转育PEPC基因的杂交水稻的光合生理特性

用高表达的转PEPC基因水稻HPTER-01作父本,与水稻不育系培矮64S、29130S、7001S以及恢复系5129、437进行杂交,获得505株后代材料,鉴定出42株高PEPC活性和高光合效率的植株。与其母本相比,这些材料的PEPC活性和净光合速率（Pn）提高,CO2补偿点降低,且Pn和PEPC活性呈正相关,r=0.6660**。从光合日变化上看,转育水稻一天     

外源H2O2对孕穗期转C4PEPC水稻及原种光合特性的影响

为阐释转C4 PEPC光合基因水稻过氧化物胁迫条件下的光合生理特性,以转PEPC基因水稻(PC)、未转基因原种(Kitaake)为材料,运用Li-6400便携式光合仪观测其在不同浓度外源H2O2处理下的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)以及水分利用率等光合参数的变化.结果发现,与未用H2O2处理的PC相比,PC在0.5~5 mmol/L H2O2浓度处理下,其Pn在不同光强下均表现下降,与其Gs的下降一致,这个抑制过程随光强的增加而减弱,而50 mmol/L H2O2处理下PC,虽Gs增加,但是其Pn并没有增加,表现不同H2O2的浓度效应;而未转基因水稻则没有上述表现,推测PC可能通过低浓度的H2O2参与气孔运动的调节,从而影响其光合特性.     

ATP是构建类似C4水稻的重要限制因素

为了分析ATP是否是转PEPC+PPDK基因水稻或转 PEPC+PPDK+ME基因水稻CO2浓缩过程的限制因素,以原种和不同转C4光合酶基因水稻为材料,测定了C4光合酶活性、光合速率以及活性氧代谢有关指标,结果表明:原种中具有全套的C4光合酶,但活性很低,而不同转C4光合酶基因水稻高表达了相应的C4酶活性.在高光条件下,与原种相比较,转PPDK基因水稻的光合速率未增加;转ME基因水稻的光合速率降低了6.1%;转PEPC+PPDK双基因水稻与转PEPC基因水稻相近.ATP和ATP激活剂NaHSO3处理后,可显著提高转PEPC+PPDK双基因水稻和转PEPC+PPDK+ME基因水稻的光合放氧速率,达到玉米的80.7%,显现出类似C4的光合特点,表明ATP是构建类似C4水稻的重要限制因素.光氧化条件下,转PEPC+PPDK+ME基因水稻的耐光氧化能力得到进一步的增强.这些结果为构建C4水稻提供了技术途径.     

稗草(Echinochloa crusgalli)根型ppc基因对水稻的遗传转化及其对光合速率的调节效应

稗草(Echinochloa crusgalli)是稻田中的C4光合型杂草,为了探索稗草ppc基因(Eppc)对水稻遗传转化的可行性及其对光合速率的调节效应,首次将含有稗草根型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC)基因ppc c DNA的2个植物表达载体p Ubi-Eppc、p Rbc S-Eppc通过农杆菌介导法对水稻进行了遗传转化。对分化植株进行的PCR、RT-PCR、克隆测序和Western杂交等结果均表明稗草ppc基因已经整合到了水稻基因组中,并且在转录和翻译水平都得到了表达。转基因水稻PEPC活性和气体交换参数测定结果表明T0代多数植株的PEPC活性高于对照,最高达到了对照的5.85倍;T0代大多数转基因植株叶片的净光合速率(Pn)比对照提高了20.00%,最大地提高了47.16%,同时叶片水分利用效率(WUE)也得到增强;T6代大部分转化植株的PEPC活性及Pn仍保持高于对照,本研究表明C3根型ppc基因过量表达也可以提高水稻的Pn,且证明稗草PEPC对光合作用具有较强的调节作用。     

