过氧化氢对高表达转玉米C4型pepc水稻光合特性的调控

摘要

在水稻中成功导入玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(Phospboenolpymvatecarboxylase,pepc)并高表达,光合作用得到明显提高。掀起用C4光合特性改造C3植物,以增强光合效率的热潮,且最终对通过提高植物光合作用提高水稻产量有重要的意义。近几年,随着高表达转玉米pepc基因水稻的稳定选育,越来越多的研究结果证明了高表达转玉米C4pepc基因水稻具有高光效特性和耐氧化胁迫的能力。
　　 作为氧化胁迫的主要作用分子,过氧化氢(H2O2)在高等植物细胞中有多种产生途径,不仅是损伤生物大分子的细胞毒性物质,还是细胞内重要的信号分子。H2O2作为信号分子可刺激细胞增殖,分化,迁移,凋亡以及介导动植物体对生物与非生物胁迫响应,在根毛的生长以及脱落酸(ABA)介导气孔运动等方面也发挥着关键作用。本文以高表达的转玉米C4 pepc光合基因水稻(PC)及其原种(WT)为材料考察PC的光合特性与H2O2信号之间的可能关系。
　　 1、首先,对实验材料分别施用介于信号传导和细胞毒害之间的不同外源H2O2浓度,分析在不同浓度下PC光合特性的表现,结果发现,与未用H2O2处理的WT相比,PC在0.5～5 mmol/LH2O2浓度处理下,其净光合速率(Pn)在不同光强下均表现下降,与其气孔导度(Gs)的下降一致,这个抑制过程随光强的增加而减弱;而未转基因水稻WT则没有上述表现,推测PC可能通过低浓度的H202参与气孔运动的调节,从而影响其光合特性。
　　 2、通过茎引入的方法,研究植物内源H2O2相关试剂,脱落酸ABA,磷脂酶D的抑制剂正丁醇(BA),磷脂酶C的抑制剂新霉素(NS),通过抑制NADPH氧化酶活性而减少内源H2O2产生的抑制剂氯化二亚苯基碘鎓(DPI)等对供试材料内源H2O2水平的影响。结果如下:ABA处理可以刺激PC和WT内源H2O2的产生,程度无明显差异,和WT相比,BA和DPI对PC处理后,H2O2水平明显被抑制。
　　 3、考察内源H2O2对供试材料气孔导度(Gs)的影响。DPI和BA处理后,WT植株Gs随处理时间变化不大,而PC的Gs同样呈先升高后降低趋势,显示PC和WT内源H2O2的不同水平对气孔调节的差异。而用NS处理后,则两材料差异不明显。有关结果表明,PC体内H2O2对气孔的调节作用可能与磷脂酶D信号调控有关的。
　　 4、考察内源H2O2对材料表观光合的影响。H2O2抑制剂DPI处理后,WT植株Pn随处理时间的延长变化不显著;而PC的Pn在处理30min后有明显增强的现象,显示了内源H2O2对PC和WT气孔的调节也影响了其光合的不同表现。BA和DPI处理的Pn结果也与其对Gs的影响结果有相似性.统计分析发现DPI处理和ABA处理后,材料气孔导度和净光合速率有显著相关性,显示内源H2O2的升高或降低都会促进气孔因素对光合速率的光合作用的贡献率.叶绿素荧光结果显示,所处理材料的光系统Ⅱ已受到明显影响,但是由于热耗散的增强,使整体植株并未处于明显胁迫状态。
　　 内源H2O2对PEPCaSe活性有一定调控作用,在用ABA处理后活性降低,而DPI处理后活性有所升高,可初步证明内源H2O2对PEPCaLse活性有抑制作用,但对pepc基因转录及蛋白表达没有明显影响,说明这种调控发生在翻译后阶段。