轉(zhuǎn)PEPC基因水稻的抗旱性

李萬昌+師學(xué)珍+楊相輔+姬生棟

摘要：以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因（ＰＥＰＣ基因）水稻和非轉(zhuǎn)基因水稻為供試材料，研究其在干旱條件下的凈光合速率、活性氧產(chǎn)生速率及主要葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化。結(jié)果表明，在干旱條件下，轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻與非轉(zhuǎn)基因水稻相比，具有較穩(wěn)定的凈光合速率、較高的Ｆｖ／Ｆｍ和NPQ、較低的ｑＰ；光系統(tǒng)對(duì)過剩光能的耗散能力強(qiáng)，能夠保護(hù)光系統(tǒng)免受過剩光能的傷害，從而減小活性氧產(chǎn)生速率。因此，轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻在干旱條件下表現(xiàn)出耐光抑制的特性。

關(guān)鍵詞：水稻；ＰＥＰＣ基因；抗旱性

中圖分類號(hào)：Ｓ５１１．０３２；Ｑ７８５文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０14）09－1998-03

Ｄｒｏｕｇｈｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ＰＥＰＣ Ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃ Ｒｉｃｅ

ＬＩ Ｗａｎ－ｃｈａｎｇ，ＳＨＩ Ｘｕｅ－ｚｈｅｎ，ＹＡＮＧ Ｘｉａｎｇ－ｆｕ，ＪＩ Ｓｈｅｎｇ－ｄｏｎｇ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｈｅｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉｎｘｉａｎｇ ４５３００７， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Using PEPC transgenic rice and non-transgenic rice as materials, ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｐｈｏｔｏｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ＰＥＰＣ ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃ ｐｌａｎｔ， ｎｅｔ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒａｔｅ（Ｐｎ）， ｅｎｄｏｇｅｎｏｕｓ ｓｕｐｅｒｏｘｉｄｅ ａｎｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ（Ｏ２－·） ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｊｏｒ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｌｅａｖｅｓ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｕｎｄｅｒ ｄｒｏｕｇｈｔ ｓｔｒｅｓｓ were studied， Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ compared with the control， ＰＥＰＣ ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃ ｐｌａｎｔ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ｈｉｇｈｅｒ ｎｅｔ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒａｔｅ（Ｐｎ）， Ｆｖ／Ｆｍ ａｎｄ ＮＰＱ， ｂｕｔ had ｌｏｗｅｒ ｑＰ． Ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ＮＰＱ ｕｎｄｅｒ ｄｒｏｕｇｈｔ ｓｔｒｅｓｓ ｍａｄｅ ｔｈｅ ＰＥＰＣ ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃ ｒｉｃｅ ｌｅａｖｅｓ ｄｉｓｐｅｒｓｅ ｍｏｒｅ ｌｉｇｈｔ ｅｎｅｒｇｙ ａｓ ｈｅａｔ，ｔｈｕｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｔｈｅ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ ·-Ｏ２ ｉｎ ＰＳ Ⅱ． It is indicated the PEPC transgenic rice had photooxidation tolerance under drought condition.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒｉｃｅ；ＰＥＰＣ ｇｅｎｅ； ｄｒｏｕｇｈｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ

干旱脅迫直接影響作物的光合能力導(dǎo)致作物減產(chǎn)。干旱脅迫能引起氣孔關(guān)閉，而氣孔關(guān)閉影響ＣＯ２的固定還原和光合同化能力，引起碳同化速率降低，造成光合系統(tǒng)吸收的光能過剩，產(chǎn)生光抑制甚至破壞光系統(tǒng)［１，２］，最終導(dǎo)致凈光合速率下降。水稻生長(zhǎng)過程中不可避免地受到干旱脅迫的影響，造成產(chǎn)量下降。而Ｃ４植物具有濃縮ＣＯ２的機(jī)制，特別在高光、高溫和干旱條件下，具有較高的光能、水分和氮素利用效率以及較高的生物產(chǎn)量。因此，將Ｃ４植物光合基因轉(zhuǎn)入Ｃ３作物水稻以提高其抗逆能力的研究備受關(guān)注［３］。光合作用特征參數(shù)的變化在很大程度上能夠代表植物對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)，從而直接反映植物對(duì)環(huán)境因子的生理生態(tài)適應(yīng)模式。本研究以原品種和高表達(dá)轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻為材料，對(duì)轉(zhuǎn)基因水稻在干旱脅迫條件下的一些光合參數(shù)進(jìn)行研究，以期為轉(zhuǎn)Ｃ４光合基因的抗旱性育種提供生理依據(jù)。