5-氮杂胞苷对高表达转玉米C4-PEPC基因水稻耐旱性的影响

为了揭示DNA甲基化在高表达转C_4-PEPC基因水稻植株对干旱耐性的作用,以高表达转玉米C_4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)基因(C_4-PEPC)水稻(PC)和受体Kitaake(WT)为材料,通过发芽、水培和盆栽试验,研究了施用不同浓度的DNA甲基化抑制剂5-氮杂胞苷(5-azaC)联合干旱处理下,水稻芽期、苗期和生育后期,种子发芽率,苗期叶片的相对含水量、丙二醛、脯氨酸、总可溶性糖及其组分及总可溶性蛋白含量、PEPC酶活性以及C_4-PEPC、与蔗糖非发酵1(SNF1)相关蛋白激酶(SNF1-related protein kinase 1s, SnRK1s)基因以及甲基转移酶基因表达的变化、剑叶的光合参数,并最后考察产量构成因子的变化,结果表明:5-azaC对水稻芽期和苗期干旱胁迫作用浓度呈现剂量效应,即低浓度促进,而高浓度抑制,其中作用浓度:芽期苗期;而对芽期和苗期有促进和抑制的2个浓度外施于水稻生育后期的水稻植株后,则出现恶化的效应,表现为矮化、剑叶的净光合速率和单株产量下降。在缓解干旱抑制的浓度下,PC苗期的缓解效果好于WT,这种差异的表现与其内源蔗糖、SnRK1s基因以及OsMET1b的表达差异同步,而且PC叶片C_4-PEPC表达对不同浓度的5-azaC处理也呈现剂量效应。综上,DNA甲基化参与了水稻干旱响应,但不同生育期表现不同,其中糖信号在调节DNA甲基化增强PC干旱耐性起重要作用。     

转玉米C4光合酶基因水稻株系中的光合C4微循环

用转PEPC、PPDK、NADP-ME、PEPC PPDK等酶基因的水稻株系及原种野生型(WT)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.用外源OAA或MA饲喂叶切片或离体叶绿体后,光合放氧速率在野生型水稻中增加了50%,在NADP-ME-和PPDK-转基因水稻中增加了50%～54%,在PEPC-和 PEPC PPDK-转基因水稻中增加了100%～150%.证明原种水稻Kitaake叶片中具有一个原初的和有限的C4光合微循环,除PPDK基因、NADP-ME基因外,外源PEPC基因或PEPC PPDK双基因导入原种水稻Kitaake后,可大幅度提高C4光合微循环的运行.水稻中C4光合微循环的增强有降低光呼吸速率(Pr)、增加净光合速率(Pn)的作用,在光能利用上,可增加PSⅡ光化学效率(Fv/Fm)、光化学猝灭(qp)、降低非光化学猝灭(qN)的作用;这些结果为转C4光合酶基因水稻中建立C4微循环系统来提高光合作用效率的可能性提供了依据.     

干旱胁迫下转PEPC+PPDK基因增强水稻光合机构的保护能力

随着全球的经济发展和人口膨胀,水资源短缺现象日趋严重,干旱已成为粮食生产的主要限制因素之一。C_4植物(如玉米)具有较高的光合速率以及较高的水分利用效率,利用转基因技术将C_4植物高光合及耐旱特征引入C_3作物(如水稻),被认为是解决水资源短缺与全球粮食需求不断增长矛盾的重要手段。本研究以转PEPC+PPDK双基因水稻及其非转基因对照为材料,通过PEG6000模拟干旱条件,研究干旱胁迫下叶片叶绿素含量、叶绿素荧光参数、C_4光合酶活性、叶片抗氧化酶活性等光合生理相关参数变化。结果表明:干旱胁迫下转PEPC+PPDK基因水稻叶绿素含量、C_4光合酶活性、抗氧化能力等均有提升;干旱胁迫对转PEPC+PPDK基因水稻PSⅡ的光化学活性抑制较小,对细胞的损伤相对更低,表明转基因水稻对光合机构的保护能力明显增强。     

PEPC过表达可以减轻干旱胁迫对水稻光合的抑制作用

为了明确磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)过量表达能否提高水稻的光合速率,测定了42个表达不同PEPC水平的转玉米PEPC基因水稻株系及对照(受体亲本中花8号)开花期和灌浆期的光合速率。结果表明,在水田条件下,转基因株系光合速率与未转基因对照相比没有明显差异;而在旱地条件下,转基因水稻的光合速率显著高于对照(27%和24%)。随机选取2个PEPC相对活性分别为10倍和25倍的转基因株系进行网室精确控水盆栽实验得到相似的结果。说明单纯导入PEPC并不能提高水稻的光合速率,而干旱胁迫下转基因水稻的光合优势可能是由于PEPC参与水稻的抗旱反应而减轻了干旱胁迫对光合作用的抑制作用。     

