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。

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。

玉米C_4光合叶不同部位解剖结构和光抑制特性的比较

以玉米第5位全展叶(C4光合叶)为材料,分别测定基部、中部和顶部的光合速率后,将叶片置于强光(2000μmol·m-2·s-1)下处理3h和暗中恢复3h,再测定这3个部位在处理期间的叶绿素荧光参数变化;然后分别从叶片的基部、中部和顶部取样观察显微结构和超微结构,测定叶绿素含量。结果表明,3个部位光合速率和叶绿素含量的大小依次为:中部>顶部>基部。基部的维管束鞘细胞叶绿体数量少,体积小,排列无规律,类囊体膜有部分垛叠;中部和顶部维管束鞘细胞叶绿体数量多,体积大,大部分围绕维管束呈离心排列,类囊体膜垛叠消失。在强光下,基部、中部和顶部均发生光抑制,但光抑制程度不同,根据严重度依次为:基部>顶部>中部,3个部位在暗中的光抑制恢复能力依次为:中部>顶部>基部。与叶基部相比,叶中部在强光下能维持较高的电子传递效率(φEo)和较低的热耗散比率(φDo)。这表明,C4光合循环是保持较高电子传递效率、减轻光抑制的重要因子。