１材料與方法

１．１材料

以粳稻品種新稻１８為基因受體，導(dǎo)入玉米的ＰＥＰＣ基因，獲得不同的轉(zhuǎn)基因水稻材料。采用水、旱兩種栽培方式，水作栽培為全生育期灌水，旱作栽培為全生育期不灌水。所有材料均為盆栽，種植于河南師范大學(xué)育種基地。

１．２測(cè)定項(xiàng)目與方法

１．２．１凈光合速率和活性氧代謝指標(biāo)的測(cè)定所有指標(biāo)的測(cè)定均是在開花期進(jìn)行，凈光合速率采用ＬＩ－６４００型便攜式光合儀測(cè)定，參照周寶元等［４］的方法進(jìn)行?；钚匝醍a(chǎn)生速率按王愛國等［５］的方法測(cè)定。

１．２．２葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定參照Ｇｅｎｔｙ等［６］的方法在網(wǎng)室用ＦＭＳ－２型葉綠素?zé)晒鈨x（Ｈａｎｓａｔｅｃｈ公司，英國）活體測(cè)定劍葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Ｆo、Ｆｍ、Ｆｓ、Ｆｍ′和Ｆｏ′，光照為８００ μｍｏｌ／（ｍ２·ｓ），并計(jì)算光系統(tǒng)Ⅱ的最大光量子產(chǎn)量Ｆｖ／Ｆｍ＝（Ｆｍ－Ｆo）／Ｆｍ、光化學(xué)猝滅系數(shù)ｑＰ＝（Ｆｍ′－Ｆｓ）／（Ｆｍ′－Ｆo′）和非光化學(xué)猝滅系數(shù)ＮＰＱ＝（Ｆｍ－Ｆｍ′）／Ｆｍ′。

２結(jié)果與分析

２．１水稻凈光合速率和活性氧產(chǎn)生速率的比較

水稻開花期晴天上午１０：００左右光合作用最強(qiáng)。因此，在水稻的開花期，測(cè)定正常水分和干旱條件下的轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻株系及原品種（對(duì)照）的氣體交換特征和活性氧產(chǎn)生速率。結(jié)果表明，正常水分條件下，轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因的水稻株系與對(duì)照（非轉(zhuǎn)基因水稻）相比，凈光合速率略高于對(duì)照，但差異不明顯，其活性氧產(chǎn)生速率差異也不明顯；在干旱處理?xiàng)l件下，轉(zhuǎn)基因株系和對(duì)照的凈光合速率均有所下降，但對(duì)照下降更明顯，下降了３９．１％，而轉(zhuǎn)基因株系仍維持較高的凈光合速率，約下降了８．０％左右（圖１）。對(duì)照的活性氧產(chǎn)生速率卻快速增加，遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)基因株系增加的幅度（圖２）?？梢娫诟珊得{迫的逆境條件下，兩種水稻光合作用均受到抑制、均具有較高的活性氧產(chǎn)生速率，但與對(duì)照相比，轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻在干旱條件下具有較穩(wěn)定的光合能力和較輕的光氧化傷害。

