转PEPC基因水稻的光保护效应的可逆动态变化

研究了转PEPC基因水稻及其原种粳稻Kitaake旗叶的叶绿素荧光参数和活性氧代谢有关指标的日变化进程。结果表明,玉米PEPC基因导入水稻后,在高光强下光合速率提高50%,光合作用的光抑制减轻。用PEPC的专一抑制剂证明光合增加确与PEPC基因的导入有关。不同基因型水稻在高光高温自然条件下中午均有光抑制现象,其中转PEPC基因水稻中午Fv/Fm降低较少,光抑制较轻,光能转化为化学能的效率较高,热耗散较低。这些结果为进一步研究转PEPC基因水稻耐光抑制机理和高光效育种提供了依据。     

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。     

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.     

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.     

叶绿素含量降低对水稻叶片光抑制与光合电子传递的影响

【目的】水稻突变体叶片叶绿素含量显著低于其野生型,但其光合电子传递效率与净光合值显著高于对照,文章旨在阐明其生理学机理并探讨其在高光效育种中的潜在应用价值。【方法】通过人工气候室的盆栽试验设置高光强(光照强度为700—800μmol·m~(-2)·s~(-1))与低光强(光照强度约为100—200μmol·m~(-2)·s~(-1))2个处理,并结合大田试验,观测突变体与野生型的叶绿素荧光、超氧阴离子含量、丙二醛含量、SOD酶活性、叶绿体超微结构、叶片荧光显微结构与冠层温度。【结果】突变体材料叶绿素含量显著低于其野生型,并且光照强度对其叶绿素含量的效应也不相同。随着光照强度的增强,突变体叶片叶绿素含量增加60%,而野生型品种叶片叶绿素含量却降低20%以上。光反应曲线表明,突变体光合值显著高于野生型,尤其在1 000μmol·m~(-2)·s~(-1)光照下,低光强与高光强处理中低叶绿素含量突变体光合值分别比野生型高9.4%和46.5%。叶绿素荧光数据也表明,水稻突变体的电子传递速率(ETR)、光系统Ⅱ的量子产量(ΦPSⅡ)、光化学淬灭(q P)、光下最大光化学效率(F′v/F′m)显著高于其野生型。在高光强处理下,野生型材料中的应激活性氧超氧阴离子与丙二醛(MDA)含量受到光抑制。叶绿体超微结构与荧光显微结构表明,野生型材料叶绿体受到一定程度的损伤,且其维管束间距离显著大于突变体,其维管束面积小于突变体,不利于水分在叶片中的传输。田间冠层热力学图像表明中午高温、高光照条件下,突变体冠层温度显著低于其野生型。综合以上结果,野生型叶片叶绿素含量高,在高光强下会导致过量光吸收,光系统Ⅱ电子传递效率下降,超氧阴离子与丙二醛累计,导致叶绿素结构与功能的破坏,因此,其光合值显著低于突变体材料。同时过量光吸收会导致叶片与冠层温度上升,不利于冠层群体光合。【结论】在未来高光效育种中选育叶绿素含量适当降低的品种,有助于避免高光强下叶片的过量光吸收,从而缓解活性氧的产生与光抑制,并有利于降低冠层温度从而缓解水稻群体光合"午休"现象。     

Photosynthetic Diurnal Variation of Soybean Cultivars with High Photosynthetic Efficiency

The photosynthetic characters were investigated among soybean cultivars with high photosynthetic efficiency and high yield. The results indicated that: 1) There were significant differences in photosynthetic rate (Ph) and dark respiration rate (DR) under saturation light intensity and appropriate temperature.2) There were a little difference in light compensation point among them. Photo flux density (PFD) were mong the cultivars. Diurnal variation of Pn was shown a curve with two peaks. 4) The cultivars with high photosynthetic efficiency were subjected less to photoinhibition than that with high yield. Critical temperatures of photoinhibition in high photosynthetic efficiency cultivars were higher than that of high yield.     

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。     

超高产水稻的高光效特性和高光效材料的筛选

综述了超高产水稻的光合特性、光抑制、光合性状的遗传规律和高光效材料的筛选等内容,比较详细地介绍了光抑制部位及其表现,光抑制的原因以及光抑制中热耗散的可能途径及作用等。由于叶黄素循环在水稻耐光抑制、增加热耗散中起着十分重要的作用,也总结了叶黄素循环的功能。最后,讨论和展望了超高产水稻的高光效育种前景。     

