转玉米PEPC基因对水稻碳、氮代谢调控的研究

将C4型PEPC转入C3作物中以期得到高光效的C3作物的研究已有许多报道，但对C4型PEPC究竟能否提高C3作物的光合作用强度至今仍存有很大分歧。以往的研究多集中在转基因后光合速率及其相关参数的检测上，对碳、氮代谢尤其是它们之间的关联研究的不够系统、深入。. 本项目计划以本室已获得的转玉米PEPC基因的水稻株系为研究对象，对转基因水稻不同生育期、不同器官的碳、氮代谢进行深入、细致的分析，尤其对碳同化物、氮同化物和与碳、氮代谢相关联的代谢物的含量及有关酶的活性进行全面的研究；试图系统地阐明转玉米PEPC基因对水稻碳、氮代谢强度、方向等各方面的调控机制，为进一步通过基因工程手段提高C3作物的碳、氮代谢效率提供新的研究思路和技术路线。

本项目以转玉米PEPC基因水稻为研究对象，系统深入地研究了外源PEPC基因对水稻不同生育期、不同器官碳、氮代谢的影响。项目在研期间，发表论文2篇，其中SCI论文1篇；参编专著一部；培养硕士研究生3名，.主要研究结果和结论如下：.(1) 外源PEPC的导入显著提高了转基因水稻的PEPC活性，其中尤以地上部叶鞘内作用更为明显；.(2) 在分蘖期，高表达的PEPC促进叶片内磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）向下游产物转化，使得转基因水稻叶片内草酰乙酸（OAA）、苹果酸及丙酮酸含量极显著提高，OAA和苹果酸含量的提高又进一步促进了三羧酸循环（TCA）的进行，为氨基酸和蛋白质的合成提供了充足碳骨架，因此叶片内可溶性蛋白含量极显著提高；.(3) 在分蘖期，转PEPC基因水稻根系内各有机酸及其他代谢物含量均极显著低于对照，而鞘内有机酸、可溶性淀粉、游离氨基酸及蛋白质含量均显著提高，表明外源PEPC的导入显著地促进了地上部分的代谢水平，为地上部组织器官的生长提供更多原料；.(4) 外源PEPC的导入极显著提高了转PEPC基因水稻叶片在拔节期和开花期的NR活性，转基因水稻叶片的全氮含量较对照均有所提高。但是，两个转PEPC基因水稻株系ZM21和ZM30叶片在开花期的全氮含量比拔节期分别下降了14%和3%，这一方面是因为随着生育进程的进行，有更多的代谢物从转基因水稻叶片转运到库器官，另一方面是因为开花期的GS活性比拔节期分别下降了16%和10%；.(5) 虽然开花期转基因水稻叶片内可溶性糖含量极显著升高，但是与拔节期相比下降了42%，同时全碳含量也有所降低，比拔节期分别下降了16%和10%，表明进入生殖生长时期，有更多的代谢物从转基因水稻的源器官向库器官转运，这与上一结论一致；.(6) 外源PEPC在转基因水稻叶片内的高效表达加速了PEP向OAA的转化，减少了其在植株中的积累，同时提高了叶片内MDH活性，使得苹果酸含量显著高于对照。OAA和苹果酸一起参与到TCA循环中，为氨基酸和蛋白质合成提供了充足的碳骨架，显著提高了叶片内游离氨基酸和可溶性蛋白质的含量；.(7) 转PEPC基因水稻的碳、氮代谢对不同形态氮素具有不同的响应机制。硝态氮有利于转基因水稻内C4微循环的进行，积累较多的有机酸；随着铵态氮的施入，转基因水稻将以合成可溶性糖、淀粉、游离氨基酸及蛋白质为主。