转PEPC基因水稻耐光抑制和光氧化的特性

研究了转PEPC基因水稻及其原种在光抑制和光氧化条件下叶绿素荧光等参数的变化.结果表明,玉米PEPC基因导入水稻后,PEPC活性显著提高.不同基因型水稻在中午高光强高温条件下均发生光抑制现象,其中转PEPC基因水稻中午Fv/Fm、qP和PSⅡ降低较少,qN略为增加,光能转化为化学能的效率较高,热耗散较低,表现耐光抑制.经光氧化处理,转PEPC基因水稻叶绿素和蛋白含量下降较少,表现耐光氧化特性.同时转PEPC基因水稻Fv/Fm和qP下降较少,qN增加较多,可见其保持较高的光化学效率和增加热耗散提高耐光氧化能力.     

转PEPC+PPDK双基因水稻的光合特性

【目的】系统研究ATP处理后转PEPC+PPDK双基因水稻的光合特性,证明ATP是增强转C4基因水稻光合能力的关键因子。【方法】以原种和转PEPC+PPDK双基因水稻为材料,进行了PCR检测,C4光合酶活性的测定。通过ATP处理后,分析了光、温—光合曲线和活性氧代谢有关指标,统计分析了相关的产量构成因素。【结果】原种中虽有全套的C4光合酶,但活性很低。PCR检测出玉米的PEPC和PPDK基因转入普通水稻后,转PEPC+PPDK双基因水稻高表达了C4光合酶活性。在高光和高温条件下,同未施ATP的相比, ATP处理后转PEPC+PPDK双基因水稻光合速率分别提高17%和12%。在光氧化条件下,耐光氧化能力进一步增强,产量提高15%。【结论】ATP处理后,转PEPC+PPDK双基因水稻增强了光合生产力,表明ATP是设计类似C4水稻的关键因子。     

转PEPC基因水稻的抗逆性研究

为了研究转C4光合基因水稻的抗逆性,以稳定的转磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)基因水稻和未转基因水稻(对照)为供试材料,研究其在干旱、高温、高光等逆境条件下的光合速率及抗氧化酶(SOD、POD)活性变化。结果表明:在干旱和高温、高光条件下,转PEPC基因水稻和对照光合速率较正常水分条件下均下降,但对照分别下降39.1%和30.4%,转PEPC基因水稻只下降8.0%和12.0%,说明转PEPC基因水稻具有较稳定的光合速率;超氧阴离子(O-·2)产生速率均增加,对照增加的速度远快于转PEPC基因水稻,转PEPC基因水稻分别增加2.25倍和0.45倍,对照却相应增加3.73倍和2.10倍;对照中SOD、POD活性几乎没有变化,而转PEPC基因水稻中SOD、POD活性增强,比正常条件下分别增加0.34倍和1.20倍,说明转PEPC基因水稻清除O-·2能力增强,从而可有效减轻膜脂过氧化程度。     

转玉米pepc基因的杂交水稻亲本的选育

 对转玉米 pepc基因水稻进行观察研究 ,发现玉米 pepc基因不仅在水稻中高水平表达而且能稳定遗传。转基因水稻的PEPC活性比非转基因对照提高 10倍以上 ,其单株有效穗、穗总粒数、千粒重和单株产量等主要经济性状指标分别比原始亲本Kitaake提高 14 .9%、5 .7%、1.3%和 13.9%。 1998年以来 ,利用转 pepc基因水稻与杂交稻亲本杂交 ,经 5年 7代选育得出以下结果 :(1)玉米 pepc基因在新遗传背景下仍能高水平表达并能稳定遗传 ;(2 )F1的PEPC活性介于双亲之间 ,其饱和光合速率提高 5 0 % ,与双亲的差异达显著水平 ,利用高光效基因提高水稻杂种优势具有可行性 ;(3)PEPC活性与饱和光合速率呈极显著正相关 (r =0 .6 4 70 ) ,可将水稻叶片中的PEPC活性作为鉴定高光效水稻的主要生理指标 ;(4)转育成 3个较稳定的高光效水稻株系 ;(5 )建立了潮霉素催芽初选、分子标记抽检、田间表型决选和生理生化指标定量鉴定的高光效水稻筛选技术体系     

