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.     

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.     

水稻耐光氧化和耐荫特性的生理基础

用简易、有效的人工光氧化和遮荫技术对30个水稻(Oryza sativa L.)种质进行筛选,鉴定出既耐光氧化又耐荫、耐光氧化不耐荫、耐荫不耐光氧化、既不耐荫又不耐光氧化等4种品种类型,并用既耐光氧化又耐荫的品种"武育粳3号"和对光氧化和遮荫均敏感的品种"香籼"进行光合特性研究.结果表明:在遮荫条件下,与对光氧化和遮荫敏感的品种"香籼"比较,"武育粳3号"的PSⅡ活性差异不大,RuBisCO活性降低较少,光合能力、光合生产力较高.在光抑制条件下,"武育粳3号"的PSⅡ活性,PSⅡ光化学效率(Fv/Fm),PSⅡ-D1蛋白含量降低较少,光合作用光抑制较轻.在光氧化条件下,内源活性氧清除剂SOD诱导活性高,清除O-能力强,因而叶绿素衰减较慢.上述研究为水稻育种提供了配套的优良生理特性的鉴定技术和生理依据.     

关于水稻的耐光抑制和育种问题

高光强对植物的伤害可分为两个方面:一是光合活动的受抑,通常称为光合作用的光抑制。二是叶绿素的漂白和细胞的破坏,由于这是依光的和依氧的过程,通常称为光氧化。在C_3作物中光抑制是个普遍现象,它可能发生在分子、叶绿体、叶片的各级水平上。逆境条件(如高温、低温、干旱、盐害、大气污染等胁迫)会进一步加重光抑制,叶片易于出现光氧化伤害的失绿。这是大田常见     

籼粳稻光合作用的光抑制特性及在正反交F_1杂种中的表现

用粳稻０２４２８、０２９和籼稻３０３７、Ｐａｌｇｈａｒ进行杂交,探索籼粳亚种光抑制特性在Ｆ１杂种中的遗传表现。结果表明：通常粳稻表现耐光抑制,籼稻表现对光抑制敏感。杂种Ｆ１的光抑制特性因正反交有明显差异。粳／籼Ｆ１光合光抑制与其母本粳稻相似,因其来自母本质基因编码的ＱＢ蛋白与１４Ｃ－Ａｔｒａｚｉｎｅ结合的Ｋｂ值和光抑制条件下ＱＢ蛋白维持能力接近;籼／粳Ｆ１比母本机稻耐光抑制,因其ＱＢ蛋白维持能力有所增加,这可能与来自核编码的ＳＯＤ诱导活性增加有关。杂种稻光抑制特性受双亲核质基因互作调控．其中质基因影响较大。因此选择耐光抑制的母本是杂优育种中选亲配组的重要原则之一。     

Flaveria属C_4种和C_3-C_4中间型种杂交一代的CO_2交换特性

用Flaveria属不同的C_4种和C_3-C_4中间型种杂交,鉴定了杂种F_1 C_4光合CO_2的交换特性。结果表明:F.brownii(C_4)和F.floridana(C_3-C_4)正反交F_1表观光合强度在两亲值之间,有的植株偏向C_4亲本,有的偏向C_3-C_4亲本。利用这种偏向分布可从F_1中选出高光合能力的材料。从F.palmeri(C_4)和F.pubescens(C_3-C_4);F.brownii(C_4)和F.floridana(C_3-C_4);F.palmeri(C_4)和F.floridana(C_3-C_4);F.trineroia(C_4)和F.anomala(C_3-C_4)的正反交,可以看出:用C_4作父本,杂种F_1具有类似C_4种的耐高温的光合特性。从O_2抑光合反应看,F_1接近中亲值,稍偏向C_3-C_4亲本。CO_2补偿点却与C_4亲本相似,不因正反交而发生偏向分布。通过遗传操作,有可能将C_4光合特性传递给C_2植物。     

在光氧化条件下不同类型高产稻的叶绿素荧光特性和膜脂过氧化特点

用不同类型高产稻 (OryzasativaL .)粳稻 95 16、具有粳型成分的两系法亚种间杂交稻培矮 6 4/E32、两优培九(培矮 6 4/ 9311)和籼型杂交稻X0 7S/紫恢 10 0、冈优 881、汕优 6 3为材料 ,研究了孕穗期叶片在光氧化条件下的叶绿素荧光特性和膜脂过氧化表现。光氧化处理后 ,与籼型杂交稻比较 ,粳稻和具有粳型组分的亚种间杂交稻的PSⅡ原初光化学效率 (Fv/Fm)、PSⅡ的线性电子传递的量子效率 (ΦPSⅡ)和光化学猝灭系数 (qP)下降的较少 ;超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化氢酶 (CAT)、过氧化物酶 (POD)诱导的活性较高 ,活性氧 (O-·2 、H2 O2 )和丙二醛 (MDA)的产生积累较少 ,叶绿素和蛋白质含量下降较少 ,表现出耐光氧化特性 ,这与在自然条件下生育后期叶绿素含量变化相一致。相关分析表明它们的耐光氧化特性与结实率密切相关 ,说明耐光氧化品种抗早衰 ,有利籽粒充实。这些结果启示我们 :从超高产育种出发 ,兼顾杂种优势利用和抗早衰两方面考虑 ,在母本不育系中引入粳型成分是一个值得重视的育种策略。     

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。