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。

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。

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 ;

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。

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。

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。

干旱胁迫对C3植物天山猪毛菜叶片C4光合酶和δ^13C值的影响

以藜科猪毛菜属具有代表性的C3荒漠半灌木植物天山猪毛菜(Salsola junatovii Botsch.)为研究对象,采用盆栽控水试验设置正常水分与轻度、中度和重度3种胁迫处理,测定不同程度干旱胁迫下叶片含水量、4种C4光合酶[磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、NADP-苹果酸酶(NADP-ME)、NAD-苹果酸酶(NAD-ME)和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)]的活性以及蛋白表达量、稳定碳同位素比值(δ^13C值);同时测定6个野外不同年平均降水量地区叶片的δ^13C值,明确不同干旱胁迫对天山猪毛菜C4光合酶和δ^13C值的影响;探讨天山猪毛菜是否会通过增强C4途径的表达来适应干旱胁迫。结果显示:(1)植物叶片含水量随干旱胁迫的加剧而降低;(2)4种光合酶,仅有PEPC和NAD-ME受到干旱胁迫的影响。这两种酶的活性和蛋白表达量变化趋势基本一致,它们均随着干旱胁迫程度的加剧先增加,并在中度干旱胁迫达到最大值,然后在重度干旱胁迫下急剧下降。NADP-ME活性、PEPCK活性及其蛋白表达量均不受干旱胁迫的影响;(3)尽管在轻度和中度干旱胁迫下天山猪毛菜叶片δ^13C值升高,并在中度干旱胁迫下δ^13C值最高,但在胁迫处理下δ^13C值仍处于C3植物范围内;野外样品叶片的δ^13C值表明,年降水量相对较少的3个地区样品δ^13C值高。

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。

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。

花后干旱对冬小麦光合、抗氧化特性和C4光合酶活性的影响

干旱是限制小麦增产最主要的非生物胁迫之一。为探究不同抗旱性冬小麦品种对花后干旱的响应,本试验以干旱敏感型品种“京冬18”和抗旱型品种“农大211”为材料,调查了花后干旱及复水后冬小麦的旗叶光合特性、丙二醛含量、抗氧化酶活性、渗透调节物质含量以及各器官C4光合酶活性的变化。结果表明:花后干旱显著降低了“京冬18”的千粒重,而对“农大211”的千粒重无显著影响;与“京冬18”相比,“农大211”在干旱胁迫下叶片的SPAD值和净光合速率相对较高,F_(v)/F_(m)值相对稳定,丙二醛含量的增幅相对较小,SOD和POD活性及可溶性蛋白和脯氨酸含量的增幅相对较大;穗部(颖壳和籽粒)C4光合酶(PEPC、NADP-ME和PPDK)活性高于旗叶,且在干旱胁迫下被诱导增强;复水后,各项指标得到不同程度的恢复;相关分析表明,花后干旱下穗部C4光合酶活性增幅与旗叶脯氨酸含量及抗氧化酶活性增幅呈显著正相关。综上,花后干旱胁迫降低了小麦旗叶光合能力,加速了膜脂过氧化和叶绿素降解,最终影响到籽粒产量;抗旱性较强的品种在干旱胁迫下通过增强穗部C4光合酶活性、旗叶渗透调节及抗氧化能力,维持了粒重,减缓了产量的下降。

硅藻C4光合作用研究回顾与展望

硅藻(Bacillariophyta)是海洋浮游植物的主要类群之一,也是海洋生态系统中的主要初级生产者,在海洋生态系统的物质循环和能量流动中起着极其重要的作用。20世纪70年代以来,科学家们陆续发现了硅藻的某些种类中可能存在C4光合作用,但直至目前,人们对硅藻C4光合作用的认识还很有限。本文主要对硅藻C4光合作用发现的历程、二氧化碳浓缩机制及其与高等植物C4光合作用的比较进行论述,解析硅藻C4光合作用的机制。

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。

籽粒苋C_4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因的克隆和表达

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC)是C4途径的关键酶之一。本研究克隆了双子叶植物籽粒苋(A.hypochondriacus L.)C4型PEPC基因的cDNA和gDNA全长序列。该基因编码区cDNA全长2895bp(GenBank登录号为HQ186302),编码964个氨基酸残基。对应的gDNA全长为6785bp,含10个外显子和9个内含子,内含子总长3890bp,其中第一内含子最长,为1662bp,具GATA-motif、G-box等15个光应答元件,9个激素应答元件,29个CAAT box,72个TATA box。该特征在本研究范围内的植物中,为籽粒苋所独有。比较多种植物表明,不同植物之间的C3/C4型PEPC基因的外显子长度具有较高的一致性,而内含子的长度变化较大。不同植物PEPC基因对核苷酸具有一定的选择性,并且外显子和内含子的GC含量呈正相关。总的趋势是单子叶植物外显子和内含子的GC含量均高于双子叶植物。利用半定量RT-PCR分析表达模式,发现籽粒苋PEPC基因主要在叶片中表达,表达量随光照时间延长而增加。

ATP是构建类似C_4水稻的重要限制因素

为了分析ATP是否是转PEPC+PPDK基因水稻或转PEPC+PPDK+ME基因水稻CO2浓缩过程的限制因素,以原种和不同转C4光合酶基因水稻为材料,测定了C4光合酶活性、光合速率以及活性氧代谢有关指标,结果表明:原种中具有全套的C4光合酶,但活性很低,而不同转C4光合酶基因水稻高表达了相应的C4酶活性。在高光条件下,与原种相比较,转PPDK基因水稻的光合速率未增加;转ME基因水稻的光合速率降低了6.1%;转PEPC+PPDK双基因水稻与转PEPC基因水稻相近。ATP和ATP激活剂NaHSO3处理后,可显著提高转PEPC+PPDK双基因水稻和转PEPC+PPDK+ME基因水稻的光合放氧速率,达到玉米的80.7%,显现出类似C4的光合特点,表明ATP是构建类似C4水稻的重要限制因素。光氧化条件下,转PEPC+PPDK+ME基因水稻的耐光氧化能力得到进一步的增强。这些结果为构建C4水稻提供了技术途径。

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。

构建C4水稻--一场新绿色革命的挑战

国际上正在探讨新绿色革命的突破口,企图在现有良好株型的基础上,提高叶片的光合效率,其中构建C4水稻可能是一条有效的途径。本文简述了转C4基因水稻的工作意义、技术途径、生理特点以及进一步研究的问题,为中国培育高光效超高产新品种提供参考。