C4光合pepc基因转化水稻和小麦研究进展

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)作为C4途径的关键酶,一直是水稻、小麦转基因研究的热点.综述了PEPC基因工程现状,着重介绍了转C4光合pepc基因水稻、小麦的光合生理特性及高光效育种最新进展;并指出转基因高光效育种的分子作用机理尚需深入研究,有价值高光效种质有待进一步创制;将转基因高光效育种和常规育种相结合,开展水稻、小麦分子聚合育种,是培育优质、高产、多抗水稻、小麦新品种的有效途径.     

转PEPC和PPDK双基因水稻孕穗期光合生理日变化

以转PEPC和PPDK双基因水稻为材料,测定了水稻剑叶在孕穗期的净光合速率(Pn)、叶绿素荧光参数初始荧光产量(Fo)、最大光化学量子产量( Fv/Fm)及叶绿素性能指数PI(abs)的日变化;同时分析了在自然条件下,转PEPC和PPDK双基因水稻叶片部分抗氧化酶SOD、POD、CAT的诱导活性,超氧阴离子(O2-)产生速率以及膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)含量的日变化规律.结果表明:转PEPC和PPDK双基因水稻与原种R299在自然条件下都随时间的推移而表现出F.先升后降,Fv/Fm、PI(abs)先降后升,保护酶SOD、POD、CAT诱导活性先升后降,O2-,、MDA逐渐积累的现象,与原种水稻相比,转PEPC和PPDK双基因水稻随高温高光逆境的加剧,SOD、POD、CAT诱导活性逐步增强且维持较高水平,O2-的产生速率较低,MDA积累较少,维持较稳定的光系统Ⅱ活性和较高光合能力,比原种水稻更具耐光优势.     

转C_4基因水稻的生理表现

以C3水稻原种(WT)和C4玉米为材料,研究了转PEPC+PPDK+ME基因水稻(PKM)的C4光合酶活性、不同光温条件下光合参数和水分利用效率、活性氧代谢等指标。结果表明,PKM水稻饱和光合速率介于WT和C4玉米之间,稍偏向玉米,而水分利用效率与WT接近。由于玉米C4基因的导入,PKM水稻高表达了相关的C4光合酶。在高光和高温条件下,PKM水稻光合速率比原种提高55%以上。另外,虽然PKM水稻光合速率增加,但蒸腾速率亦升高,因此PKM水稻的水分利用效率略有增加,偏向原种。在光氧化条件下,PKM水稻耐光氧化能力进一步增强。     

转pepc基因水稻的选育

通过基因工程 ,将玉米的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 (pepc)基因导入水稻品种“Kitaake” ,获得高表达的转pepc基因水稻 ,系统选育后 ,获得第 7代稳定种质。转pepc基因水稻的PEPC活性比原种高 2 4倍 ,净光合速率比原种高 5 0 %。以第 7代稳定转基因材料作父本 ,与水稻不育系“培矮 64S”、“2 9130S”、“70 0 1S”以及恢复系“5 12 9”、“Y910 7”、“H9195”、“双九A”和“437”进行杂交 ,获得 80 5株后代材料 ,并从中鉴定出 47株高PEPC活性和高光合效率的植株。这些植株的PEPC活性和净光合速率 (Pn)均高于母本 ,且Pn与PEPC活性呈正相关 ,r=0 666 0 。证明通过基因工程与杂交相结合的方法 ,可将转pepc基因水稻的高光效特性传递到杂种稻的不育系和恢复系中     

