束细胞的祖先身份网络在C4植物中被重新利用。
C3和C4植物的基因表达特性
在暗条件下，光合作用基因的表达水平已显示出细胞类型相关性，即某些光合作用相关基因的表达在维管束细胞中显著高于其他细胞类型。而在光刺激12小时后，这种基因表达分区模式在C4高粱中尤为明显。
祖先性细胞身份基因调控网络的共性
在水稻和高粱中发现了共享的细胞类型特异性cis-调控元件（如DOF motif），这些元件在C3植物维管束细胞和C4植物维管束细胞中均显著富集。
光合作用基因的重新连接（Rewiring）
高粱的C4基因（特别是NADP-ME和光呼吸相关基因如Rbcs）相较于水稻，其表达调控的染色质区域显著富含DOF motif。这表明，DOF结合位点的获取是驱动这些基因从C3系统转为C4表达模式的重要因素。
DOF家族转录因子在维管束细胞的高表达
水稻和高粱的DOF家族转录因子在维管束细胞中普遍高表达，且其跨物种的表达模式表现出较强的一致性。
转录因子功能验证
通过原生质体瞬时表达系统中的效应因子试验，揭示了DOF转录因子对高粱C4特异性基因表达的直接调控能力。同时，突变DOF结合序列可显著降低下游基因的活动，如GUS检测显示突变的序列活性降低2.8倍。
进化模型的构建
作者提出模型表明，在C4植物的进化过程中，C4基因通过获取与维管束细胞身份相关的祖先cis-调控元件（如DOF motif），实现了新的基因表达分区模式，同时借助稳定的转录因子网络加强维管束细胞中基因表达水平。
本研究在理解C4光合作用进化机理方面提供了关键分子线索。其不仅揭示了部分植物如何通过获取祖先调控程序实现功能进化，还为通过生物工程在C3作物中导入C4光合作用提供了潜在方法。特别是，通过人工重构水稻等C3作物的维管束细胞调控网络，可能实现更高效的光合作用性能，从而推动粮食生产力的进一步提高。
研究进一步讨论了该发现对生物工程的启发，特别是如何利用DOF motif的调控特性为水稻等C3植物设计新的基因表达模式。如成功实现，其可能为解决全球粮食短缺问题做出重大贡献。
综上所述，该论文通过对水稻和高粱的单核基因组学和快速脱黄化响应分析，为光合作用分子进化提供了新见解，并为跨物种基因工程应用奠定了重要基础。