转玉米C_4光合酶基因水稻株系中的光合C_4微循环

用转PEPC、PPDK、NADP ME、PEPC +PPDK等酶基因的水稻株系及原种野生型 (WT)为材料 ,研究了不同基因型水稻叶片中的C4光合微循环及其功能。用外源OAA或MA饲喂叶切片或离体叶绿体后 ,光合放氧速率在野生型水稻中增加了 5 0 % ,在NADP ME 和PPDK 转基因水稻中增加了 5 0 %～ 5 4 % ,在PEPC 和PEPC +PPDK 转基因水稻中增加了10 0 %～ 15 0 %。证明原种水稻Kitaake叶片中具有一个原初的和有限的C4光合微循环 ,除PPDK基因、NADP ME基因外 ,外源PEPC基因或PEPC +PPDK双基因导入原种水稻Kitaake后 ,可大幅度提高C4光合微循环的运行。水稻中C4光合微循环的增强有降低光呼吸速率 (Pr)、增加净光合速率 (Pn)的作用 ,在光能利用上 ,可增加PSⅡ光化学效率 (Fv/Fm)、光化学猝灭 (qp)、降低非光化学猝灭 (qN)的作用 ;

CO2浓度升高对土壤-植物(春小麦)系统光合碳分配和积累的影响

光合碳在土壤-植物系统的分配与截获是生态系统碳循环过程研究中的重要科学问题,解决这个问题对农田生态系统未来大气CO2浓度升高或CO2施肥条件下的农田土壤碳截获能力评价具有重要意义。实现土壤-植物系统新老碳的区分必须依赖于同位素示踪技术。因此,研究利用13C标记CO2供给春小麦生长,并在小麦不同生长阶段(拔节期、抽穗期和成熟期)测定光合C在小麦植株中的富集动态以及转运到地下部分的碳同化物变化。结果表明:CO2浓度升高可促进植物光合作用,产生更多的碳同化产物,增加小麦各器官生物量,增幅在拔节期最为显著。CO2浓度升高同时显著提高了光合C在小麦各器官的富集程度。在收获期,籽实中积累的光合C数量在CO2浓度升高条件下显著高于常规浓度,表明CO2浓度升高通过增加生物量,促进光合C的富集而提高了作物产量。随着小麦的生长,土壤中13C富集比例不断增加,但是在一个生长季中土壤有机碳含量并未发生显著变化,表明光合C不断向土壤转化并促进了SOC的更新。在常规CO2浓度下,经过小麦一个生长季后共有140mg·kg-1的13C进入土壤,其中植物光合C所占比例为97.9%。在CO2升高条件下,土壤13C富集比例在拔节期和抽穗期与常规CO2处理没有显著差异,到了成熟期13C富集比例由-17.9‰增至3.1‰,比常规CO2浓度处理提高了52.4%,表明更多的光合C在作物营养生长后期通过根系过程进入土壤,促进了SOC的更新。

转PEPC＋PPDK双基因水稻的光合特性

【目的】系统研究ATP处理后转PEPC+PPDK双基因水稻的光合特性,证明ATP是增强转C4基因水稻光合能力的关键因子。【方法】以原种和转PEPC+PPDK双基因水稻为材料,进行了PCR检测,C4光合酶活性的测定。通过ATP处理后,分析了光、温—光合曲线和活性氧代谢有关指标,统计分析了相关的产量构成因素。【结果】原种中虽有全套的C4光合酶,但活性很低。PCR检测出玉米的PEPC和PPDK基因转入普通水稻后,转PEPC+PPDK双基因水稻高表达了C4光合酶活性。在高光和高温条件下,同未施ATP的相比,ATP处理后转PEPC+PPDK双基因水稻光合速率分别提高17%和12%。在光氧化条件下,耐光氧化能力进一步增强,产量提高15%。【结论】ATP处理后,转PEPC+PPDK双基因水稻增强了光合生产力,表明ATP是设计类似C4水稻的关键因子。

