转C4光合酶基因水稻的CO2交换和荧光特性

用转PEPC、PPDK、NADP-ME、PEPC+PPDK酶基因水稻(Oryza sativa L.)及原种为材料 ,研究了光合作用对光照、温度、CO2的响应和光抑制条件下的叶绿素荧光特性,结果如下: 1.转C4光合酶基因水稻的饱和光合速率比原种高,其中转PEPC、PEPC+PPDK双基因水稻的光饱和点比原种高200 μmol*m-2*s-1,饱和光合速率比原种分别高51.6%和 58.5%;转PEPC基因水稻的羧化效率比原种高49.3%,CO2补偿点降低26.2%;在高温(35 ℃)下,转PEPC基因水稻的光合速率比原种高17.5%.2.经光抑制处理8 d后,转PEPC、PEPC +PPDK酶基因水稻的PSⅡ光化学效率(Fv/Fm)和光化学猝灭(qP)下降20%- 30%,非光化学猝灭(qN)增加了约30%;但原种的Fv/Fm和qP下降了5 0%多,qN变化不明显,表明转C4光合基因水稻耐光抑制能力增强.这些结果为用生物技术提高水稻光合效率研究提供了新的依据和途径.     

转C4光合酶基因水稻的CO2交换和荧光特性

用转PEPC、PPDK、NADP_ME、PEPC PPDK酶基因水稻 (OryzasativaL .)及原种为材料 ,研究了光合作用对光照、温度、CO2 的响应和光抑制条件下的叶绿素荧光特性 ,结果如下 :1.转C4 光合酶基因水稻的饱和光合速率比原种高 ,其中转PEPC、PEPC PPDK双基因水稻的光饱和点比原种高 2 0 0 μmol·m-2 ·s-1,饱和光合速率比原种分别高5 1.6 %和 5 8.5 % ;转PEPC基因水稻的羧化效率比原种高 49.3% ,CO2 补偿点降低 2 6 .2 % ;在高温 (35℃ )下 ,转PEPC基因水稻的光合速率比原种高 17.5 %。 2 .经光抑制处理 8d后 ,转PEPC、PEPC PPDK酶基因水稻的PSⅡ光化学效率 (Fv/Fm)和光化学猝灭 (qP)下降 2 0 % - 30 % ,非光化学猝灭 (qN)增加了约 30 % ;但原种的Fv/Fm 和qP下降了 5 0 %多 ,qN变化不明显 ,表明转C4 光合基因水稻耐光抑制能力增强。这些结果为用生物技术提高水稻光合效率研究提供了新的依据和途径     

转C4光合酶基因水稻株系的抗光氧化特性

用经转入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（NADPME）,PEPC＋PPDK等酶的基因的水稻株系及原种为材料,研究了光氧化条件下的叶绿素荧光特性和膜脂过氧化,光氧化处理后,与原种相比,转C4光合酶基因特别是转PEPC和转PEPC＋PPKD基因水稻株系的PSⅡ原初光化学效率（Fv/Fm),PSⅡ在照光下的实际光化学效率（φPSⅡ)和光化学猝灭（qp)下孤的比原种少,而非光化学猝灭（qN)增加的比原种多,说明在光氧化条件下,转C4光合酶基因水稻株系吸收的光能中有较多的光能转化为化学能,过剩的光能通过热耗散而减轻光破坏,同时转C4光合酶基因水稻株系吸收的光能中有较多的光能转化为化学能,过剩的光能通过热耗散而减轻光破坏;同时转C4兴合酶基因水稻株系诱导产生的内源活性氧清除酶系超氧化物歧化酶（SOD）,过氧化氢酶（CAT）,过氧化物酶（POD）的活性比原种高,从而有效清除水稻叶片内的活性氧（O2^-,H2O2),使活性氧积累比原种少,因而膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）产生较少,表明转C4光合酶基因特别是转PEPC和转PEPC＋PPDK基因水稻株系耐光氧化能力较强,在光氧化条件下,它们的叶绿素和蛋白质含量下降较少,表现出在耐光氧化特性,这些结果为应用生物技术创造耐光氧化种质提供了实验依据。     

