转玉米高光效C4型PEPC基因小麦光合生理特性研究

论文摘要

将C4途径高光效系统引入麦等C3农作物中,改善C3作物光合作用的遗传基础,进而通过较大幅度地提高光合效率来带动小麦品种生物学产量和籽粒产量的提高一直是作物育种科学研究的前沿课题。本研究拟对玉米C4型pepc基因导入普通小麦栽培品种周麦19基因组的T2代和T3代转基因小麦进行了pepc基因的PCR分子筛选,并以获得的阳性植株为材料,采取田间种植和盆栽两种种植方式,分别研究了田间条件下小麦不同生育时期的旗叶光合生理特性、群体光合速率及成熟后产量性状,对盆栽材料在抽穗期进行光合速率对光强和CO2的响应曲线测定,研究了PEPCase活性与光合速率相关性,并利用PEPCase专一性抑制剂DCDP进行了转基因植株PEPCase酶活功能的验证,为选育高光效小麦转基因新品种提供理论依据和种质材料。研究结果如下：1、利用PCR技术对T2代转基因小麦的12个株系,共2094棵单株进行了玉米C4型pepc基因分子检测,筛选出阳性率较高的两个转基因株系1-45-2和1-47-3,阳性率分别达到66.5%和60.5%,为后续研究提供了试验材料。2、对5个株系PEPCase活性与光合速率相关性进行了研究,结果表明不同转基因株系的PEPC酶活性差异很大,变幅为1.63μmol·min-1·mg-1至4.90μmol·min-1·mg-1,其中1-45-2株系的PEPC酶活性比对照提高了2.8倍,同时光合速率比对照提高了34.4%,光合速率与PEPC酶活性间存在正相关性；利用PEPCase专一性抑制剂DCDP处理转基因小麦后其光合速率降至与对照无显著差异,证明转pepc基因小麦光合速率提高确实与外源PEPC酶活性提高所致。3、于抽穗期、开花期、花后第7天和花后第15天对转pepc基因小麦株系和对照进行了单株旗叶的气体交换参数日变化的测定。结果表明转基因株系与对照相比,在4个测定时期转pepc基因小麦的旗叶净光合速率（Pn）明显提高,其中抽穗期转基因株系1-45-2、1-47-1旗叶Pn最大值分别达到29.45μmol·m-2·s-1和28.20μmol·m-2·s-1较对照分别提高了16.0%和11.0%；花后第15天转基因小麦旗叶P。最大值分别为25.63μmol·m-2·s-1与24.23μmol·m-2·s-1较对照提高了23.2%和13.7%；气孔导度（G。）明显增加,胞间CO2浓度（Ci）降低,蒸腾速率（Tr）差异不明显,水分利用效率（WUE）差异明显。经统计分析发现,转基因小麦较对照Pn的提高,与Ci变化呈负相关,与Gs变化成正相关。4、于花后第15天早上和中午对转pepc基因小麦株系和对照进行了叶绿素荧光参数的测定。结果显示,中午12：00与上午8：00相比,转pepc基因小麦的Fv/Fm（最大光量子效率）、qP（光化学淬灭系数）、NPQ（非光化学淬灭系数）、ΦPSH（作用光存在时PSⅡ的实际量子效率）的变幅均小于对照,其中12：00的Fv/Fm、φPSH和qP较8：00均有所下降,且转基因小麦明显高于对照,NPQ较8：00时刻均出现上升,转基因小麦均低于对照。以上结果表明,转基因小麦对中午时刻强光高温具有较好的耐胁迫能力。5、对开花期转pepc基因小麦1-45-2的T3代株系和对照进行净光合速率分别对光强和CO2浓度的响应曲线测定,结果表明转基因小麦同化CO2的能力增强,其中转基因小麦光饱和光合速率比对照提高了14.8%,CO2补偿点下降了28.2%,饱和光强由原来的1450μmol·m-2·s-1升至1550μmol·m-2·s-1,较对照饱和光强提高了6.9%,羧化效率也提高了28%。6、于抽穗期和花后第17天对转pepc基因小麦株系1-45-2进行了群体光合速率日变化测定,并对成熟后产量性状进行统计分析。结果显示,转基因小麦株系的群体光合速率CAP日变化均高于对照,在花后第17天更为明显；转基因株系在单茎重、单穗重、千粒重和收获系数较对照均显著提高。上述研究结果表明,将玉米C4型pepc基因导入小麦基因组,获得阳性转基因株系光合生理特性明显优于对照,同时在高温高光强下表现出较好的光合特性；群体光合速率CAP表现同样优于对照,产量性状较对照提高显著,具有提高小麦产量的潜力。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语
• 第一章 文献综述
• 3途径和C₄途径异同及小麦光合速率与产量关系'>1.1 光合作用C₃途径和C₄途径异同及小麦光合速率与产量关系