氮素水平对转C4光合基因水稻花期剑叶PSⅡ荧光特性的影响

为探讨转C4光合基因水稻在生育后期剑叶PSⅡ对氮素水平的响应特性,采用转pepc(PC)、ppdk(PK)、pepc+ppdk(CK)和未转基因的Kitaake(WT)为试验材料,测定了不同氮素条件下(0.7 mmol/L(1/4N)、3 mmol/L(1N)、6mmol/L(2N))不同品种剑叶SPAD值和形态学指标的变化,并运用叶绿素荧光动力学技术测定了各个品种叶绿素荧光动力学曲线和荧光参数的变化。结果表明,1/4N处理能增加各品种的根长,减小剑叶面积、株高以及叶片叶绿素含量,2N能使剑叶面积和叶绿素含量增加,转C4光合基因品种叶绿素含量在1/4N氮条件下具有显著优势,PC在1/4N条件下具有最长根长和最大剑叶面积,具有显著的形态学优势。1/4N处理使所有品种的荧光曲线出现了K相(300μs处)的增加,转C4基因水稻材料K相的峰值都比原种低,PC的峰值最低。叶绿素荧光曲线分析表明,低氮破坏了剑叶PSⅡ的构造,造成所有品种PSⅡ的OEC失活,从而出现300μs处K相的增加,低氮还造成所有品种失活反应中心增加,电子传递活性减弱,热耗散增加,进而造成PSⅡ最大光化学活性的减小。而PC在低氮当中PSⅡ的所有指标都显著高于其他品种,具有相对稳定的PSⅡ结构,具有耐低氮的优势。高氮对各品种PSⅡ光化学活性的影响不大。

晚红葡萄着色期光合产物^(14)C的分配规律

为能更好地了解着色期光合产物的分配规律,提高晚红葡萄果实品质和产量,以露地栽培的2年生晚红葡萄为试材,采用田间饲喂14C的方法,饲喂果枝上不同节位的叶片以及环割处理,对果枝上各节位叶片光合产物14C输出分配进行了研究。研究表明,叶片的相对位置影响同化产物向果实的运输和分配,果穗同侧叶片是果实着色期主要源叶,而异侧叶片尤其是果穗上部的叶片光合产物39%以上分配到所在枝条以下的枝蔓上,且分配率与器官的重量有关。环割处理后,消除叶片相对位置对果实及其他器官光合产物分配的影响。提高果实品质和产量可以通过增加果枝上叶片数量和环割处理实现。

C_4光合关键酶基因转化C_3植物

文章介绍C_4光合关键酶和转运蛋白基因转化C_3植物的研究进展。

干旱胁迫对2种光合类型C_4荒漠植物叶片光合特征酶和抗氧化酶活性的影响

以荒漠C4草本植物蔷薇猪毛菜(NADP苹果酸酶型,NADP-ME)和粗枝猪毛菜(NAD苹果酸酶型,NADME)为研究对象,采用盆栽控水试验设置正常供水和轻度、中度、重度干旱处理(土壤含水量分别为田间持水量80%、60%、45%和35%),通过测定不同程度干旱胁迫下叶片含水量、C4光合特征酶和抗氧化酶活性等指标,探讨不同类型C4荒漠植物光合特征酶和抗氧化系统对干旱逆境的适应机制。结果显示:(1)2种植物叶片含水量均随干旱胁迫的加剧不同程度降低。(2)叶片磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)活性在中度干旱胁迫下显著增加而在重度干旱胁迫下急剧下降;蔷薇猪毛菜NAD-ME活性和粗枝猪毛菜NADP-ME活性都很低,且它们基本不受干旱胁迫的影响;随干旱胁迫的加剧,蔷薇猪毛菜NADP-ME活性呈下降趋势,而粗枝猪毛菜NAD-ME活性先显著增加而在重度干旱胁迫下显著降低。(3)随着干旱胁迫的加剧,叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性呈下降趋势,过氧化物酶(POD)活性在不同程度干旱胁迫下均有不同程度增加;过氧化氢酶(CAT)活性在中度干旱胁迫下均有不同程度的增加,但在重度干旱胁迫下蔷薇猪毛菜CAT活性降低,而粗枝猪毛菜CAT活性显著增加;丙二醛(MDA)含量随干旱胁迫的加剧均有不同程度的增加。研究认为,一定程度干旱胁迫下,2种荒漠植物的PEPC活性均有增加;不同光合类型C4植物叶片脱羧酶(NADP-ME和NAD-ME)对干旱胁迫的响应有明显的差异。POD和CAT是这两种C4植物适应干旱胁迫的主要抗氧化酶,但蔷薇猪毛菜CAT在重度干旱胁迫下没有起到积极保护作用。

