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PEPC基因水稻具有初级CO2浓缩机制的生理特点

以原种粳稻Kitaake为对照, 研究了转玉米PEPC基因水稻的PEPC的高表达和碳同化特性的关系. 结果显示: 与原种相比, 转PEPC基因水稻气孔导度和光合速率显著增加, 经统计分析, 气孔导度的增加与光合速率的增加并无相关性. 而在高光强下, 与CO2浓缩有关的PEPC, CA酶蛋白的表达显著增加. 因此在大气CO2浓度下可显著增加光合能力(50%); 无CO2条件下, 可减少叶内CO2释放量, 从而降低了CO2补偿点. 用专一的抑制剂DCDP处理, 证明转PEPC基因水稻叶内PEPC的高表达与碳同化能力的提高和Fv/Fm的稳定性有关. 用14C示踪20 s, 转PEPC基因水稻14C较多的分配在C4光合原初产物天冬氨酸中, 意味着叶内存在着一定的C4光合代谢途径. 上述结果说明, 用代谢工程可以在叶内构建初级的CO2浓缩机制, 为转基因的高光效育种技术提供了生理依据.     

转PEPC基因水稻具有初级CO2浓缩机制生理特点

以原种粳稻Kitaake为对照, 研究了转玉米PEPC基因水稻的PEPC的高表达和碳同化特性的关系. 结果显示: 与原种相比, 转PEPC基因水稻气孔导度和光合速率显著增加, 经统计分析, 气孔导度的增加与光合速率的增加并无相关性. 而在高光强 下, 与CO₂浓缩有关的PEPC, CA酶蛋白的表达显著增加. 因此在大气CO₂浓度下可显著增加光合能力(50%); 无CO₂条件下, 可减少叶内CO₂释放量, 从而降低了CO₂补偿点. 用专一的抑制剂DCDP处理, 证明转PEPC基因水稻叶内PEPC的高表达与碳同化能力的提高和Fv/Fm的稳定性有关. 用14C示踪20 s, 转PEPC基因水稻14C较多的分配在C4光合原初产物天冬氨酸中, 意味着叶内存在着一定的C4光合代谢途径. 上述结果说明, 用代谢工程可以在叶内构建初级的CO₂浓缩机制, 为转基因的高光效育种技术提供了生理依据.     

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(OryzasativaL.subsp.japonicaKitaake)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。将玉米的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。     

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。     

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.将玉米的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C4光合酶基因水稻的CO2交换和荧光特性

用转PEPC、PPDK、NADP_ME、PEPC PPDK酶基因水稻 (OryzasativaL .)及原种为材料 ,研究了光合作用对光照、温度、CO2 的响应和光抑制条件下的叶绿素荧光特性 ,结果如下 :1.转C4 光合酶基因水稻的饱和光合速率比原种高 ,其中转PEPC、PEPC PPDK双基因水稻的光饱和点比原种高 2 0 0 μmol·m-2 ·s-1,饱和光合速率比原种分别高5 1.6 %和 5 8.5 % ;转PEPC基因水稻的羧化效率比原种高 49.3% ,CO2 补偿点降低 2 6 .2 % ;在高温 (35℃ )下 ,转PEPC基因水稻的光合速率比原种高 17.5 %。 2 .经光抑制处理 8d后 ,转PEPC、PEPC PPDK酶基因水稻的PSⅡ光化学效率 (Fv/Fm)和光化学猝灭 (qP)下降 2 0 % - 30 % ,非光化学猝灭 (qN)增加了约 30 % ;但原种的Fv/Fm 和qP下降了 5 0 %多 ,qN变化不明显 ,表明转C4 光合基因水稻耐光抑制能力增强。这些结果为用生物技术提高水稻光合效率研究提供了新的依据和途径     

转C4光合酶基因水稻的CO2交换和荧光特性

用转PEPC、PPDK、NADP-ME、PEPC+PPDK酶基因水稻(Oryza sativa L.)及原种为材料 ,研究了光合作用对光照、温度、CO2的响应和光抑制条件下的叶绿素荧光特性,结果如下: 1.转C4光合酶基因水稻的饱和光合速率比原种高,其中转PEPC、PEPC+PPDK双基因水稻的光饱和点比原种高200 μmol*m-2*s-1,饱和光合速率比原种分别高51.6%和 58.5%;转PEPC基因水稻的羧化效率比原种高49.3%,CO2补偿点降低26.2%;在高温(35 ℃)下,转PEPC基因水稻的光合速率比原种高17.5%.2.经光抑制处理8 d后,转PEPC、PEPC +PPDK酶基因水稻的PSⅡ光化学效率(Fv/Fm)和光化学猝灭(qP)下降20%- 30%,非光化学猝灭(qN)增加了约30%;但原种的Fv/Fm和qP下降了5 0%多,qN变化不明显,表明转C4光合基因水稻耐光抑制能力增强.这些结果为用生物技术提高水稻光合效率研究提供了新的依据和途径.     

