水稻Rubisco和RCA的日变化及其细胞定位

采用免疫胶体金标记电镜技术对水稻(Oryza satova subsp.indica cv.浙农952)叶片中的Rubisco及其活化酶(RCA)进行细胞器定位和定量,同时用免疫扩散法进行叶片含量分析,研究了这两种酶含量及活力的日变化。结果表明Rubisco主要分布于叶绿体,RCA分布于叶绿体和线粒体中;光合速率(Pn)、Rubisco初始活力和RCA活力与光合日变化密切相关;在光照最强的13时,出现光合“午休”,叶绿体中Rubisco的密度有一定程度降低,而全叶的总Rubisco保持稳定,Rubisco初始活力也有明显的“午休”,这意味着体内Rubisco的活力除受RCA调节外,可能还与叶绿体中Rubisco的分布有关。RCA活力变化与叶绿体中RCA含量变化较为一致,表明RCA在叶绿体中的分布对调节其本身活力和Rubisco活性有重要作用。     

Rubisco和RCA在青菜叶绿体中的分布及病毒侵染对其细胞定位的影响

运用免疫金标电镜术观察了青菜叶细胞中光合作用关键酶Rubisco和Rubisco活化酶(RCA)的细胞化学定位,结果显示Rubisco和RCA免疫金颗粒主要分布于薄壁组织叶绿体的间质中,在基粒片层上很少,表皮的气孔保卫细胞和维管束薄壁细胞叶绿体内也有分布,在细胞质及线粒体等细胞器中无特异性分布。同时比较观察了感染芜菁花叶病毒(TuMV)的青菜叶绿体Rubisco和RCA免疫金标记结果,发现病组织中结构尚完整的叶绿体Rubisco和RCA标记率略有下降,而结构严重破坏的叶绿体中两种酶标记率分别仅为正常叶绿体的58.44%和64.67%,表明病毒侵染可导致Rubisco和RCA含量下降,影响寄主植物的光合作用。     

大麦和玉米叶片叶绿体中Rubisco及其活化酶的免疫金标记定位

运用免疫金标记电镜技术研究了禾本科C3植物大麦(Hordeum vulgare L.)和C4植物玉米(Zea mays L.)叶片中Rubisoo及其活化酶(RCA)的细胞定位,结果表明:两种植物叶片解剖结构及叶绿体超微结构差别明显.在大麦叶细胞中,只有一种叶肉细胞叶绿体,Rubisoo和RCA主要分布于叶绿体的间质中.在玉米叶细胞中,存在着维管束鞘细胞和叶肉细胞两种类型叶绿体,Rubisco主要分布于鞘细胞叶绿体的基质中,但在叶肉细胞叶绿体中亦有少量特异性标记;RCA在鞘细胞叶绿体和叶肉细胞叶绿体的基质中都有分布.两种植物叶绿体结构及光合作用关键酶定位的不同,体现了C3植物和C4植物在光合器结构与功能上的差异.     

Rubisco和RCA在青菜叶绿体中的分布及病毒侵染对其细胞定位的影响

运用免疫金标电镜术观察了青菜叶细胞中光合作用关键酶Rubisco和Rubisco活化酶(RCA)的细胞化学定位,结果显示Rubisco和RCA免疫金颗粒主要分布于薄壁组织叶绿体的间质中,在基粒片层上很少,表皮的气孔保卫细胞和维管束薄壁细胞叶绿体内也有分布,在细胞质及线粒体等细胞器中无特异性分布。同时比较观察了感染芜菁花叶病毒(TuMV)的青菜叶绿体Rubisco和RCA免疫金标记结果,发现病组织中结构尚完整的叶绿体Rubisco和RCA标记率略有下降,而结构严重破坏的叶绿体中两种酶标记率分别仅为正常叶绿体的58．44％和64．67％,表明病毒侵染可导致Rubisco和RCA含量下降,影响寄主植物的光合作用。     

小麦Rubisco活化酶基因的克隆和表达特性

Rubisco活化酶是广泛存在于光合生物中调节Rubisco活性的酶,我们利用PCR技术,从小麦(Triticum aestivum)叶片cDNA文库中克隆得到Rubisco活化酶基因cDNA片段,该片段长度为850 bp,编码201个氨基酸.Northern blot表明,小麦叶片在暗诱导衰老的条件下,叶片中活化酶基因表达水平逐渐下降;同时,小麦叶片的光合特性、叶绿素含量和Rubisco活性呈现下降趋势.这些结果表明,衰老时小麦叶片Rubisco活化酶基因表达水平下降与光合速率下降密切相关.     

