轉(zhuǎn)玉米C4型NADP-ME基因小麥的分子特征和光合生理特性研究.pdf

1、將C4植物C4光合循環(huán)的關(guān)鍵基因?qū)隒3植物以改良后者的光合效能已成為C3植物水稻、小麥等遺傳改良工作的熱點，詳細研究C4植物C4光合循環(huán)的關(guān)鍵基因在轉(zhuǎn)基因C3農(nóng)作物中的分子特征與光合生理效能對開展C3農(nóng)作物高光效育種具有十分積極的科學意義。本文對轉(zhuǎn)玉米C4型NADP-ME(NADP-蘋果酸酶)基因小麥進行分子特征和光合生理特性鑒定，探討C4型NADP-ME對小麥光合效能的影響作用，探索小麥產(chǎn)量潛力改良的新途徑。
　　1.轉(zhuǎn)玉米C

2、4型NADP-ME基因小麥的分子特征鑒定
　　對T3代轉(zhuǎn)基因株系進行系統(tǒng)的分子特征鑒定分析。轉(zhuǎn)基因株系和對照基因組DNA進行PCR檢測和Southern雜交，表明轉(zhuǎn)NADP-ME基因株系10T(9)-1-1和10T(9)-225-4均以2個拷貝整合到了轉(zhuǎn)基因株系小麥基因組的不同位點;轉(zhuǎn)基因株系10T(9)-1-1和10T(9)-225-4蛋白水平的表達分別較受體對照提高了1.90-2.77和2.50-2.95倍。這表明外源NADP

3、-ME基因已在轉(zhuǎn)基因小麥后代中獲得了正確的轉(zhuǎn)錄和翻譯，轉(zhuǎn)基因株系的表達水平均顯著高于受體對照。
　　2.轉(zhuǎn)玉米C4型NADP-ME基因小麥的轉(zhuǎn)錄表達特性
　　對轉(zhuǎn)基因株系和對照進行qRT-PCR和酶活性檢測分析，轉(zhuǎn)基因株系在不同生長發(fā)育時期其NADP-ME基因轉(zhuǎn)錄水平規(guī)律為:開花期＞抽穗期＞拔節(jié)期＞花后7天＞花后15天。對T3代轉(zhuǎn)基因株系進行光合生理生化分析。轉(zhuǎn)基因株系不同時期不同器官中酶活性均高于受體對照，其中不同部位酶活

4、性變化規(guī)律為葉＞鞘＞莖＞穗，相同部位酶活性變化規(guī)律為開花期＞抽穗期＞拔節(jié)期＞花后7天開花期＞花后15天。其中，轉(zhuǎn)基因株系10T(9)-1-1酶活的表達水平在拔節(jié)期、抽穗期和花后7天較受體對照分別提高了1.69、1.46和2.33倍，差異均達顯著水平;轉(zhuǎn)基因株系10T(9)-225-4酶活的表達水平在開花期、花后7天和花后15天較對照分別提高了1.58、2.12和1.75倍，差異均達顯著水平，拔節(jié)期較受體對照提高了2.52倍，差異達極顯著

5、水平。
　　3.轉(zhuǎn)玉米C4型NADP-ME基因小麥的光合特性及農(nóng)藝性狀
　　轉(zhuǎn)基因株系不同時期凈光合速率均低于對照，不同時期凈光合速率變化規(guī)律為抽穗期＞開花期＞花后7天＞花后15天＞拔節(jié)期，10T(9)-1-1在抽穗期、花后7天、花后15天與受體對照的差異均達顯著，分別較受體對照降低了14.95％、17.26％、7.34％;10T(9)-225-4在拔節(jié)期、抽穗期、開花期與受體對照的差異也達到顯著，分別較受體對照降低了13.

6、00％、8.06％、9.26％。轉(zhuǎn)基因小麥株系和對照凈光合速率日變化顯示:4個測定日的Pn（凈光合速率）日變化趨勢相同，均呈現(xiàn)雙峰曲線，但轉(zhuǎn)基因小麥旗葉Pn在4個測定日6:00-18:00期間均低于對照。轉(zhuǎn)基因小麥的Ci（胞間CO2濃度）明顯高于對照，而Gs（氣孔導度）和Tr（蒸騰速率）明顯低于對照。
　　對轉(zhuǎn)基因小麥株系和對照進行凈光合速率響應(yīng)曲線分析結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)基因小麥的飽和光強約為1400.33μmol·m-2·s-1，對照

7、的飽和光強約為:1599.33μmol·m-2·s-1，轉(zhuǎn)基因小麥比對照光飽和點下降12.44％;溫度在20℃-25℃之間轉(zhuǎn)基因NADP-ME小麥和對照凈光合速率差異不明顯，在低于20℃或高于25℃時轉(zhuǎn)基因NADP-ME較受體對照下降明顯，但二者的最適溫度均為30℃;轉(zhuǎn)基因小麥和對照羧化效率分別為:0.0585和0.0838，較對照降低了30.19％。這表明轉(zhuǎn)玉米C4型NADP-ME小麥同化CO2的能力下降。
　　對轉(zhuǎn)基因小麥株系

8、和對照進行產(chǎn)量性狀分析。轉(zhuǎn)基因株系10T(9)-1-1和10T(9)-225-4在生物學產(chǎn)量、單株產(chǎn)量和千粒重與受體對照相比分別降低了3.10％、0.58％、4.06％和1.60％、3.84％、3.92％，其中轉(zhuǎn)基因小麥千粒重與對照差異達到顯著水平，株高、分蘗數(shù)和單株穗數(shù)則無明顯變化。
　　4.轉(zhuǎn)玉米C4型NADP-ME基因小麥的光合速率下降機制
　　對轉(zhuǎn)基因小麥株系和對照旗葉蘋果酸含量和丙酮酸含量測定結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)基因株系1

9、0T(9)-1-1和10T(9)-225-4旗葉蘋果酸含量較對照分別降低了2.2％和8.8％，丙酮酸含量較對照分別提高了8.3％和25％;噴施蘋果酸之后，轉(zhuǎn)基因小麥及其對照凈光合速率分別增長了5.80％和1.16％轉(zhuǎn)基因和對照凈光合速率沒有明顯差異。轉(zhuǎn)基因小麥氣孔張開率較對照相比降低了15.12％。氣孔導度為:253.30mmol·m-2·s-1，對照為288.50mmol·m-2·s-1較對照下降了12.20％。說明旗葉中蘋果酸的含量

10、調(diào)控著旗葉氣孔張開率和氣孔導度，轉(zhuǎn)基因小麥氣孔張開率和氣孔導度的下降是由于蘋果酸含量下降導致的，進而導致凈光合速率的下降。
　　5.轉(zhuǎn)玉米C4型PEPC+NADP-ME基因小麥的凈光合速率測定結(jié)果
　　轉(zhuǎn)NADP-ME基因小麥凈光合速率為25.53μmol·m-2·s-1，較受體對照降低了2.98％;轉(zhuǎn)PEPC基因小麥凈光合速率為26.93μmol·m-2·s-1，較受體對照提高了5.43％差異達到顯著水平;轉(zhuǎn)PEPC+NA