轉(zhuǎn)C-,4-光合酶基因水稻的光合特性及生理機(jī)制研究.pdf

1、高等植物在光合類型上可分為C<,3>、C<,4>、CAM三大類。C<,4>和CAM植物是在逆境條件下經(jīng)過長期馴化，從C<,3>植物進(jìn)化而來的。與C<,3>植物相比，C<,4>植物由于具有CO<,2>濃縮機(jī)制，能在高光強(qiáng)、高溫及低濃度CO<,2>、干旱等條件下，比C<,3>植物有較高的光合速率和營養(yǎng)、水分利用效率。二十世紀(jì)末，隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的快速發(fā)展，以農(nóng)桿菌為介導(dǎo)已成功地將來自玉米編碼C<,4>光合途徑關(guān)鍵酶PEPC，PPDK，NADP

2、-ME的基因分別轉(zhuǎn)入水稻中，獲得了不同的高表達(dá)的轉(zhuǎn)基因水稻材料。通過對C<,4>途徑有關(guān)光合酶活性、光合作用對光的響應(yīng)和光抑制/光氧化條件下的葉綠素?zé)晒馓匦缘壬碇笜?biāo)的比較，研究了轉(zhuǎn)C<,4>光合酶基因水稻的生理特性。轉(zhuǎn)C<,4>光合酶基因水稻中，其相應(yīng)的酶活性確實(shí)得到了高表達(dá)。轉(zhuǎn)PPDK、PEPC光合酶基因水稻的飽和光合速率比原種高，其中轉(zhuǎn)PEPC基因水稻的光飽和點(diǎn)比原種高200μ mol m<'-2>s<'-1>，飽和光合速率比原種

3、高53．1％；而轉(zhuǎn)ME基因水稻的飽和光合速率略低于原種。在高光強(qiáng)(3 h)或光氧化劑甲基紫精(MV)處理后，與原種相比，轉(zhuǎn)PEPC酶基因水稻的PSII光化學(xué)效率(F<,v>/F<,m>)、實(shí)際光化學(xué)效率(FPSII)和光化學(xué)猝滅(q<'P>)下降得較少，證明其耐光抑制和耐光氧化能力增強(qiáng)。而轉(zhuǎn)ME基因水稻的F<,v>/F<,m>、FPSII和q<'P>下降的幅度高于原種，表明其易遭受光抑制和光氧化傷害。 進(jìn)一步用雜交的方法將ME基

4、因轉(zhuǎn)入PEPC+PPDK雙基因水稻，測定了不同轉(zhuǎn)C<,4>光合酶基因水稻的C<,4>光合酶活性、光合速率以及活性氧代謝有關(guān)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)原種中具有全套的C<,4>光合酶，但活性很低，而不同轉(zhuǎn)C<,4>光合酶基因水稻高表達(dá)了相應(yīng)的C<,4>酶活性。在高光條件下，與原種相比較，轉(zhuǎn)PPDK基因水稻的光合速率未增加；轉(zhuǎn)ME基因水稻的光合速率降低了7.6％；轉(zhuǎn)PEPC基因水稻的光合速率增加了52.1％，轉(zhuǎn)PEPC+PPDK雙基因水稻與轉(zhuǎn)PEPC基因水

5、稻相近。.ATP處理后，可顯著提高轉(zhuǎn)PEPC+PPDK雙基因水稻和轉(zhuǎn)PEPC+PPDK+ME基因水稻的光合放氧速率，后者達(dá)到玉米的82％，顯現(xiàn)出類似C<,4>的光合特點(diǎn)，表明ATP是構(gòu)建C<,4>水稻的關(guān)鍵因子。光氧化條件下，轉(zhuǎn)PEPC+PPDK+ME基因水稻的耐光氧化能力得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。對不同轉(zhuǎn)C<,4>光合酶基因水稻的生理特性研究，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)PEPC基因水稻顯著地增加光合能力。本文進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)PEPC基因水稻的光合保護(hù)能力，看到玉米P

6、EPC基因?qū)胨竞?，在高光?qiáng)下光合速率提高50％，光合作用的光抑制減輕。用PEPC的專一抑制劑證明光合的增加確實(shí)是與PEPC基因的導(dǎo)入有關(guān)。不同基因型水稻在高光高溫自然條件下中午均有光抑制現(xiàn)象，其中轉(zhuǎn)PEPC基因水稻中午F<,v>/F<,m>降低較少，光抑制較輕，光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率較高，熱耗散較低。 繼續(xù)將轉(zhuǎn)PEPC基因水稻經(jīng)過世代繁殖，逐代檢測、選擇，得到第8代穩(wěn)定的種質(zhì)。通過測定運(yùn)用穩(wěn)定和放射性碳同位素、光合速率和熒光

7、特性，結(jié)果表明該種質(zhì)為C<,3>植物，但C<,4>原初光合產(chǎn)物增多，表現(xiàn)出C<,4>光合特性有所改善；轉(zhuǎn)PEPC基因水稻是具高光效、耐光氧化并且其優(yōu)良的光合特性能穩(wěn)定遺傳的種質(zhì)，為我國的高光效育種提供了一個(gè)新的種質(zhì)資源。 以轉(zhuǎn)PEPC基因水稻種質(zhì)為父本，與粳稻9516雜交得到F<,1>代，再進(jìn)行花粉培養(yǎng)，經(jīng)過光合及酶活性篩選后，再經(jīng)過4年的定向篩選和監(jiān)測，得到穩(wěn)定的花粉株系JAAS45。通過對JAAS45與親本不同生育期的光合色

8、素含量、凈光合速率和水分利用效率的研究，發(fā)現(xiàn)JAAS45隨著發(fā)育階段的推進(jìn)，到分蘗期以后，JAAS45的單位葉面積Chl和Car含量超過9516，并一直維持著較高水平，與PC相近。JAAS45苗期的凈光合速率(Pn)與9516相近，而到了分蘗期，其Pn超過了9516，尤其到了抽穗及灌漿期其Pn還超過了PC。從苗期到抽穗期，JAAS45的水分利用效率(WUE)明顯高于9516，與PC相接近。說明JAAS45已與父本PC接近，不僅有較高的P

9、n和較強(qiáng)的抗光抑制能力，而且還能充分利用早晨和傍晚較弱的光強(qiáng)進(jìn)行光合作用。此外，JAAS45在生長發(fā)育期具有較高的WUE，有利于節(jié)約農(nóng)業(yè)用水。 另外，JAAS45抗光氧化研究發(fā)現(xiàn)，光氧化處理后，與其母本9516相比，JAAS45的F<,v>/F<,m>、FPSII和q<'P>下降的較少，而q<'N>增加的較多，說明在光氧化條件下，JAAS45吸收的光能中有較多的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，過剩的光能通過熱耗散而減輕光破壞；同時(shí)JAAS45

10、的內(nèi)源活性氧清除酶系超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)誘導(dǎo)的活性高于母本9516，從而有效清除水稻葉片內(nèi)的活性氧O<,2> ，使活性氧積累較少，因而膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)產(chǎn)生較少，表明JAAS45耐光氧化能力較強(qiáng)。在光氧化條件下，JAAS45的葉綠素和蛋白質(zhì)含量比9516下降較少，與父本相接近，表現(xiàn)出耐光氧化特性。對JAAS45及父母本進(jìn)行PCR檢測和PEPC酶活性的測定，并測定葉片CO<,2>交換和熒光指標(biāo)，顯示父