转玉米PEPC和PPDK基因杨树苗期的光合生理特性

摘要

[目的]磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)和磷酸丙酮酸二激酶(PPDK)是保证C4植物高效光合作用的关键酶.杨树作为光合效率较低的C3植物,其光能利用率低,本研究以玉米PEPC基因和PPDK基因分别作为目的基因进行杨树遗传转化,分别获得转基因的高效表达植株,并进行分子检测及相关功能分析,为培育杨树高光效新品种提供依据.[方法]通过生物信息学筛选玉米PEPC和PPDK基因.利用Gateway系统,将PEPC和PPDK基因分别构建到植物表达载体pGWB406,通过农杆菌介导法转化南林895杨.比较分析转基因植株与对照(南林895杨)的光合生理特性.[结果]筛选克隆的PEPC及PPDK基因均编码典型的C4光合作用关键酶.南林895杨转PEPC基因获得5个株系,不同株系间基因表达量具有差异,最大达1.79倍,但编码蛋白在不同株系叶片中的表达量无显著差异;转PPDK基因获得3个株系,各株系间基因及蛋白表达量无显著差异.PEPC和PPDK在叶片中的表达量均高于茎中,且随着植株生长发育而提高;PEPC和PPDK基因的表达均受光照条件的影响,在高光照下表达量上升2～3倍.转基因株系净光合速率在11:00-14:00出现双峰状态,且显著高于对照组,最高达16.2％(PEPC-5株系);气孔导度在12:00-16:00高于对照组;除PPDK-2株系外,转基因株系都检测到比对照组更高的胞间CO2浓度,除PEPC-1和PEPC-4株系外,转基因株系CO2饱和点均低于对照组;全部转基因株系CO2补偿点均低于对照组,且光饱和点以及在光饱和点的光合速率均高于对照组.生长参数方面,PEPC-3和PEPC-4株系多个指标显著优于对照组(P＜0.05),平均株高分别高于对照组5.6％和2.9％,叶面积分别高于对照组13.8％和8.9％,叶片质量分别高于对照组23.6％和19.8％,地径分别高于对照组13.5％和5.4％;转基因株系的茎生物量均高于对照组,叶生物量优势最为明显的依次是PEPC-3、PEPC-5和PEPC-4株系,分别高于对照组34.8％、15.4％和6.3％.[结论]玉米PEPC和PPDK基因导入南林895杨获得的转基因植株在强光利用方面具有明显的优势,植株的光合能力显著提高,生长指标优于对照组.利用C4植物的光合作用关键酶编码基因对杨树进行遗传转化,对于提高杨树甚至木本植物的光合效率具有重要意义.