转ZMPEPC基因小麦的碳同化相关基因表达及代谢产物分析

Introduction of C4 pathway key genes into C3 crop to improve its photosynthesis efficiency, biomass and yield is the focal point and hot spot in crop genetic and breeding area. Through secular hard research, the maize C4 type pepc gene cloned by homology cloning method was introduced into wheat elite varieties. Photosynthesis efficiency and yield potential of the transgenic materials were significantly high than the control. In the present study, several aspects about molecular and physiological mechanism of the transgenic wheat lines and control including expression of carbon assimilation related genes, Leaf membrane lipid peroxidation resistance, synergic relationship between C4 and C3 cycle, quantitative analysis of carbon assimilation related metabolite will be studied. The results could explicit the molecular and physiological mechanism of C4 keys genes improving C3 crop photosynthesis efficiency, and provide general research base and theoretical basis for C3 crop transgenic breeding research.

将C4途径关键基因引入C3作物以提高其光合效能和生物学产量，并最终实现籽粒产量的提高是作物遗传育种领域的重点和热点。项目组经过近十年的研究，将克隆的玉米C4型pepc基因导入小麦大面积品种和苗头品系中。连续多年的研究结果表明，创制的转基因小麦材料其光合效能和产量水平较受体对照显著提高，不但为黄淮麦区小麦遗传育种产量潜力实现突破提供了材料基础，同时也为C3作物高光效转基因研究提供了理想的理论研究材料。本项目将以上述转基因小麦和受体对照为研究对象，通过研究转基因小麦及对照在碳同化相关基因的表达、叶片膜脂抗过氧化能力、高光效转基因小麦中C4循环和C3循环的协同关系、光合碳同化相关代谢产物的定量分析等方面的差异，明确C4型高光效关键基因改善转基因小麦光合效能的分子与生理机制，为C3植物高光效基因工程研究提供共性研究基础和理论依据。

将C4途径高光效基因导入小麦中，通过改善其光合作用的内在遗传基础，以期大幅度提高光合效率来带动生物学产量和籽粒产量的提高一直是植物生物科学研究的前沿课题。本研究以创制的转玉米C4型ZmPEPC基因小麦PC27和PC51及受体对照周麦19（WT）为研究材料，开展了光合相关基因的表达，生理特性，蛋白组学和代谢组学研究。结果表明：外源PEPC基因导入到小麦后，上调了其上下游内源光合基因的表达，且在高温下的上调幅度更为显著。正常和高温胁迫处理下转基因小麦的光合速率均显著高于对照，在正常处理下较对照分别提高7.33%和8.58%，在高温处理下较对照增幅更高达到16.26%和13.45%；叶绿素荧光参数Fv/Fm,ФPSII和qP的变化趋势与Pn一致，而NPQ与Pn的变化趋势相反；正常处理下转基因小麦的叶绿素含量与对照相比无差异，高温胁迫转基因小麦显著高于对照，叶绿素a/b、Fm下降值、Wk和Vj、抗氧化酶系统活性变化趋势与叶绿素含量变化趋势相同；正常处理下转基因小麦与野生型对照的活性氧生成速率，H2O2含量，MDA含量无差异，高温胁迫后显著低于对照。转基因小麦与对照的代谢组相比，在正常处理下有13个差异代谢产物，而高温处理下有25个差异代谢产物，其中高温胁迫下转基因小麦的脯氨酸含量是野生型对照的3.07倍。利用iTRAQ的方法总共鉴定到ZmPEPC响应、低氮胁迫响应和共同响应的差异蛋白分别为218、298、106个，这些差异蛋白根据KEGG代谢通路分析表明，ZmPEPC响应的差异蛋白主要与乙醛酸及二羧酸代谢，光合作用中光反应和碳固定，氮、硫代谢，氨基酸合成等代谢途径相关。我们认为外源ZmPEPC基因可通过提高光合相关基因的表达、调控光合相关蛋白和代谢产物、提高抗氧化酶活性、延缓叶绿素降解等，最终实现小麦光合特性的提高。本项研究对指导小麦高产育种及C3作物光合作用改良具有一定意义。