蓝藻三个 CO2 转运和固定相关基因对提高水稻光合效率的研究

Three genes ictB、CA and FBP/SBPase with high-efficiency CO2-transporting and fixation capacity, which were derived from Cyanobacterium, were induced into indica rice 9311. Transgenic lines, with homozygous and stable expression of purpose genes, showed "staying green" phenotype. By the comparative analysis the changes of express levels of the three genes, enzymatic activity, growth and developmental characters, cell structural characters, yield traits, biomass, and all photosynthetic physiology indexes in wild type and transgenic lines grew in field, we plan to research on the effect of the three genes acting on improving the rate of carbon flow, increasing CO2 concentration and carboxylation efficiency at carboxylation site and further enhance photosynthetic rate in rice cells. Simultaneously, we will further research the regulations of the purpose genes acting on the expression of other carbon assimilation related genes, and explore the mechanisms in improving photosynthetic carbon fixing capacity, and provide theoretical basis for creating new varieties with high photosynthesis rate.

将蓝藻中具有高效CO2转运和固定功能的ictB、CA 和FBP/SBPase 三个基因整体一次性转化籼稻9311，得到目的基因已经纯合且稳定表达的一批持绿表型的转基因株系。在大田种植条件下，比较分析野生型和转基因株系的目的基因表达量、酶活性、生长发育特性、细胞结构特点、产量性状、生物量和各项光合生理生化指标的变化，研究三个目的基因在促进水稻细胞内碳流运转、提高羧化位点的CO2浓度和羧化效率进而提高光合效率中的作用效果。同时，进一步研究目的基因对其它碳同化相关基因表达的调控，探索三个目的基因作为一个整体在改善水稻光合碳固定效率中的作用机制，也为创造高光效的新材料提供理论基础。

通过多基因转化技术将蓝藻中具有CO2转运或固定功能的Ictb、ccaA (CA) 和FBP/SBPase 三个基因转化籼稻9311，在大田生长条件下，比较分析它们对于提高水稻光合碳同化效率进而对产量性状的影响是本课题的主要研究内容。. 为全面和详细地研究此课题，本项目组设计了详细而周密的实验方案，主要有两基因组合Ictb-FBP/SBPase，CcaA-FBP/SBPase和Ictb-CcaA；单基因Ictb，CcaA，FBP/SBPase；空载体转化株系以及野生型株系。本研究的目的是希望在大田种植条件下比较分析上述组合的光合生理表现，以找到最佳转基因的两两组合，实现大田自然条件下光合效率和产量性状的改良。结果表明，相对于野生型和空载体株系而言，在Ictb-FBP/SBPase 组合中，双基因、单基因过表达株系的主要光合生理指标都有显著提高，其中过表达FBP/SBPase的效应好于Ictb，同时各个转基因组合的叶片解剖结构都没有出现显著变化，且 ICTB 蛋白定位于细胞质中，而FBP/SBPase在信号肽的引导下成功地定位到了叶绿体中，两者在功能上协同促进了光合效率的提高，表现出加性效应。产量性状指标表明单株籽粒数、粒重没有明显差异，而分蘖数、株高则有显著增长。而在CcaA-FBP/SBPase 的组合中，蛋白CcaA 定位于细胞质，主要协助FBP/SBPase促进光合效率的提高，起辅助转运CO2的作用，且受到FBP/SBPase促进卡尔文循环对碳需求增加的调节。但产量性状未见显著改善，株高只在CcaA-FBP/SBPase和FBP/SBPase 表达中有显著增长。Ictb-CcaA 组合的实验已经全部做完，但是数据还没有分析，预计2017年内可以分析整理，撰文发表。. 由目前的研究结果可以看出，在高效的超级Rubisco酶还没有创造出来的前提下，水稻必须在CO2转运和同化两个过程之一或者同时得到加强，才能够促进细胞内整体光合效率的提高。本结果为今后研究光合作用对于产量性状的效应，以及多基因对于改良某个代谢通路或者物质运输途径的加性效应提供了参考。