转C4光合固碳相关基因水稻的研究进展

近10年来,转C4光合固碳相关基因水稻的研究取得了长足进展,已受到国内外科学界的广泛关注。本文简要介绍并评述了有关方面的研究进展,包括水稻的C4光合固碳基因工程、转C4固碳相关基因水稻光合和光氧化的生理特性及转C4光合固碳相关基因水稻的生理育种3个方面;提出以常规育种和生物技术相结合,开展转C4光合固碳相关基因水稻的生理育种,是培育优质、高产超级稻的有效途径。

转C_4光合基因水稻特征特性及其在两系杂交稻育种中的应用

对pepc、ppdk和pepc +ppdk三种转基因水稻农艺性状观察表明 ,与原种Kitaake相比单株有效穗有不同程度的增多 ,单株产量相应提高 ,特别是pepc和ppdk基因聚合后 ,单株有效穗和单株产量分别比受体亲本Kitaake提高 2 9.1%和2 7.0 %。三种转基因材料作基因供体分别与受体光敏核不育系培矮 6 4S、2 30 4S和 2 30 6S杂交后 ,这些基因在新的遗传背景下不仅稳定遗传和高水平表达 ,而且表现增穗增产 ,特别当pepc和ppdk基因聚合时 ,与受体相比 ,F1的PEPC活性提高 5 .8～ 18.6倍 ,PPDK活性提高 0 .5～ 1.3倍 ,植株饱和光合速率提高 5 0 %左右。转育的转基因材料结实率有所降低 ,是值得进一步研究的问题。

转C_4光合酶基因水稻株系的抗光氧化特性

用经转入磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 (PEPC)、丙酮酸磷酸二激酶 (PPDK )、NADP 苹果酸酶 (NADP ME)、PEPC +PPDK等酶的基因的水稻株系及原种为材料 ,研究了光氧化条件下的叶绿素荧光特性和膜脂过氧化。光氧化处理后 ,与原种相比 ,转C4光合酶基因特别是转PEPC和转PEPC +PPDK基因水稻株系的PSⅡ原初光化学效率 (Fv/Fm)、PSⅡ在照光下的实际光化学效率 (PSⅡ )和光化学猝灭 (qP)下降的比原种少 ,而非光化学猝灭 (qN)增加的比原种多 ,说明在光氧化条件下 ,转C4光合酶基因水稻株系吸收的光能中有较多的光能转化为化学能 ,过剩的光能通过热耗散而减轻光破坏 ;同时转C4光合酶基因水稻株系诱导产生的的内源活性氧清除酶系超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化氢酶 (CAT)、过氧化物酶 (POD)的活性比原种高 ,从而有效清除水稻叶片内的活性氧 (O- ·2 、H2 O2 ) ,使活性氧积累比原种少 ,因而膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)产生较少。表明转C4光合酶基因特别是转PEPC和转PEPC +PPDK基因水稻株系耐光氧化能力较强。在光氧化条件下 ,它们的叶绿素和蛋白质含量下降较少 ,表现出耐光氧化特性。

C_4光合pepc基因转化水稻和小麦研究进展

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)作为C4途径的关键酶,一直是水稻、小麦转基因研究的热点。综述了PEPC基因工程现状,着重介绍了转C4光合pepc基因水稻、小麦的光合生理特性及高光效育种最新进展;并指出转基因高光效育种的分子作用机理尚需深入研究,有价值高光效种质有待进一步创制;将转基因高光效育种和常规育种相结合,开展水稻、小麦分子聚合育种,是培育优质、高产、多抗水稻、小麦新品种的有效途径。