２．２水稻開花期干旱處理葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化

葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以反映光系統(tǒng)對(duì)吸收光能的利用過程，是研究光抑制的良好指標(biāo)。在水稻開花期的晴天上午１０：００左右，測(cè)定正常水分和干旱條件的轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻株系及對(duì)照葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Ｆｖ／Ｆｍ、ｑＰ和ＮＰＱ的變化（圖３）。在正常水分條件下，轉(zhuǎn)基因株系與對(duì)照的Ｆｖ／Ｆｍ、ｑＰ均沒有明顯的差異。干旱處理?xiàng)l件下，轉(zhuǎn)基因株系和對(duì)照的Ｆｖ／Ｆｍ和ｑＰ均下降，但對(duì)照降低的幅度更大。干旱脅迫下，對(duì)照的Ｆｖ／Ｆｍ和ｑＰ分別下降１０．５％和２５．２％；轉(zhuǎn)基因株系的Ｆｖ／Ｆｍ和ｑＰ分別下降３．６％ 和８．２％。說明轉(zhuǎn)基因水稻株系在干旱脅迫下光系統(tǒng)反應(yīng)中心的開放程度高，可以維持更高的光化學(xué)活性，其ＰＳⅡ受到的光抑制程度較低，增強(qiáng)了水稻在強(qiáng)光照時(shí)的適應(yīng)能力，表現(xiàn)了耐光抑制的特性。非光化學(xué)猝滅系數(shù)（ＮＰＱ）反映ＰＳⅡ的熱耗散能力。在正常水分條件下，轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻株系和對(duì)照并沒有明顯的差異；而在干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因水稻株系和對(duì)照的ＮＰＱ均升高，但轉(zhuǎn)基因株系升高得更快，最終比對(duì)照高２２．１％。說明轉(zhuǎn)玉米ＰＥＰＣ基因水稻株系將過剩光能以熱的形式耗散出去的能力更強(qiáng)，可以減輕過剩光能對(duì)光系統(tǒng)的傷害，從而減小對(duì)ＰＳⅡ的光抑制。上述結(jié)果說明，轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻不僅將吸收的光能較多地轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而有較高的轉(zhuǎn)能效率，而且能將過剩的光能以熱的形式較多地耗散掉，以保護(hù)光合系統(tǒng)。

３討論

當(dāng)綠色植物葉片接收的光照超過光合作用的飽和光照時(shí)，就會(huì)發(fā)生光合作用的光抑制。干旱導(dǎo)致植物葉片氣孔關(guān)閉，葉片中可利用ＣＯ２下降，碳同化速率降低，葉片吸收的光能過剩，使葉綠素降解，甚至破壞光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，造成光合器官的光化學(xué)效率和光合速率降低，即發(fā)生光抑制甚至光破壞［２，７］。在本研究中，轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻和對(duì)照在干旱條件下都發(fā)生了不同程度的光抑制現(xiàn)象，但是，轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻的光抑制程度較低，表現(xiàn)了耐光抑制的特性。周寶元等［４］研究也發(fā)現(xiàn)ＰＥＰＣ過表達(dá)可以減輕干旱脅迫對(duì)水稻光合系統(tǒng)的抑制作用，與本研究結(jié)果一致。

已有研究表明，光抑制的傷害多與活性氧的產(chǎn)生有關(guān)［８］。過剩的光能可在ＰＳ Ⅰ或ＰＳ Ⅱ上將電子傳給Ｏ２ 使之成為活性氧。過多的活性氧導(dǎo)致膜脂過氧化，破壞光合系統(tǒng)［９］。植物抗光抑制的一條重要途徑就是增加熱耗散能力［１０］，干旱脅迫下，轉(zhuǎn)基因水稻ＮＰＱ明顯高于對(duì)照，具有較高的熱耗散能力，這樣過剩光能導(dǎo)致的活性氧產(chǎn)生速率較低。說明轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻通過增加熱耗散來減輕干旱條件下的光抑制。Ｊｉａｏ等［１１，１２］的試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻ＮＰＱ明顯高于非轉(zhuǎn)基因的對(duì)照品種；丁在松等［１３］研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下ＰＥＰＣ過表達(dá)增強(qiáng)水稻的耐強(qiáng)光能力；李霞等［１４］研究也發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻對(duì)光氧化逆境有較強(qiáng)的耐性。

參考文獻(xiàn)：

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３討論

當(dāng)綠色植物葉片接收的光照超過光合作用的飽和光照時(shí)，就會(huì)發(fā)生光合作用的光抑制。干旱導(dǎo)致植物葉片氣孔關(guān)閉，葉片中可利用ＣＯ２下降，碳同化速率降低，葉片吸收的光能過剩，使葉綠素降解，甚至破壞光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，造成光合器官的光化學(xué)效率和光合速率降低，即發(fā)生光抑制甚至光破壞［２，７］。在本研究中，轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻和對(duì)照在干旱條件下都發(fā)生了不同程度的光抑制現(xiàn)象，但是，轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻的光抑制程度較低，表現(xiàn)了耐光抑制的特性。周寶元等［４］研究也發(fā)現(xiàn)ＰＥＰＣ過表達(dá)可以減輕干旱脅迫對(duì)水稻光合系統(tǒng)的抑制作用，與本研究結(jié)果一致。

