高表达转玉米C4-PEPC基因水稻在低氮胁迫下的生理调节

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中文摘要：氮素对于植物是一种重要的营养元素，是蛋白质、核酸、磷脂等有机化合物的构成成分，在植物的营养生长和生殖生长中都起着重要的作用。同时，氮素与叶绿素的含量、叶绿体发育、光合酶活性有着密切的联系，所以，氮素对于植物的光合作用有着重要的作用影响作物的产量。水稻是最主要的粮食作物之一，为将近一半的世界人口提供食物。近十年，虽然水稻通过传统的栽培方式提高了产量，但是增加的产量仍是有限的。光合作用与产量有着密切的关系，由于C4植物与C3植物相比有着花环结构和C4-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，能够将CO2进行浓缩，使其在相同的环境中更具有光合优势，所以很多学者通过转基因的方式将C3植物水稻向C4植物方面改造，希望能够通过提高光合作用来增加产量。Ku将玉米的C4-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC;EC4.1.1.31）的全基因，通过农杆菌介导到粳稻品种（Kitaake）中，成功实现高表达，获得转基因植株，并表现出光合特性和籽粒产量提高的特征。进一步的研究表明，该转基因材料也耐低氮，但其耐低氮的生理调节机制尚未见研究报道。本研究在盆栽条件下，通过长期的低氮处理，以高表达的转C4-PEPC基因水稻(PC)和受体(WT)为研究材料，连续2年观察其产量、光合、生理和酶等的变化;并进一步，进行水培短期的低氮处理，通过碳氮代谢相关酶活性以及光呼吸相关酶活性和基因的表达，研究PC响应低氮胁迫的生理机制，主要结果如下: 1.在盆栽300 kg/hm2(中氮，MN)条件下，相对于WT，PC水稻产量是较高的，但是在65 kg/hm2（低氮，LN)）处理条件下产量没有显著差异。低氮条件下PC与WT相比，分蘖数、叶重、茎重和总的生物量均显著提高。这说明在低氮条件下，PC相对于WT来说，将其光合提高所固定的产物用于维持生物量，使其更好的抵御低氮逆境。同时在对总氮含量和可溶性糖的测定中看到，PC的叶片能够在较低的氮素条件下积累较多的可溶性糖，这可能与其光合作用有着密切的关系。 2.为了探究PC水稻在低氮条件下生物量提高的生理机制，同时分析了盆栽条件不同氮素处理下，两种水稻材料在开花前期（开花后14天）和后期（在开花后28天）光合相关的参数以及碳氮代谢相关酶活性。结果表明，在低氮处理条件下，PC相对于WT来说，在开花后14天和28天，其净光合速率分别提高了13.10％(P＜0.05)和29.29％(P＜0.05)，但是，水分利用效率、羧化效率、胞间CO2浓度等光合参数没有提高。对碳氮代谢相关酶的活性的分析表明:Rubisco羧化酶在开花后14天和28天时活性分别提高了67.86％和52.63％(P＜0.05);硝酸还原酶在14天和28天时的活性分别提高79.49％(P＜0.05)和17.96％;谷氨酰胺合成酶仅在开花后28天时活性提高28.48％(P＜0.05)。PC对氮代谢酶的分期诱导增加，有利于其抵御低氮逆境。 3.为了进一步探究PC耐低氮早期响应的生理机制，对四叶期的水稻进行水培低氮处理7天，发现PC植株体内碳氮代谢相关酶活性PEPC和NR活性均相对于WT显著提高(P＜0.05)，并且有关光呼吸代谢相关的酶乙醇酸氧化酶以及甘油酸激酶活性均显著提高(P＜0.05)。同时，在对光呼吸相关基因的表达分析中发现，在正常氮素条件下，PC的OsPGLP，OsGLO5和OsGLYK都下调(P＜0.05)。低氮条件下会使PC体内的OsGLO5基因上调(P＜0.05)，但是，OsPGLP和OsGLYK基因表达下调(P＜0.05)，但是这三种基因的表达均高于WT(P＜0.05)。在正常条件下，PC中光呼吸相关的基因表达均小于WT，说明由于PEPC基因的导入会减少水稻的光呼吸，有利于有机物质和能量的累积。同时，在低氮条件下，PC中光呼吸相关酶的基因表达量高于WT，这说明低氮逆境下，PC的光呼吸要高于WT，这可能是PC抵御低氮逆境的方式之一。综上所述，高表达转玉米C4-PEPC基因水稻能够在低氮条件下增加碳氮代谢相关酶的活性来提高生物量，通过光呼吸相关基因的表达和酶的活性来提高光呼吸以抵御低氮逆境。

作者：

唐玉婷

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关键词：

转基因水稻低氮胁迫生理机制光合作用 C4-PEPC基因酶活性基因表达

授予学位：

硕士

学科专业：

植物学

导师：

陆巍

学位年度：

2016

学位授予单位：

南京农业大学

语种：

中文

中图分类号：