提高植物钾素利用效率的基因工程途径研究——以过表达ZmK2.1拟南芥为例

本文通过对13种植物（拟南芥，水稻，玉米，大豆，甜瓜，胡萝卜、葡萄、马铃薯、沙冬青、苜蓿、小花碱茅、黄瓜及杨树）中的Shaker型钾离子通道进行生物信息学聚类分析和氨基酸序列比对，选定C端区域反映C4植物特征的玉米气孔开放型钾离子吸收通道ZmK2.1，构建了过表达ZmK2.1的拟南芥株系（OE#3、OE#5、OE#11），同时以野生型Col-0为对照实验材料，研究过表达ZmK2.1拟南芥植株的钾素利用特征。实验采用固体培养基和水培培养相结合的方法，设置低钾（0.1 mol/L KCl）、中钾（1 mol/L KCl）及高钾（10 mol/L KCl）三个不同供钾水平，测定植株生物量、根长、钾含量、钾积累量、气孔导度、光合速率及蒸腾速率。研究结果：在钾充足条件下，过表达ZmK2.1拟南芥的根长、生物量、钾含量、钾积累量与对照相比，均显著增加。同时，过表达ZmK2.1基因的拟南芥气孔导度、光合速率、蒸腾速率显著提高。本研究结果表明：在供钾充足的条件下，通过基因工程手段过表达ZmK2.1基因可显著促进拟南芥植物的生长，并显著提高其钾素利用效率，这与ZmK2.1可显著增加植株的气孔导度，进而提高其光合效率和蒸腾速率密切相关。     

水稻氮素利用效率的基因型差异与调控途径

针对当前我国稻田土壤普遍施氮过量，水稻氮素利用效率不高的问题；本文综述了水稻氮素利用率与其基因型差异的生理机制和分子生理层面的研究进展。水稻氮素利用效率受多方面因素的制约，品种间的氮素利用效率差异是制约实际生产的关键因素，这种差异对水稻氮素营养特征的作用主要体现在水稻产量形成、光合特征和根系生物学特征等方面。水稻对不同形态氮素的吸收、转运和同化等过程都由相关的转运蛋白、酶类所控制，有关分子遗传方面的研究将对水稻氮素干物质生产效率和源库关系的协调提供助力。另外，氮素的同化需要能量和碳骨架，增强叶片光合碳同化的强度将驱动植株体内的氮素趋于更合理的分配，有利于氮素利用效率的提升。当前，利用水稻基因型差异的生理特性和遗传操作对调控水稻氮素利用的尝试已经有了诸多成果。未来应借助其多个遗传位点的功能特性，并通过增碳调控途径，以增强叶片作为光合同化物源强的方式更好地优化和协调源库关系，并对这些过程的生理机制开展更为深入的研究，以期对改善当前的水稻氮素利用效率和促进生产提供支撑。     

水稻OsAMT1;1过表达提升氮肥减施情境下的氮素利用效率

水稻铵转运蛋白AMT1;1是根系获取土壤氮素(铵态氮)的重要组分,同时参与氮素向地上部的转运。针对稻田施氮过量导致的环境风险和氮素利用效率趋缓的现状,亟需探究既能减少氮肥投入又能维持现有生产水平的调控策略。本研究利用OsAMT1;1过表达水稻材料,设置氮缺乏(LN, 不施氮)、减氮投入(MN, 200 kg hm_^-2)和过量施氮(HN, 350 kg hm_^-2)三个处理水平的田间试验,用以评估OsAMT1;1过表达株系在关键生育期的氮素生产特性。结果表明：在LN条件下,OsAMT1;1过表达相比野生型能够明显改善植株和剑叶氮素营养状态,有利于植株生物量的积累和产量形成。在MN条件下,促进植株在齐穗期至完熟期的生长速率和生物量积累；灌浆期,过表达单株和剑叶含氮量相比野生型分别增加22.95%和29.53%,光合效率(Pn)和气孔导度(g_s)分别增加40.71%和19.39%,千粒重和产量平均增加10.26%和27.36%,氮肥吸收效率(RE_N)和氮素干物质生产效率(NUEb)显著提升,对氮素生理效率(PE_N)和氮肥农学效率(AE_N)有促进作用但并不显著。在HN条件下,该基因过表达在灌浆期的植株含氮量较野生型平均高出22.64%,提升了RE_N,灌浆阶段植株生物量的增加和Pn趋于饱和,PE_N和AE_N均显著降低。可见,与过量施氮(当前施氮习惯)相比,OsAMT1;1过表达在减少氮投入时更有利于协同植株高氮的内部环境实现相当的产量水平,提高水稻氮素利用效率。     

利用gs1.1和gs1.2突变体研究外源蔗糖对高铵胁迫拟南芥碳氮代谢的影响

以拟南芥野生型Col-0、谷氨酰胺合成酶敲除突变体gs1.1和gs1.2为实验材料,采取土培试验,比较正常培养液(4 mmol/L NH4⁺)培养(CK)、正常培养液(4 mmol/L NH4⁺)下外源添加5%蔗糖(T1)、高NH4⁺胁迫(20 mmol/L)(T2)以及高NH4⁺胁迫(20 mmol/L)下外源添加5%蔗糖(T3)对拟南芥各株系各生理指标的影响;通过测定地上部分的鲜重、叶绿素、游离NH4⁺、可溶性糖、可溶性蛋白、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸脱氢酶(GDH)、矿质元素含量等指标,研究外源蔗糖对NH4⁺胁迫拟南芥碳氮代谢的影响。结果表明,高NH4⁺胁迫下,拟南芥生长受到严重的抑制,鲜重、GS、GDH酶活性降低,游离NH4⁺含量、叶绿素含量、可溶性糖和可溶性蛋白含量增加,植株的N、P、K、Ca的含量增加,Mg、Fe的含量减少,其中gs1.1和gs1.2在高NH4⁺处理下受到的抑制比Col-0更为显著。外源添加5%蔗糖显著缓解了高NH4⁺毒害,提高了可溶性糖和可溶性蛋白含量,提高了GS和GDH的活性,降低了叶绿素和游离NH4⁺的含量,提高了植株体内的N、P、K、Ca,Mg的含量,降低了植株Fe的含量,其中,外源蔗糖对gs1.1和gs1.2高NH4⁺毒害的缓解更为显著。