玉米ppc基因过表达对转基因水稻光合速率的影响

通过转基因技术将外源ppc基因导入水稻以期增加产量是国内外的重要研究领域。然而,关于ppc基因过表达能否提高转基因水稻的光合速率至今尚无定论。本研究将玉米ppc基因导入水稻中花8号,获得大量转基因水稻植株。经PCR筛选、PEPC活性测定、Southern和Western杂交分析,表明玉米ppc基因已经整合到受体水稻基因组中,并得到了正确和高效的表达。测定了温室内种植的T₁代6个PEPC活性不同的转基因水稻植株的光合速率,只有活性最高的株系的光合速率显著增加,增加的幅度为27.3%。在旱作栽培条件下测定了T₃代33个转基因株系的光合速率,结果表明在高温、高光强下,绝大多数转基因水稻的光合速率增加,最大提高了68.8%。比较6个转基因株系的T₁和T₃代看到,逆境胁迫条件下转基因水稻光合速率明显提高。以上结果表明水稻中导入ppc基因可以提高其光合速率,特别是逆境条件下的光合速率。     

干旱胁迫下转PEPC+PPDK基因增强水稻光合机构的保护能力

随着全球的经济发展和人口膨胀,水资源短缺现象日趋严重,干旱已成为粮食生产的主要限制因素之一。C_4植物(如玉米)具有较高的光合速率以及较高的水分利用效率,利用转基因技术将C_4植物高光合及耐旱特征引入C_3作物(如水稻),被认为是解决水资源短缺与全球粮食需求不断增长矛盾的重要手段。本研究以转PEPC+PPDK双基因水稻及其非转基因对照为材料,通过PEG6000模拟干旱条件,研究干旱胁迫下叶片叶绿素含量、叶绿素荧光参数、C_4光合酶活性、叶片抗氧化酶活性等光合生理相关参数变化。结果表明:干旱胁迫下转PEPC+PPDK基因水稻叶绿素含量、C_4光合酶活性、抗氧化能力等均有提升;干旱胁迫对转PEPC+PPDK基因水稻PSⅡ的光化学活性抑制较小,对细胞的损伤相对更低,表明转基因水稻对光合机构的保护能力明显增强。     

转ppc基因水稻苗期抗旱特性研究

通过C₄转基因技术改善C₃作物光合作用, 以期提高作物产量是国内外研究的热点之一。然而, 目前关于转磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)基因对水稻的光合作用、产量和抗旱性的影响及其调节机理仍不很清楚。本研究以T₄代转ppc基因水稻为材料, 进行产量和苗期抗旱性研究。结果表明, 在旱作栽培条件下, 两个转ppc基因株系(T1, T2)单株产量分别比未转基因的对照(WT)增产28%和42%, 分蘖增加27%和40%; T1和T2可维持较高的光合速率、气孔导度和水分利用效率; 干旱胁迫使超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量增加, T1和T2 SOD活性增幅(+25%)都显著高于WT(+9%), 而MDA含量增幅显著低于WT, 表明转ppc基因水稻具有较强的抗氧化能力; T1和T2比WT具有较高的脯氨酸含量和渗透势下降幅度, 说明转PEPC基因水稻的渗透调节能力高于对照。PEG-6000处理下, 得到的结果相似。     

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。     

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.     