• 4途径关键酶基因PEPC提高小麦光合效率的可行性'>1.2 利用C₄途径关键酶基因PEPC提高小麦光合效率的可行性
• 4途径PEPC基因转C₃植物的研究进展'>1.3 C₄途径PEPC基因转C₃植物的研究进展
• 1.4 叶绿素荧光动力学参数的研究与应用进展
• 1.5 研究目的意义及创新点
• 1.5.1 研究目的与意义
• 1.5.2 研究的创新点
• 1.6 技术路线
• 4型PEPC基因小麦的检测筛选与验证'>第二章 转玉米高光效C₄型PEPC基因小麦的检测筛选与验证
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 供试材料
• 2.1.2 转基因小麦株（系）PCR检测
• 2.1.2.1 小麦基因组总DNA的提取
• 2.1.2.2 PCR反应体系
• 2.1.3 目的基因pepc的PCR检测
• 2.1.4 转基因小麦株系旗叶净光合速率的测定
• 2.1.5 PEPCase活性测定
• 2.1.6 PEPCase专一性抑制剂应用
• 2.1.7 数据处理
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 转基因小麦株系PCR检测
• 2.2.2 转基因小麦株系旗叶净光合速率和PEPCase活性测定结果
• 2.2.3 PEPCase专一性抑制剂DCDP的应用
• 2.3 讨论
• 4型PEPC基因小麦旗叶光合生理特性'>第三章 田间条件下转玉米C₄型PEPC基因小麦旗叶光合生理特性
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 供试材料与种植方式
• 3.1.2 转基因小麦旗叶气体交换参数测定
• 3.1.3 荧光参数的测定
• 3.1.4 数据处理
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 不同时期环境因子的日变化
• 3.2.1.1 4月23日当日光强和气温变化曲线
• 3.2.1.2 5月4日当日光强和气温变化曲线
• 3.2.1.3 5月12日当日光强和气温变化曲线
• 3.2.1.4 5月19日当日光强与气温变化曲线
• 3.2.1.5 4个时期光强和气温的比较
• 3.2.2 不同时期田间小麦旗叶光合速率的日变化
• 3.2.2.1 4月28日小麦旗叶光合速率的口变化
• 3.2.2.2 5月4日小麦旗叶光合速率的日变化
• 3.2.2.3 5月12日小麦旗叶光合速率的日变化
• 3.2.2.4 5月19日小麦旗叶光合速率的日变化
• 3.2.2.5 4个时期小麦品种间旗叶光合速率的比较
• 2浓度、气孔导度和蒸腾速率的日变化'>3.2.3 田间小麦旗叶胞间CO₂浓度、气孔导度和蒸腾速率的日变化
• 3.2.4 叶绿素荧光动力学参数的变化
• 3.3 讨论
• 4型PEPC基因小麦净光合速率对光强和CO₂浓度响应研究'>第四章 转玉米C₄型PEPC基因小麦净光合速率对光强和CO₂浓度响应研究
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 试验材料与种植方式
• 4.1.2 转基因小麦旗叶净光合速率对光强的响应
• 2浓度的响应'>4.1.3 转基因小麦旗叶净光合速率对CO₂浓度的响应
• 4.1.4 数据处理
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 转基因小麦旗叶净光合速率对光强的响应
• 2浓度的响应'>4.2.2 转基因小麦旗叶净光合速率对CO₂浓度的响应
• 4.3 讨论
• 4型PEPC基因小麦群体光合速率与产量性状研究'>第五章 转玉米C₄型PEPC基因小麦群体光合速率与产量性状研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 供试材料
• 5.1.2 群体光合速率测定
• 5.1.3 考种调查
• 5.1.4 数据处理
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 不同时期群体光合日变化
• 5.2.2 转pepc基因小麦田间产量性状分析
• 5.3 讨论
• 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文