葉肉細(xì)胞特異表達(dá)焦磷酸化酶基因OsIP1在不同“源、庫(kù)類(lèi)型”水稻品種中的效應(yīng)研究.pdf

1、高產(chǎn)育種始終是水稻最重要的育種目標(biāo)之一。為了提高水稻的產(chǎn)量水平，一些研究者提出了這樣一種思路:改進(jìn)作物光合作用效率和光合產(chǎn)物的分配進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量。淀粉和蔗糖是植物光合作用形成的主要終產(chǎn)物。在C3植物中，卡爾文循環(huán)中形成的磷酸丙糖(Triosephosphate，TP)決定了淀粉和蔗糖的合成與分配?？傮w而言，大部分TP通過(guò)位于葉綠體被膜上的磷酸丙糖轉(zhuǎn)運(yùn)器(triose phosphate translocator，TPT)與無(wú)機(jī)磷酸基團(tuán)

2、(pi)的對(duì)等交換被轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)，并在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的一系列酶促反應(yīng)下合成蔗糖，而滯留在葉綠體內(nèi)的TP可在一系列酶促反應(yīng)下合成淀粉。胞質(zhì)型無(wú)機(jī)焦磷酸化酶(Inorganic pyrophosphatase，PPase)可在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)催化焦磷酸基團(tuán)(ppi)分解為磷酸基團(tuán)(pi)。通過(guò)調(diào)節(jié)ppi和pi的比例，可以有機(jī)協(xié)調(diào)蔗糖合成反應(yīng)、淀粉合成以及質(zhì)體中的糖酵解反應(yīng)。因此，從理論上推測(cè)過(guò)表達(dá)外源無(wú)機(jī)焦磷酸化酶基因時(shí)，可不斷使細(xì)胞質(zhì)中的ppi轉(zhuǎn)化為p

3、i，刺激細(xì)胞質(zhì)中的酶促反應(yīng)向有利于蔗糖合成方向進(jìn)行，同時(shí)也為T(mén)P通過(guò)TPT進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)提供充足的交換體pi。由于蔗糖合成量的增加必將消耗更多的光合原初產(chǎn)物，從而促進(jìn)源葉片的光合作用，增加植物光合產(chǎn)物的合成。
　　蔗糖是植物碳轉(zhuǎn)運(yùn)的主要形式。蔗糖在維管束中的長(zhǎng)距離運(yùn)輸需要ppi的存在。若人為操作PPase基因在植物體內(nèi)恒定而持續(xù)的表達(dá)，可能會(huì)導(dǎo)致維管束中的ppi也被分解為pi，造成蔗糖在韌皮部的裝載受阻，不能及時(shí)被輸送到植物需要的各個(gè)

4、部位。前人研究表明特異啟動(dòng)PPase基因的表達(dá)可避免這一問(wèn)題。本研究嘗試?yán)萌~肉細(xì)胞特異表達(dá)啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)PPase基因的表達(dá)，同時(shí)為了降低轉(zhuǎn)基因安全性風(fēng)險(xiǎn)，利用水稻自身的胞質(zhì)型無(wú)機(jī)焦磷酸化酶基因OsIP1作為靶基因，研究其在水稻產(chǎn)量形成中的潛在效應(yīng)。
　　另外，不同源庫(kù)類(lèi)型的品種對(duì)植物光合產(chǎn)物的需求也不同，光合產(chǎn)物的分配常受到庫(kù)需要量的支配，改變光合產(chǎn)物的分配后，對(duì)產(chǎn)量的影響可能也不相同。因此，本研究還將分析OsIP1基因在不同源庫(kù)

5、類(lèi)型品種中是否存在效應(yīng)差異的問(wèn)題，或日其更適用于在那類(lèi)品種上加以應(yīng)用。研究主要結(jié)論如下:
　　1、以6個(gè)不同穗型的水稻品種為試驗(yàn)材料，通過(guò)剪葉和疏花處理，明確了各水稻品種的源、庫(kù)特征。結(jié)果表明:4個(gè)粳稻品種中，中超123穗型最大，籽粒充實(shí)度較差，有明顯的兩次灌漿現(xiàn)象，為典型“源限制型”品種;穗粒并重型品種恢236表現(xiàn)庫(kù)大源足，粒/葉和粒重/葉均最小，但籽粒充實(shí)度也較差，為“源大庫(kù)大流不暢”;多穗型品種武陵粳1號(hào)源庫(kù)較協(xié)調(diào)，同化物質(zhì)

