如何利用现代生物技术提高水稻的光合作用

如何利用现代生物技术提高水稻的光合作用效率

影响水稻光合作用的因素一、内部因素

叶龄幼叶正处于旺盛生长期，其光合产物人不敷出，必须从其他叶片得到光合产物的供应。叶面积已定型的功能期叶片是光合作用的主要器官，随着叶片的衰老，光合强度也明显下降。图示水稻不同叶位的叶片的光合强度，4/0与5/0分别代表主茎第四叶与第五叶，这些叶片已渐衰老。6/0～8/0代表主茎第六至第八叶，这些叶片正值功能期，吸入的14CO2最多。表现出含有较高的脉冲数（cpm、每分钟放出居里数）。9/0与10/0是正在伸长中的幼叶，它们的呼吸旺盛，往往超过光合，所以，cpm值急剧下降。目前认为叶片的光合强度之所以与叶龄有关，主要原因在于RUBP羧化酶活性的变化。已有实验证明：鸭茅、水稻、小麦叶片完全展开后，其RuBP羧化酶活性很快达到最高峰，以后随着叶龄的延长，叶片光合速率与RuBP羧化酶活性的变化趋势是一致的外部因素

（一）光光是光合作用的动力，也是形成叶绿素与正常叶片的必要条件。它的强度直接制约着光合作用的强度。因为一方面，同化CO2所需的ATP和NADPH+H+来自于光反应。另一方面，暗反应中的若干关键性酶，像RUBP羧化酶与PEP羧化酶等都受光的活化。一般植物的叶片，在黑暗中只进行呼吸作用，吸收氧气而放出二氧化碳。当光强增至数百米烛光时，叶片的光合强度等于呼吸强度，CO2吸收量等于放出量，碳素营养处于收支平衡的状态。这时的光强叫光补偿点。光补偿点标志着植物对光强的最低要求，反映着植物对弱光的利用能力。当气温在25～30℃时，棉花的光补偿点高达1000～1500米烛光。水稻为600～700米烛光，而大豆仅500米烛光。因此，大豆苗期较耐荫，可在玉米行间正常生长。当光强超过光补偿点后，叶片才表现出光合作用，其CO2吸入量才大于放出量，这时才能测定出表观光合强度（净光合强度）。（二）CO2浓度CO2是光合作用的原料之一，主要靠叶片从空气中吸收。但是，空气中的CO2浓度很低，只有330ppm，即每升空气约含0.65毫克。每合成一克光合产物（葡萄糖），叶片约需从2250升空气中才能吸收到足量的CO2，从而在光照充足而通风不良时，CO2往往成为光合作用的限制因素。。当CO2浓度为400ppm时，麦苗于11000米烛光已达光饱和状态，如于此时增加CO2浓度，可显著提高光合强度。但当CO2浓度增至1200ppm时，光合强度不再上升，这时的CO2浓度称为CO2的饱和点。然而，此时将光照强度增至22000米烛光，CO2的饱和点又可进一步提高。上述现象显示出CO2浓度与光强度对光合作用的影响是协同的，包含着一个“限制因子”概念，它相当于哲学上的“主要矛盾”。图提供了三碳植物菜豆与四碳植物玉米在不同光强与CO2浓度配合下的光合强度变化。从中可以更具体地认识“限制因子”的重要性在光照、温度、肥与水供应良好的条件下，CO2浓度常是光合作用的限制因子，这时四碳植物可依靠本身的CO2泵来加速吸收CO2，三碳植物则需从外界补充供应CO2。据试验，将温室空气中的二氧化碳浓度提高3～5倍，番茄、萝卜与黄瓜等可增产25％～49％；大田条件下可以使用大量的有机肥料，增加土壤微生物的呼吸。但是，必须指出，当植物周围的二氧化碳浓度过高时，光合作用强度也会受到抑制。温度

