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。

模拟干旱胁迫对转C_4双基因水稻幼苗光合功能及部分抗氧化酶活性的影响

为了探究转玉米C4双基因水稻抗旱性,以野生型恢复系水稻R299及其转PEPC&PPDK基因水稻恢复系纯合品种R2P为材料,木村B营养液培养至3叶1心。对两种水稻在20%浓度(质量体积比)PEG6000(聚乙二醇)模拟干旱条件下光合及相关生理生化指标的变化进行了比较。结果表明:在正常木村B营养液水培条件下,转基因株系R2P的叶绿体超微结构、光合及其相关生理指标与R299相比,未见明显差异;但在20%PEG6000模拟干旱条件下,两种水稻之间显示出了明显的变化,表现为R2P的光合速率、C4光合酶活性、SOD(超氧化物歧化酶)活性、Pro(游离脯氨酸)含量均显著高于R299,叶绿体超微结构较R299稳定,而MDA(丙二醛)含量、O2·-(超氧阴离子)产生速率显著低于R299。说明转C4双基因水稻抗旱性增强,光合及抗氧化系统在PEG6000模拟干旱条件下能保持相对较高的稳定性。

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。

铝胁迫对转C4磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因水稻光合作用和活性氧代谢的影响

以转C4 Ppc基因水稻为材料,利用叶绿素荧光技术和酶学手段,调查铝胁迫对转C4 Ppc基因水稻光合作用和活性氧代谢的影响。结果表明,在铝胁迫条件下,转C4 Ppc基因水稻的叶绿素含量、光合速率、叶绿素荧光参数Fv/Fm、φPSⅡ、qP和qN下降幅度显著小于野生型。可见在铝胁迫的条件下,转C4 Ppc基因水稻仍表现出较高的光合效率。铝处理导致水稻活性氧含量的增加,但由于转C4 Ppc基因水稻活性氧清除酶SOD、POD和CAT含量显著高于野生型,表现出较低的膜脂过氧化。上述结果表明,C4 Ppc基因的导入显著提高了水稻的耐铝特性。

低浓度NO对高表达转玉米C4型pepc水稻光合的促进

为了揭示C3植物中C4pepc高表达带来的生理差异与其高光合效率的关系。本文以高表达的转玉米C4pepc光合基因水稻(PC)及原种Kitaake(WT)为材料,通过水培在孕穗期通过根吸入的方法,进行不同浓度的NO供体、NO合成抑制剂以及相关影响信号分子的试剂单独和联合过夜处理12 h,选取倒二叶研究NO对供试材料净光合速率(Pn),气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)的影响。结果表明:WT和PC在200μmol·L-1SNP(Sodium ni-troprusside)和1 mmol·L-1 L-Arg(L-Arginine)处理下,Pn分别增加20.8%、10.7%,差异显著(p<0.05);随SNP和L-Arg浓度的增加,其表现不同程度的抑制,与PC相比,WT的Pn抑制更显著(p<0.05),而Gs和Ci的变化则相反(p<0.05);进一步结合200μmol·L-1SNP和1 mmol·L-1L-Arg与SA处理,结果与高浓度的NO供体处理类似;在联合6 mmol·L-1Ca2+螯合剂EGTA处理下,与PC相比,WT的Pn抑制达到极显著水平(p<0.01),Ci的变化则相反(p<0.05)。相关分析结果表明:PC的Pn的高低与Gs的相关性小于WT,PC与WT决定系数分别为0.654 9、0.773 5;而与Ci的相关性则更大些,PC与WT决定系数分别为0.466 5、0.419 6,显示PC可能有不同的调节方式,尤其在低浓度的NO,PC可在Ca2+参与下调节气孔的开放,在气孔关闭的条件下,仍能维持一定的Pn。

