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。

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。

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 ;

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。

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。

转C4光合基因水稻及其在育种中的应用

按光合作用途径可将植物分为C3植物、C4植物和CAM植物,由于C4植物在高光强、高温和高氧分压的条件下,比C3植物具有较高的光合效率,作物生理和育种学家就试图用C4光合途径改造C3作物,以提高主要农作物如稻、麦和大豆等光合生产力,但通过常规杂交的方法难以奏效。近年来,随着分子生物学的兴起和植物转基因技术的快速发展,许多与C4光合作用途径相关的关键酶PEPC、NADP-苹果酸(NADP-ME)和PPDK等一系列基因已从玉米、高粱和苋菜等C4植物中被克隆,对这些基因启动子序列分离、重组、转化及表达的研究,发现它们可以在C3植物中驱动外源基因并进行组织特异性表达,而且一系列C4型光合基因导入C3植物的成功报道。特别是获得高表达的转C4光合基因水稻,表现光合能力和种子产量显著提高,而且在光逆境的条件下,超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性提高,从而有效地清除活性氧分子,表现耐光抑制(氧化)等。目前利用转C4光合基因水稻的育种研究也取得了重要进展,培育出携带C4光合基因的高光效水稻株系,在遗传上证明了常规育种和生物技术结合可以将转C4光合基因水稻中高表达的C4光合基因遗传给后代,获得高光效的超级稻,最后提出了本研究中尚需深入研究的问题。

毛竹茎秆快速生长期光合关键酶活性及基因表达分析

【目的】揭示毛竹Phyllostachys edulis快速生长期茎秆光合碳同化规律。【方法】以毛竹笋竹为试材,采用分光光度法测定了毛竹茎秆和成熟叶片核酮糖-1,5-二磷酸氧合酶(Rubisco)、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)、PEP羧激酶(PEP-CK)、磷酸烯醇式丙酮酸双激酶(PPDK)活性,运用实时荧光定量聚合链式反应(qPCR)对相应部位光合关键酶基因相对表达量进行分析。【结果】茎秆7~19节间Rubisco活性均极显著低于叶片(P<0.01),随着节间的升高,Rubisco活性逐渐降低;茎秆中PEPC、NADP-ME、NADP-MDH、PPDK活性在第7节间最高,分别是叶片的3.01倍、5.69倍、4.46倍、4.05倍(P<0.01),随着节间的升高,酶活性均极显著降低(P<0.01)。茎秆中PePEPC、PeNADP-ME、PeNADP-MDH、PePPDK基因表达量在第7节间最高,分别是叶片的3.48、7.89、6.48、3.46倍(P<0.01),随着节间的升高,这些基因表达量均极显著降低(P<0.01)。【结论】毛竹快速生长期茎秆主要以NADP-ME和NAD-ME途径对竹腔内部高浓度二氧化碳(CO2)再固定,减少自身碳损耗,形成的碳水化合物被茎秆快速生长再利用。

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。

科学家发现影响C4光合作用基因

康奈尔大学科学家鉴定了一个能有效提高C4途径光合作用效率的基因。这一农业研究的重大突破被认为能利用同样数量的水、肥料和耕地，有效解决地球日渐增长的人口对食品的要求。这个名为Scarecrow的基因，是首次发现能控制C4植物特有的结构——花环结构的基因。植物光合作用分为两类：C3途径，效率较低，是大多数植物体内存在的较古老的方式，包括小麦和水稻；C4途径，效率较高，多见于牧草、玉米、高粱和甘蔗等更能抵抗干旱、强光、高热以及低氮研究者认为，一旦成功利用转基因方法将C4途径光合作用成功转移到C3植物体内，农民将能在更热、更干环境下用更少的肥料种植小麦和水稻。

