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PPDK是C4植物光合作用途径的限速酶，催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)、焦磷酸(PPi)、AMP生成丙酮酸、无机磷酸(Pi)和ATP。C4植物玉米基因组中有一对重复基因PPDKZM1和PPDKZM2。PPDKZM1主要在叶片中表达，其突变体表现为幼苗致死，说明该基因在玉米光合作用途径中具有不可替代的作用。PPDKZM2主要在胚乳中表达，其突变体植株能够正常生长。PPDKZM1和PPDKZM2突变体的种子均与野生型无异，但在胚乳中同时抑制PPDKZM1和PPDKZM2的表达，籽粒产生不透明的表型，表明二者在维持胚乳透明性上功能冗余。 本研究发现水稻基因组中存在一对重复基因编码PPDK，分别为OsPPDKB和OsPPDKA。进化生物学分析表明PPDKB是PPDK基因的祖先基因，在禾本科的C3植物和C4植物分化之前发生了一次重复事件，产生了另一个基因PPDKA。水稻和玉米分化之后，玉米祖先基因组中丢失了PPDKA拷贝，而PPDKB基因进一步发生了重复，故玉米基因组中PPDKZM1和PPDKZM2两个同源基因皆源于PPDKB。与玉米PPDK基因突变造成的表型不同，水稻Osppdka与Osppdkb突变体在营养生长阶段与野生型无任何差异，表明这两个基因皆非光合作用所必须，但二者的胚乳均有明显的垩白现象，其中OsPPDKB突变造成的胚乳垩白表型更为严重，表明两个基因均可独立影响胚乳透明性。蛋白质组学分析表明，OsPPDKA的突变引起其胚乳中大量储藏蛋白含量显著下降，包括所有鉴定到的11S类型的谷蛋白（例如GluA1、GluA2、GluA3、GluB1、GluB4、GluD1等）和醇溶蛋白(PROLM14、PROLM17、PROLM18、PROLM22、PROLM24、PROLM25、PROLM26、PROLM27)，同时引起水稻基因组中所预测的多个液泡膜质子转运焦磷酸酶(vacuolar H+-translocating inorganic pyrophosphatase，V-PPase)，例如OVP1、OVP2、OVP3、OVP5、OVP6等的表达量显著上升。V-PPase是液泡膜上的一种质子泵，利用焦磷酸水解所释放的能量，将质子运输到液泡内。植物细胞的细胞质内的焦磷酸浓度始终处于稳定状态。PPDK和V-PPase皆为焦磷酸依赖蛋白，都要通过消耗焦磷酸才能行使其生物学功能。本研究推测OsPPDKA的缺失会造成细胞质中PPi的浓度的变化，因而引发V-PPase表达量大幅上升应对PPi浓度的变化。近期有研究表明该家族成员之一Chalk5(OVP5，LOC_Os05g06480)基因表达量的上升会造成水稻胚乳的垩白现象。因此，推测OsPPDKA基因突变所引发的水稻胚乳垩白现象与V-PPase家族蛋白显著上升有关。与OsPPDKA缺失所造成的蛋白质组学变化不同，OsPPDKB的缺失导致了水稻胚乳中淀粉合成相关蛋白表达量的显著下降，例如AGPS2、SSI、SSIVb、BEI、BEIIb、ISA1、Susy1、Susy2、Susy4、OsBT1和UGP1，尤其是UGP1的表达量下降了近三倍。UDP-葡萄糖焦磷酸化酶(UDP-glucose pyrophosphorylase，UGPase)催化葡萄糖-1-磷酸、UTP与UDP-葡萄糖、PPi之间的可逆反应，UGPase也是PPi依赖的酶。另外，有研究表明，水稻ms-h突变体因UGP1(LOC_Os09g38030)的失活而产生胚乳垩白的表型。因此，推测OsPPDKB基因突变所导致的水稻胚乳垩白现象与UGP1蛋白表达量的显著下降有关。进一步分析表明，与野生型相比，Osppdkb突变体胚乳中淀粉粒的支链淀粉链长分布发生变化，而Osppdka突变体不变。这些结果与进化分析高度一致，表明二者已经在生物学功能上发生了明显分化，OsPPDKA主要控制胚乳中储藏蛋白的合成，而OsPPDKB则在胚乳淀粉合成中发挥重要作用。上述发现揭示了水稻PPDK在调控种子光合产物分配中的重要作用。 PPDK的酶活性受其调节蛋白PDRP调控。玉米基因组中有两个PDRP基因，PDRP1和PDRP2。本实验室先前研究表明在玉米叶片中，PDRP通过调控PPDK蛋白Thr-527位点的可逆磷酸化来调节它的活性，并且严格依赖光强。近期有研究表明降低玉米PDRP表达量会导致玉米叶片褪绿且不能正常生长，说明这个基因在玉米C4光合作用中同样具有不可替代的作用。本研究发现在水稻基因组中只有一个基因编码PDRP。该基因的突变不影响水稻的正常生长，但其胚乳出现垩白现象，其垩白程度与Osppdka突变体大致相同，但远逊于Osppdkb突变体。免疫印迹实验分析表明，OsPPDKA与OsPPDKB高度表达于灌浆的前中期，二者的表达量在灌浆晚期和干燥期显著下降，而OsPDRP则表达于水稻灌浆晚期和干燥期，OsPPDKA-Thr527与OsPPDKB-Thr527位点磷酸化水平也相应地在灌浆晚期和干燥期较高。这说明OsPPDKA与OsPPDKB均在灌浆前中期发挥重要作用，而晚期则通过降低二者的表达量，以及通过OsPDRP催化二者Thr-527位点的磷酸化来抑制其活性。百粒重测量数据表明同时抑制OsPPDKA与OsPPDKB表达，以及敲除OsPDRP均显著降低了水稻的百粒重，表明OsPPDKs影响水稻产量。 综上所述，本研究发现水稻OsPPDKA、OsPPDKB，以及二者的调节蛋白OsPDRP基因是调控稻米品质和产量的重要基因。OsPPDKA与OsPPDKB调控种子中光合产物分配的功能分化，以及OsPPDKs与OsPDRP表达的时间差异将会为未来的水稻育种工作和基因工程操作提供重要的理论指导。同时，水稻与玉米PPDK在调控光合产物分配机制上的差异为理解C3和C4植物的演化提供了重要参考。