过表达玉米GLK基因调控水稻光合作用和逆境响应的生理功能及分子机理

Golden2-like (GLK) genes encode nuclear transcription factors that regulating chloroplast development, photosynthesis, and differentiation of leaf structure. In maize, ZmGLK1 and ZmG2 expressed primarily in mesophyll cells and bundle sheath cells, respectively, suggesting GLK genes play important role in differentiation of Kranz anatomy that is specific in C4 leaf, and regulating the chloroplast development and expression of photosynthetic genes. However, little is known about molecular mechanisms and physiological functions of GLK genes in regulating leaf morphological structure, photosynthetic metabolism and stress response. We have produced the transgenic rice plants that overexpressed maize transcription factor GLK genes. We plan to characterize the physiological function and molecular mechanism of maize GLK genes in regulating growth, development, photosynthetic metabolism and stress response of the transgenic rice plants, by integration of molecular, plant physiology and biochemistry approaches, combing with transcriptomics, metabolomics and bioinformatics analysis. Implementation of this project would provide important theoretical basis and genetic resource during C4 rice construction, and further improving photosynthetic efficiency as well as increasing crop yield.

GLK基因是编码调控叶绿体发育、光合作用及叶片结构分化的一类转录因子。已知在C4植物玉米中，GLK基因ZmGLK1和ZmG2分别在叶肉细胞和维管束鞘细胞中集中表达，可能在C4植物叶片中独特的Kranz结构分化过程中起重要作用，并参与调控叶绿体发育和光合作用相关基因表达。然而目前有关GLK基因在调控C4植物叶片形态结构、C4光合代谢途径以及响应逆境的生理功能与分子机理仍然知之甚少。本项目以导入外源玉米GLK基因的水稻转基因植株为研究对象，综合运用分子生物学、植物生理学和生物化学的方法，结合转录组学和代谢组学以及生物信息学的分析手段，深入解析玉米GLK基因在调控水稻生长发育、光合生理代谢及逆境胁迫响应中的重要生理功能和分子机理，以期阐明GLK和G2基因在光合作用及逆境响应中的新功能及调控机制，为构建C4新型水稻、提高作物光合效率及增加产量提供理论依据和基因资源。

水稻作为世界上最重要的三大粮食作物之一，由于世界人口的增长和气候的变化，亟需通过提高作物生产力来实现产量的提升。近年来水稻等粮食作物的产量增加幅度较小，通过品种改良或栽培措施来实现产量提升已达到了上限，而光合作用是作物产量的形成基础，因此如何提高作物的光合效率成为提高作物产量潜力的重要途径。.GOLDEN2-LIKE (GLK) 转录因子通过激活位于叶绿体编码光合作用相关蛋白的基因来调控光合作用。我们采用过表达玉米ZmGLK1和ZmG2基因的水稻转基因材料为研究对象，发现在田间生长条件下，其叶绿素、叶黄素含量及与光合作用相关的蛋白复合体等均较野生型明显提高，并在高光或波动光条件下通过增加热耗散的形式耗散掉过多的光能，降低光抑制，提高其抵御高光的能力，进一步提高光系统II效率。同时转基因水稻的气孔导度较大，且光合效率提高，使得光合产物糖和淀粉的含量显著提升，并最终实现田间生物量及产量的大幅提高（30-40%）。其中ZmG2基因在各方面的提高效果都高于ZmGLK1，特别是在强光条件下其优势更为明显。该研究结果为在田间条件下水稻光合效率及产量的协同提升提供了理论依据和可行途径，在实际农业生产中具有重要的理论意义和应用价值。