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。     

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.     

外源Ca2+对PEG处理下转C4型PEPC基因水稻光合生理的调节

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)通过固定二氧化碳参与光合作用, 是关键的C₄植物光合作用酶。为了揭示高光效转C₄ PEPC基因水稻(Oryza sativa)对干旱胁迫的适应机理, 以高表达转C₄ PEPC水稻(PC)和野生型水稻Kitaake (WT)为供试材料, 在植株的4-5叶期, 使用不同浓度外源CaCl₂溶液处理, 测定在15%聚乙二醇6000 (polyethylene glycol-6000, PEG-6000)胁迫下叶片相对含水量、光合参数、内源钙总含量、叶片总蛋白激酶活性、PEPC酶活性以及相关基因表达和蛋白质含量。结果表明, 0.5 mmol∙L^-1 CaCl₂明显提高PC叶片相对含水量(P<0.05), 2 mmol∙L^-1和10 mmol∙L^-1 CaCl₂则作用不显著, 对WT则影响不显著。不同浓度钙处理对PEG处理PC的净光合速率影响不显著, 而通过维持气孔导度减少水分胁迫。内源总钙浓度的数据显示, 在PEG6000处理下, PC具有维持稳定内源Ca²⁺浓度的能力, 过高浓度(10 mmol∙L^-1 CaCl₂)钙处理反而降低了PEPC酶活性、PEPC基因表达和可溶性蛋白的含量。     

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（NADPME）,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＋PPKD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（φPSⅡ)和光化学猝灭（qp)下孤的比原种少,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兴合酶基因水稻株系诱导产生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（O2^-,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,表现出在耐光氧化特性,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。     

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...     

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.     

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的分子结构研究进展

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)广泛存在于高等植物、藻类及大多数细菌中,催化C4光合作用固定CO2的第一步反应。在过去的10年中关于PEPC分子的一级结构研究已取得显著的进展,最近,通过X-射线衍射分析阐明了大肠杆菌和玉米C4型PEPC分子的三维结构,就这些研究进展进行总结。     

Promotive Effect of Low Concentrations of NaHSO3 on Photophosphorylation and Photosynthesis in Phosphoenolpyruvate Carboxylase Transgenic Rice Leaves

Spraying a 1-2 mmol/L solution of NaHSO3 on the leaves of wild-type rice (Oryza sativa L.)Kitaake (WT), phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) transgenic (PC) rice and PEPC phosphate dikinase(PPDK) transgenic rice (PC PK), in which the germplasm was transformed with wild-type Kitaake as the gene receptor, resulted in an enhancement of the net photosynthetic rate by 23.0%, 28.8%, and 34.4%,respectively, for more than 3 d. It was also observed that NaHSO3 application caused an increase in the ATP content in leaves. Spraying PMS (a cofactor catalysing the photophosphorylation cycle) and NaHSO3 separately or together on leaves resulted in an increase in photosynthesis with all treatments. There was no additional effect on photosynthetic rate when the mixture was applied, suggesting that the mechanism by which NaHSO3 promotes photosynthesis is similar to the mechanism by which PMS acts and that both of compounds enhanced the supply of ATE After spraying a solution of NaHSO3 on leaves, compared with the WT Kitaake rice, a greater enhancement of net photosynthetic rate was observed in PEPC transgenic(PC) and PEPC PPDK transgenic (PC PK) rice, with the greatest increase being observed in the latter group. Therefore ATP supply may become the limiting factor that concentrates CO2 in rice leaves transformed with an exogenous PEPC gene and exogenous PEPC PPDK genes.     

水分胁迫对露花叶片中PEP羧化酶活性及其调节特性的影响

水分胁迫期间露花叶片中PEP羧化酶的活力随胁迫时间的延长明显增加,复水后PEPC同工酶的活力下降。从露花叶片中分离到3个具有不同动力学和物理学特性的PEPC同工酶(PCⅠ,PCⅡ,PCⅢ),其中同工酶PCⅠ只存在于水分胁迫下露花叶片中,复水后消失。 这3个同工酶的K_m(PEP)值不相同;PCⅠ的K_m(PEP)值介于PCⅡ与PCⅢ之间,它在PAGE上的相对迁移率(Rm)比PCⅡ和PCⅢ大,对效应剂G—6—P及Mal的反应不敏感,分子量为PCⅡ之半;PCⅡ被G—6—P激活和被Mal抑制的程度介于PCⅠ与PCⅢ之间,它在PAGE上的相对迁移率和分子量与PCⅢ极相近。     

水稻叶片磷酸烯醇式丙酮酸磷酸酯酶活性及其部分特性

从水稻（Ｏｒｙｚａ ｓａｔｉｖａ）叶片分离出对磷酸烯醇式丙酮酸（ＰＥＰ）较专一的ＰＥＰ磷酸酯酶,其Ｋｍ （ＰＥＰ）为０．４２ ｍ ｍ ｏｌ／Ｌ,作用ｐＨ范围较窄,最适ｐＨ ８．７。它在ｐＨ ６．２—９．５ 范围内及４０℃以下较稳定。Ｐｉ对酶活性影响不大,仅在大于５ ｍ ｍ ｏｌ／Ｌ时表现出轻微的抑制作用。Ｍｇ２＋ 对酶活性具激活作用,在Ｍｇ２＋ 存在条件下,ＣａＣｌ２、ＣｏＣｌ２、ＣｕＳＯ４、ＦｅＳＯ４ 和ＺｎＳＯ４ 均表现抑制作用     