转C_4基因水稻籽粒产量及品质分析

为了分析C_4基因导入C_3水稻后对其籽粒产量及品质的影响,以日本水稻品种‘Kitaake’(Oryza sativa L.subsp.japonica)及其转玉米PEPC、PPDK、ME基因水稻为材料,测定C_4光合酶活性、光合速率、产量以及主要营养成分。结果表明,转C_4基因水稻的4种光合酶活性显著增加,PEPC基因的导入使光合效率显著提高,与对照相比各转基因株系籽粒中水分、灰分和淀粉质量分数无显著差异,而含有PEPC基因株系的蛋白质和脂肪质量分数显著增加,可溶性糖质量分数降低。可见,PEPC基因的导入加强了籽粒中蛋白质和脂肪的积累,从而使转基因水稻千粒质量和单株穗数显著提高,这可能是转基因水稻光合生产力提高的生理生化基础。     

转玉米PEPC基因水稻的形态和光合酶活性变化

以稳定的转PEPC基因水稻和未转PEPC基因水稻为供试材料,对其外形和光合酶活性进行测定。结果表明,与未转PEPC基因水稻相比,转PEPC基因水稻株高增加、茎秆变粗、叶片变宽、根系发达,光合酶活性增加,且产量构成因素均增加。     

Study of the Protective Effects in PEPC Transgenic Rice

The diurnal course of chlorophyll fluorescence parameter and active oxygen metabolism of flag leaves in PEPC transgenic and untransformed rice Kitaake were studied. The results showed that the photosynthetic rate under high light intensity has been increased by 50% and photoinhibition of photosynthesis in PEPC transgenic was alleviated after the introduction of PEPC gene from maize into rice. It was demonstrated that the increment of photosynthesis in PEPC transgenic was related to the introduction of PEPC gene using specific inhibitor of PEPC. Photoinhibition of photosynthesis in different genotypes exists at noon under natural condition. PEPC transgenic rice exhibited a less decrease in Fv/Fm, a less photoinhibition and a higher efficiency of light energy conversion to chemical energy and lower thermal energy dissipation.These results provided the physiological basis on the mechanism of tolerance to photoinhibition and rice breeding with high photosynthetic efficiency.     

Breeding for Parents of Hybrid Rice with Maize pepc Gene

The results of the investigation on transgenic rice with maize C4-specific phosphoenolpyruvate carboxylase (pepc) gene showed that the transgenic rice plants with the maize pepc gene expressed at high level and the maize PEPC expression was inherited in the progenies in a Mendelian manner. The transgenic plants had PEPC activity of more than 10-fold higher than untransformed plants. As compared with untransformed plants, the panicle per plant, spikelet per panicle, 1000-grain weight and grain-weight per plant for transgenic plants increased by 14.9 %, 5.7%, 1.3 % and 13.9 %, respectively. By crossing the maize pepc gene was incorporated into the parents of hybrid rice, which were the photo-sensitive genic male sterile (PGMS)lines of two-line hybrid rice such as Peiai64s, 7001s, 2302s, 2304s and 2306s-1, and the BT type of cytoplasmic male sterile (CMS) line of three-line hybrid rice such as Shuangjiu A, and restorer lines 5129, Wanjing97 in the spring of 1998. The following progresses were made: (1) The inheritance of the high-level expression of the maize PEPC was stable in different genetic background of rice; (2) PEPC activity of F1 hybrid was the mean of the two parents. Its saturated photosynthetic rate (Pn) rose to 50 % higher than that of the receptor parent. These results demonstrated that it is possible to increase the vigor of the rice plant by transgenic approach with maize pepc gene; (3) The activity of PEPC in leaf could be considered as the major physiological index because the correlation coefficient between PEPC activity and Pn was 0.6470 * *; (4) We have developed three rice lines with maize pepc gene; (5) The selection method of high photosynthetic efficiency rice has been established, which includes soaking seeds into solution of hygromycin phosphotransferase to germinate, tracing the pepc gene by PCR analysis, evaluating the performance of the rice plants in the field and examining PEPC activities and Pn of rice plants with maize pepc gene.     