转C4光合酶基因水稻株系的抗光氧化特性

用经转入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)、PEPC+PPDK等酶的基因的水稻株系及原种为材料,研究了光氧化条件下的叶绿素荧光特性和膜脂过氧化.光氧化处理后,与原种相比,转C4光合酶基因特别是转PEPC和转PEPC+PPDK基因水稻株系的PSⅡ原初光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ在照光下的实际光化学效率(ФPSⅡ)和光化学猝灭(qp)下降的比原种少,而非光化学猝灭(qN)增加的比原种多,说明在光氧化条件下,转C4光合酶基因水稻株系吸收的光能中有较多的光能转化为化学能,过剩的光能通过热耗散而减轻光破坏;同时转C4光合酶基因水稻株系诱导产生的的内源活性氧清除酶系超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)的活性比原种高,从而有效清除水稻叶片内的活性氧(O-2、H2O2),使活性氧积累比原种少,因而膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)产生较少.表明转C4光合酶基因特别是转PEPC和转PEPC+PPDK基因水稻株系耐光氧化能力较强.在光氧化条件下,它们的叶绿素和蛋白质含量下降较少,表现出耐光氧化特性.这些结果为应用生物技术创造耐光氧化种质提供了实验依据.     

转玉米PEPC基因水稻中有限的C4光合微循环及其生理作用

用转PEPC基因水稻(OryzasativaL.subsp.japonicaKitaake)和原种水稻Kitaake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。通过测定与光合C4途径有关的关键酶,如磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、NADP -苹果酸酶(NADP -ME)、NADP -苹果酸脱氢酶(NADP -MDH)和丙酮酸磷酸双激酶(PPDK),说明原种水稻叶片中具有完整的C4光合酶体系;用外源OAA或MA饲喂叶切片或叶绿体后明显增加光合速率,证明原种水稻中具有一个有限的光合C4微循环。将玉米的PEPC基因导入原种水稻后,可大幅度提高光合C4微循环的速率。测定不同基因型的CO2交换速率,看出水稻中C4光合微循环的增强有提高净光合速率(Pn)和降低光呼吸速率/净光合速率(Pr/Pn)比值的作用。叶绿素荧光特性分析表明,C4光合微循环的增强伴随着PSⅡ电子传递效率(Fv/Fm)和光化学猝灭(qP)的增加以及非光化学猝灭(qN)的降低;这些结果为通过基因工程手段提高作物光合效率的遗传育种提供了科学根据。     

转玉米PEPC基因水稻中有限的C4光合微循环及其生理作用

用转PEPC基因水稻(Oryza sativa L. subsp.japonica Kitaake)和原种水稻Kitaake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.通过测定与光合C4途径有关的关键酶,如磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、NADP -苹果酸酶(NADP -ME)、NADP -苹果酸脱氢酶(NADP -MDH)和丙酮酸磷酸双激酶(PPDK),说明原种水稻叶片中具有完整的C4光合酶体系;用外源OAA或MA饲喂叶切片或叶绿体后明显增加光合速率,证明原种水稻中具有一个有限的光合C4微循环.将玉米的PEPC基因导入原种水稻后,可大幅度提高光合C4微循环的速率.测定不同基因型的CO2交换速率,看出水稻中C4光合微循环的增强有提高净光合速率(Pn)和降低光呼吸速率/净光合速率(Pr/Pn)比值的作用.叶绿素荧光特性分析表明,C4光合微循环的增强伴随着PSⅡ电子传递效率(Fv/Fm)和光化学猝灭(qP)的增加以及非光化学猝灭(qN)的降低;这些结果为通过基因工程手段提高作物光合效率的遗传育种提供了科学根据.     