转ZmPEPC与ZmPPDK基因拟南芥对干旱胁迫的反应

为探究干旱胁迫对转玉米高光效基因ZmPEPC与ZmPPDK拟南芥的影响,本研究选用2个转PEPC基因株系(PC90,PC73),2个转PPDK基因株系(PK17,PK26),1个转PEPC+PPDK基因株系(PCK110)和对照株系(GLC)为试验材料。在幼苗期分别用150mmol/L和250mmol/L甘露醇(Mannitol)模拟干旱胁迫处理,测定幼苗根长,结果显示,在胁迫处理下,转PEPC、PPDK和PEPC+PPDK基因拟南芥幼苗的平均相对根长分别较对照增加了43.8%,48.4%和50.6%。在成株期进行干旱胁迫处理,测定莲座叶片的叶绿素荧光参数,叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛含量和成株死亡率,结果显示,在胁迫处理下,供试材料F0增加,Fv/Fm减小,对照F0增幅最大,为20.4%,Fv/Fm最小,为0.78;转PEPC、PPDK和PEPC+PPDK基因拟南芥株系平均相对叶绿素含量分别较对照增加12.6%,15.4%和23.1%;可溶性糖含量分别较对照增加3.0%,16.3%和24.4%;可溶性蛋白含量分别较对照增加0.6%,10.8%和15.4%;丙二醛含量较对照降低,分别为对照的93.5%,90.3%和84.10%;死亡率分别为12.3%,13.3%和6.7%,极显著低于对照(87.7%)(P<0.01)。上述结果表明,玉米高光效基因ZmPEPC和ZmPPDK可增强拟南芥抵抗干旱胁迫的能力,且这两个基因的共表达可能存在协同作用。     

转玉米PEPC和PPDK基因对‘南林895杨’叶绿素参数影响的比较

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)和磷酸丙酮酸二激酶(PPDK)是C_4植物维持高效光合作用的关键酶,本研究通过农杆菌转化手段将玉米PEPC基因和PPDK基因成功导入‘南林895杨’,并进行叶绿素含量和荧光参数检测,结果显示:高光强胁迫下,所有转基因植株的叶绿素含量的下降幅度(34.2%～38.1%)均小于对照组(41.2%);转基因株系原初光化学效率下降幅度(29.0%～47.3%)和实际光化学效率下降幅度(29.5%～45.9%)均分别小于对照组(54.9%, 51.2%),二者具有一致性;高光照条件下,转基因株系光化学淬灭系数qP值(0.45～0.49)全面高于对照组(0.43);非光化学淬灭系数qN值显示转基因株系在高光照条件下与对照组相比没有明显的耐光氧化能力的提高。研究结果表明,转玉米PEPC和PPDK基因‘南林895杨’对于强光的利用能力增强,从而提高了转基因植株的光合性能。     

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。     

ATP是构建类似C4水稻的重要限制因素

为了分析ATP是否是转PEPC+PPDK基因水稻或转 PEPC+PPDK+ME基因水稻CO2浓缩过程的限制因素,以原种和不同转C4光合酶基因水稻为材料,测定了C4光合酶活性、光合速率以及活性氧代谢有关指标,结果表明:原种中具有全套的C4光合酶,但活性很低,而不同转C4光合酶基因水稻高表达了相应的C4酶活性.在高光条件下,与原种相比较,转PPDK基因水稻的光合速率未增加;转ME基因水稻的光合速率降低了6.1%;转PEPC+PPDK双基因水稻与转PEPC基因水稻相近.ATP和ATP激活剂NaHSO3处理后,可显著提高转PEPC+PPDK双基因水稻和转PEPC+PPDK+ME基因水稻的光合放氧速率,达到玉米的80.7%,显现出类似C4的光合特点,表明ATP是构建类似C4水稻的重要限制因素.光氧化条件下,转PEPC+PPDK+ME基因水稻的耐光氧化能力得到进一步的增强.这些结果为构建C4水稻提供了技术途径.     

菊花DmDREBa/b基因提高转基因烟草耐逆性研究

本研究组前期从菊花(Dendranthema morifolium)中克隆得到两个DREB同源基因-Dm DREBa/b,发现两者都受到低温诱导。为了进一步探究该基因的功能,本研究通过农杆菌介导的叶盘转化法将Dm DREBa/b分别导入烟草,并对这两个基因进行了耐逆性分析。结果表明,在4℃低温处理下,过表达Dm DREBa和Dm DREBb基因的烟草的鲜重和存活率都显著高于对照,并且转基因烟草的MDA含量低于对照,而POD活性高于对照;在高盐胁迫下,过表达Dm DREBb基因烟草株系的鲜重、POD活性以及脯氨酸含量都显著高于对照和过表达Dm DREBa基因烟草株系,并且过表达Dm DREBb烟草的存活率达到53%,显著高于对照的存活率20%;而对转基因烟草进行干旱胁迫后,过表达Dm DREBa烟草株系鲜重、POD活性和脯氨酸含量则均显著高于对照和过表达Dm DREBb烟草,且有60%的过表达Dm DREBa烟草恢复生长,显著高于对照(13%)和过表达Dm DREBb烟草(27%)。因此,本研究进一步证明菊花Dm DREBa和Dm DREBb基因均参与低温胁迫调控网络途径,能够提高转基因烟草耐低温能力,其中,Dm DREBa表现为更加积极调控转基因烟草的干旱胁迫,而Dm DREBb则更可能参与响应转基因烟草的高盐胁迫。     

