水稻的C-,4-光合基因工程及其生理基礎(chǔ).pdf

1、高等植物在光合類型上可分為C3、C4、CAM三大類。C4和CAM植物是在逆境條件下經(jīng)過長期馴化，從C3植物進化而來的。與C3植物相比，C4植物由于具有CO2濃縮機制，能在高光強、高溫及低濃度CO2、干旱等條件下，比C3植物有較高的光合速率和營養(yǎng)、水分利用效率。然而遺憾的是，許多重要的糧食作物（例如水稻）都是光合效率較低的C3植物。從生理上分析，我國現(xiàn)有的高產(chǎn)水稻品種的光能利用率僅為1％～1.5％，與理想的光能利用率3％～5％相比，尚有很

2、大的潛力可挖。人們受到C4光合途徑的啟發(fā)，希望通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)改造水稻等C3植物，以增強其葉片的光合能力，從而達到提高光合效率和產(chǎn)量的目的。改善C3作物光合作用的內(nèi)在遺傳基礎(chǔ)，提高光合效率，已成為分子育種新興學科的重要研究領(lǐng)域。
　　 二十世紀末，隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的快速發(fā)展，以農(nóng)桿菌為介導己成功地將來自玉米編碼C4光合途徑關(guān)鍵酶PEPC、PPDK和NADP-ME的基因分別轉(zhuǎn)入水稻中，獲得了不同的高表達的轉(zhuǎn)基因水稻材料。本文以轉(zhuǎn)C4基

3、因的水稻為材料，進行了系列研究，得到以下結(jié)論：
　　 1.利用凍融法，使用不同的CaCl2濃度對不同細胞生長狀態(tài)的農(nóng)桿菌進行重組質(zhì)粒導入的研究，以確定最適的導入條件。結(jié)果表明，菌體OD600值和不同的CaCl2濃度對轉(zhuǎn)化有不同程度的影響。在OD600值為0.4時，液氮條件下用濃度為50mmol.L-1的CaCl2溶液對菌體進行處理得到的轉(zhuǎn)化率最高。實驗得到轉(zhuǎn)化子，并進行了菌落PCR技術(shù)的鑒定。
　　 2.以雜交水稻的親本

4、秈稻不育系2364S為材料，建立了農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化的體系，以期獲得轉(zhuǎn)PEPC基因的秈稻親本，為雜種優(yōu)勢利用和生理育種的結(jié)合提供依據(jù)。
　　 3.進一步用雜交的方法獲得轉(zhuǎn)PEPC+PPDK雙基因水稻，測定了環(huán)境因素對其光合生理指標的影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)PEPC+PPDK基因水稻顯著地增加了光合能力。進一步研究轉(zhuǎn)PEPC+PPDK基因水稻的光合保護能力，看到玉米PEPC和PPDK基因?qū)胨竞?，在高光強下光合速率提?0％，光合作用的光抑制減輕。

5、在高光高溫自然條件下轉(zhuǎn)PEPC+PPDK基因水稻中午Fv/Fm降低較少，光抑制較輕，光能轉(zhuǎn)化為化學能的效率較高，熱耗散較低。在中度干旱處理后，轉(zhuǎn)PEPC+PPDK基因水稻表現(xiàn)出凈光合速率和蒸騰速率高，氣孔導度增加，胞間CO2濃度降低的特性。
　　 4.以原種和轉(zhuǎn)PEPC+PPDK雙基因水稻為材料，進行了PCR檢測，C4光合酶活性的測定。通過ATP處理后，分析了光、溫-光合曲線和活性氧代謝有關(guān)指標，統(tǒng)計分析了相關(guān)的產(chǎn)量構(gòu)成因素。原

6、種中雖有全套的C4光合酶，但活性很低。PCR檢測出玉米的PEPC和PPDK基因轉(zhuǎn)入普通水稻后，轉(zhuǎn)PEPC+PPDK雙基因水稻高表達了C4光合酶。在高光和高溫條件下，同未施ATP的相比，ATP處理后轉(zhuǎn)PEPC+PPDK雙基因水稻光合速率提高17％，在光氧化條件下，耐光氧化能力進一步增強，產(chǎn)量提高15％。ATP處理后，轉(zhuǎn)PEPC+PPDK基因水稻增強了光合生產(chǎn)力，表明ATP是設(shè)計類似C4水稻的關(guān)鍵因子。
　　 5、測定了不同轉(zhuǎn)C4光

7、合酶基因水稻的C4光合酶活性、光合速率以及活性氧代謝有關(guān)指標，發(fā)現(xiàn)原種中具有全套的C4光合酶，但活性很低，而不同轉(zhuǎn)C4光合酶基因水稻高表達了相應的C4酶活性。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和轉(zhuǎn)PEPC+PPDK雙基因水稻的光飽和點比原種高200μmol m-2 s-1,而轉(zhuǎn)PPDK、ME基因水稻的光飽和點與原種相差不大。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