小麦Rubisco 活化酶基因的克隆和表达特性

Rubisco活化酶是广泛存在于光合生物中调节Rubisco活性的酶, 我们利用PCR技术, 从小麦(Triticum aestivum)叶片cDNA文库中克隆得到Rubisco活化酶基因cDNA片段, 该片段长度为850 bp, 编码201个氨基酸。Northern blot表明, 小麦叶片在暗诱导衰老的条件下, 叶片中活化酶基因表达水平逐渐下降; 同时, 小麦叶片的光合特性、叶绿素含量和Rubisco活性呈现下降趋势。这些结果表明, 衰老时小麦叶片Rubisco活化酶基因表达水平下降与光合速率下降密切相关。     

外源海藻糖对PEG渗透胁迫下小麦Rubisco及其活化酶的影响

以抗旱品种‘晋麦47’和干旱敏感品种‘郑引1号’为材料,通过室内水培试验研究了外源海藻糖对PEG渗透胁迫下小麦叶片净光合速率、1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)和1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶活化酶(RCA)含量和相关基因表达特性的影响。结果表明:(1)外源海藻糖和渗透胁迫均能显著增加2个小麦品种叶片海藻糖含量。(2)渗透胁迫显著降低了2个品种小麦叶片的净光合速率,而外源海藻糖能显著缓解受胁迫小麦叶片净光合速率的降低幅度。(3)渗透胁迫仅使‘郑引1号’Rubisco大亚基基因(rbcL)相对表达量及相应蛋白含量显著降低;渗透胁迫显著降低了小麦RCAα和β亚基基因相对表达量,并显著降低RCA蛋白含量,而外源海藻糖不能缓解RCA蛋白含量的降低;渗透胁迫显著降低了Rubisco总活性、初始活性、活化状态及RCA活性,而外源海藻糖则能显著缓解上述酶活性的下降。(4)小麦叶片净光合速率与其rbcL、RCAα和β亚基基因相对表达量及Rubisco总活性、初始活性、活化状态及RCA活性均呈极显著正相关关系。研究发现,在渗透胁迫条件下,外源海藻糖主要从翻译后层面对小麦叶片Rubisco和RCA的活性发挥显著保护作用,从而缓解了小麦净光合速率的降低。     

丽江白雪茶化学成分的研究

核酮糖1,5￣二磷酸羧化酶/加氧酶是光合碳同化作用的关键酶,它对调节铁皮石斛Rubisco活性和光合速率具有直接的作用,对其进行基因等方面的研究,会对改变植物光合速率打下良好基础。该研究以一年生铁皮石斛叶片为材料,采用 RT￣PCR和 RACE技术成功克隆了Rubisco活化酶( RCA)基因,并对其进行生物信息学分析。结果表明：RCA基因全长1730 bp,命名为RCA2( GenBank登录号KT205842),其中5′￣UTR 81 bp、3′￣UTR 326 bp,开放阅读框1323 bp,编码440个氨基酸,分子质量为48.53 kDa,等电点为6.19,包含P￣loop NTPase超家族基因结构。氨基酸多重序列比对发现RCA2核苷酸序列与蝴蝶兰的相似性高达87％。 RCA2编码蛋白为亲水性蛋白;亚细胞定位于叶绿体基质;蛋白质二级结构分析,α螺旋占30.68％,延伸链占25.45％,不规则折叠占43.86％。 RCA2编码蛋白质的功能预测发现,RCA2在中间代谢起到了一个非常重要的角色。该研究发现对铁皮石斛光合作用关键酶Rubisco 的分析可为其光合作用特性的发掘提供理论基础,并为提高温室大棚栽培效率提供理论依据。     