干旱条件下DCMU对高表达转C4-pepc水稻的花青素合成基因及其相关信号的影响

为了揭示高表达转玉米C4-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC,EC 4.1.1.31)基因水稻(PC)在耐旱中光合与花青素调节途径的内在联系,本研究以PC和未转基因野生型原种(WT)的水培苗为试验材料,在4~5叶期,通过50μmol·L-1光合抑制剂DCMU[3-(3’,4’-dich-lorophenyl)-1,1-dimethyl-urea]预处理1 h,观察其在12%PEG-6000模拟干旱处理下的表现。结果表明,在模拟干旱条件下,DCMU预处理使两种供试材料相对含水量显著下降,且PC相对含量显著高于WT;干旱处理下,两种材料的花青素含量显著升高,DCMU和干旱处理使两种材料的花青素含量下调,且PC水稻中始终伴随着较高的花青素含量。光合数据表明,与单独12%PEG-6000处理相比,DCMU联合12%PEG-6000处理显著抑制了两种水稻材料的净光合速率、气孔导度、胞间CO2含量及羧化效率,但PC的各指标显著高于WT。同时,DCMU联合12%PEG-6000处理显著下调两种供试材料的内源蔗糖含量,但PC中蔗糖含量显著高于WT。进一步研究发现PC中更高的蔗糖含量与花青素合成有关转录因子b HLH(Os B1,Os B2)、R2R3-MYB(Os C1)、COP1(constitutively photomorphogenic 1)、HY5(elongated hypocotyl 5)更高的转录水平同步,下游花青素合成相关基因Os PAL、Os CHI、Os CHS、Os F3H、Os F3’H、Os DFR、Os ANS的表达量增加。PC水稻可能通过诱导NO和Ca2(10)感受干旱信号,参与转录因子的调节,进而参与花青素合成基因的调控,合成较多的花青素,增强PC水稻对干旱逆境的响应,增强保水能力,最终表现耐旱。

水稻光合生理限制因素及改善途径研究

光合作用是复杂的生物合成过程,是决定水稻产量潜力的重要因素。提高水稻产量的方向已经由以往的挑选最佳株型和提高收获指数转向提高光合速率或者光利用率。本文综述了水稻光合作用的光反应与暗反应过程中的生理限制因素,归纳了提高光合效率的多种潜在途径,包括:优化冠层中叶绿素分布梯度,增加Rubisco酶的羧化活性,减少光呼吸消耗,平衡Ru BP的再生和羧化能力等。也从实践角度探讨了遗传改良中可能的靶标生理途径,包括:降低Rubisco酶的加氧活性,提高叶肉导度以及构建C4水稻。相对于C3光合途径,C4光合途径具有CO2浓缩机制,从而有更高效的光合速率以及光能利用率,通过基因工程技术将C4关键光合酶/基因引入水稻,对提高水稻光合效率有很大的帮助。

外源海藻糖增强高表达转玉米C4型PEPC水稻耐旱性的机制

为揭示海藻糖(Tre)调控转玉米(Zea mays)C4型PEPC基因水稻(Oryza sativa)(PC)的耐旱性机制,以PC及其野生型Kitaake(WT)为材料,通过水培试验,研究了Tre和12%(m/v)聚乙二醇(PEG)单独或联合处理对水稻生理生化特性的影响。结果表明,Tre处理可促进PC和WT水稻幼苗生长,缓解干旱逆境导致的植株生长抑制,但对PC的效应更显著。与DS处理相比,Tre+DS联合处理可维持功能叶较高的相对含水量、光化学效率和抗氧化酶活性。在DS处理下,与WT相比,外施Tre可使PC的内源Tre和蔗糖含量显著增加,而葡萄糖含量显著降低,Tre代谢和SnRK1s相关基因表达量增加;施用Tre也显著促进了ABA合成、信号转导与干旱响应基因的表达,和维持较稳定的光合能力,从而使PC表现更强的耐旱性。

探索新绿色革命的靶标

第一次绿色革命的潜力已经被充分利用,第二次绿色革命正在兴起。全世界的科学家都在探讨新绿色革命的靶标,包括改善核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)羧化酶/加氧酶(Rubisco)、降低光呼吸和呼吸作用损失、提高RuBP再生能力、改造C3植物成为C4植物例如C4水稻、将蓝细菌的CO2浓缩机制引入C3植物、增加转运蛋白,以及改善作物根系、优化产物品质和加强作物对环境胁迫的抗性。这篇综述主要考察这些靶标的研究进展,并指出潜在的问题。尽管基因工程是一个强有力的工具,但是人们不应当把新绿色革命成功的希望全部寄托在它上面。一些传统的和非转基因的方法也将在这个革命中发挥重要的作用。这个革命的前途是光明的,但是获得成功所需要的时间可能要比一些人估计的15年长得多。

创造“玉米稻”:禾谷作物高产优质的一个新战略

基于持续的人口增加和因都市化而耕地减少的严峻局面,预计到2050年世界主要粮食作物水稻和小麦的单位面积产量至少增加50%才能满足人口增长的需要。通过基因工程把高效的C4光合作用引入C3植物是应对这个挑战的一个办法。"C4水稻"国际合作研究项目实施10多年了,迄今尚无重大突破,有必要探索获得高产优质禾谷类作物的新战略。用合成生物学技术创造"玉米稻"就是这样的新战略,其目标是将进行C4光合作用、具有高光能、水分和氮利用效率的玉米改造成籽粒品质类似甚至超过水稻的玉米稻。