外源NO对高表达转玉米C_4pepc基因水稻光合特性调控

【摘要】在本世纪中,人口过快增长和社会现代化快速发展引发粮食问题的产生,绿色替代能源的发展和竞争传统的农业生产资源加剧了这一现象,最大限度地提高单产量和总生物量的水平一直是现代农业的主要的挑战。在干旱,高温和胁迫条件下,C4植物具有更高的光合效率,氮素和水分利用效率,越来越多的研究对C4光合机制组装C3植物中产生浓厚的兴趣,Ku将磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因(pepc;EC4.1.1.31)基因通过农杆菌介导到粳稻(Kitaake)品种中,成功实现高表达,并表现光合特性和籽粒产量的提高,掀起了利用C4光合特性改造C3植物,以增强光合效率的热潮。一氧化氮(NitricOxide,NO)是一个关键的信号分子,涉及在植物的许多生理信号途径中,尤其在生物与非生物胁迫的防御反应中起着重要的调节作用,在打破休眠,刺激萌发和根的伸长,参与气孔运动的过程,可通过降低植物体内活性氧(Reactiveoxygenspecies,ROS)的水平而延缓衰老。本文研究外源NO供体对高表达转玉米C4pepc基因水稻材料(PC)和未转基因野生型(WT)光合特性的影响、内源信号分子的变化特性以及对外源基因pepc的表达的调节,期望从NO信号分子角度揭示高表达转玉米C4pepc基因水稻高效机理,主要结果如下：1、在200μmol/L硝普钠(Sodiumnitroprusside,SNP)和1mmol/LL-精氨酸(L-Arginine,L-Arg)处理下,WT和PC的Pn分别增加20.8%、10.7%,差异显著(P<0.05)；随浓度的增加,其表现不同程度的抑制,WT的Pn抑制更显著(P<0.05),PC的Gs和Ci降低明显(P<0.05)；在联合2mmol/LBA、2mmol/LNS,特别是6mmol/LCa2+螯合剂EGTA共同处理下,与PC相比,WT净光合速率抑制达到极显著水平(P<0.01),WT含有较多胞间CO2(P<0.05)。相关分析结果表明：PC的Pn依赖Gs的相关性小于WT,与Ci的相关性大于WT,显示PC可能有不同的调节方式。2、为了阐明外源NO对pepc基因水稻光合作用影响的分子机制,进一步分析了在不同外源SNP处理下,内源信号分子的动态变化及对外源基因pepc的表达和酶活性的影响,结果表明：外源SNP处理,提高了内源NO、H2O2和内源Ca2+的含量,而cPTIO对H2O2的含量影响不显著,而显著降低了内源NO和Ca2+的含量,表明H2O2可能在NO作用的上游,磷脂酶D(PhospholipaseD,PLD)和Ca2+是NO的下游作用元件,磷脂酶C(PhospholipaseC,PLC)和PLD抑制剂对pepc基因表达有抑制作用,但Ca2+螯合剂EGTA可以缓解其抑制；而且外源NO的供体处理后均可显著诱导PEPC酶活性增加和该基因的表达,表明了低浓度NO诱导PEPC酶活性及基因表达,从而提高了PC的Pn。3、Ca2+作为一种重要第二信使分子,可以偶联胞内与胞外信号生理生化反应,可通过Ca2+-ATPase起作用来维持平衡。通过亚细胞定位结果显示,我们发现能够诱导WT和PC中Ca2+的含量,抑制剂处理下抑制WT中Ca2+产生,但是并没有抑制PC中Ca2+,Ca2+-ATPase则表现相反的趋势,说明在PC中有较强的Ca2+缓冲来响应外界环境。综合上述,低浓度的NO供体能促进高表达转玉米C4pepc基因水稻光合的增加,主要是通过PLD、Ca2+途径来调节PEPC酶活性,pepc基因的表达。
【作者】陈平波；
【导师】李霞；夏凯；
【作者基本信息】南京农业大学，植物学，2013，硕士
【关键词】水稻；一氧化氮；光合作用；磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶；Ca2+；

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