已有研究表明，光抑制的傷害多與活性氧的產(chǎn)生有關(guān)［８］。過剩的光能可在ＰＳ Ⅰ或ＰＳ Ⅱ上將電子傳給Ｏ２ 使之成為活性氧。過多的活性氧導(dǎo)致膜脂過氧化，破壞光合系統(tǒng)［９］。植物抗光抑制的一條重要途徑就是增加熱耗散能力［１０］，干旱脅迫下，轉(zhuǎn)基因水稻ＮＰＱ明顯高于對(duì)照，具有較高的熱耗散能力，這樣過剩光能導(dǎo)致的活性氧產(chǎn)生速率較低。說明轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻通過增加熱耗散來減輕干旱條件下的光抑制。Ｊｉａｏ等［１１，１２］的試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻ＮＰＱ明顯高于非轉(zhuǎn)基因的對(duì)照品種；丁在松等［１３］研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下ＰＥＰＣ過表達(dá)增強(qiáng)水稻的耐強(qiáng)光能力；李霞等［１４］研究也發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻對(duì)光氧化逆境有較強(qiáng)的耐性。

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［１３］ 丁在松，周寶元， 孫雪芳，等．干旱脅迫下ＰＥＰＣ過表達(dá)增強(qiáng)水稻的耐強(qiáng)光能力［Ｊ］．作物學(xué)報(bào)，２０１２，３８（２）：２８５－２９２．

［１４］ 李霞，焦德茂，戴傳超，等．轉(zhuǎn)育ＰＥＰＣ基因的雜交水稻的光合生理特性［Ｊ］．作物學(xué)報(bào)，２００１，２７（２）：１３７－１４３．

３討論

當(dāng)綠色植物葉片接收的光照超過光合作用的飽和光照時(shí)，就會(huì)發(fā)生光合作用的光抑制。干旱導(dǎo)致植物葉片氣孔關(guān)閉，葉片中可利用ＣＯ２下降，碳同化速率降低，葉片吸收的光能過剩，使葉綠素降解，甚至破壞光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，造成光合器官的光化學(xué)效率和光合速率降低，即發(fā)生光抑制甚至光破壞［２，７］。在本研究中，轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻和對(duì)照在干旱條件下都發(fā)生了不同程度的光抑制現(xiàn)象，但是，轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻的光抑制程度較低，表現(xiàn)了耐光抑制的特性。周寶元等［４］研究也發(fā)現(xiàn)ＰＥＰＣ過表達(dá)可以減輕干旱脅迫對(duì)水稻光合系統(tǒng)的抑制作用，與本研究結(jié)果一致。

已有研究表明，光抑制的傷害多與活性氧的產(chǎn)生有關(guān)［８］。過剩的光能可在ＰＳ Ⅰ或ＰＳ Ⅱ上將電子傳給Ｏ２ 使之成為活性氧。過多的活性氧導(dǎo)致膜脂過氧化，破壞光合系統(tǒng)［９］。植物抗光抑制的一條重要途徑就是增加熱耗散能力［１０］，干旱脅迫下，轉(zhuǎn)基因水稻ＮＰＱ明顯高于對(duì)照，具有較高的熱耗散能力，這樣過剩光能導(dǎo)致的活性氧產(chǎn)生速率較低。說明轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻通過增加熱耗散來減輕干旱條件下的光抑制。Ｊｉａｏ等［１１，１２］的試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻ＮＰＱ明顯高于非轉(zhuǎn)基因的對(duì)照品種；丁在松等［１３］研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下ＰＥＰＣ過表達(dá)增強(qiáng)水稻的耐強(qiáng)光能力；李霞等［１４］研究也發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因水稻對(duì)光氧化逆境有較強(qiáng)的耐性。

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