唐菖蒲光合特性的研究

采用光合作用测定仪和植物效率分析仪对生长在冀西北坝上高原唐菖蒲的光合特性和荧光参数生理生态特点进行了研究,结果表明:①夏季在晴天、土壤水肥充足条件下,唐菖蒲叶片的光合速率呈双峰曲线,其光饱和点为2145μmol/(m2.s),光补偿点为174.8μmol/(m2.s),净光合速率的最大值为36.4μmol/(m2.s),唐菖蒲为典型的阳性植物。②晴天唐菖蒲叶片的AQY由10:00时的0.0878下降到了13时的0.0640,PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm由10时的0.79下降到14时的0.69,比最大值下降约13%,唐菖蒲在中午发生了一定的光抑制。③由叶片能量流动模型分析,高辐射使PSⅡ部分反应中心失活或降解,叶片遭受高辐射胁迫后启动了相应的防御机制,使过剩激发能得以及时耗散。由类囊体膜能量流动模型分析,高辐射导致叶片单位面积部分反应中心失活或裂解后,启动了剩余的有活性反应中心的补偿机制,使其能量传递效率提高。     

遮阴对黄精光合特性和蒸腾速率的影响

[目的]研究遮阴对黄精光合特性和蒸腾速率的影响。[方法]研究透光率为30%塑料遮阳网和露天栽培下2种栽培黄精的光合特性和蒸腾速率。[结果]结果表明,在遮阴条件下,与露天栽培的黄精相比,透光率为30%塑料网遮阴可以降低直射光对黄精的光抑制强度;露天栽培的黄精光合速率日变化呈双峰曲线,遮阴条件下的黄精光合速率变化呈单峰曲线。与露天栽培的黄精相比,透光率为30%塑料网遮阴黄精的蒸腾速率可降低37.9%,提高水分利用率(WUE)19.5%。[结论]遮阴可以显著降低黄精的蒸腾速率,提高水分利用率。     

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。     

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。     

光质对草莓叶片光抑制的影响

用光谱仪、便携式调制叶绿素荧光仪和光合仪,研究了相同光强(自然光强的55%~57%)的不同光质下草莓叶片的光抑制特性。结果表明,不同光质下草莓叶片AQY、Fv/Fm、Fm的降幅为红膜>中性膜>绿膜>蓝膜,与不同光质中紫外光和蓝紫光比例负相关。这说明红膜下发育的草莓叶片对光抑制最敏感,而蓝膜下发育的草莓叶片的光合作用较耐光抑制。     

超级杂交稻两优培九高产的光合特性及其生理基础

超级杂交稻两优培九(培矮64S/9311)是中国超级稻计划完成第一步目标的标志性品种,与其亲本籼稻9311和之前大面积种植的当家杂交籼稻汕优63相比,具有明显的产量超亲优势和竞争优势,近15年来累计种植面积遥居杂交稻首位。两优培九稻谷产量高的生物学基础是源于优良光合特性而获得较高的生物学产量,因此,研究其光合特性及其生理基础,有助于了解高产杂交稻生长优势的光合特征和利用探索性育种技术提高水稻光合性能,为杂交稻超高产育种和栽培提供理论基础和技术途径。多年较系统的研究发现,与9311和汕优63相比,两优培九在正常生长和衰老过程中,光能吸收、传递和转化效率及碳同化等方面均具有优势,Pn较高,光合性能优异。表现在对强光和弱光、UV-B辐射增强的适应性或耐受能力及抗衰老能力更强;具有多种抵御偏低或过高温度的策略,对不良温度的适应性或耐受能力更强;水分亏缺造成的伤害较轻;光合速率随施用氮肥量的增加而提高,低氮或高氮条件下,均具有光合能力的比较优势;光合作用对大气CO_2浓度升高、土壤pH、盐胁迫等环境条件的适应能力更强。两优培九优异的光合性能与其光合机构和酶学基础有关,表现为叶绿体类囊体膜基粒数多、片层高而长、垛叠密集;叶绿素含量高,出现衰老特征晚,生育后期叶绿体衰败、叶绿素分解速度较慢;具有更高的Rubisco初始羧化活性、总羧化活性和活化率;C4光合途径酶活性较高,在低光强下仍有较高的碳同化效率,CO_2补偿点和光呼吸活性均较低;叶片的SOD、POD等抗氧化酶含量和活性均高,内源O2.-、H_2O_2含量低,抗膜脂过氧化能力较强。笔者认为,高产杂交稻育种要做到"遗传上有性状杂种优势,形态上有优良光合株型,功能上有优异光合性能"的遗传、形态和功能"三优"相结合;探究两优培九C4特性与高光合性能的联系和研究新的更高产杂交稻的光合特性,有助于加深对高产杂交稻光合生长优势的理解和探索针对性技术促进C4光合功能等,从而进一步提高光合生产以至于稻谷产量。     

