鋅對(duì)水稻碳酸酐酶和光合作用的調(diào)節(jié)作用研究.pdf

1、鋅是生物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的微量營(yíng)養(yǎng)元素，參與生物代謝中多種酶的組成與活性調(diào)節(jié)。植物碳酸酐酶(CA)是一種鋅金屬酶，其活性與植物的光合作用密切相關(guān)。高等植物CA主要分為α、β和γ三種亞型，其中β-CA亞型可高效催化CO2的可逆水合反應(yīng)，參與高等植物光合作用中CO2轉(zhuǎn)運(yùn)與固定過(guò)程，γ-CA是線粒體復(fù)合體Ⅰ的組成成分，參與植物呼吸代謝。水稻中已發(fā)現(xiàn)多種CA亞型，目前對(duì)各亞型CA同鋅的響應(yīng)，及其與光合作用的關(guān)系尚不清楚。本研究試圖分析CA活性對(duì)

2、鋅離子的響應(yīng)，并探究CA與光合作用的關(guān)系，為以改善光合作用為目標(biāo)提高作物產(chǎn)量提供參考的依據(jù)與理論研究基礎(chǔ)。
　　本研究選用N22、R49、9311三個(gè)水稻品種，在水稻生長(zhǎng)的分蘗盛期或孕穗期葉片噴施0.2％硫酸鋅，測(cè)定各品種開花后0d、10d、20d劍葉的凈光合速率及SPAD值，并分析水稻β-CA和γ-CA的基因及蛋白表達(dá)與酶活性水平，以期闡明各亞型CA同鋅及光合作用的相互作用關(guān)系。主要內(nèi)容包括：⑴葉面噴施0.2％硫酸鋅，N22、9

3、311、R49三個(gè)水稻品種不同時(shí)期劍葉的SPAD值、CA活性、凈光合速率(Pn)三項(xiàng)生理指標(biāo)普遍提高。在水稻開花后0d和10d，三個(gè)水稻品種劍葉三項(xiàng)生理指標(biāo)維持相對(duì)較高的水平，其中N22一直處于最低水平。生理指標(biāo)相關(guān)性分析表明，SPAD值、CA活性同凈光合速率是顯著正相關(guān)的。⑵利用RT-qPCR技術(shù)對(duì)水稻β-CA和γ-CA基因表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，N22、9311、R49三個(gè)水稻品種劍葉及劍葉鞘中葉綠體型β-CA1和β-CA2基因大量表達(dá)，噴鋅

4、處理后β-CA1和β-CA2表達(dá)上調(diào)，同CA活性和凈光合速率趨勢(shì)一致。本研究明確β-CA1和β-CA2為水稻CA家族的主效基因。制備β-CA1抗體，利用WesternBlot技術(shù)對(duì)水稻CA蛋白表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，噴鋅處理后，CA蛋白積累量略高于對(duì)照組。⑶于分蘗期或孕穗期，對(duì)盆栽水稻品種9311和R49噴鋅處理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)期噴鋅處理對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響不同。在開花當(dāng)天(0d)，各水稻劍葉CA活性及基因表達(dá)量表現(xiàn)為，分蘗期處理組高于孕穗期處理組，

5、在開花后10d、20d，結(jié)果恰恰相反。據(jù)此推測(cè)鋅可以延長(zhǎng)水稻葉片功能維持期和籽粒灌漿時(shí)間。⑷比較各水稻劍葉及劍葉鞘CA活性及其基因表達(dá)量發(fā)現(xiàn)，CA大量分布于劍葉中，尤其在灌漿早期，劍葉CA活性及其主效基因表達(dá)量顯著高于劍葉鞘，而在水稻籽粒灌漿后期，劍葉片與劍葉鞘中CA活性及其表達(dá)量相近。分析可能由于劍葉片是水稻主要光合功能葉，而葉鞘的衰老速度慢于葉片，且葉鞘可作為水稻光合作用的器官之一，其光合潛能是不可忽視的。⑸利用在線分析軟件PSRP

6、RED、TargetP和WolfPsort、ProtParam Tools、ClustalW2對(duì)水稻β-CA和γ-CA蛋白一級(jí)及二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。結(jié)果顯示β-CA是一種主要定位于葉綠體的堿性不穩(wěn)定蛋白，γ-CA是定位于線粒體的酸性穩(wěn)定蛋白。而且只有β-CA中存在高等植物高度保守的鋅結(jié)合活性位點(diǎn)Cys(114)-His(174)-Cys(177)。⑹證實(shí)水稻CA活性與凈光合速率正相關(guān)，并確定水稻CA家族的主效基因?yàn)槿~綠體型的β-CA1