高光强下转玉米PEPC基因水稻和未转基因水稻秧苗叶片超微结构的比较

为了阐明转玉米PEPC基因水稻高光效的结构基础,以转玉米PEPC基因水稻和未转基因原种为试验材料,在水稻的三叶期,施以100 min,1 000μmol/(m2.s)的高光强处理,以200μmol/(m2.s)下的水稻为对照,运用透射电镜观察叶肉细胞、维管束鞘以及叶绿体内类囊体片层结构。结果发现,与对照材料相比,转玉米PEPC基因水稻材料经高光强处理后,叶片叶绿体的排列更加紧密,叶绿体中类囊体片层堆垛整齐,有序片层较厚,排列更加致密,类囊体结构更加完整,而且叶绿体周围的线粒体数量明显增多;而未转基因原种的叶片经高光强处理后,叶绿体内类囊体片层松散,结构混乱,部分甚至解体,表现出受到损伤的迹象,叶绿体基质中淀粉大颗粒的含量明显增多。转玉米PEPC基因水稻叶片光合器官在高光强下结构稳定以及线粒体的有序排列有利于其利用较高的光能,从而提高其光合生产力,为阐明转C4光合基因水稻高光效的理论提供了证据。     

转PEPC基因水稻对光氧化逆境的响应

为了解析转PEPC基因水稻的光保护机制,比较了转磷酸烯醇式丙酮羧化酶基因水稻(PEPC基因)和未转基因原种（WT）在夏季晴天10:00时和14:00时（光强最强,气温最高）的净光合速率（Pn）、原初光化学效率Fv/Fm、超氧阴离子（O2．- ）的产生速率以及膜脂过氧化物丙二醛（MDA）的变化,着重研究了自然条件（连体叶片）、人工光氧     

转PEPC基因水稻种质的稳定光合生理特性

本文运用稳定和放射性碳同位素研究了第8代转PEPC基因水稻，并测定其光合速率和荧光特性，结果表明该种质为C₃植物，但C₄原初光合产物增多，表现出C₄光合特性有所改善；转PEPC基因水稻种质已稳定，为我国的高光效育种提供了一个新的种质资源。     

干旱胁迫下PEPC过表达增强水稻的耐强光能力

以过表达磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)的水稻为材料,研究了不同程度干旱胁迫下开花期剑叶光合作用的光响应过程、叶绿素荧光参数、色素含量和活性氧代谢。结果表明,在干旱特别是重度干旱胁迫下,野生型水稻在强光下净光合速率迅速下降,而转Zmppc基因水稻没有明显的下降现象; 而且表示光化学活性的叶绿素荧光参数F_v/F_m、Φ_PSⅡ和q_P下降程度低,说明PEPC增强了干旱胁迫下水稻抵御强光胁迫的能力。这可能是因为干旱胁迫下转Zmppc基因水稻玉米黄质含量高,光系统对过剩光能的耗散能力强,能够保护光系统免受过剩光能的伤害,从而减小O₂^?产生速率; 同时干旱胁迫下转PEPC基因水稻抗氧化酶SOD、POD和CAT活性高,能有效清除活性氧,减轻膜质过氧化。     

两系杂交早稻 ‘两优 17’ 母本直播制种技术研究

为了探明水稻两系不育系9771S杂交制种的母本直播技术,以两系杂交早稻‘两优17’的母本9771S和父本‘中嘉早17’为试验材料,对‘两优17’制种母本设置直播与育秧移栽两种栽培方式,比较母本在两种栽培方式下播始历期变化、母本直播适宜播种量、抗倒性、产量构成因素及制种产量等方面的差异。结果表明：‘两优17’母本直播较育秧移栽每公顷增产1．7％;在抗倒性方面表现略有不足;母本直播播始历期较育秧移栽缩短2天,花期缩短1天;直播和移栽在播种量同为37．5kg／hm2时,综合性状表现较好,制种产量较其他用种量处理高。因此,‘两优17’制种,母本直播具有省工、制种效益较高等特点,具有推广应用前景。     