转玉米PEPC基因水稻中有限的C4光合微循环及其生理作用

用转PEPC基因水稻(Oryza．sativa L．subsp．japonica，Kitaake)和原种水稻Kitaake为材料，研究了不同基因型水稻叶片中的C4光合微循环及其功能。通过测定与光合C4途径有关的关键酶，如磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、NADP^+-苹果酸酶(NADP^+-ME)、NADP^+-苹果酸脱氢酶(NADP^+-MDH)和丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)，说明原种水稻叶片中具有完整的C4光合酶体系；用外源OAA或MA饲喂叶切片或叶绿体后明显增加光合速率，证明原种水稻中具有一个有限的光合C4微循环。将玉米自PEPC基因导入原种水稻后，可大幅度提高光合C4微循环的速率。测定不同基因型的CO2交换速率，看出水稻中C4光合微循环的增强有提高净光合速率(Pn)和降低光呼吸速率／净光合速率(Pr/Pn)比值的作用。叶绿素荧光特性分析表明，C4光合微循环的增强伴随着PSⅡ电子传递效率(Fv／Fm)和光化学猝灭(qP)的增加以及非光化学猝灭(qN)的降低；这些结果为通过基因工程手段提高作物光合效率的遗传育种提供了科学根据。

C_4光合作用的基因工程研究进展

人们运用C4途径改造C3作物已有很多年的历史,最终通过基因工程手段突破了常规育种的障碍,在多种C4途径关键酶的基因工程研究中获得了成功。随着生物技术的进一步发展,C4基因工程的研究将会取得更大的成绩。

玉米C_4光合酶基因导入对拟南芥光合特性及抗旱性的影响

为了解玉米C_4型光合酶基因对C3植物拟南芥光合特性的影响及其对干旱胁迫的响应,分别以过表达ZmPEPC(磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶)、ZmPPDK(丙酮酸磷酸二激酶)和ZmNADP-ME(依赖于NADP的苹果酸酶)单个酶基因的拟南芥株系(分别简写为PC、PK、ME),以及过表达PEPC+PPDK和PPDK+NADP-ME两个酶基因的拟南芥株系(分别简写为PCK、PKM)为供试材料,在开花期停止浇水,并分别于干旱胁迫处理前1天、第5天、第10天和结束干旱胁迫复水处理5d时测定转基因拟南芥中目标基因的表达量、光合速率、水分利用效率和酶活性。结果表明,在正常生长条件下,PCK类型株系的PEPC酶活性、PPDK酶活性、净光合速率(Pn)以及水分利用效率(WUE)较野生型拟南芥分别高52%、20%、24%和55%,除PPDK酶活性外,PCK类型株系各指标测定值的增幅均高于其他转基因类型株系,综合表现最优。不同类型株系的上述测定指标总体表现为PCK>PC>PK、PKM>ME。干旱胁迫处理5d时,各类型株系中目标基因的表达量、光合酶活性、Pn和WUE均有所上升。干旱胁迫处理10d时,拟南芥受到严重损伤,上述指标的测定值均下降。复水5d时上述指标得到不同程度的恢复,不同类型转基因株系的各项测定指标在不同干旱胁迫处理中总体仍表现为PCK最优,PC次之。各转基因株系均优于受体非转基因拟南芥。

螺旋环剥对荔枝^(14)C光合产物转运及分配的影响

试验以两年生糯米糍荔枝（淮枝砧）盆栽树为材料，叶饲喂１４ＣＯ２，研究荔枝主干不同处理１４Ｃ光合产物转运及分配规律。结果表明，环剥完全阻断了光合产物下运到根中，而螺旋环剥只是降低了光合产物的下运到根中的强度；环剥和螺旋环剥树随饲喂后的时间延长，从源叶输出的１４Ｃ光合产物减少，在饲喂后４８～７２ｈ，螺旋环剥和环剥树的源叶１４Ｃ光合产物输出分别为２７１％和１０２％，而对照树高达１８４１％，环剥和螺环剥有利于光合产物在地上部累积。