转C4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(ФPSⅡ)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、H2O2),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.这些结果为应用生物技术创造耐光氧化种质提供了实验依据.     

转PEPC基因水稻的光合生理特性

用转PEPC、PPDK、NADP－ME、PEPC＋PPKD双基因水稻（Oryza sativa L.）及原种为材料,以光合酶活性、饱和光合速率及PSⅡ光化学效率（Fv/Fm）为指标,研究了转PEPC基因水稻的光合生理特征。结果如下：转PEPC基因水稻EPC活性比原种提高20倍;饱和光合速率比原种高55％;用高光强或人工光氧化剂甲基紫精（MV）处理后,与原种相比,转PEPC基因水稻光化学效率下降较少,证明其耐光抑制、耐光氧化能力增强,测定其兴合日变化看出：在1d中不同时间,转PEPC基因水稻的光合速率均高于原种,且与PEPC活性的日变化有相似的趋势,上述结果为转PEPC基因水稻的生理机制和种研究提供了依据和途径。     

Physiological characteristics of the primitive CO2 concentrating mechanism in PEPC transgenic rice

C4 plants such as maize have CO2 concentrating mechanism and higher photosynthetic efficiency than C3 plants, especially under high light intensity, high temperature and drought conditions. In recent years, due to the rapid development of transgenic technique, different transgenic rice plants with high-level expression of C4 genes have been created by the successful introduction of genes encoding the key C4 photosynthetic path enzymes PEPC, PPDK and NADP-ME through agrobacteria-mediated…     

Physiological characteristics of the primitive CO<Subscript>2</Subscript> concentrating mechanism in PEPC transgenic rice

The relationship between carbon assimilation and high-level expression of the maize PEPC in PEPC transgenic rice was studied by comparison to that in the untransformed rice, japonica kitaake. Stomatal conductance and photosynthetic rates in PEPC transgenic rice were higher than those of untransformed rice, but the increase of stomatal conductance had no statistical correlation with that of photosynthetic rate. Under high levels of light intensity, the protein contents of PEPC and CA were increased significantly. Therefore the photosynthetic capacity was increased greatly (50%) with atmospheric CO2 supply. While CO2 release in leaf was reduced and the compensation point was lowered correspondingly under CO2 free conditions. Treatment of the rice with the PEPC-specific inhibitor DCDP showed that overexpression of PEPC and enhancement of carbon assimilation were related to the stability of Fv/Fm. Labeling with 14CO2 for 20 s showed more 14C was distributed to C4 primary photosynthate asperate in PEPC transgenic rice, suggesting that there exists a limiting C4 photosynthetic mechanism in leaves. These results suggest that the primitive CO2 concentrating mechanism found in rice could be reproduced through metabolic engineering, and shed light on the physiological basis for transgenic breeding with high photosynthetic efficiency.     

CO2 Exchange and Chlorophyll Fluorescence of Phospho-enolpyruvate Carboxylase Transgenic Rice Pollen Lines

To elucidate the photosynthetic physiological characteristics and the physiological inherited traits of rice （Oryza sativa L.） hybrids and their parents, physiological indices of photosynthetic CO2 exchange and chlorophyll fluorescence parameters were measured in leaves of the maize phosphoenolpyruvate carboxylase （PEPC） transgenic rice as the male parent, sp. japonica rice cv. 9516 as the female parent, and the stable JAAS45 pollen line. The results revealed that the PEPC gene could be stably inherited and trans- ferred from the male parent to the JAAS45 pollen line. Moreover, the JAAS45 pollen line exhibited high levels of PEPC activity, manifesting higher saturated photosynthetic rates, photosynthetic apparent quantum yield （AQY）, photochemical efficiency of photosystem II and photochemical and non-photochemical quenching, which indicated that the JAAS45 pollen line has a high tolerance to photo-inhibition/photooxidation under strong light and high temperature. Furthermore, JAAS45 was confirmed to still be a C3 plant by δ^13C carbon isotope determination and was demonstrated to have a limited photosynthetic C4 microcycle by feeding with exogenous C4 primary products, such as oxaloacetate or malate, or phosphoenolpyruvate. The present study explains the physiological inherited properties of PEPC transgenic rice and provides an expectation for the integration of traditional breeding and biological technology.     

