如何利用現(xiàn)代生物技術提高水稻的光合作用

如何利用現(xiàn)代生物技術提高水稻的光合作用效率

影響水稻光合作用的因素一、內部因素

葉齡幼葉正處于旺盛生長期，其光合產物人不敷出，必須從其他葉片得到光合產物的供應。葉面積已定型的功能期葉片是光合作用的主要器官，隨著葉片的衰老，光合強度也明顯下降。圖示水稻不同葉位的葉片的光合強度，4/0與5/0分別代表主莖第四葉與第五葉，這些葉片已漸衰老。6/0～8/0代表主莖第六至第八葉，這些葉片正值功能期，吸入的14CO2最多。表現(xiàn)出含有較高的脈沖數（cpm、每分鐘放出居里數）。9/0與10/0是正在伸長中的幼葉，它們的呼吸旺盛，往往超過光合，所以，cpm值急劇下降。目前認為葉片的光合強度之所以與葉齡有關，主要原因在于RUBP羧化酶活性的變化。已有實驗證明：鴨茅、水稻、小麥葉片完全展開后，其RuBP羧化酶活性很快達到最高峰，以后隨著葉齡的延長，葉片光合速率與RuBP羧化酶活性的變化趨勢是一致的外部因素

（一）光光是光合作用的動力，也是形成葉綠素與正常葉片的必要條件。它的強度直接制約著光合作用的強度。因為一方面，同化CO2所需的ATP和NADPH+H+來自于光反應。另一方面，暗反應中的若干關鍵性酶，像RUBP羧化酶與PEP羧化酶等都受光的活化。一般植物的葉片，在黑暗中只進行呼吸作用，吸收氧氣而放出二氧化碳。當光強增至數百米燭光時，葉片的光合強度等于呼吸強度，CO2吸收量等于放出量，碳素營養(yǎng)處于收支平衡的狀態(tài)。這時的光強叫光補償點。光補償點標志著植物對光強的最低要求，反映著植物對弱光的利用能力。當氣溫在25～30℃時，棉花的光補償點高達1000～1500米燭光。水稻為600～700米燭光，而大豆僅500米燭光。因此，大豆苗期較耐蔭，可在玉米行間正常生長。當光強超過光補償點后，葉片才表現(xiàn)出光合作用，其CO2吸入量才大于放出量，這時才能測定出表觀光合強度（凈光合強度）。（二）CO2濃度CO2是光合作用的原料之一，主要靠葉片從空氣中吸收。但是，空氣中的CO2濃度很低，只有330ppm，即每升空氣約含0.65毫克。每合成一克光合產物（葡萄糖），葉片約需從2250升空氣中才能吸收到足量的CO2，從而在光照充足而通風不良時，CO2往往成為光合作用的限制因素。。當CO2濃度為400ppm時，麥苗于11000米燭光已達光飽和狀態(tài)，如于此時增加CO2濃度，可顯著提高光合強度。但當CO2濃度增至1200ppm時，光合強度不再上升，這時的CO2濃度稱為CO2的飽和點。然而，此時將光照強度增至22000米燭光，CO2的飽和點又可進一步提高。上述現(xiàn)象顯示出CO2濃度與光強度對光合作用的影響是協(xié)同的，包含著一個“限制因子”概念，它相當于哲學上的“主要矛盾”。圖提供了三碳植物菜豆與四碳植物玉米在不同光強與CO2濃度配合下的光合強度變化。從中可以更具體地認識“限制因子”的重要性在光照、溫度、肥與水供應良好的條件下，CO2濃度常是光合作用的限制因子，這時四碳植物可依靠本身的CO2泵來加速吸收CO2，三碳植物則需從外界補充供應CO2。據試驗，將溫室空氣中的二氧化碳濃度提高3～5倍，番茄、蘿卜與黃瓜等可增產25％～49％；大田條件下可以使用大量的有機肥料，增加土壤微生物的呼吸。但是，必須指出，當植物周圍的二氧化碳濃度過高時，光合作用強度也會受到抑制。溫度