利用转基因技术培育超高产水稻

利用植物遗传工程技术将控制植物光合作用、叶片衰老以及淀粉合成的有关基因，如FEP羧化酶（PEPC）基因、丙酮酸磷酸二激酶（PPDK）基因、NADP－苹果酸酶（NADP－ME）基因、异戊烯基转移酶（IPT）基因、ADP葡萄糖酸化酶基因，进行合理构建后导入水稻，创造出光合效率高、叶片不早衰、种子淀粉合成得以改善的新的水稻种质，从而使水稻产量得以显著提高。     

Response of Gas Exchange and Water Use Efficiency to Light Intensity and Temperature in Transgenic Rice Expressing PEPC and PPDK Genes

Aiming to controvert whether the photosynthetic capacity of transgenic rice expressing C4 genes is enhanced, with the C3-type untransformed rice （WT） and maize （a C4 plant） as controls, the activity of C4 photosynthetic enzymes, gas exchange parameters and water use efficiency （WUE） under different light intensities and temperatures, the stable carbon isotope ratio （8-3C） value and the metabolic index of active oxygen as well as plant yield parameters were determined in transgenic rice carrying the PEPC and PPDK genes （CK） in this study. The results showed that the light-saturated photosynthetic rate of CK was intermediate between that of WT and maize, with a slight bias towards that of maize. Under a high light intensity （1 200 μmol m^-2 s^-1） and high temperature （35℃）, CK still exhibited higher photosynthetic capacity, while the Gs decreased. The WUE of CK was only slightly increased, and was similar to that of WT. The δ13C value indicated that CK functioned as a C3 plant. In addition, the tolerance to photo-oxidation and grain yield of CK was enhanced by sprayed with NaHSO3. In conclusion, CK possesses higher photosynthetic productivity under the conditions of high photon flux density （PFD）, high temperature and spraying with NaHSO3 solution, thereby providing a new technical approach and physiological basis for constructing C4-like rice.     

药用植物艾纳香光合光响应曲线及其模型拟合

为了探明艾纳香光响应特征及其最大净光合速率、光饱和点等光合参数,从而为艾纳香优质苗木的培育及科学栽培提供理论依据,采用Li-6400光合作用测定系统对艾纳香一年生苗木叶片光响应进行了测定,并应用4种光响应经验模型对艾纳香叶片光响应曲线进行拟合。结果表明:1)直角双曲线、非直角双曲线及指数函数模型不能求取艾纳香最大净光合速率和光饱和点的解析解,而结合其他方法拟合的相应值与实测值有显著差异,同时也不能处理发生光抑制的光响应数据;2)修正的直角双曲线模型拟合的各项光合参数均比较准确,同时也能很好地处理艾纳香发生光抑制的光响应数据;3)经修正的直角双曲线模型拟合的艾纳香最大净光合速率、光饱和点、光补偿点、暗呼吸速率和初始量子效率分别为19.00μmol/(m2.s)、1 866.15μmol/(m2.s)、33.56μmol/(m2.s)、-2.07μmol/(m2.s)和0.066。结论:艾纳香光能利用能力和光合生产力较高,有一定的耐阴能力,对光照的适应范围较宽。     

转Bt(Cry1Ab)基因对水稻光合特性及光合产物积累的影响

 【目的】明确外源Bt基因插入对水稻倒1叶光合速率及光合作用相关生理特性的影响。【方法】以转Bt基因水稻及亲本水稻为试材,研究盆栽及田间条件下转Bt基因及亲本水稻苗期、拔节期、抽穗期和成熟期倒1叶光合特性及其相关光合酶活性、光合产物积累的动态变化。【结果】转Bt基因及亲本水稻生理活动峰值均出现在拔节期。与亲本水稻相比,转Bt基因水稻苗期叶片净光合速率显著低于亲本;而拔节期和抽穗期,转Bt基因水稻倒1叶净光合速率、叶绿素含量和乙醇酸氧化酶活性显著高于亲本水稻（P＜0.05）,且拔节期转Bt水稻倒1叶气孔导度和胞间CO2浓度也显著高于亲本水稻（P＜0.05）;成熟期,转Bt基因与亲本水稻倒1叶光合特性无显著性差异（P＞0.05）。【结论】与亲本水稻相比,外源Bt基因的插入对水稻叶片光合特性产生短暂影响,但这种影响不具有持续性。     