C_4转基因水稻秧苗叶片气孔与叶鞘维管束结构特征

目的探明C4转基因水稻高光效的生物学结构基础。方法以已导入玉米C4光合关键酶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)和PEPC+PPDK的转基因水稻为材料,以其受体品种Kitaake(WT)为对照,运用扫描电镜观察了秧苗叶片气孔与叶鞘维管束结构,运用透射电镜观察叶肉细胞。结果与对照品种相比,转C4单基因水稻叶片气孔密度提高、面积增大,PPDK气孔密度和气孔面积都居各转基因品系之首;转C4双聚合基因(PEPC+PPDK)水稻叶片气孔密度提高、面积减小;C4转基因水稻各品系叶片叶肉细胞中叶绿体基粒堆密集,有些基粒类囊体沿长轴方向排列整齐、完整;C4转基因品系的叶鞘均比对照品种粗壮坚韧;除PPDK外,所有转基因品系叶鞘的内外侧维管束及其导管管腔、筛管等执行物质运输功能的组织结构的面积均大于对照品种。结论C4转基因水稻叶片气孔多、面积大以及叶鞘维管束结构发达是C4转基因水稻高光效实现的结构前提和基础,与秧苗高的干物质积累相一致。

大豆C_4途径与光系统Ⅱ光化学功能的相互关系

测定了不同发育时期大豆 (Glycinemax (L)Merr.)“黑农 41”叶片的 4种C4 酶 (PEPCase(磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 )、NADP_MDH (NADP苹果酸脱氢酶 )、NADP_ME (NADP苹果酸酶 )和PPDK (丙酮酸磷酸二激酶 ) )活性、荧光动力学数值 (Fv/Fo(PSⅡ活性 )、qP (光化学淬灭 )、qN (非光化学淬灭 )、ΦPSⅡ(有效PSⅡ光化学效率 ) )和光合速率。结果表明在“黑农 41”的整个生长发育期内 ,其C4 酶活性、荧光动力学数值 (Fv/Fo、qP、qN和ΦPSⅡ)与光合速率变化趋势基本一致。相关分析表明 ,荧光动力学数值、C4 途径酶活性及C4 途径的表达程度 (PEPCase/RuBPCase值 )密切相关。这表明在“黑农 41”的整个生育期 ,C4 途径的表达具有一定的规律 :即与净光合速率密切相关 ;而且随着C4 途径在大豆体内表达程度的提高 ,大豆叶片PSⅡ对原初光能的吸收、传递和转化能力都随之提高 ,以满足C4 途径运行对能量的更多需求 ;同时C4 途径的存在也提高了“黑农 41”叶片对光能的吸收、传递和转化。

细菌中H_4MPT依赖甲醛氧化途径研究进展

四氢甲基蝶呤(H4MPT)依赖的甲醛氧化途径是甲基营养菌氧化甲醛的途径之一,是能量代谢途径的中心部分,也是细菌中广泛存在的甲醛脱毒途径。甲醛激活酶、NAD(P)依赖-亚甲基-H4MPT脱氢酶、甲川-H4MPT环化水解酶和甲酰转移酶/水解酶复合物是该途径的关键酶。该文综述了细菌中H4MPT依赖甲醛氧化途径的生理作用以及近年该途径中关键酶特性及其基因组织结构的研究进展,并分析存在问题、展望今后研究方向。

超高产杂交稻两优培九的光合作用、光抑制和C_4途径酶特性

比较研究了超高产杂交稻(Oryza.sativa L.)两优培九和常规杂交稻汕优63剑叶的光合气体交换、光抑制,以及其剑叶和稃片中的C4酶活性.发现两优培九和汕优63的光饱和同化速率(Asat)与汕优63相差无几,但是,其表观量子效率(AQY)、羧化效率(CE)和CO2同化的量子效率(ΦCO2)都远远高于汕优63.强光条件下,超高产杂交稻两优培九表现出比汕优63更强的抗光抑制能力,并且具有较高的以叶黄素循环为量度的非辐射能量耗散.此外,两优培九的剑叶和稃片中的C4途径酶活性均高于汕优63.这些结果表明,较高的光能和CO2利用效率、较强的抗光抑制能力,以及剑叶和稃片中C4途径的较高表达可能是超高产杂交稻两优培九高产的重要保证.