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。     

常绿阔叶林中几个不同功能组树种叶形态、光合及光诱导对不同光环境的响应

利用便携式光合作用测定系统研究亚热带常绿阔叶林中几个不同功能组树种叶形态和光合特征对不同光环境的响应,探索了不同功能组的演替地位.结果表明:1)亚热带森林不同光环境存在显著差异,尤其是光合有效辐射(PAR)在旷地处较林窗高3倍多,而林窗是林下的6倍多,其巨大差异导致不同功能组树种生理响应不同;2)香樟Cinnamomum camphora的比叶质量(LMA)最小,以获取更多的光能,并通过最大化气孔导度(Con)来羧化最低的胞间CO2浓度(Ci)和午休的光合机制,提高瞬时光能利用率(SUE)和抵消光胁迫,属于演替过程中先锋树种;3)大头茶Gordonia acuminate的LMA最大,虽然高光下Ci最高,但SUE最低,可能发生光抑制.而在林窗中净光合速率(Pn)、SUE及瞬时水分利用率(WUE)相对较丝栗栲Castanopsis fargesii大,林下光诱导Pn变化稳定,表明其既喜光又耐荫,可塑性较高,在功能组中属于中度耐阴种;4)丝栗栲在高光下LMA较大头茶小,Pn较高,比后者更耐高光,但对林下骤然高光诱导较不敏感,可能发生光胁迫,而相对高光的林窗中SUE亦较低,不适宜在高光环境中生存,林下LMA较林窗处大16%,也不适应郁闭度较高的林下低光,更适宜在小林窗或疏林林下更新,在演替过程中将取代类似大头茶等的中度耐荫种.     

C4转基因水稻秧苗叶片气孔与叶鞘维管束结构特征

【目的】探明C4转基因水稻高光效的生物学结构基础。【方法】以已导入玉米C4光合关键酶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)和PEPC + PPDK的转基因水稻为材料，以其受体品种Kitaake (WT) 为对照，运用扫描电镜观察了秧苗叶片气孔与叶鞘维管束结构，运用透射电镜观察叶肉细胞。【结果】与对照品种相比，转C4单基因水稻叶片气孔密度提高、面积增大，PPDK气孔密度和气孔面积都居各转基因品系之首；转C4双聚合基因（PEPC + PPDK）水稻叶片气孔密度提高、面积减小；C4转基因水稻各品系叶片叶肉细胞中叶绿体基粒堆密集，有些基粒类囊体沿长轴方向排列整齐、完整；C4转基因品系的叶鞘均比对照品种粗壮坚韧；除PPDK外，所有转基因品系叶鞘的内外侧维管束及其导管管腔、筛管等执行物质运输功能的组织结构的面积均大于对照品种。【结论】C4转基因水稻叶片气孔多、面积大以及叶鞘维管束结构发达是C4转基因水稻高光效实现的结构前提和基础，与秧苗高的干物质积累相一致。     

不同水稻品种各层叶片光合能力的比较

以亚种间两系组合培矮 6 4S/E32、培矮 6 4S/ 9311、X0 7S/紫徽 10 0及三系杂交组合冈优 881、汕优 6 3和中粳 95 16为材料 ,研究水稻不同生育期单株的叶面积和 2 2 5m2 小区的叶面积系数、不同叶层的光合速率和叶绿素含量、叶绿素荧光特性 (叶绿体PSⅡ的原初光化学效率Fv/Fm、光化学猝灭参数 qP和非光化学猝灭参数qN)等的变化 ,分析上述水稻品种的群体冠层结构 ,截光特点以及不同叶层的光合生理特性。结果表明 ,参试的 6个高产水稻品种 (组合 )的冠层结构均具有分层的特点 ,形成了分层的群体光合作用特性 :上层为光合速率限制区、中层为光能截获限制区、下层为光合速率和光能截获双限区 ,但与汕优 6 3相比 ,除培矮 6 4S/E32的株型显著改善 ,类似于粳稻的冠层结构外 ,其他两系或三系杂交稻的冠层结构改善不大     

土壤干旱下云锦杜鹃光合作用的限制形式*

 以盆栽五年生云锦杜鹃为材料,研究了土壤干旱胁迫下光合作用的限制形式。结果表明：轻度干旱胁迫下光合速率的下降主要由气孔限制引起,中度和重度胁迫下主要由非气孔限制引起,此时表观量子效率、最大光化学效率和羧化效率明显降低。云锦杜鹃光合日进程中出现了明显的光合“午休”。“午休”主要由非气孔限制引起,表观量子效率和光化学效率下降表明光抑制是午间非气孔限制形成和发展的深层原因。干旱胁迫加重了午间光合作用的光抑制。