玉米PEPC基因和抗白叶枯病基因Xa25的水稻聚合育种

利用转玉米PEPC基因水稻HPTER(高感水稻白叶枯病)和抗白叶枯病水稻HX-3(具有抗白叶枯病基因Xa25)杂交,获得F1杂种,并对F1杂种进行花药培养,获得42株二倍体植株。通过对这些植株后代进行抗白叶枯病性鉴定,PEPC酶活性和光合速率测定及PCR检测,最后获得同时具有玉米PEPC基因和抗白叶枯病基因Xa25的水稻聚合株系7个,这些株系的农艺性状较HPTER有较大改善,可作为培育高产、抗白叶枯病水稻新品种的种质资源。     

黄绿叶突变体冀麦5265yg的光合生理特性分析

【目的】叶色突变体是研究叶绿素合成、叶绿体发育和光合作用的理想材料,探索小麦黄绿叶突变体的光合生理特性,旨在阐明其光合作用调控机理,为小麦黄绿叶突变体的进一步利用奠定基础。【方法】以野生型冀麦5265和突变体冀麦5265yg为试验材料,对叶色表型进行观察,采用分光光度计和试剂盒法测定色素含量和酶活性,并利用Li-6400便携式光合仪和PAM100叶绿素荧光仪进行光合气体交换参数和叶绿素荧光参数测定。【结果】表型观察和色素含量结果表明,突变体苗期叶片表现为黄绿色,抽穗后叶片逐渐转变为淡绿色。遮阴处理可以使叶片颜色部分复绿,但比野生型略浅,属于光诱导转绿型突变体。突变体叶绿素a和叶绿素b含量显著低于野生型,叶绿素a/b的比值升高,为典型的叶绿素缺乏型突变体;光响应曲线和CO₂响应曲线显示,突变体的表观量子效率（AQY）、光饱和点（LSP）、最大净光合速率（P_n-max）、光补偿点（LCP）、暗呼吸速率（Rd）、羧化效率（CE）和饱和CO₂浓度（I_-sat）显著高于野生型,说明突变体叶片的光合机构稳定,强光下光合速率更高;光合气体交换参数和叶绿素荧光动力学参数表明,突变体的净光合速率（P_n）、蒸腾速率（T_r）、气孔导度（G_s）、光化学量子效率（F_v/F_m）、实际光化学效率（ΦPSII）和光化学淬灭系数（qP）显著高于野生型,说明其具有较强的光能转化和CO₂固定能力;突变体的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性均高于野生型,丙二醛（MDA）含量下降,可溶性糖和可溶性蛋白含量升高,说明抗氧化酶系统通过清除氧自由基降低了氧化损伤,突变体叶片细胞膜损害减轻,抗逆性增强;突变体的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）活性显著低于野生型,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）活性显著高于野生型,推测C₄ 途径光合酶PEPC活性的升高可能是突变体具有较高净光合速率的原因之一。花后遮阴以及外源喷施抗坏血酸AsA和二硫苏糖醇DTT处理表明,突变体对光强变化更敏感、叶片内AsA含量及叶黄素循环效率更高。【结论】黄绿叶突变体冀麦5265yg叶片气孔导度明显改善、热耗散降低、C₄途径光合酶活性升高,是其光合速率提高的主要原因。该结果为小麦叶色突变体高光合特性的分子调控机制研究奠定基础。