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。     

连续回交对消除农杆菌介导转化引起水稻体细胞变异的影响

农杆菌介导的转化引起许多体细胞变异, 影响了转基因植物的农艺性状。因此, 转基因作物的培育需要大量的T₀代再生植株。在本研究中, 我们将转基因水稻株系与原始品种连续回交, 然后评价其回交后代的表现, 消除体细胞变异, 恢复转基因亲本的农艺性状。回交的供体亲本是3个转基因水稻株系, 分别带有来自于苏云金芽胞杆菌(Bt)的抗虫基因。与原始品种连续回交至BC₃F₁代, 每代BC_nF₁单株再自交两代, 同时对各个世代进行抗虫性选择。通过发芽试验获得转基因纯合的BC_nF₃株系, 在室内抗性试验中, 所有的BC_nF₃纯合株系都能杀死100%的幼虫。在田间试验中, 这些株系的单株产量明显高于供体亲本, 大部分农艺性状与原品种没有显著的差异。这些结果说明连续回交能够在很大程度上恢复转基因水稻株系的农艺性状, 从而减少转基因育种过程中所需的工作量。     

转水稻OsSIK1基因玉米植株的获得及抗旱性分析

类受体激酶基因Os SIK1具有通过激活抗氧化系统,增强水稻对于干旱和盐胁迫抗性的作用。为了丰富可利用的作物抗旱基因,获得具有较高抗旱水平的玉米新种质,通过超声波辅助花粉介导法,将水稻类受体激酶基因Os SIK1导入玉米自交系郑58中,并对转化株进行卡那霉素筛选及T1、T2、T3的PCR及Southern Blotting杂交等分子检测,获得转化植株并在T3获得转基因纯合株系。对T3转基因玉米和非转基因玉米对照以16.1%的PEG模拟水分胁迫进行抗旱性分析。结果表明,与对照相比,在水分胁迫处理下,转基因玉米株系叶片相对含水量提高了7.4%~19.8%,叶绿素含量提高了11.3%~106.9%,SOD活性上升45.8%~93.4%,而转基因玉米叶片的相对电导率下降了35.4%~58.1%,MDA含量下降了25.7%~50.4%,说明转Os SIK1基因玉米植株抗旱性得到提高,其中,5个转化株系与对照在抗旱性方面有显著差异,且生长状况明显优于对照。综上所述,研究最终获得5个转Os SIK1基因玉米株系,并证明导入水稻Os SIK1基因可以提高玉米植株的抗旱性。     

转耐盐基因OsCDPK7、OsMAPK4水稻农艺性状调查与分析

在前期已获得耐盐转OsCDPK7、OsMAPK4基因水稻的基础上,对转基因株系的产量性状、生物学性状、品质性状和生育期等农艺性状进行调查与分析。结果表明,在田间栽培条件下,转基因水稻植株个体生长发育正常,转OsCDPK7基因水稻株系主要农艺性状与对照无差异;而转OsMAPK4基因水稻株系与其受体之间单位面积产量、株高、有效穗数和粗蛋白含量等均存在显著差异。这种差异与OsMAPK4基因功能存在必然关系。     

RNA干扰水稻SBE3基因的表达对籽粒淀粉合成及其关键酶活性的影响

为探讨RNA干扰水稻SBE3基因的表达对籽粒淀粉合成及其关键酶活性的影响,以水稻品种中花11及以其为受体的转基因株系为材料,分别检测水稻SBE3基因的表达、籽粒发育各时期淀粉合成关键酶活性变化及直链、支链淀粉相对含量。结果表明,导入的SBE3基因RNA干扰结构成功地降低了目的基因的表达,并使其酶活性在籽粒发育各时期均显著降低并提前3 d达高峰期,且不同株系间具有差异。同时也使不同发育时期籽粒的ADPG-PPase和SSS及DBE活性均不同程度地显著降低,尤其以SSS和ADPG-PPase活性峰值降幅最大。此外,两个转基因水稻株系各时期籽粒直链淀粉含量均显著高于对照,而其成熟籽粒千粒重却显著降低,直链淀粉含量越高,千粒重越轻。     

生长素异位合成对水稻根系构型的影响

生长素在调控植物根系发育上起着重要的作用。本研究利用根系特异表达的磷转运蛋白AtPht1;1的启动子驱动生长素合成基因OsYUCCA1,构建表达载体,通过农杆菌介导法转入水稻品种中花11,获得转基因阳性植株;根据Os YUCCA1基因在水稻根中的表达量高低将转基因植株分为强表达株系和弱表达株系。转基因植株与野生型对照相比,根系构型变化明显,不定根、侧根和根毛数目均增加,主根长度变短。强表达转基因株系的地上部分的生长发育也受到影响。我们的研究结果表明弱表达株系根系构型变化适中且地上部分生长不受影响,具有实际应用的潜力。     