水分胁迫对露花磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶表达水平及特性的影响

水分胁迫能引进露花叶片ＰＥＰ羧化酶的活力,酶蛋白和ｍＲＮＡ水平的提高。复水后,叶片ＰＥＰ羧化酶表达量降低,茎中的ＰＥＰ羧化酶在水分胁迫和恢复水分供应过程中变化情况与叶片相似,兼性ＣＡＭ植物的碳代谢类型转变发生在植物的绿色组织中。     

超高产水稻剑叶的高效光合特性

以多年来大面积推广的杂交水稻汕优63为对照。研究了超高产杂交水稻两优培九的光合生理特性。结果表明：在生殖生长期两优培九剑叶具有较高的叶绿素含量,Fv/Fo,Fv/Fm,qP,φi和Rubisco含量,表明它有相对较高的光能吸收,转化和利用的能力;且两优培九的qN较汕优63大,1-qP/qN比它小,说明它比对照品种更耐光抑制;两个品种在剑叶衰老过程中都发生了光碳失衡,但两优培九光碳失衡状态较轻;这些可能是超高产水稻两优培九高产的重要原因。     

华南地区3个棕榈藤种光合途径的判别

C3植物uT以通过转入C4植物基因而具备C4植物光合特性,从而提高产量.有鉴于此,本文通过测定我国华南地区分布的黄藤(Daemonorops margarttae(Hance)Becc.)、单叶省藤(Calamus simplicifolius C.F.Wei)和白藤(C.tetradactylus Hance)等3个棕榈藤种苗木和成年植株叶片的叶绿素含量、气孔密度、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC)、丙酮酸磷酸二激酶(pyruvate phosphate dikinase,PPDK)和稳定碳同位素比值等指标以判别3个藤种的光合途径,为棕榈藤转入C4植物基因工作提供理论依据.结果表明,3种藤种苗木和成年植株的叶绿素含量和气孔密度比常见C3植物和C4植物高,但叶绿素a/b值、叶片上下表面气孔比值、PEPC酶活性、PPDK酶活性和稳定碳同位素比值等指标均较低,与常见C3植物的对应指标相当或略低,而远小于常见C4植物,因此认为黄藤、单叶省藤和白藤等3个藤种是C3植物.     

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.     

华南地区3个棕榈藤种光合途径的判别

C3植物可以通过转入C4植物基因而具备C4植物光合特性,从而提高产量。有鉴于此,本文通过测定我国华南地区分布的黄藤(Daemonoropsmargaritae(Hance)Becc.)、单叶省藤(CalamussimplicifoliusC.F.Wei)和白藤(C.tetradactylusHance)等3个棕榈藤种苗木和成年植株叶片的叶绿素含量、气孔密度、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvatecarboxylase,PEPC)、丙酮酸磷酸二激酶(pyruvatephosphatedikinase,PPDK)和稳定碳同位素比值等指标以判别3个藤种的光合途径,为棕榈藤转入C4植物基因工作提供理论依据。结果表明,3种藤种苗木和成年植株的叶绿素含量和气孔密度比常见C3植物和C4植物高,但叶绿素a/b值、叶片上下表面气孔比值、PEPC酶活性、PPDK酶活性和稳定碳同位素比值等指标均较低,与常见C3植物的对应指标相当或略低,而远小于常见C4植物,因此认为黄藤、单叶省藤和白藤等3个藤种是C3植物。     

C_4,C_3,CAM植物叶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶分子聚体的比较

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)广泛存在于所有植物不同部位(或器官)中,在C_4和CAM植物的CO_2固定上起着重要作用。近几年来在C_3植物中也加强了有关PEPC的研究。本文用SDS和原性凝胶电泳的方法,比较不同光合型植物和不同环境条件下PEPC分子亚基和聚体的差异,为进一步研究代谢功能的调节和分子聚体的关系提供依据。     

转高粱C4型NADP-ME基因水稻植株的光合生理特征

NADP-苹果酸酶(NADP-ME)是C4型植物C4光合途径的一个分离得到了编码高梁(Sorghum vuklgare L.)C4型NADP-ME的全长cDNA.该cDNA全长为2 139 bp,其开放可读框为1 911bp,共编码636个氨基酸和一个终止密码子(GenBank登录号为AY274836).利用农杆菌介导的转化系统将其转入水稻品种"农垦58".经Southern杂交、Northern杂交和酶活性检测表明,高粱C4型NADP-ME可以在水稻中有效表达,酶活性可被提高1～7倍.对转基因水稻进行光合生理检测表明,转NADP-ME基因水稻CO2交换特征没有明显改变,但是在中午强光条件下光抑制加剧.