果实膨大期外源黄腐酸处理对苹果叶片光合产物合成与分配特性的影响

以10年生烟富3/M26/八棱海棠(Malus robusta)为试材,运用^(13)C同位素示踪技术,在果实膨大期叶面喷施浓度分别为50、100、150、200 mg/L的黄腐酸水溶液,以喷施清水为对照,研究了叶片光合参数、同化能力、光合产物的输出和自留比例及光合产物分配特性的变化。结果表明:与其他处理相比,喷施150 mg/L的黄腐酸水溶液,叶片光合性能最优,山梨醇和蔗糖含量、6-磷酸山梨醇脱氢酶(S6PDH)和蔗糖磷酸合酶(SPS)活性最高;同时,^(13)C示踪结果表明,喷施150 mg/L黄腐酸水溶液显著增强了叶片同化能力,提高了光合产物的输出比率,降低了叶片的自留比率,增加了果实^(13)C的积累量,提高了果实成熟期果实糖含量。综上,叶片喷施150 mg/L黄腐酸水溶液可以增强叶片的光合作用,提高叶片光合产物的合成能力,促进叶片中光合产物的输出比率,有利于果实光合产物的积累。

利用低CO_2浓度培养箱筛选谷子(Setaria italica)C_4光合作用相关突变体

C_4光合作用和光呼吸研究是植物学界的研究热点,缺乏低CO_2浓度培养条件和相关突变体限制了相关工作的深入开展。本研究设计了一个低CO_2浓度培养箱,CO_2浓度、光照和温度等培养条件可稳定控制,试验数据可通过网络实时查看记录。以该培养箱为平台,本研究对54份谷子甲基磺酸乙酯(EMS)突变体进行了耐40 mg/L(正常空气中CO_2浓度范围是380~400 mg/L)CO_2浓度培养鉴定,根据死苗量将这些材料分为4类,其中敏感的Ⅲ级突变体19个和Ⅳ级突变体13个,对低CO_2浓度极度敏感的5个谷子突变体均为叶脉变异系,证实了低CO_2浓度培养箱筛选鉴定的实用性。对这些材料开展包括花环解剖结构观察和相关突变基因克隆的深入研究,将奠定谷子C_4光合作用的研究基础,所构建的低CO_2浓度培养箱也适用于其他作物光合作用和光呼吸的生理学研究。

玉米光合突变体hcf136(high chlorophyll fluorescence 136)的转录组分析

玉米是典型的C_4作物,其光合作用由花环结构的两种细胞(叶肉细胞和维管束鞘细胞)共同完成。玉米hcf136(high chlorophyll fluorescence 136)突变体叶肉细胞叶绿体不能形成基粒从而丧失了PSII活性,但维管束鞘细胞的叶绿体发育不受影响,是研究玉米C_4光合机理的好材料。本研究利用转录组测序(RNA-Seq)技术,通过对高光和低光下野生型和hcf136突变体不同叶片部位进行转录组分析发现,PSII相关基因的转录未发生明显差异,表明PSII复合体的缺失是非转录水平变化所引起。此外,突变体中淀粉合成受阻,糖降解、糖转运及Cu^(2+)转运等代谢过程加剧,且一些转录因子表达发生显著变化。该结果对进一步深入研究玉米HCF136基因的功能提供了参考。

植物光合途径的研究进展

植物光合作用碳同化途径包括C3途径、C4途径、CAM途径和C2途径。相比C3途径,C4途径和CAM途径被认为是一种高光效途径,C2途径是光合作用从C3途径进化到C4途径的过渡类型,在光合途径研究中有重要作用。本文主要概述了植物光合作用碳同化途径的类型,总结了光合途径的复杂多样性及进化相关的研究进展,以期为植物光合途径改良研究提供参考。

判别分析方法在鉴别C_3 、C_4植物中的应用——以中国东北样带 (NECT)的研究为例

判别分析是多元统计分析中判断个体所属类型的一种重要方法。以中国东北样带(NECT)作为研究平台,利用判别分析鉴别植物光合功能型。采用国际上先进的植物光合测定系统LCA4便携式光合仪和CID_203便携式叶面积仪在野外所测定的植物生理生态参数,选取51个来自C3功能群的植物种和15个来自C4功能群的植物种构建判别模型,进行光合碳同化途径的判别。用马氏距离和后验概率判别准则进行回判,准确率达到98.48%。利用此判别模型可以根据任一植物的光合速率、蒸腾速率。