转PEPC基因水稻具有初级CO2浓缩机制的生理特点

以原种粳稻Kitaake为对照, 研究了转玉米PEPC基因水稻的PEPC的高表达和碳同化特性的关系. 结果显示: 与原种相比, 转PEPC基因水稻气孔导度和光合速率显著增加, 经统计分析, 气孔导度的增加与光合速率的增加并无相关性. 而在高光强下, 与CO2浓缩有关的PEPC, CA酶蛋白的表达显著增加. 因此在大气CO2浓度下可显著增加光合能力(50%); 无CO2条件下, 可减少叶内CO2释放量, 从而降低了CO2补偿点. 用专一的抑制剂DCDP处理, 证明转PEPC基因水稻叶内PEPC的高表达与碳同化能力的提高和Fv/Fm的稳定性有关. 用14C示踪20 s, 转PEPC基因水稻14C较多的分配在C4光合原初产物天冬氨酸中, 意味着叶内存在着一定的C4光合代谢途径. 上述结果说明, 用代谢工程可以在叶内构建初级的CO2浓缩机制, 为转基因的高光效育种技术提供了生理依据.     

转PEPC基因水稻具有初级CO2浓缩机制生理特点

以原种粳稻Kitaake为对照, 研究了转玉米PEPC基因水稻的PEPC的高表达和碳同化特性的关系. 结果显示: 与原种相比, 转PEPC基因水稻气孔导度和光合速率显著增加, 经统计分析, 气孔导度的增加与光合速率的增加并无相关性. 而在高光强 下, 与CO₂浓缩有关的PEPC, CA酶蛋白的表达显著增加. 因此在大气CO₂浓度下可显著增加光合能力(50%); 无CO₂条件下, 可减少叶内CO₂释放量, 从而降低了CO₂补偿点. 用专一的抑制剂DCDP处理, 证明转PEPC基因水稻叶内PEPC的高表达与碳同化能力的提高和Fv/Fm的稳定性有关. 用14C示踪20 s, 转PEPC基因水稻14C较多的分配在C4光合原初产物天冬氨酸中, 意味着叶内存在着一定的C4光合代谢途径. 上述结果说明, 用代谢工程可以在叶内构建初级的CO₂浓缩机制, 为转基因的高光效育种技术提供了生理依据.     

早熟桃夏季叶色转红过程中的光化学响应特征

比较研究了‘早美’和‘春蕾’2个早熟桃品种夏季叶色转红对太阳光能的利用和光系统Ⅱ的叶绿素荧光特征的影响。结果表明：早熟桃叶片色素组成的变化会显著影响其光合和叶绿素荧光特性。叶色转红后,早熟桃净光合速率（Pn）日均值、PSII最大光化学效率（Fv/Fm）、PSII实际光化学效率（ФPSII）均上升,无显著光抑制,而绿叶对照‘红花碧桃’的电子传递速率（ETR）、Fv／Fm和ФPSII值均显著下降,7月光合明显受抑制。叶色转红程度较深的‘早美’在夏季高温强光下表现优于‘春蕾’和对照。淬灭分析表明：叶片花色素苷的积累能在短时间内增加PSII天线色素吸收的光能用于光化学反应的份额（P）与用于反应中心热耗散的相对份额（D）。转红后的叶片光化学淬灭系数（qp）显著高于绿叶,PSII光化学效率较高,但耗散过剩激发能的能力显著低于绿叶对照。     

光呼吸和谷氨酰胺合成酶抑制剂对水稻冠层NH3挥发的影响

在营养液培养条件下,对两个不同氮效率基因型水稻品种扬稻6号和武育粳3号采用光呼吸抑制剂异烟肼（INH）和谷氨酰胺合成酶（GS）抑制剂蛋氨酸亚砜亚胺（MSO）处理,研究其对水稻光合速率、光呼吸速率、GS酶活性及冠层的NH。挥发速率的影响。结果发现：（1）MSO导致剑叶光合速率下降,光呼吸速率升高;INH导致光呼吸速率显著下降,同时一定程度上引起光合速率降低。（2）MSO处理显著降低了GS酶活性,相应地引起NH。挥发速率增加;INH在一定程度上导致NH。挥发速率降低。（3）扬稻6号NH。挥发速率比武育粳3号低的生理原因是光呼吸速率较低和GS酶活性较高。     