转甜菜碱醛脱氢酶(BADH)基因小麦的耐盐耐旱性

采用室内模拟盐、旱胁迫，结合田间实际测定的方法，对基因枪法获得的转BADH基因小麦多个株系的不同世代材料进行了耐盐、耐旱性鉴定。结果表明，在旱、盐胁迫条件下，转BADH基因小麦在种子萌发、幼苗生长、根系发育以及质膜保护等方面均比受体品种（对照）具有明显的优势；在田间生长条件下的转基因株系，其叶片蒸腾强度比对照明显降低，而离体叶片失水速率与对照没有明显差别。     

利用CRISPR/Cas9技术获得水稻恢复系Bsr-d1基因突变体

为研究水稻抗稻瘟病基因Bsr-d1在杂交水稻恢复系中的功能,我们利用CRISPR/Cas9定点基因编辑方法,设计2个敲除靶标位点,构建了Bsr-d1基因编辑载体,并通过农杆菌介导的方法转化水稻恢复系品种‘GH998’,成功获得了转基因植株,并在T1代筛选到4个无转基因成分的纯合突变株系。纯合突变株系有4种突变类型,包括第199号碱基处缺失17个碱基、第212号碱基处缺失4个碱基、第216号碱基处插入1个碱基、第216号碱基处插入2个碱基突变类型。通过蛋白序列分析,发现纯合突变株系都存在移码现象导致氨基酸变化并提前终止翻译。本研究成功利用CRISPR/Cas9基因编辑方法敲除水稻恢复系‘GH998’中Bsr-d1基因,获得无转基因成分的纯合突变株系,为进一步研究Bsr-d1基因在杂交水稻上的功能提供了理论依据和品种资源。     

转反义PLDγ基因小麦的分子检测及农艺性状分析

利用改良的穗茎注射法将反义PLDγ基因导入普通小麦兰考906，经特异PCR扩增和PCR-Southern杂交技术筛选出转化体并分析研究了转化株系与受体性状的差异。结果表明: (1) 3个材料扩增出与阳性质粒大小相同的400 bp的目的片段，说明该基因已整合到小麦的基因组中，获得了转基因小麦植株。（2）转基因株系在农艺性状上与受体存在显著差异，主要表现为株高、千粒重、单株穗数增加。变化范围分别为79.2～83.8 cm、50.53～52.98 g、5.30～8.86穗，分别比对照提高13.4 cm、6.94 g、3.82穗；而穗长、小穗数、穗粒数减少。（3）转基因株系的成熟期明显比受体提早4~8 d；转化株系早代和后代中均存在完全的雄性不育现象。     

转反义trxs基因小麦籽粒中ABA和GAs含量与穗发芽的关系

以转反义trxs基因两个纯合株系及其未转基因对照小麦品种‘豫麦18’为材料,采用荧光定量RT-PCR、整穗发芽试验和酶联免疫吸附（ELISA）的方法,对小麦灌浆过程中反义trxs基因表达、穗发芽特性及内源激素ABA和GAs含量进行了测定,探讨转基因小麦籽粒中内源激素ABA和GAs含量与穗发芽的关系。结果表明,在种子形成过程中,反义trxs基因能够正常表达,两个转基因株系中内源trxh基因表达量都明显低于对照;转基因株系籽粒中ABA和ABA/GAs含量显著高于对照,平均分别比对照升高了18.39%和23.47%,而GAs含量在花后15～30d较对照有所降低,平均比对照降低了9.14%;花后20、25、30d,转基因株系的穗粒发芽率显著或极显著低于对照,平均分别比对照下降了49.65%、28.2%、27.23%;相关分析表明,穗发芽率与ABA和ABA/GAs含量均呈显著或极显著负相关,与GAs含量呈正相关。由此推断,反义trxs基因导入抑制了小麦内源同源基因的表达,改变了小麦体内ABA和GAs的平衡,使ABA合成量增加,是导致转基因小麦穗发芽率降低的原因之一。     

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。     

半干旱地区菊芋品系植株表型与光合特性分析

为了加快半干旱地区的新型资源作物菊芋品种的选育进程,探讨菊芋产量及相关性状表型和光合生理基础是必要的。选用本课题组收集和培育的4个品系( 2个高产,2个低产品系),设置随机区组试验,比较菊芋高产和低产品系与产量形成相关的生物量累积、植株表型和光合特性的差异。结果表明,高产菊芋品系的地上生物量、块茎产量及根生物量显著高于低产品系;高产品系整体表现出明显的生长优势,其株高、基径、叶面积和叶片数均显著高于低产品系。气体交换参数分析表明,高产品系的光补偿点和暗呼吸速率显著小于低产品系,而其他各项参数差异不显著。相关性分析表明,菊芋块茎产量与株高、基径、叶面积、叶片数、地上生物量和根生物量呈显著正相关,而与光补偿点和暗呼吸速率呈显著负相关。建议多的叶片数、大的叶面积和发达的根系作为半干旱地区菊芋高产品系田间选育指标,而低的光补偿点和暗呼吸速率在高产品系选育中也具参考价值。     

