转PEPC基因水稻种质的稳定光合生理特性

本文运用稳定和放射性碳同位素研究了第8代转PEPC基因水稻,并测定其光合速率和荧光特性。结果表明,该种质为C3植物,但C4原初光合产物增多,表现出C4光合特性有所改善;转PEPC基因水稻种质已稳定,为我国的高光效育种提供了一个新的种质资源。

转PEPC基因水稻接种固氮菌的效应

利用^(15)N-同位素技术研究转PEPC基因水稻及无PEPC基因水稻在接种不同固氮菌后的光合特性、产量性状和固氮能力的变化。结果表明:接种水稻联合固氮工程菌处理与未接种固氮菌处理相比,转PEPC基因水稻的PEPC活性、PS Ⅱ光化学效率(Fv/Fm)、净光合速率均明显提高,生物学产量和经济产量也相应增加了38.08％和26.86％;与无PEPC基因水稻相比,转PEPC基因水稻能明显提高水稻联合固氮工程菌的固氮效率。这种水稻光合与固氮相互促进的机理值得深入研究。

亚硫酸氢钠对转PEPC基因水稻叶片光合作用的促进作用

用1～2mmol/L的NaHSO3喷施于野生型水稻Kitaake(WT)、以其为基因受体的转PEPC基因水稻(PC)和转PEPC+PPDK双基因水稻(PC+PK)叶面,叶片的光合速率分别提高了23.0%、28.8%和32.4%,并能持续3d左右.在此条件下,光下叶片中的ATP含量提高.将已知可促进循环光合磷酸化的辅助因子硫酸甲酯吩嗪(PMS)和NaH SO3分别和共同喷洒叶片,次日所有叶片的光合速率均比对照(喷水)提高,共同处理未出现叠加效应,表明NaHSO3的主要作用和PMS促进光合速率的原因类似,都是增加了ATP的供应.与野生型水稻Kitaake(WT)相比,经NaHSO3处理后,转PEPC基因水稻(PC)净光合速率增加的幅度大,转PEPC+PPDK双基因水稻(PC+PK)净光合速率增加的幅度更大,因此认为水稻叶片中增加ATP的供应可明显增强水稻的光合速率,特别是转PEPC或PEPC+PPDK基因水稻.

转PEPC基因水稻耐光抑制和光氧化的特性

研究了转PEPC基因水稻及其原种在光抑制和光氧化条件下叶绿素荧光等参数的变化。结果表明,玉米PEPC基因导入水稻后,PEPC活性显著提高。不同基因型水稻在中午高光强高温条件下均发生光抑制现象,其中转PEPC基因水稻中午Fv/Fm、qP和PSⅡ降低较少,qN略为增加,光能转化为化学能的效率较高,热耗散较低,表现耐光抑制。经光氧化处理,转PEPC基因水稻叶绿素和蛋白含量下降较少,表现耐光氧化特性。同时转PEPC基因水稻Fv/Fm和qP下降较少,qN增加较多,可见其保持较高的光化学效率和增加热耗散提高耐光氧化能力。

轉玉米PEPC基因水稻開花期PEPC酶及碳代謝酶活性的變化

爲阐明轉PEPC基因水稻增産的生理基礎，用第八代轉PEPC基因水稻（PC）和未轉基因原種野生型（WT）爲供试材料，分别测定了稻株開花期地上部分斡物贾的累積、籽粒中可溶性糖、激粉和蛋白質含量以及其蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖合成酶（SS）、ADPG焦磷酸化酶、澱粉合成酶、殿粉分支酶、硝酸還原酶，谷氨酰胺合成酶（GS）和谷草轉氨酶（GOT）活性的變化。结果表明：轉PEPC基因水稻籽粒中可溶性糖含量比未轉基因水稻顯著增加，而轉PEPC基因水稻籽粒中增加的可溶性糖較多地蒋化爲其籽粒中的蛋白質，其生理基礎舆SPS，SS以及籽粒中ADPG焦磷酸化酶活性顯颗著提高有關。舆此同時，轉基因植物菜片中氮代谢相關的硝酸還原酶（NR），谷氨酰胺合成酶（GS）和谷草轉氨酶（GOT）活性也提高，也有利于增加其開花後期籽粒中蛋白質的合成。

高光强下转玉米PEPC基因水稻和未转基因水稻秧苗叶片超微结构的比较

为了阐明转玉米PEPC基因水稻高光效的结构基础,以转玉米PEPC基因水稻和未转基因原种为试验材料,在水稻的三叶期,施以100 min,1 000μmol/(m2.s)的高光强处理,以200μmol/(m2.s)下的水稻为对照,运用透射电镜观察叶肉细胞、维管束鞘以及叶绿体内类囊体片层结构。结果发现,与对照材料相比,转玉米PEPC基因水稻材料经高光强处理后,叶片叶绿体的排列更加紧密,叶绿体中类囊体片层堆垛整齐,有序片层较厚,排列更加致密,类囊体结构更加完整,而且叶绿体周围的线粒体数量明显增多;而未转基因原种的叶片经高光强处理后,叶绿体内类囊体片层松散,结构混乱,部分甚至解体,表现出受到损伤的迹象,叶绿体基质中淀粉大颗粒的含量明显增多。转玉米PEPC基因水稻叶片光合器官在高光强下结构稳定以及线粒体的有序排列有利于其利用较高的光能,从而提高其光合生产力,为阐明转C4光合基因水稻高光效的理论提供了证据。

