高表達轉(zhuǎn)玉米C4--PEPC基因水稻在低氮脅迫下的生理調(diào)節(jié).pdf

1、氮素對于植物是一種重要的營養(yǎng)元素，是蛋白質(zhì)、核酸、磷脂等有機化合物的構(gòu)成成分，在植物的營養(yǎng)生長和生殖生長中都起著重要的作用。同時，氮素與葉綠素的含量、葉綠體發(fā)育、光合酶活性有著密切的聯(lián)系，所以，氮素對于植物的光合作用有著重要的作用影響作物的產(chǎn)量。水稻是最主要的糧食作物之一，為將近一半的世界人口提供食物。近十年，雖然水稻通過傳統(tǒng)的栽培方式提高了產(chǎn)量，但是增加的產(chǎn)量仍是有限的。光合作用與產(chǎn)量有著密切的關(guān)系，由于C4植物與C3植物相比有著花環(huán)

2、結(jié)構(gòu)和C4-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，能夠?qū)O2進行濃縮，使其在相同的環(huán)境中更具有光合優(yōu)勢，所以很多學(xué)者通過轉(zhuǎn)基因的方式將C3植物水稻向C4植物方面改造，希望能夠通過提高光合作用來增加產(chǎn)量。Ku將玉米的C4-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC;EC4.1.1.31）的全基因，通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)到粳稻品種（Kitaake）中，成功實現(xiàn)高表達，獲得轉(zhuǎn)基因植株，并表現(xiàn)出光合特性和籽粒產(chǎn)量提高的特征。進一步的研究表明，該轉(zhuǎn)基因材料也耐低氮，但其耐低氮

3、的生理調(diào)節(jié)機制尚未見研究報道。本研究在盆栽條件下，通過長期的低氮處理，以高表達的轉(zhuǎn)C4-PEPC基因水稻(PC)和受體(WT)為研究材料，連續(xù)2年觀察其產(chǎn)量、光合、生理和酶等的變化;并進一步，進行水培短期的低氮處理，通過碳氮代謝相關(guān)酶活性以及光呼吸相關(guān)酶活性和基因的表達，研究PC響應(yīng)低氮脅迫的生理機制，主要結(jié)果如下:
　　1.在盆栽300 kg/hm2(中氮，MN)條件下，相對于WT，PC水稻產(chǎn)量是較高的，但是在65 kg/hm2

4、（低氮，LN)）處理條件下產(chǎn)量沒有顯著差異。低氮條件下PC與WT相比，分蘗數(shù)、葉重、莖重和總的生物量均顯著提高。這說明在低氮條件下，PC相對于WT來說，將其光合提高所固定的產(chǎn)物用于維持生物量，使其更好的抵御低氮逆境。同時在對總氮含量和可溶性糖的測定中看到，PC的葉片能夠在較低的氮素條件下積累較多的可溶性糖，這可能與其光合作用有著密切的關(guān)系。
　　2.為了探究PC水稻在低氮條件下生物量提高的生理機制，同時分析了盆栽條件不同氮素處理下

5、，兩種水稻材料在開花前期（開花后14天）和后期（在開花后28天）光合相關(guān)的參數(shù)以及碳氮代謝相關(guān)酶活性。結(jié)果表明，在低氮處理條件下，PC相對于WT來說，在開花后14天和28天，其凈光合速率分別提高了13.10％(P＜0.05)和29.29％(P＜0.05)，但是，水分利用效率、羧化效率、胞間CO2濃度等光合參數(shù)沒有提高。對碳氮代謝相關(guān)酶的活性的分析表明:Rubisco羧化酶在開花后14天和28天時活性分別提高了67.86％和52.63％(

6、P＜0.05);硝酸還原酶在14天和28天時的活性分別提高79.49％(P＜0.05)和17.96％;谷氨酰胺合成酶僅在開花后28天時活性提高28.48％(P＜0.05)。PC對氮代謝酶的分期誘導(dǎo)增加，有利于其抵御低氮逆境。
　　3.為了進一步探究PC耐低氮早期響應(yīng)的生理機制，對四葉期的水稻進行水培低氮處理7天，發(fā)現(xiàn)PC植株體內(nèi)碳氮代謝相關(guān)酶活性PEPC和NR活性均相對于WT顯著提高(P＜0.05)，并且有關(guān)光呼吸代謝相關(guān)的酶乙醇

7、酸氧化酶以及甘油酸激酶活性均顯著提高(P＜0.05)。同時，在對光呼吸相關(guān)基因的表達分析中發(fā)現(xiàn)，在正常氮素條件下，PC的OsPGLP，OsGLO5和OsGLYK都下調(diào)(P＜0.05)。低氮條件下會使PC體內(nèi)的OsGLO5基因上調(diào)(P＜0.05)，但是，OsPGLP和OsGLYK基因表達下調(diào)(P＜0.05)，但是這三種基因的表達均高于WT(P＜0.05)。在正常條件下，PC中光呼吸相關(guān)的基因表達均小于WT，說明由于PEPC基因的導(dǎo)入會減少