在強光和CO2濃度較高的條件下，溫度對光合強度的影響特別顯著；而于弱光和CO2不足時，溫度對光合強度的影響不大，凈光合強度等于零時的最低溫度與最高溫度，分別稱為光合作用的冷限與熱限。耐低溫的萵苣，于5℃已有明顯的凈光合強度，而番茄與黃瓜則需要12℃與20℃。稻、棉等喜溫植物，遇到5～10℃持續(xù)低溫，其光合功能就會受到損害，回暖后往往恢復不到原有的水平。四碳植物的光合熱限一般較高，約55～60℃；三碳植物中，棉花較耐熱，可達50～55℃，而蠶豆、小麥等對熱敏感的作物則在40℃以下。乳熟期小麥葉片遇到持續(xù)高溫，盡管外表上仍呈綠色，但光合功能已受嚴重損害。植物從外界環(huán)境獲得氮主要是通過3條途徑：通過還原NO3-把無機氮轉化為生命體可用的有機氮，通過固氮菌對N2的固定，直接吸收土壤中的銨或有機氮。無機氮被吸收還原后,在植物體內經運輸、合成、轉化及再循環(huán)等各種生理活動過程后,與蛋白質代謝共同構成其生命活動的基本過程。植物從外界環(huán)境獲得氮主要途徑谷氨酸脫氫酶（glutamatedehydrogenase）是一種催化使氨還原性地固定到α-酮戊二酸上形成谷氨酸反應的酶。它廣泛分布于生物中，在動物，存在于線粒體中。雖然反應是可逆的，但平衡具有朝向合成谷氨酸的傾向。因物種的不同，輔酶的特異性有所不同，在植物中是NAD，酵母是NADP，動物中雖不論那種輔酶都有作用。但NAD則較其他輔酶的效力高出數倍。反應可被ADP、GDP促進，而被ATP、GTP等抑制。細菌谷氨酸脫氫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.將大腸桿菌（E.coli）的gdhA基因在煙草中表達，發(fā)現(xiàn)轉基因植株能夠增強對PPT（phosphinothricinherbicides）的耐受力，而且氮素利用效率明顯提高，并且就此還申請了專利研究者進一步發(fā)現(xiàn)E.coligdhA基因能夠增強植物的抗旱能力和增加葉片的生物量(Amezianeetal.2000；Lightfootetal.2001；Nolteetal.2004；Munguretal.2006)。Lightfoot等（2007）將大腸桿菌中編碼NADP依賴的谷氨酸脫氫酶基因轉入換玉米，發(fā)現(xiàn)轉基因植株在明顯缺水的季節(jié)里的萌發(fā)率和生物產量均比對照高，其氮素利用效率也明顯提高。朱冰等（2000）克隆了地衣芽孢桿菌（Bacilluslicheniformis）谷氨酸脫氫酶基因(gdhA),并研究了其表達和功能。可惜還未見用于轉化植物。真菌NADPH依賴型谷氨酸脫氫酶是用于提高植物氮肥利用率的最有前景的外源基因，也是目前研究的熱點。王芳和田波（2001）通過RT-PCR方法克隆了真菌中間脈孢霉（Neurosporaintermedia，簡稱Ni），好食脈孢霉（Neurosporasitophila）,粗糙脈孢霉（Neurosporacrassa）的基因,進行序列測定。前兩種GDH基因的序列為首次報道。分別將上述GDH基因克隆入pET30a質粒在大腸桿菌中表達,純化后進行酶活性及米氏常數（Km）測定,結果發(fā)現(xiàn)大腸桿菌表達的Ni-GDH具有更高的酶活性,其Km值在0.3-0.45mmol/L比左右。選擇Ni-GDH基因轉化煙草,發(fā)現(xiàn)它能促進煙草在低氮水平下的生長中國科學院微生物研究所發(fā)現(xiàn)一類真菌的GDH,其Km很低,僅為0.3～0.5mmol/L。該基因核苷酸序列測定結果證明是一類新的GDH基因,已被國際GenBank收錄。將該基因轉入植物,可提高氮素利用率30%以上,使植物增加了一條氮素同化的新途徑。Aoki等(2008)將在CaMV-35S啟動子驅動下的真菌GDH基因轉入土豆和水稻，獲得了過表達的轉基因植株。研究發(fā)現(xiàn)，與未轉化的對照植株相比，轉基因土豆在標準氮和低氮條件下葉面積都增加，光合效率升高明顯，但是暗呼吸效率大幅度降低。同時還發(fā)現(xiàn)匍匐莖和塊莖數量增加，相應的土豆產量也大幅增加。該結果說明，真菌GDH基因的過表達不僅增強了代謝源的功能，而且也增強了代謝庫的功能，從而增加了土豆在低氮條件下的氮素利用效率。Aoki等(2008)在轉基因水稻中發(fā)現(xiàn)分蘗數和每穗的小穗數明顯增加，生物量和谷物產量也大幅增加，特別是在低氮條件下更為明顯。該結果也說明了真菌GDH基因的過表達增加了水稻的氮素利用效率。其他禮外源酸谷氨光酸脫遠氫酶淚也用繞于提倉高植慶物氮稿肥利幸用率字。黃纖國存帝等（20之02）用RT掙-P奶CR方法寸從小用球藻(Ch忠lo渣re帖ll際aso油ro躺ki便ni撞an辦a)中克精隆了NA評DP鳴-G暢DH基因蜻，并甜轉入耽煙草(Ni似co您ti耳an淡ata雞ba鋒cu考mL.捉)中。鞭對轉飛基因瘦煙草怨分析抄表明,在低有氮培狗養(yǎng)基奸或在齊低氮傳蛭石紙中其覆生長荷速度貧和葉管片數簽明顯位高于特對照淚。水稻敢是我明國種濱植面姑積最繁大、忍產量扔最高顛、氮躬肥用裹量最絨多的離糧食萄作物造之一西。氮葬素對厭水稻傭生產梳的影屬響僅繞次于監(jiān)水，買是構尋成水脖稻生喘產成弊本的流主要濾部分于。中倒國水疾稻種扮植面灶積占悄世界慎水稻黎種植蓄面積削的20菊%,而水悼稻氮崗肥用仰量占弟全球淹水稻扒氮肥顧總用柜量的37薪%,成為寄世界限上施旺用無稻機氮念肥最故多的胃國家班，而訊且氮劍肥成番本占忌水稻尿生產妨外部趴投入耀總成滔本的仇份額肌高達35春%。另夢外，姑中國吐水稻遲平均舊氮素渠利用蟻率僅完在28宵%-滲37船%之間,比世明界一匪般水餐平低15改%-知20中%。目前毀水稻飽氮肥第施用妙量居閉高不悼下，房誠氮素化利用分率持塔續(xù)降樂低，仇并帶造來了庫稻谷澡生產館成本渡增加嶄、地酬下水彩污染恒、江輪河湖游泊富禾營養(yǎng)耐化以幫及加鄰速溫擇室效曲應等津問題挖。培產育氮授素利內用效哨率高嫁的水燒稻新猜品種貸是降諒低氮悉肥用絨量、挺有效奸利用稍肥料編資源施、減姐少環(huán)駐境污絨染、滑降低哥生產時成本舉和提注高稻惱米品架質的胸最有割效途漁徑之響一目前融已有頸研究徑證實動，外顏源NA讀DP賓H依賴判型谷嚼氨酸邪脫氫