濒危植物长序榆(Ulmus elongata)幼苗叶绿素荧光特性的初步研究

用Li-6400XT便携式光合作用仪对濒危植物长序榆幼苗的各叶绿素荧光参数的日变化和快速光响应曲线进行了测定。结果发现,光系统Ⅱ(PSⅡ)的实际光化学效率(ΦPSⅡ)、电子传递速率(ETR)在整个白天阶段较稳定,下午18:00显著下降。光化学淬灭(qP)先增大后减小。非光化学淬灭(NPQ)呈现出与光化学淬灭(qP)相反的变化趋势,中午最低,说明长序榆幼苗光能利用率较高。快速光曲线表明实际光化学效率(ΦPSⅡ)和光化学淬灭(qP)随着光合有效辐射(PAR)的增大而减小,电子传递速率(ETR)和非光化学淬灭(NPQ)随着光合有效辐射(PAR)的增大而增大。使用幂函数能够很好的拟合实际光化学效率(ΦPSⅡ)和电子传递速率(ETR)随光强的变化,而对数函数能较好的拟合实际光化学淬灭(qP)和非光化学淬灭(NPQ)随光强的变化。     

草丁膦对转bar基因水稻GS酶活性和光合功能的影响

喷施草丁膦后,对草丁膦无抗性水稻Cypress(未转bar基因)叶片的谷氨酰胺合成酶(GS)活性先受到抑制,随后叶片内NH 4积累上升,叶绿素含量、PSⅡ原初光化学效率(Fv/Fm)、光能转化效率(ΦPSⅡ)和叶片叶绿素荧光的光化学猝灭系数(qp)下降,光合速率显著降低;最后引起植株死亡.另一方面,Cypress PB-6(转bar基因抗草丁膦水稻)的GS酶活性在喷施草丁膦后虽然先被抑制,但随后能恢复至正常水平,接着NH 4积累下降,草丁膦对叶绿素含量、荧光参数Fv/Fm、ΦPSⅡ、qp的影响被解除,光合速率恢复到正常水平,整个植株生长正常.     

中午强光胁迫下高蛋白小麦旗叶的光合特性

测定了大田种植条件下４ 个不同籽粒蛋白质含量小麦品系旗叶的净光合作用、光呼吸作用和荧光参数的日变化以及旗叶功能期内ＰＳⅡ光化学效率的变化。结果表明：高、低蛋白小麦旗叶的净光合速率无显著差异,但中午强光胁迫下高蛋白小麦ＰＳⅡ光化学效率（Ｆｖ／Ｆｍ） 较高,ＰＳⅡＦｖ／Ｆｍ 下降得较少,而净光合速率午间下降的幅度较大,原因可能是高蛋白小麦品系旗叶内氮素代谢活动旺盛（ 其代谢限速酶硝酸还原酶活性显著高于低蛋白品种） ,光呼吸作用较强,从而消耗了较多的过剩激发能,在一定程度上减轻了Ｆｖ／Ｆｍ 的下降,而较强的光呼吸作用同时降低了光合速率     

