葉肉細胞特異表達焦磷酸化酶基因OsIP1在不同“源、庫類型”水稻品種中的效應(yīng)研究.pdf

1、高產(chǎn)育種始終是水稻最重要的育種目標之一。為了提高水稻的產(chǎn)量水平，一些研究者提出了這樣一種思路:改進作物光合作用效率和光合產(chǎn)物的分配進而提高水稻產(chǎn)量。淀粉和蔗糖是植物光合作用形成的主要終產(chǎn)物。在C3植物中，卡爾文循環(huán)中形成的磷酸丙糖(Triosephosphate，TP)決定了淀粉和蔗糖的合成與分配?？傮w而言，大部分TP通過位于葉綠體被膜上的磷酸丙糖轉(zhuǎn)運器(triose phosphate translocator，TPT)與無機磷酸基團

2、(pi)的對等交換被轉(zhuǎn)移至細胞質(zhì)，并在細胞質(zhì)內(nèi)的一系列酶促反應(yīng)下合成蔗糖，而滯留在葉綠體內(nèi)的TP可在一系列酶促反應(yīng)下合成淀粉。胞質(zhì)型無機焦磷酸化酶(Inorganic pyrophosphatase，PPase)可在細胞質(zhì)內(nèi)催化焦磷酸基團(ppi)分解為磷酸基團(pi)。通過調(diào)節(jié)ppi和pi的比例，可以有機協(xié)調(diào)蔗糖合成反應(yīng)、淀粉合成以及質(zhì)體中的糖酵解反應(yīng)。因此，從理論上推測過表達外源無機焦磷酸化酶基因時，可不斷使細胞質(zhì)中的ppi轉(zhuǎn)化為p

3、i，刺激細胞質(zhì)中的酶促反應(yīng)向有利于蔗糖合成方向進行，同時也為TP通過TPT進入細胞質(zhì)提供充足的交換體pi。由于蔗糖合成量的增加必將消耗更多的光合原初產(chǎn)物，從而促進源葉片的光合作用，增加植物光合產(chǎn)物的合成。
　　蔗糖是植物碳轉(zhuǎn)運的主要形式。蔗糖在維管束中的長距離運輸需要ppi的存在。若人為操作PPase基因在植物體內(nèi)恒定而持續(xù)的表達，可能會導(dǎo)致維管束中的ppi也被分解為pi，造成蔗糖在韌皮部的裝載受阻，不能及時被輸送到植物需要的各個

4、部位。前人研究表明特異啟動PPase基因的表達可避免這一問題。本研究嘗試利用葉肉細胞特異表達啟動子驅(qū)動PPase基因的表達，同時為了降低轉(zhuǎn)基因安全性風險，利用水稻自身的胞質(zhì)型無機焦磷酸化酶基因OsIP1作為靶基因，研究其在水稻產(chǎn)量形成中的潛在效應(yīng)。
　　另外，不同源庫類型的品種對植物光合產(chǎn)物的需求也不同，光合產(chǎn)物的分配常受到庫需要量的支配，改變光合產(chǎn)物的分配后，對產(chǎn)量的影響可能也不相同。因此，本研究還將分析OsIP1基因在不同源庫

5、類型品種中是否存在效應(yīng)差異的問題，或日其更適用于在那類品種上加以應(yīng)用。研究主要結(jié)論如下:
　　1、以6個不同穗型的水稻品種為試驗材料，通過剪葉和疏花處理，明確了各水稻品種的源、庫特征。結(jié)果表明:4個粳稻品種中，中超123穗型最大，籽粒充實度較差，有明顯的兩次灌漿現(xiàn)象，為典型“源限制型”品種;穗粒并重型品種恢236表現(xiàn)庫大源足，粒/葉和粒重/葉均最小，但籽粒充實度也較差，為“源大庫大流不暢”;多穗型品種武陵粳1號源庫較協(xié)調(diào)，同化物質(zhì)

6、運轉(zhuǎn)能力較強。同為多穗型品種農(nóng)墾57，結(jié)實率、籽粒充實度均最高，單株總庫容量最小，屬于“庫限制型”品種。2個秈稻品種中，揚稻6號表現(xiàn)與武陵粳1號相似，為“源庫協(xié)調(diào)型”;R6547籽粒充實度較好，即使在剪葉處理下灌漿后期物質(zhì)也有向莖稈再積累的現(xiàn)象，屬于“庫限制型”品種。
　　2、利用生物信息學對水稻中約30個無機焦磷酸化酶編碼基因進行了氨基酸序列比較、結(jié)構(gòu)域特征、亞細胞定位預(yù)測以及上游順式元件釋義等分析，進而克隆了1個預(yù)測為編碼胞質(zhì)

7、型可溶性無機焦磷酸化酶的基因OsIP1(Os04g0687100)。利用水稻葉肉細胞特異啟動子cyFBPase驅(qū)動OsIP1基因的表達，構(gòu)建了嵌合基因cyFBPase∶OsIP1的雙T-DNA植物表達載體。
　　3、通過農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將嵌合基因cyFBPase∶OsIP1分別導(dǎo)入“源限制型”水稻品種中超123和“庫限制型”品種農(nóng)墾57中，分別獲得了20、28個陽性轉(zhuǎn)基因植株。根據(jù)QPCR分析和農(nóng)藝性狀比較，篩選高表達量且農(nóng)藝性狀沒有

8、明顯改變的T2轉(zhuǎn)基因純合株系進行產(chǎn)量比較試驗，分析在水稻葉肉細胞中特異性過表達OsIP1基因的效應(yīng)。結(jié)果顯示:
　　1)在營養(yǎng)生長期，轉(zhuǎn)基因株系的最高莖蘗數(shù)和穗數(shù)相比各受體親本均有不同程度的提高，且在分蘗性較強的品種上的提高效應(yīng)更為明顯;
　　2)在籽粒灌漿結(jié)實期，葉片、葉鞘中可溶性總糖、蔗糖和淀粉含量在整個灌漿期的變化趨勢與對照相似，但是在灌漿高峰期時，多數(shù)轉(zhuǎn)基因植株的葉片和葉鞘中的蔗糖含量顯著高于對照。
　　3)轉(zhuǎn)

9、基因株系的單株產(chǎn)量較野生型對照呈現(xiàn)不同程度的增加，其中“源限制型”品種中超123轉(zhuǎn)基因株系單株產(chǎn)量較對照增幅達顯著水平，而“庫限制型”品種農(nóng)墾57的相關(guān)轉(zhuǎn)基因株系增產(chǎn)未達顯著水平。此外，在單株干物總重上，轉(zhuǎn)基因株系相對野生型對照均有顯著提高。
　　以上結(jié)果表明:cyFBPase∶OsIP1基因的過表達均能使兩種類型的品種生產(chǎn)更多的光合產(chǎn)物，產(chǎn)量較對照也不同程度增加，表明利用葉肉細胞過表達OsIP1基因這一策略改進水稻的產(chǎn)量具有一定