不同氮素利用效率基因型水稻氮素积累与转移的特性

选用氮素利用高效型和低效型具有代表性的12个粳稻基因型, 研究水稻氮素积累、转移特性的差异及其与氮素利用效率的相互关系。结果表明, 有效分蘖临界叶龄(N-n)、抽穗和成熟期, 氮高效类型水稻的氮素积累量极显著高于氮低效类型, 而拔节期差异不明显。水稻氮素的阶段性积累量, 除(N-n)至拔节阶段, 氮高效类型水稻极显著低于氮低效类型外, 其余各阶段氮高效类型水稻的氮积累量均极显著高于氮低效类型。水稻氮素的阶段性积累率, 移栽至(N-n)和(N-n)至拔节阶段氮低效类型水稻显著大于氮高效类型, 而在拔节至抽穗和抽穗至成熟阶段则表现出相反的趋势。抽穗前的氮素转移量和转移率, 氮高效类型水稻显著或极显著大于氮低效类型, 而抽穗前氮对籽粒的贡献率, 氮高效类型极显著低于氮低效类型。氮高效类型水稻具有在(N-n)前氮素适度积累, (N-n)后至抽穗阶段, 氮素的有效积累高而无效积累弱的特点。因此至抽穗期, 氮高效类型水稻的氮素积累量大于氮低效类型, 具有较高的氮素转移量和转移率。但由于氮高效类型水稻在抽穗以后仍具有较强的氮素积累能力, 因此其抽穗前氮对籽粒的贡献率相对低于氮低效类型。     

转C4光合基因水稻及其在育种中的应用

按光合作用途径可将植物分为C3植物、C4植物和CAM植物,由于C4植物在高光强、高温和高氧分压的条件下,比C3植物具有较高的光合效率,作物生理和育种学家就试图用C4光合途径改造C3作物,以提高主要农作物如稻、麦和大豆等光合生产力,但通过常规杂交的方法难以奏效。近年来,随着分子生物学的兴起和植物转基因技术的快速发展,许多与C4光合作用途径相关的关键酶PEPC、NADP-苹果酸(NADP—ME)和PPDK等一系列基因已从玉米、高粱和苋菜等C4植物中被克隆,对这些基因启动子序列分离、重组、转化及表达的研究,发现它们可以在C3植物中驱动外源基因并进行组织特异性表达,而且一系列C4型光合基因导入C3植物的成功报道。特别是获得高表达的转C4光合基因水稻,表现光合能力和种子产量显著提高,而且在光逆境的条件下,超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性提高,从而有效地清除活性氧分子,表现耐光抑制(氧化)等。目前利用转C4光合基因水稻的育种研究也取得了重要进展,培育出携带C4光合基因的高光效水稻株系,在遗传上证明了常规育种和生物技术结合可以将转C4光合基因水稻中高表达的C4光合基因遗传给后代,获得高光效的超级稻,最后提出了本研究中尚需深入研究的问题。     

不同生育期水稻耐冷性的鉴定及耐冷性差异的生理机制

以粳稻9516、H45、武育粳、转PEPC基因水稻、Kitaake、苏沪香粳，籼稻扬稻6号、香籼、IR64，培矮64S以及杂交稻粤优938、汕优63、X07S/紫徽100、两优培九等14个水稻品种为材料，分别鉴定了芽期（胚根1 cm, 胚芽0.5 cm）、苗期（三叶）和孕穗期的耐冷性，同时选取南京对水稻播种敏感的自然低温条件，进行低温鉴定。结果表明，芽期存活率、苗期的枯死率和孕穗期结实率均为可靠的水稻耐冷性鉴定指标。进一步从叶片的光合速率、PSⅡ光化学效率（F_v/F_m）、脂肪酸组分、活性氧指标(丙二醛,过氧化氢和超氧阴离子和抗氧化物质(抗坏血酸和谷胱甘肽)的变化等方面，研究耐冷性不同的水稻的耐冷生理机制。表明耐冷的水稻品种武育粳含较多的不饱和脂肪酸，在低温逆境下，膜的流动性愈大，低温对其伤害愈小；对杂交稻汕优63而言，其叶内抵御逆境的保护系统抗坏血酸和谷胱甘肽的循环被较大地激活，特别是谷胱甘肽再生的高速运转，与不耐冷的品种香籼相比，汕优63叶内的过氧化物质累积较少，其耐冷性表现中等。看来水稻叶片维持高的脂肪酸不饱和指数和谷胱甘肽的周转循环能力是水稻耐冷的重要特征。     

