高溫脅迫下轉(zhuǎn)玉米PEPC基因小麥的生理特性研究.pdf

1、小麥?zhǔn)且环NC3作物，其光合效率相對(duì)較低，而C4作物具有較高的光合效率、生物量高、抗逆性好等優(yōu)點(diǎn)。將C4途徑高光效系統(tǒng)引入小麥、水稻等C3作物中，改良其光合作用的遺傳基礎(chǔ)，提高其抗逆性、生物學(xué)產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量一直是植物生物科學(xué)研究熱點(diǎn)之一。本課題組前期從玉米高光效自交系中克隆了PEPC基因，利用基因槍法將其轉(zhuǎn)化到普通小麥周麥19中，獲得了光合速率顯著高于受體對(duì)照的轉(zhuǎn)玉米PEPC基因小麥新品系PC27和PC51，本研究以這兩個(gè)轉(zhuǎn)基因系和受體對(duì)

2、照周麥19為研究材料，研究了轉(zhuǎn)基因小麥的分子特征，高溫脅迫下外源PEPC基因及小麥內(nèi)源光合相關(guān)基因的表達(dá)、生理特性、代謝組學(xué)，田間自然條件下轉(zhuǎn)基因小麥的群體光合、產(chǎn)量特性和籽粒灌漿特性、研究結(jié)果如下:
　　1、PCR分析表明外源PEPC基因已整合到小麥基因組中，Southern blot分析表明外源基因以單拷貝的方式整合到轉(zhuǎn)基因小麥PC27和PC51的基因組中，Western blot分析表明外源基因已經(jīng)翻譯成了正確的蛋白。

3、>　　2、高溫脅迫下轉(zhuǎn)PEPC基因小麥的外源PEPC和內(nèi)源CA，PEPCK,NADP-MDH,FBP和TPT基因的相對(duì)表達(dá)量均顯著高于對(duì)照，且增加幅度大于正常處理。上述基因相對(duì)表達(dá)量較對(duì)照的最大增加倍數(shù)分別可達(dá)32.09、22.46、14.76、19.8、12.07和10.58倍，研究結(jié)果表明，外源PEPC基因?qū)氲叫←満螅谵D(zhuǎn)基因小麥內(nèi)建立了C4微循環(huán)途徑，帶動(dòng)了其上下游內(nèi)源光合基因的上調(diào)表達(dá)。
　　3、高溫脅迫顯著降低了轉(zhuǎn)基因

4、小麥與對(duì)照的光合效率，但轉(zhuǎn)基因小麥降低幅度較少，其光合效率仍顯著高于對(duì)照。高溫脅迫后受體對(duì)照、轉(zhuǎn)基因小麥PC27和PC51在灌漿期的光合速率分別為14.28μmolCO2m-2s-1、15.98μmolCO2m-2s-1和15.78μmolCO2m-2s-1，較對(duì)照分別高11.90％和10.50％;Fv/Fm分別為0.689、0.723和0.720，較對(duì)照分別高5.01％和4.55％;Fm下降值分別為1296、1088和1079，較對(duì)照

5、分別低16.04％和16.74％;葉綠素a+b含量分別為2.031mg g-1FW、2.428mg g-1FW和2.352mg g-1FW，較對(duì)照分別高19.57％和15.83％;MDA含量分別為23.87μmol g-1FW、21.52μmol g-1FW和20.20μmol g-1FW，較對(duì)照分別低11.44％和15.37％;SOD酶活性分別為458.06unit g-1FW、502.17unit g-1FW和506.12unit

6、g-1FW，較對(duì)照分別高9.63％和10.49％;此外，高溫脅迫下轉(zhuǎn)基因小麥的氣體交換參數(shù)Gs、Tr和C1，熒光參數(shù)ΦPSⅡ、qP和NPQ，OJIP曲線，Wk和Vj，葉綠素a/b值、超氧陰離子生成速率、過(guò)氧化氫含量、過(guò)氧化物酶(POD)，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性等各項(xiàng)生理生化指標(biāo)均優(yōu)于對(duì)照。結(jié)果表明，高溫脅迫條件下，外源玉米PEPC基因可提高轉(zhuǎn)基因小麥PSⅡ的光化學(xué)效率，降低光合放氧復(fù)合體受損程度，降低PSⅡ供體側(cè)和受體側(cè)的損傷，延緩葉

7、綠素降解，同時(shí)還能誘導(dǎo)體內(nèi)抗氧化酶活性的上調(diào)表達(dá)，有效清除活性氧類(lèi)物質(zhì)，保護(hù)膜系統(tǒng)的穩(wěn)定，從而維持較高的光合速率，表現(xiàn)出較好的耐高溫特性。
　　4、利用GC-MS的分析方法獲得了161個(gè)可以被數(shù)據(jù)庫(kù)注釋的代謝物，通過(guò)代謝產(chǎn)物含量比較分析，共獲得有差異的代謝產(chǎn)物31種，這些差異代謝產(chǎn)物可分為3類(lèi):PEPC基因響應(yīng)代謝產(chǎn)物、高溫脅迫響應(yīng)代謝產(chǎn)物和PEPC基因與高溫脅迫共同響應(yīng)代謝產(chǎn)物。PEPC基因的響應(yīng)代謝產(chǎn)物有13個(gè)，表現(xiàn)為上調(diào)的產(chǎn)

8、物5個(gè)，下調(diào)的產(chǎn)物8個(gè)。高溫脅迫響應(yīng)差異代謝產(chǎn)物28個(gè)，表現(xiàn)上調(diào)的產(chǎn)物21個(gè)，表現(xiàn)下調(diào)的產(chǎn)物7個(gè)。PEPC基因與高溫脅迫共同響應(yīng)代謝產(chǎn)物18個(gè)，表現(xiàn)上調(diào)的產(chǎn)物9個(gè)，表現(xiàn)下調(diào)的產(chǎn)物9個(gè)。結(jié)果說(shuō)明外源基因在高溫脅迫下可影響小麥氮代謝、糖酵解和三羧酸循環(huán)途徑，增加游離氨基酸和糖類(lèi)等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，有效降低光合膜系統(tǒng)損傷，并可提供更多能量，對(duì)轉(zhuǎn)基因小麥在高溫下維持較高的光合速率具有重要作用。
　　5、轉(zhuǎn)基因小麥與對(duì)照的群體光合速率日變

9、化呈“雙峰曲線”，最大值出現(xiàn)在上午10:00，PC27和PC51分別為28.50μmol·m-2·s-1和28.13μmol·m-2·s-1，較對(duì)照分別高7.10％和7.34％，在10:00至13:00之間高于對(duì)照的幅度最為顯著;生物量和產(chǎn)量均顯著高于野生型對(duì)照，轉(zhuǎn)基因小麥的生物量達(dá)到1514kg/667m2和1549kg/667m2，較對(duì)照分別增加3.92％和6.31％，產(chǎn)量達(dá)到627.18kg/667m2和612.06kg/667m