葉肉細胞特異表達焦磷酸化酶基因OsIP1在不同“源、庫類型”水稻品種中的效應研究.pdf

1、高產育種始終是水稻最重要的育種目標之一。為了提高水稻的產量水平，一些研究者提出了這樣一種思路:改進作物光合作用效率和光合產物的分配進而提高水稻產量。淀粉和蔗糖是植物光合作用形成的主要終產物。在C3植物中，卡爾文循環(huán)中形成的磷酸丙糖(Triosephosphate，TP)決定了淀粉和蔗糖的合成與分配?？傮w而言，大部分TP通過位于葉綠體被膜上的磷酸丙糖轉運器(triose phosphate translocator，TPT)與無機磷酸基團

2、(pi)的對等交換被轉移至細胞質，并在細胞質內的一系列酶促反應下合成蔗糖，而滯留在葉綠體內的TP可在一系列酶促反應下合成淀粉。胞質型無機焦磷酸化酶(Inorganic pyrophosphatase，PPase)可在細胞質內催化焦磷酸基團(ppi)分解為磷酸基團(pi)。通過調節(jié)ppi和pi的比例，可以有機協(xié)調蔗糖合成反應、淀粉合成以及質體中的糖酵解反應。因此，從理論上推測過表達外源無機焦磷酸化酶基因時，可不斷使細胞質中的ppi轉化為p

3、i，刺激細胞質中的酶促反應向有利于蔗糖合成方向進行，同時也為TP通過TPT進入細胞質提供充足的交換體pi。由于蔗糖合成量的增加必將消耗更多的光合原初產物，從而促進源葉片的光合作用，增加植物光合產物的合成。
　　蔗糖是植物碳轉運的主要形式。蔗糖在維管束中的長距離運輸需要ppi的存在。若人為操作PPase基因在植物體內恒定而持續(xù)的表達，可能會導致維管束中的ppi也被分解為pi，造成蔗糖在韌皮部的裝載受阻，不能及時被輸送到植物需要的各個

4、部位。前人研究表明特異啟動PPase基因的表達可避免這一問題。本研究嘗試利用葉肉細胞特異表達啟動子驅動PPase基因的表達，同時為了降低轉基因安全性風險，利用水稻自身的胞質型無機焦磷酸化酶基因OsIP1作為靶基因，研究其在水稻產量形成中的潛在效應。
　　另外，不同源庫類型的品種對植物光合產物的需求也不同，光合產物的分配常受到庫需要量的支配，改變光合產物的分配后，對產量的影響可能也不相同。因此，本研究還將分析OsIP1基因在不同源庫

5、類型品種中是否存在效應差異的問題，或日其更適用于在那類品種上加以應用。研究主要結論如下:
　　1、以6個不同穗型的水稻品種為試驗材料，通過剪葉和疏花處理，明確了各水稻品種的源、庫特征。結果表明:4個粳稻品種中，中超123穗型最大，籽粒充實度較差，有明顯的兩次灌漿現象，為典型“源限制型”品種;穗粒并重型品種恢236表現庫大源足，粒/葉和粒重/葉均最小，但籽粒充實度也較差，為“源大庫大流不暢”;多穗型品種武陵粳1號源庫較協(xié)調，同化物質

6、運轉能力較強。同為多穗型品種農墾57，結實率、籽粒充實度均最高，單株總庫容量最小，屬于“庫限制型”品種。2個秈稻品種中，揚稻6號表現與武陵粳1號相似，為“源庫協(xié)調型”;R6547籽粒充實度較好，即使在剪葉處理下灌漿后期物質也有向莖稈再積累的現象，屬于“庫限制型”品種。
　　2、利用生物信息學對水稻中約30個無機焦磷酸化酶編碼基因進行了氨基酸序列比較、結構域特征、亞細胞定位預測以及上游順式元件釋義等分析，進而克隆了1個預測為編碼胞質

7、型可溶性無機焦磷酸化酶的基因OsIP1(Os04g0687100)。利用水稻葉肉細胞特異啟動子cyFBPase驅動OsIP1基因的表達，構建了嵌合基因cyFBPase∶OsIP1的雙T-DNA植物表達載體。
　　3、通過農桿菌轉化法將嵌合基因cyFBPase∶OsIP1分別導入“源限制型”水稻品種中超123和“庫限制型”品種農墾57中，分別獲得了20、28個陽性轉基因植株。根據QPCR分析和農藝性狀比較，篩選高表達量且農藝性狀沒有

8、明顯改變的T2轉基因純合株系進行產量比較試驗，分析在水稻葉肉細胞中特異性過表達OsIP1基因的效應。結果顯示:
　　1)在營養(yǎng)生長期，轉基因株系的最高莖蘗數和穗數相比各受體親本均有不同程度的提高，且在分蘗性較強的品種上的提高效應更為明顯;
　　2)在籽粒灌漿結實期，葉片、葉鞘中可溶性總糖、蔗糖和淀粉含量在整個灌漿期的變化趨勢與對照相似，但是在灌漿高峰期時，多數轉基因植株的葉片和葉鞘中的蔗糖含量顯著高于對照。
　　3)轉

9、基因株系的單株產量較野生型對照呈現不同程度的增加，其中“源限制型”品種中超123轉基因株系單株產量較對照增幅達顯著水平，而“庫限制型”品種農墾57的相關轉基因株系增產未達顯著水平。此外，在單株干物總重上，轉基因株系相對野生型對照均有顯著提高。
　　以上結果表明:cyFBPase∶OsIP1基因的過表達均能使兩種類型的品種生產更多的光合產物，產量較對照也不同程度增加，表明利用葉肉細胞過表達OsIP1基因這一策略改進水稻的產量具有一定