在强光和CO2浓度较高的条件下，温度对光合强度的影响特别显著；而于弱光和CO2不足时，温度对光合强度的影响不大，净光合强度等于零时的最低温度与最高温度，分别称为光合作用的冷限与热限。耐低温的莴苣，于5℃已有明显的净光合强度，而番茄与黄瓜则需要12℃与20℃。稻、棉等喜温植物，遇到5～10℃持续低温，其光合功能就会受到损害，回暖后往往恢复不到原有的水平。四碳植物的光合热限一般较高，约55～60℃；三碳植物中，棉花较耐热，可达50～55℃，而蚕豆、小麦等对热敏感的作物则在40℃以下。乳熟期小麦叶片遇到持续高温，尽管外表上仍呈绿色，但光合功能已受严重损害。植物从外界环境获得氮主要是通过3条途径：通过还原NO3-把无机氮转化为生命体可用的有机氮，通过固氮菌对N2的固定，直接吸收土壤中的铵或有机氮。无机氮被吸收还原后,在植物体内经运输、合成、转化及再循环等各种生理活动过程后,与蛋白质代谢共同构成其生命活动的基本过程。植物从外界环境获得氮主要途径谷氨酸脱氢酶（glutamatedehydrogenase）是一种催化使氨还原性地固定到α-酮戊二酸上形成谷氨酸反应的酶。它广泛分布于生物中，在动物，存在于线粒体中。虽然反应是可逆的，但平衡具有朝向合成谷氨酸的倾向。因物种的不同，辅酶的特异性有所不同，在植物中是NAD，酵母是NADP，动物中虽不论那种辅酶都有作用。但NAD则较其他辅酶的效力高出数倍。反应可被ADP、GDP促进，而被ATP、GTP等抑制。细菌谷氨酸脱氢酶基因是最早用于提高植物氮肥利用率的外源基因。1999年，Lightfootetal.将大肠杆菌（E.coli）的gdhA基因在烟草中表达，发现转基因植株能够增强对PPT（phosphinothricinherbicides）的耐受力，而且氮素利用效率明显提高，并且就此还申请了专利研究者进一步发现E.coligdhA基因能够增强植物的抗旱能力和增加叶片的生物量(Amezianeetal.2000；Lightfootetal.2001；Nolteetal.2004；Munguretal.2006)。Lightfoot等（2007）将大肠杆菌中编码NADP依赖的谷氨酸脱氢酶基因转入换玉米，发现转基因植株在明显缺水的季节里的萌发率和生物产量均比对照高，其氮素利用效率也明显提高。朱冰等（2000）克隆了地衣芽孢杆菌（Bacilluslicheniformis）谷氨酸脱氢酶基因(gdhA),并研究了其表达和功能。可惜还未见用于转化植物。真菌NADPH依赖型谷氨酸脱氢酶是用于提高植物氮肥利用率的最有前景的外源基因，也是目前研究的热点。王芳和田波（2001）通过RT-PCR方法克隆了真菌中间脉孢霉（Neurosporaintermedia，简称Ni），好食脉孢霉（Neurosporasitophila）,粗糙脉孢霉（Neurosporacrassa）的基因,进行序列测定。前两种GDH基因的序列为首次报道。分别将上述GDH基因克隆入pET30a质粒在大肠杆菌中表达,纯化后进行酶活性及米氏常数（Km）测定,结果发现大肠杆菌表达的Ni-GDH具有更高的酶活性,其Km值在0.3-0.45mmol/L比左右。选择Ni-GDH基因转化烟草,发现它能促进烟草在低氮水平下的生长中国科学院微生物研究所发现一类真菌的GDH,其Km很低,仅为0.3～0.5mmol/L。该基因核苷酸序列测定结果证明是一类新的GDH基因,已被国际GenBank收录。将该基因转入植物,可提高氮素利用率30%以上,使植物增加了一条氮素同化的新途径。Aoki等(2008)将在CaMV-35S启动子驱动下的真菌GDH基因转入土豆和水稻，获得了过表达的转基因植株。研究发现，与未转化的对照植株相比，转基因土豆在标准氮和低氮条件下叶面积都增加，光合效率升高明显，但是暗呼吸效率大幅度降低。同时还发现匍匐茎和块茎数量增加，相应的土豆产量也大幅增加。该结果说明，真菌GDH基因的过表达不仅增强了代谢源的功能，而且也增强了代谢库的功能，从而增加了土豆在低氮条件下的氮素利用效率。Aoki等(2008)在转基因水稻中发现分蘖数和每穗的小穗数明显增加，生物量和谷物产量也大幅增加，特别是在低氮条件下更为明显。该结果也说明了真菌GDH基因的过表达增加了水稻的氮素利用效率。其他礼外源酸谷氨光酸脱远氢酶泪也用绕于提仓高植庆物氮稿肥利幸用率字。黄纤国存帝等（20之02）用RT挣-P奶CR方法寸从小用球藻(Ch忠lo渣re帖ll际aso油ro躺ki便ni撞an办a)中克精隆了NA评DP鸣-G畅DH基因蜻，并甜转入耽烟草(Ni似co您ti耳an淡ata鸡ba锋cu考mL.捉)中。鞭对转飞基因瘦烟草怨分析抄表明,在低有氮培狗养基奸或在齐低氮传蛭石纸中其覆生长荷速度贫和叶管片数签明显位高于特对照泪。水稻敢是我明国种滨植面姑积最繁大、忍产量扔最高颠、氮躬肥用裹量最绒多的离粮食萄作物造之一西。氮葬素对厌水稻佣生产梳的影属响仅绕次于监水，买是构寻成水脖稻生喘产成弊本的流主要滤部分于。中倒国水疾稻种扮植面灶积占悄世界慎水稻黎种植蓄面积削的20菊%,而水悼稻氮岗肥用仰量占弟全球淹水稻扒氮肥顾总用柜量的37薪%,成为寄世界限上施旺用无稻机氮念肥最故多的胃国家班，而讯且氮剑肥成番本占忌水稻尿生产妨外部趴投入耀总成滔本的仇份额肌高达35春%。另梦外，姑中国吐水稻迟平均旧氮素渠利用蚁率仅完在28宵%-渗37船%之间,比世明界一匪般水餐平低15改%-知20中%。目前毁水稻饱氮肥第施用妙量居闭高不悼下，房诚氮素化利用分率持塔续降乐低，仇并带造来了库稻谷澡生产馆成本渡增加崭、地酬下水彩污染恒、江轮河湖游泊富禾营养耐化以帮及加邻速温择室效曲应等津问题挖。培产育氮授素利内用效哨率高嫁的水烧稻新猜品种贷是降谅低氮悉肥用绒量、挺有效奸利用稍肥料编资源施、减姐少环驻境污绒染、滑降低哥生产时成本举和提注高稻恼米品架质的胸最有割效途渔径之响一目前融已有颈研究径证实动，外颜源NA读DP宾H依赖判型谷嚼氨酸邪脱氢