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。     

我国常用玉米自交系光合特性的聚类分析

围绕着光合速率、呼吸速率、单株叶面积、叶片空间分布特征和生育期等光合特性,对我国目前常用玉米自交系进行了系统聚类分析。根据参与聚类的性状为单个、2个、3个和5个,分别将这些自交系分成若干组。依吐丝期前后玉米光合生产能力最大时期的单株叶面积和光合速率两个性状,将132个目前我国常用玉米自交系资源划分成十类,     

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。     

根癌农杆菌介导获得稗草Ecppc转基因小麦的研究

采用携带pUbi-Ecppc质粒的3个根癌农杆菌菌株（LBA4404、EHA105和C58c1）,对经过预培养10~12 d的春小麦品种扬麦158、Bobwhite和扬麦12的幼胚愈伤组织进行了遗传转化。对筛选中的抗生素浓度、菌液浓度、共培养温度和时间、受体基因型、菌株-质粒组合等影响转化的重要因素进行了研究。首次将单子叶野生C₄植物稗草的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因（Ecppc）导入小麦受体基因型,并得到具有潮霉素（Hyg）抗性的转化植株。从816块共培养愈伤组织中转化得到34株抗性植株,其中14株PCR检测为阳性。扬麦158的转化效率达3.03%。Southern和RT-PCR分析表明外源基因已整合到小麦基因组并得到正确的转录。生理学检测显示,转基因小麦植株的光合速率和PEPC活性都有所提高。说明Ubiqintin基因启动子控制的稗草PEPC cDNA基因在小麦中可以正确表达和起到一定的生理作用。这些工作为进一步探讨PEPC对小麦光合作用及其他生理过程的影响奠定了基础。     

融合表达乙醇酸氧化酶和过氧化氢酶转基因马铃薯的表型分析

在叶绿体内创建光呼吸代谢支路降低光呼吸的损耗,必然会对植物的光合作用、氮同化和逆境响应造成影响,并最终导致植物生长发育及形态结构的变化。本研究通过在马铃薯叶绿体中融合表达乙醇酸氧化酶(Glycolate oxidase)和过氧化氢酶(Catalase)来分流光呼吸产生的乙醇酸,以期提高生物量和产量。结果表明,转基因植株的株高、叶面积、有效叶数和单株薯重与野生型相比均有所提高。同时,由于叶片形状、有效光合面积、有效叶数和株高等因子的变化,部分转基因株系出现块茎畸形和薯重降低的现象。     

外源葡萄糖增强高表达转玉米C4型pepc水稻耐旱性的生理机制

为揭示葡萄糖参与植物耐旱性的内在机制,以高表达转玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 (phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC) 基因(C4-pepc)水稻(PC)和受体“Kitaake”(WT)为材料,通过盆栽和水培试验,研究外施葡萄糖联合干旱处理下,功能叶片的光合参数、总可溶性糖及其组分、Ca²⁺、NO含量、己糖激酶活性、B类钙调磷酸酶(calcineurin B-like, CBL)与蔗糖非发酵1 (sucrose nonfermenting-1, SNF1)相关蛋白激酶(SNF1-related protein kinase 3s, SnRK3s)基因表达的变化。结果表明,在盆栽试验中,分蘖期外施3%葡萄糖联合干旱处理对水稻的产量及其构成因子影响不显著,而在孕穗期处理,PC的株高、穗数、每穗实粒重和单株产量均显著高于WT。在水培试验中,外施1%葡萄糖和12% (m/v)聚乙二醇6000 (polyethylene glycol-6000, PEG-6000)模拟干旱处理,均显著提高了PC功能叶片的净光合速率(P_n)、气孔导度(Gs)和羧化效率(CE),叶片内蔗糖和果糖的含量也均显著高于WT。值得关注的是,PC叶片己糖激酶(hexokinase, HXK)活性、CBL1/SnRK3.1/SnRK3.4/ SnRK3.21基因的相对表达量在外施1%葡萄糖联合12% PEG模拟干旱处理下均显著低于12%PEG处理,而NO含量则显著上升。相关性分析也表明,PC中Pn、胞间CO2浓度(Ci)和Gs分别与葡萄糖含量、HXK活性和SnRK3.16基因表达显著相关。外施葡萄糖处理可上调PC糖水平,下调其CBL和SnRK3s基因表达,诱导NO参与叶片气孔调节,从而增强保水能力,保持光合能力稳定,最终表现为耐旱。     

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.