铁皮石斛RCA2基因克隆与生物信息学分析

核酮糖1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶是光合碳同化作用的关键酶,它对调节铁皮石斛Rubisco活性和光合速率具有直接的作用,对其进行基因等方面的研究,会对改变植物光合速率打下良好基础。该研究以一年生铁皮石斛叶片为材料,采用RT-PCR和RACE技术成功克隆了Rubisco活化酶(RCA)基因,并对其进行生物信息学分析。结果表明:RCA基因全长1 730 bp,命名为RCA2(Gen Bank登录号KT205842),其中5'-UTR 81 bp、3'-UTR 326 bp,开放阅读框1 323 bp,编码440个氨基酸,分子质量为48.53 k Da,等电点为6.19,包含P-loop NTPase超家族基因结构。氨基酸多重序列比对发现RCA2核苷酸序列与蝴蝶兰的相似性高达87%。RCA2编码蛋白为亲水性蛋白;亚细胞定位于叶绿体基质;蛋白质二级结构分析,α螺旋占30.68%,延伸链占25.45%,不规则折叠占43.86%。RCA2编码蛋白质的功能预测发现,RCA2在中间代谢起到了一个非常重要的角色。该研究发现对铁皮石斛光合作用关键酶Rubisco的分析可为其光合作用特性的发掘提供理论基础,并为提高温室大棚栽培效率提供理论依据。     

蝴蝶兰PhRCAβ基因的克隆及表达特性分析

为研究蝴蝶兰Rubisco活化酶(RCA)基因对低温胁迫的响应机制,以蝴蝶兰"满天红"为材料,分析了蝴蝶兰Rubisco活化酶基因PhRCAβ的全长序列(Gen Bank登录号为KU954548)及其表达特性。结果表明,PhRCAβ基因全长1 695 bp,编码440个氨基酸;其编码的蛋白具有RCA的特异位点,含叶绿体转运肽,定位于叶绿体中,其成熟蛋白的分子量为42.52 k D,等电点为蛋白5.54,属于RCA小亚基基因;该基因在绿色组织中转录表达;13℃/8℃(昼/夜)的低温胁迫抑制Ph RCAβ基因的转录表达,并随着低温胁迫时间的延长,PhRCAβ基因的表达水平逐渐降低,在温度恢复正常时其表达水平升高;4℃低温条件下,Ph RCAβ基因的表达水平随着低温处理时间的延长逐渐降低,并一直维持在较低水平。由此推测,PhRCAβ直接参与了蝴蝶兰叶片光合作用的调控。     

影响水稻光合日变化的酶和相关因素的分析

水稻叶片的最大光合速率出现在上午１０：００时,Ｒｕｂｉｓｃｏ初始活力也在此时达到最大,然后逐渐降低,下午１４：００时略上升后又下降．Ｒｕｂｉｓｃｏ初始活力与光合速率之间极显著相关,相关系数为 ０．９４７４．运用相关性分析、回归分析、通径分析,对晴（有时有云）天气水稻叶片的光合速度、光合关键酶及有关因素的日变化进行综合评估,结果发现中午光合下降主要来自气孔限制,同时Ｒｕｂｉｓｃｏ活性也下降;Ｒｕｂｉｓｃｏ活性是影响光合日变化的又一重要生化因子．体内Ｒｕｂｉｓｃｏ活性受Ｒｕｂｉｓｃｏ活化酶的调节．     

Antisense inhibition of Rubisco activase increases Rubisco content and alters the proportion of Rubisco activase in stroma and thylakoids in chloroplasts of rice leaves