施肥方式和施氮量对寒地水稻产量、品质及氮肥利用的影响

为提高寒地水稻氮肥利用率,采用盆栽试验,比较了施肥方式、施氮量及二者互作对寒地水稻产量、品质、干物质生产、净光合速率（P_n）和氮肥利用率等指标的影响。结果表明,侧深施肥（S2）和点深施肥（S3）分蘖期和灌浆期地上干物质积累量、叶面积和根部性状多优于全层施肥（S1）,齐穗期功能叶相对叶绿素含量和灌浆期P_n低于S1处理。S2处理直链淀粉含量极显著低于S1处理;S3处理糙米率、精米率和蛋白质含量显著或极显著低于S1处理,直链淀粉含量和食味值极显著高于S1处理。S2处理氮肥生理利用率高于S1处理37.63%,S3处理氮肥吸收利用率、生理利用率和偏生产力分别高于S1处理20.14%、67.57%和13.08%。与常规施氮处理相比,减氮15%处理的千粒重、分蘖期和灌浆期地上部干物质积累量、分蘖期叶面积、分蘖期和灌浆期功能叶P_n均显著降低。本试验条件下,点深施肥方式配合减氮15%为兼顾产量、品质和肥料利用率的最优组合。     

转AtHDG11基因玉米的获得及抗旱性鉴定

培育抗除草剂和抗旱的转基因玉米种质,通过超声波辅助农杆菌介导花粉非组培法将拟南芥抗旱基因At HDG11导入玉米自交系昌7-2中,获得转基因植株。通过逐代除草剂筛选、分子检测对获得的转基因植株进行检测,获得5株转基因株系。在此基础上,以非转基因自交系昌7-2为对照,对5个转基因株系进行抗旱性鉴测;对苗期和十叶期玉米植株进行干旱胁迫处理,测定转基因植株生理活性物质和光合参数。结果表明,在干旱胁迫条件下,转基因玉米叶片的Pro含量高于非转基因玉米,MDA含量低于非转基因玉米;不论在正常生长条件下还是干旱条件下,转基因株系的光合速率和水分利用率都明显高于对照植株;而转基因株系的蒸腾速率和气孔导度则明显低于对照植株。综合室内与田间的抗旱检测结果表明,超声波辅助农杆菌介导花粉的非组培转基因方法在玉米上是可行的。将拟南芥HDG11基因导入玉米,同样可以有效地提高玉米的抗旱性,为玉米的抗旱育种提供新的种质资源和新的转基因方法。     

玉米ppc基因过表达对转基因水稻光合速率的影响

通过转基因技术将外源ppc基因导入水稻以期增加产量是国内外的重要研究领域。然而,关于ppc基因过表达能否提高转基因水稻的光合速率至今尚无定论。本研究将玉米ppc基因导入水稻中花8号,获得大量转基因水稻植株。经PCR筛选、PEPC活性测定、Southern和Western杂交分析,表明玉米ppc基因已经整合到受体水稻基因组中,并得到了正确和高效的表达。测定了温室内种植的T₁代6个PEPC活性不同的转基因水稻植株的光合速率,只有活性最高的株系的光合速率显著增加,增加的幅度为27.3%。在旱作栽培条件下测定了T₃代33个转基因株系的光合速率,结果表明在高温、高光强下,绝大多数转基因水稻的光合速率增加,最大提高了68.8%。比较6个转基因株系的T₁和T₃代看到,逆境胁迫条件下转基因水稻光合速率明显提高。以上结果表明水稻中导入ppc基因可以提高其光合速率,特别是逆境条件下的光合速率。