倪氏拟多甲藻叶绿素荧光活性对环境因子的响应

采用叶绿素荧光分析技术探讨了温度、pH、光强对水华优势种倪氏拟多甲藻光合活性的影响。结果表明, 倪氏拟多甲藻光系统Ⅱ的量子产量Y(Ⅱ)和最大光化学效率(Fv/Fm)随温度(7.5-20.0℃)升高而显著增加(P0.05), 在低温下电子传递速率未受阻, 细胞在7.5-20.0℃内均有高光合活性; 10.0 ℃下的光合活性随pH增大先升高后降低, 峰值出现在pH 7.3时, 光合活性顺序为: 弱碱性 中性 酸性; 快速叶绿素荧光动力学曲线分析显示pH 7.3下的光合活性为典型OJIP曲线, 其他pH下PSⅡ反应中心、电子受体库受损, 显示该藻适应较窄的pH范围, pH7.0-8.0内是其适宜的条件; 快速光响应曲线显示其半饱和光强Ek为385.52 mol photons/(m2s), 表明其具有高光饱和点, 耐受高光强。研究表明藻细胞光合活性对温度和光强变化有较强适应性, 对pH的变化敏感, 弱碱性条件是其光合作用的适宜条件; 低温时细胞通过环式电子链提高光化学效率, 降低高光强可能带来的光损伤; 弱酸性(pH 5.0)会同时损伤其光系统Ⅰ和光系统Ⅱ, 造成其光化学效率的显著下降;倪氏拟多甲藻在低温和高光强下的独特光合特性使其在春季淡水水体中占据竞争优势, 是其形成水华的内在原因。     

杂交水稻及其亲本光合特性的研究 Ⅲ.功能叶片碳代谢中一些酶活性

对杂交水稻青优159（母本青A,父本R159）和广优四号（母本广A,父本青六矮）及其亲本功能叶片光合碳代谢中一些酶活性进行了研究。实验结果表明了两组杂交水稻的RuBPCase活性、RuBPCase/RuBPOase活性比值超过其各自的亲本;而杂交水稻青化159和广优四号的RuBPOase活性、乙醇酸氧化酶活性、光呼吸速率、光呼吸速率与光合速率的比值明显的低于其各自双亲．对RuBPCase活性和乙醇酸氧化酶活性与光合速率进行相关分析,结果表明RuBPCase活性与光合速率有正相关关系,相关系数为0．768;而乙醇酸氧化酶活性与光合速率负相关,相关系数为-0．834;两者均达到α＝0．05显著水平。     

低浓度CO2对水车前和黑藻光合特性的影响

本实验通过对沉水植物水车前（offelia alismoides）和黑藻（Hydrilla verticillata）进行低浓度C02诱导,研究其光合特性的变化。研究显示,诱导后,水车前的PEPC／Rubisco活性比值由0．45上升到4．17,黑藻由0．47上升到4．17,两种植物的C4途径光合酶PEPC和NAD—ME的活性升高了10倍左右,其他C4光合酶如NAD—MDH和PPDK的活性也大幅升高;诱导后,水车前和黑藻的其他光合特性也发生了显著变化：净光合速率比对照分别提高了50．8％和74．1％,O2对处理组光合速率的抑制分别为对照组的35％和60％,叶绿素荧光基本参数也有显著性变化。研究结果表明,经低浓度C02诱导,水车前和黑藻光合碳同化途径可能由C3转变成为C4。     

七子花幼苗光合特性的温度响应

对七子花苗期光合特性的温度响应的研究结果表明：（1）净光合速率的最适温度为26-30℃。在19-40℃之间,暗呼吸速率与温度呈乘幂关系。蒸膳速率与温度呈线性关系。（2）饱和光强,表观量子效率和净光合速率在29℃时最高,在39℃时最低,但光补偿点和蒸滕速率程式高,光抑制加剧。（3）高温使七子花叶片的羧化效率下降。CO2补偿点上升,从而引起光合能力下降。     