BACKGROUND AND AIMS: Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) activase (RCA) is a nuclear-encoded chloroplast protein that modifies the conformation of Rubisco, releases inhibitors from active sites, and increases enzymatic activity. It appears to have other functions, e.g. in gibberellin signalling and as a molecular chaperone, which are related to its distribution within the chloroplast. The aim of this research was to resolve uncertainty about the localization of RCA, and to determine whether the distributions of Rubisco and RCA were altered when RCA content was reduced. The monocotyledon, Oryza sativa was used as a model species. METHODS: Gas exchange and Rubisco were measured, and the sub-cellular locations of Rubisco and RCA were determined using immunogold-labelling electron microscopy, in wild-type and antisense rca rice plants. KEY RESULTS: In antisense rca plants, net photosynthetic rate and the initial Rubisco activity decreased much less than RCA content. Immunocytolocalization showed that Rubisco in wild-type and antisense plants was localized in the stroma of chloroplasts. However, the amount of Rubisco in the antisense rca plants was greater than in the wild-type plants. RCA was detected in both the chloroplast stroma and in the thylakoid membranes of wild-type plants. The percentage of RCA labelling in the thylakoid membrane was shown to be substantially decreased, while the fraction in the stroma was increased, by the antisense rca treatment. CONCLUSIONS: From the changes in RCA distribution and alterations in Rubisco activity, RCA in the stroma of the chloroplast probably contributes to the activation of Rubisco, and RCA in thylakoids compensates for the reduction of RCA in the stroma, allowing steady-state photosynthesis to be maintained when RCA is depleted. RCA may also have a second role in protecting membranes against environmental stresses as a chaperone.     

当归叶片光合参数日变化及其与环境因子的关系

在当归根茎膨大期,利用CI-310便携式光合仪,田间活体测定了当归的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)等光合生理生态因子,以及光合有效辐射(PAR)、田间CO2浓度(Ca)、相对湿度(RH)、大气温度(Ta)、叶温(TL)等环境因子的日变化。结果表明,当归Pn日变化曲线为"双峰"型,最高峰出现在10:00左右,次高峰出现在16:00左右,午间有明显的"午休"现象,气孔因素是导致其"午休"的主要原因。Tr、Gs和Ci的日变化曲线均为"双峰"型,最高峰出现在10:00,次高峰出现在17:00。当归叶片净光合速率随环境因子日变化最优逐步多元回归方程为yPn=14.3108 0.0076xPAR-0.5271xTL(R2=0.6601,P<0.05),TL和PAR是对光合速率直接影响最大的生态因子,而Ca、RH和Ta主要是通过TL而间接影响光合速率的变化。     

Two Rubisco activase isoforms may play different roles in photosynthetic heat acclimation in the rice plant

Studies on some plant species have shown that increasing the growth temperature gradually or pretreating with high temperature can lead to obvious photosynthetic acclimation to high temperature. To test whether this acclimation arises from heat adaptation of ribulose 1,5‐bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco, EC 4.1.1.39) activation mediated by Rubisco activase (RCA), gene expression of RCA large isoform (RCA_L) and RCA small isoform (RCA_S) in rice was determined using a 4‐day heat stress treatment [40/30°C (day/night)] followed by a 3‐day recovery under control conditions [30/22°C (day/night)]. The heat stress significantly induced the expression of RCA_L as determined by both mRNA and protein levels. Correlative analysis indicated that RCA_S protein content was extremely significantly related to Rubisco initial activity and net photosynthetic rate (Pn) under both heat stress and normal conditions. Immunoblot analysis of the Rubisco–RCA complex revealed that the ratio of RCA_L to Rubisco increased markedly in heat‐acclimated rice leaves. Furthermore, transgenic rice plants expressing enhanced amounts of RCA_L exhibited higher thermotolerance in Pn and Rubisco initial activity and grew better at high temperature than wild‐type (WT) plants and transgenic rice plants expressing enhanced amounts of RCA_S. Under normal conditions, the transgenic rice plants expressing enhanced amounts of RCA_S showed higher Pn and produced more biomass than transgenic rice plants expressing enhanced amounts of RCA_L and wild‐type plants. Together, these suggest that the heat‐induced RCA_L may play an important role in photosynthetic acclimation to moderate heat stress in vivo, while RCA_S plays a major role in maintaining Rubisco initial activity under normal conditions.