转玉米C4光合途径pepc、ppdk、nadp-me基因拟南芥光合特性对强光胁迫的反应

为了明确玉米C_4型pepc(磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因)、ppdk(丙酮酸磷酸双激酶基因)、nadp-me(NADP-苹果酸酶基因)基因对拟南芥光合特性的影响效应,以PC(转Zm pepc基因)、PK(转Zm ppdk基因)、ME(转Zm nadp-me基因)、PCK(转Zm pepc+ppdk基因)、PKM(转Zm ppdk+nadp-me基因)5种转基因拟南芥和野生型WT为材料,鉴定了5种转基因拟南芥株系的外源基因表达量,测定了250μmol·m^(-2)·s^(-1)、800μmol·m^(-2)·s^(-1)、1 400μmol·m^(-2)·s^(-1)3种光照强度处理下转基因拟南芥株系相应的光合酶活性、光合速率。结果表明,5种转基因拟南芥在转录、翻译水平上均高表达了导入的外源基因。250μmol·m^(-2)·s^(-1)光强下,转基因拟南芥材料PC、PK、ME、PCK、PKM的PEPC酶活性较WT分别提高14.4%、9.1%、4.4%、21.6%、3.5%;PPDK酶活性较WT分别提高5.2%、33.2%、14.8%、24.9%、8.1%;NADP-ME酶活性较WT分别提高12.8%、42.0%、126.4%、31.9%、64.6%;净光合速率较WT分别提高26.6%、26.4%、5.4%、43.1%、14.1%,其中PC、PCK的C_4光合酶活性和净光合速率表现最为突出。随着光强胁迫的增加,转基因拟南芥上述测定指标较WT高出的幅度增加,较250μmol·m^(-2)·s^(-1)光强下降低的幅度小于WT,说明转基因拟南芥耐强光胁迫能力更强。转基因拟南芥酶活特性、光合速率存在基因型差异,单基因材料PC>PK>ME,双基因材料PCK>PKM,且PCK为本研究所有基因型中最优的材料。

高粱C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因的分子克隆及其转基因水稻的培育

应用PCR的方法从C4植物高粱的基因组中分离出C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因(Ppc基因)。通过分步克隆的方法,将此基因插入pCAMBIA1301质粒载体上,构成重组的表达载体p1301-PEPC,并利用农杆菌介导的转化系统将其转入农垦58和中花10两个粳稻品种。经PCR分析、PEPCase活性检测、Western杂交、Northern杂交和Southern杂交等多种方法鉴定表明,C4型Ppc基因已转化进受体水稻植株的核基因组,并能高水平表达。生理学检测显示,转基因水稻植株的CO_2朴偿点和光呼吸速率显著降低,光饱和光合速率和羧化效率提高,显示出C4植物的光合特征。

植物高光效基因工程育种

C4植物所具有的C4光合途径赋予其较高的光合作用效率,而一些主要的农作物如水稻、小麦、大豆等均为C3作物,光合效率低下。随着生物技术的发展,通过基因工程手段利用C4光合特性来改善C3植物的光合效率进而提高其生物产量逐渐成为植物高光效育种的一个研究热点。综述了目前这一领域的研究进展及存在问题,预测了这一领域的发展前景。

植物蔗糖合成酶功能与分子生物学研究进展

蔗糖合成酶在植物生长发育过程中有着举足轻重的作用。叶片光合产物向“库”器官运输的主要形态是蔗糖,而蔗糖合成酶是蔗糖进入各种代谢途径所必需的关键酶之一。在此,综述了蔗糖合成酶(SuSy)在高等植物蔗糖代谢中的作用,SuSy基因的克隆、表达调控机理以及SuSy转基因植株的表现;并进一步对蔗糖合成酶的研究作出设想。

植物高光效基因工程研究进展

高光效育种是培育高产品种的新途径。随着生物技术的发展,通过转基因改善C3植物的光合效率进而提高产量成为植物高光效育种的研究热点。综述了C4碳同化途径的特点及其利用C4途径关键酶基因提高C3植物光合效率方面的研究进展,指出植物高光效基因工程面临的挑战。

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。