干旱胁迫下PEPC过表达增强水稻的耐强光能力

以过表达磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)的水稻为材料,研究了不同程度干旱胁迫下开花期剑叶光合作用的光响应过程、叶绿素荧光参数、色素含量和活性氧代谢。结果表明,在干旱特别是重度干旱胁迫下,野生型水稻在强光下净光合速率迅速下降,而转Zmppc基因水稻没有明显的下降现象; 而且表示光化学活性的叶绿素荧光参数F_v/F_m、Φ_PSⅡ和q_P下降程度低,说明PEPC增强了干旱胁迫下水稻抵御强光胁迫的能力。这可能是因为干旱胁迫下转Zmppc基因水稻玉米黄质含量高,光系统对过剩光能的耗散能力强,能够保护光系统免受过剩光能的伤害,从而减小O₂^?产生速率; 同时干旱胁迫下转PEPC基因水稻抗氧化酶SOD、POD和CAT活性高,能有效清除活性氧,减轻膜质过氧化。     

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。     

转PEPC基因水稻种质的稳定光合生理特性

本文运用稳定和放射性碳同位素研究了第8代转PEPC基因水稻，并测定其光合速率和荧光特性，结果表明该种质为C₃植物，但C₄原初光合产物增多，表现出C₄光合特性有所改善；转PEPC基因水稻种质已稳定，为我国的高光效育种提供了一个新的种质资源。     

旱稻种质的遗传差异和配合力分析

用52个RAPD随机引物和53对SSR引物，分析了来自国内外的14个旱稻品种和4个杂交稻亲本的遗传差异。结果表明，供试旱稻品种可清楚地区分为籼、粳2个亚种。以4个旱稻品种和4个水稻品种为材料，按完全双列杂交设计，探讨了在旱种和水种条件下供试材料的配合力和反交效应特点。资料显示，在水、旱2种条件下，旱稻品种的产量和品质性状的一般配合力效应多数均未达显著水平，且明显低于水稻品种；株高、结实率、千粒重、整精米率、长宽比和直链淀粉含量的特殊配合力效应呈现旱稻/旱稻〉旱稻/水稻〉水稻/水稻的趋势。在旱种条件下，多数旱稻/水稻组合的糙米率、精米率和整精米率的反交效应达极显著水平。     

转PEPC基因水稻花粉株系不同生育期的光合生理表现

以父本转玉米PEPC基因水稻、母本粳稻9516和杂交后代稳定的花粉株系JAAS45为材料,研究了JAAS45及其亲本的不同生育期的光合色素含量、净光合速率和水分利用效率。结果表明:分蘖期以后,杂交后代JAAS45的单位叶面积Chl含量超过母本9516,并一直维持着较高水平,与PC相近。在整个生育期,JAAS45和PC的叶绿素a/b一直高于9516。JAAS45苗期的净光合速率(Pn)与9516相近,而到了分蘖期,其Pn超过了9516,尤其到了抽穗及灌浆期,其Pn还超过了PC。从苗期到抽穗期,JAAS45的水分利用效率(WUE)与PC相接近,明显高于9516。这些结果说明,JAAS45具有较高的光合能力和水分利用效率,与父本PC相似。通过转PEPC基因水稻和杂交稻的亲本杂交,可将玉米PEPC基因转移到普通水稻品种中,培育出高光合效率和高产的水稻品系。