6、運(yùn)轉(zhuǎn)能力較強(qiáng)。同為多穗型品種農(nóng)墾57，結(jié)實(shí)率、籽粒充實(shí)度均最高，單株總庫(kù)容量最小，屬于“庫(kù)限制型”品種。2個(gè)秈稻品種中，揚(yáng)稻6號(hào)表現(xiàn)與武陵粳1號(hào)相似，為“源庫(kù)協(xié)調(diào)型”;R6547籽粒充實(shí)度較好，即使在剪葉處理下灌漿后期物質(zhì)也有向莖稈再積累的現(xiàn)象，屬于“庫(kù)限制型”品種。
　　2、利用生物信息學(xué)對(duì)水稻中約30個(gè)無(wú)機(jī)焦磷酸化酶編碼基因進(jìn)行了氨基酸序列比較、結(jié)構(gòu)域特征、亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)以及上游順式元件釋義等分析，進(jìn)而克隆了1個(gè)預(yù)測(cè)為編碼胞質(zhì)

7、型可溶性無(wú)機(jī)焦磷酸化酶的基因OsIP1(Os04g0687100)。利用水稻葉肉細(xì)胞特異啟動(dòng)子cyFBPase驅(qū)動(dòng)OsIP1基因的表達(dá)，構(gòu)建了嵌合基因cyFBPase∶OsIP1的雙T-DNA植物表達(dá)載體。
　　3、通過(guò)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將嵌合基因cyFBPase∶OsIP1分別導(dǎo)入“源限制型”水稻品種中超123和“庫(kù)限制型”品種農(nóng)墾57中，分別獲得了20、28個(gè)陽(yáng)性轉(zhuǎn)基因植株。根據(jù)QPCR分析和農(nóng)藝性狀比較，篩選高表達(dá)量且農(nóng)藝性狀沒(méi)有

8、明顯改變的T2轉(zhuǎn)基因純合株系進(jìn)行產(chǎn)量比較試驗(yàn)，分析在水稻葉肉細(xì)胞中特異性過(guò)表達(dá)OsIP1基因的效應(yīng)。結(jié)果顯示:
　　1)在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，轉(zhuǎn)基因株系的最高莖蘗數(shù)和穗數(shù)相比各受體親本均有不同程度的提高，且在分蘗性較強(qiáng)的品種上的提高效應(yīng)更為明顯;
　　2)在籽粒灌漿結(jié)實(shí)期，葉片、葉鞘中可溶性總糖、蔗糖和淀粉含量在整個(gè)灌漿期的變化趨勢(shì)與對(duì)照相似，但是在灌漿高峰期時(shí)，多數(shù)轉(zhuǎn)基因植株的葉片和葉鞘中的蔗糖含量顯著高于對(duì)照。
　　3)轉(zhuǎn)

9、基因株系的單株產(chǎn)量較野生型對(duì)照呈現(xiàn)不同程度的增加，其中“源限制型”品種中超123轉(zhuǎn)基因株系單株產(chǎn)量較對(duì)照增幅達(dá)顯著水平，而“庫(kù)限制型”品種農(nóng)墾57的相關(guān)轉(zhuǎn)基因株系增產(chǎn)未達(dá)顯著水平。此外，在單株干物總重上，轉(zhuǎn)基因株系相對(duì)野生型對(duì)照均有顯著提高。
　　以上結(jié)果表明:cyFBPase∶OsIP1基因的過(guò)表達(dá)均能使兩種類(lèi)型的品種生產(chǎn)更多的光合產(chǎn)物，產(chǎn)量較對(duì)照也不同程度增加，表明利用葉肉細(xì)胞過(guò)表達(dá)OsIP1基因這一策略改進(jìn)水稻的產(chǎn)量具有一定