正丁醇和高光强下转玉米pepc基因水稻叶片超微结构的变化

以高光效高产的转玉米pepc基因水稻（PC）和野生型水稻（WT）为研究材料,在水稻苗期进行高光强处理（120 min,1 000μmol·m^-2·s^-1、高光强正丁醇复合处理（120 min,1 000μmol·m^-2·s^-10.04%正丁醇）和正常光强处理（200μmol·m^-2·s^-1CK）,运用透射电镜观察各处理材料叶肉细胞、维管束鞘、叶绿体、叶绿体片层以及线粒体等结构变化特点,并考察它们叶片的净光合速率（Pn）、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）活性以及收获后的产量构成因子等.结果发现：PC植株具有较高Pn和PEPC活性,与其较高的有效穗数、穗长、千粒重和籽粒产量相对应;与野生型（WT）相比,高光强处理的PC植株叶肉细胞完整,维管束鞘细胞排列整齐,类囊体片层厚,排列有序,堆叠整齐,并且线粒体有序地在叶绿体周围聚集;但经正丁醇和高光强复合处理的PC叶绿体类囊体片层则降解,淀粉粒累积,表现出类似于高光强下WT植株被损坏的超微结构特征.研究表明,转玉米pepc基因水稻叶片的叶肉细胞、叶绿体和线粒体等具有高光效的超微结构特征;PEPC可能通过磷脂酶D（PLD）途径产生的磷脂酸（PA）参与PC在高光强下对类囊体片层稳定性的调节.

5-氮杂胞苷对高表达转玉米C_(4)-PEPC基因水稻耐旱性的影响

为了揭示DNA甲基化在高表达转C4-PEPC基因水稻植株对干旱耐性的作用,以高表达转玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)基因(C4-PEPC)水稻(PC)和受体Kitaake(WT)为材料,通过发芽、水培和盆栽试验,研究了施用不同浓度的DNA甲基化抑制剂5-氮杂胞苷(5-azaC)联合干旱处理下,水稻芽期、苗期和生育后期,种子发芽率,苗期叶片的相对含水量、丙二醛、脯氨酸、总可溶性糖及其组分及总可溶性蛋白含量、PEPC酶活性以及C4-PEPC、与蔗糖非发酵1(SNF1)相关蛋白激酶(SNF1-related protein kinase 1s,SnRK1s)基因以及甲基转移酶基因表达的变化、剑叶的光合参数,并最后考察产量构成因子的变化,结果表明:5-azaC对水稻芽期和苗期干旱胁迫作用浓度呈现剂量效应,即低浓度促进,而高浓度抑制,其中作用浓度:芽期<苗期;而对芽期和苗期有促进和抑制的2个浓度外施于水稻生育后期的水稻植株后,则出现恶化的效应,表现为矮化、剑叶的净光合速率和单株产量下降。在缓解干旱抑制的浓度下,PC苗期的缓解效果好于WT,这种差异的表现与其内源蔗糖、SnRK1s基因以及OsMET1b的表达差异同步,而且PC叶片C4-PEPC表达对不同浓度的5-azaC处理也呈现剂量效应。综上,DNA甲基化参与了水稻干旱响应,但不同生育期表现不同,其中糖信号在调节DNA甲基化增强PC干旱耐性起重要作用。

转玉米C_4型pepc水稻成熟胚为外植体的水稻悬浮细胞系的优化

为了研究外源玉米光合作用关键酶C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC)基因在C3植物水稻中提高光合效率的分子机理,本研究以高表达玉米C4型pepc水稻(PC)和未转基因野生型Kitaake(WT)为材料,探索高效且稳定水稻悬浮细胞系建立的方法。结果表明:PC成熟胚愈伤组织的诱导培养基中添加2mg/L2,4-D和1mg/L6-BA,可出诱导出高频的愈伤组织;再通过3次继代培养(2～0.5mg/L2,4-D,2～0.2mg/L6-BA,1mg/LABA),逐步降低2,4-D和6-BA的浓度,可获得了疏松、颗粒状且分散的愈伤组织块;然后转接到水稻悬浮细胞液体培养基中(0.5mg/L2,4-D,0.2mg/L6-BA和1mg/LABA),在28℃下培养,新原液的比例为3:1,经42d,可建立稳定且高效的供试水稻悬浮细胞系。

外源Ca^(2+)对PEG处理下转C_4型PEPC基因水稻光合生理的调节

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)通过固定二氧化碳参与光合作用,是关键的C4植物光合作用酶。为了揭示高光效转C4 PEPC基因水稻(Oryza sativa)对干旱胁迫的适应机理,以高表达转C4 PEPC水稻(PC)和野生型水稻Kitaake(WT)为供试材料,在植株的4–5叶期,使用不同浓度外源Ca Cl2溶液处理,测定在15%聚乙二醇6000(polyethylene glycol-6000,PEG-6000)胁迫下叶片相对含水量、光合参数、内源钙总含量、叶片总蛋白激酶活性、PEPC酶活性以及相关基因表达和蛋白质含量。结果表明,0.5 mmol·L–1 Ca Cl2明显提高PC叶片相对含水量(P<0.05),2 mmol·L–1和10 mmol·L–1 CaC l2则作用不显著,对WT则影响不显著。不同浓度钙处理对PEG处理PC的净光合速率影响不显著,而通过维持气孔导度减少水分胁迫。内源总钙浓度的数据显示,在PEG6000处理下,PC具有维持稳定内源Ca2+浓度的能力,过高浓度(10 mmol·L–1 Ca Cl2)钙处理反而降低了PEPC酶活性、PEPC基因表达和可溶性蛋白的含量。