外源硅对纹枯病菌(Rhizoctonia solani)侵染下水稻叶片光合功能的改善

为了进一步探讨外源加硅增强水稻对纹枯病的抗性作用,以抗病品种91SP和感病品种Lemont为材料,研究了人工接种纹枯病菌条件下外源硅对水稻叶片叶绿素含量、光合作用、叶绿素荧光特性和MDA含量的影响。结果表明：（1）外源加硅能降低抗病品种91SP的纹枯病病级和病情指数,显著降低感病品种Lemont的病级和病情指数;（2）接种纹枯病菌后,水稻叶片叶绿素含量、净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）均明显降低,胞间CO2浓度（Ci）增大,而加硅处理的水稻叶片叶绿素含量、Pn、Gs不同程度增加,Ci有所降低;（3）接种纹枯病菌后,两个品种PSⅡ最大光化学效率（Fv／Fm）、PSⅡ有效光化学效率（Fv＇／Fm＇）、PSⅡ实际光化学效率（ФPSⅡ）、光化学猝灭系数（qP）和表观光合电子传递速率（ETR）均降低,非光化学猝灭系数（qNP）增大,而对于加硅处理的水稻叶片,上述荧光参数在纹枯病菌侵染条件下的变化均受到不同程度的抑制。（4）外源硅可不同程度地减缓纹枯病菌侵染引起的丙二醛（MDA）含量的增加,对感病品种Lemont的缓解作用要大于抗病品种91SP。可见,外源硅处理可以不同程度地缓解纹枯病菌侵染条件下非气孔因素引起的水稻叶片光合速率的下降以及对光合机构的破坏作用,提高光化学效率,改善叶片的光合功能,减轻叶片膜脂过氧化程度,增强水稻对纹枯病的抗性。     

影响水稻光合日变化的酶和相关因素的分析

水稻叶片的最大光合速率出现在上午１０：００时,Ｒｕｂｉｓｃｏ初始活力也在此时达到最大,然后逐渐降低,下午１４：００时略上升后又下降．Ｒｕｂｉｓｃｏ初始活力与光合速率之间极显著相关,相关系数为 ０．９４７４．运用相关性分析、回归分析、通径分析,对晴（有时有云）天气水稻叶片的光合速度、光合关键酶及有关因素的日变化进行综合评估,结果发现中午光合下降主要来自气孔限制,同时Ｒｕｂｉｓｃｏ活性也下降;Ｒｕｂｉｓｃｏ活性是影响光合日变化的又一重要生化因子．体内Ｒｕｂｉｓｃｏ活性受Ｒｕｂｉｓｃｏ活化酶的调节．     

PLD途径合成的PA增强高表达转玉米C4型pepc水稻悬浮细胞中PEPC酶活性

为了研究外源信号分子对高表达玉米C₄型pepc酶活性的调节机制,本实验以高表达玉米C₄型pepc水稻（PC）和原种水稻Kitaake（WT）的悬浮细胞系为材料,研究葡萄糖、胡蜂蜂毒肽（mastoparan,Mas）及其磷脂酸（phosphatidicacid,PA）的两个合成途径的专一性抑制剂（磷脂酶D（phospholipaseD,PLD）的专一性抑制剂正丁醇和磷脂酶C（phospholipaseC,PLC）的专一性抑制剂新霉素）对供试材料PEPC活性的影响。结果表明,3%葡萄糖处理0.5h对WT的PEPC酶活性抑制最明显;相对于PC,则5%的葡萄糖处理5h时,对其PEPC酶活性抑制的最明显。5mmol/L的Mas对WT和PC悬浮细胞的PEPC酶活性分别抑制了约60%和40%。0.01mmol/L、0.1mmol/L和1mmol/L新霉素处理对WT的PEPC酶活性影响不明显,且无时间效应;与WT相比较,不同浓度的新霉素均增强了PC的PEPC酶活性,其中0.1mmol/L新霉素处理增加为对照的约7倍。正丁醇处理明显抑制了WT的PEPC酶活性,但不同浓度处理之间却没有显著差异;而对于PC,0.02%、0.04%正丁醇处理使得PEPC酶活性显著下降,且比WT的更显著。同时0.04%的正丁醇的抑制效应具有明显的时间效应。以上结果表明,对PC的PEPC酶活性的调节主要依赖于由PLD途径产生的PA的参与。