我国杂交水稻基因工程育种策略探讨

杂交水稻在我国水稻及粮食生产中占有突出地位 ,基因工程可在杂交水稻育种中发挥重要作用。针对杂交水稻育种存在的主要问题 ,指出应将优质、抗虫和抗病作为当前基因工程育种的研究重点。同时提出基因工程育种与常规育种紧密结合 ,优质基因工程着重改良保持系及聚合转基因等策略 ,以培育出超高产优质抗病虫转基因聚合杂交稻新组合。     

玉米pepc基因在杂交转育的转基因水稻后代中的传递和表达特征

在合肥、海南两地以高光效转玉米pepc基因水稻为父本,与培矮64S、2302S、2304S、2306S、5129、02428、皖粳97和双九A等8个受体杂交,转育转pepc基因水稻新种质材料。至2002年已转育成一批转pepc基因水稻品系,对这些材料世代跟踪研究显示：(1)玉米pepc基因以一个显性基因稳定传递给后代,符合孟德尔分离规律,自交F2呈3：1分离,BC1为1：1分离;(2)玉米pepc基因在杂交转育的转基因水稻中高水平表达,与受体亲本相比,PEPC活性提高3.7～17．4倍,表达水平与受体亲本和转基因拷贝数有关,来源相同的世代间有相似的表达水平,但同一世代不同个体间表达水平有差异,这可能与其位置效应、拷贝数和环境条件有关;(3)杂交后代结实率不高,容易产生异交结实导致转基因材料混杂分离。采取抗生素催芽初筛、PCR分析抽检、PEPC活性测定和田间表型观测的转玉米pepc基因水稻选育筛选体系,辅之以受体为轮回亲本适当回交可有效地控制。利用该途径已育成3个稳定的高表达的转玉米pepc基因水稻品系H1596、H1597和Y1470,说明通过常规杂交转育的方法,可以培育实用的稳定高表达的转玉米pepc基因水稻品种。     

我国转基因作物育种发展回顾与思考

文章综述了近30年来我国转基因作物育种发展历程和基本经验,并以实例说明我国已初步建成了世界上为数不多的转基因育种创新和产业开发体系,包括基因发掘、遗传转化、良种培育、产业开发,应用推广以及安全评价等关键环节;棉花、水稻、玉米等作物转基因研究创新能力得到进一步提升,初步形成了自己的研究特色和比较优势。本文对转基因作物育种当前存在的问题与面对的挑战进行了分析,提出了推进重大研究成果产业化、加快重大专项实施和自主创新、加强转基因科学传播等三点建议。     

水稻胞质FBA基因在鱼腥藻7120中的表达及其对光合作用的调控

光合作用包括了一系列复杂的反应,其中碳固定反应是光合作用调控的核心环节。果糖-1,6-二磷酸醛缩酶(FBA)是Calvin循环中固定CO₂后第一个催化三碳化合物转变为六碳化合物的酶,在光合作用中有着重要的作用。近年来,反义技术进一步地证明了FBA在加速碳固定反应方面有着非常大的潜力。本论文通过过表达技术来研究提高FBA活性是否能加速碳固定反应。将水稻胞质FBA嵌合基因转入鱼腥藻7120,通过相应的抗生素筛选及PCR鉴定后,确定得到了稳定遗传的转基因藻。对转基因藻和野生藻进行FBA活性及生理活性的测定后发现：转基因藻中FBA的活性比野生藻提高了31.2%;细胞生长速率比野生藻提高了24.4%;净光合与真实光合分别比野生藻提高了19.2% 和20.6%。以上结果证明,在鱼腥藻体内特异的提高非调控酶FBA的水平,能在一定程度上提高转基因藻的光合活性,并且能够提高转基因藻的细胞增长效率。为进一步研究FBA在光合碳流量中的调控机理提供实验依据。