小麦近等基因系光合速率差异的生理基础及分子机制研究

Wheat is the most wildely grown of any crop and an essential component of the global food security mosaic,providing one-fifth of the total calories of the world's population.Photosynthetic capacity and efficiency are bottlenecks to raising productivity and there is strong evidence that increasing photosynthesis will increase crop yields,even small increases in the rate of net photosyntheis can translate into large increase in biomass and hence yield.Increasing photosyntheis is a curial strategy to icrease wheat yields.On the bases of our research work on wheat photosynthesis,in this study we will use the Near-Isogenic Lines(NILs) of wheat with significant difference in net photosynthetic rate,which we have obtained already,to explore the physiological and molecular mechanisms of this difference.Using microscopic and electronic microscopic analysis,we will compare the leaf anatomical structure and chloroplast ultrastructure of NILs;We will compare the characteristics of NILs on photosynthesis,photochemical activity of photosystem II,the activities of key enzymes of carbon reaction,and the expression of these enzymes.Meanwhile,we will study the photoprotection mechanisms,which associated with photosynthetic efficiency,such as ROS metabolism,D1 protein turnover and xanthophyll cycle between NILs. DNA microarry and real-time PCR analysis will be used to compare the differentially expressed genes related to photosynthesis.On the base of DNA microarry,RT-PCR analysis and the functional analysis of the differential expressed genes,we will select these genes for further study to identify their fuction in transgenic plants.Overall this study will explore the physiological and moleculal mechanisms on the significant differerces of photosynthesis between NILs of wheat,and the results will reveal the curial factors and the genes to regulate photosynthetic rate.Meanwhile,these results will provide some basis of strategies to increase photosynthesis in order to increase wheat yields.

提高小麦的光合作用是增加小麦产量的重要策略和途径。光合速率是小麦光合作用的重要指标和产量形成的组成部分。本项目拟在前期工作基础上，利用已经获得的光合速率具有显著差异的小麦近等基因系，通过显微和电镜技术研究叶片结构和叶绿体超微结构的差异；通过光合和叶绿素荧光测定分析、酶学测定及HPLC分析，从光能的吸收、传递、碳同化关键酶活性以及活性氧清除和叶黄素循环等光保护机制等方面比较小麦近等基因系光合速率差异的生理基础。利用基因芯片技术，通过芯片杂交、表达验证、功能分析揭示影响小麦近等基因系光合速率的关键基因。并在基因功能分析的基础上，确定调控小麦光合速率的候选基因，设计功能基因标记，为高光效小麦分子标记辅助选择提供基础。该研究将阐明小麦近等基因系光合速率差异的生理基础和分子机制，明确调控小麦光合速率的关键节点及关键基因。研究结果将为提高小麦光合速率进而进一步提高产量的遗传改良和基因工程提供理论依。

提高小麦的光合作用是增加小麦产量的重要策略和途径。光合速率是小麦光合作用的重要指标和产量形成的组成部分。本项目利用已经获得的光合速率具有显著差异的小麦近等基因系，研究了不同近等基因系叶片结构和叶绿体超微结构的差异，从光能的吸收、传递、碳同化关键酶活性以及活性氧清除系统等光保护机制等方面比较了小麦近等基因系光合速率差异的生理和分子基础。该研究初步阐明了小麦近等基因系光合速率差异的生理基础和分子机制，为提高小麦光合速率进而提高产量的遗传改良和基因工程提供了一定的理论依据。 .  研究结果表明：（1）光合速率不同的小麦近等基因系旗叶气孔、叶肉细胞形态以及叶绿体超微结构没有显著的差异，但高光合速率品系旗叶叶肉细胞中含有较多的高环数叶肉细胞。（2）在幼苗期，高光合速率小麦品系具有较高的光合放氧速率和希尔反应活力。（3）孕穗期到开花期各小麦品系旗叶净光合速率呈上升趋势，花后16天左右，旗叶光合速率达到最大值，然后开始下降。高光合速率品系在各个时期均高于低光合速率品系。近等基因系小麦叶片的最大光化学效率（Fv/Fm）没有明显的差异，但实际光化学效率（ФPSII）的变化则表现出与光合速率相同的趋势。（4）开花灌浆期，小麦旗叶中卡尔文循环关键酶（如Rubisco、Aldolase、GAPDH、sFBPase）和蔗糖合成关键酶（cFBPase、SPS）活性的变化趋势与光合速率变化趋势基本一致，高光合速率品系叶片具有较高的Rubisco，GAPDH和SPS活性。（5）蔗糖淀粉代谢相关关键酶活性、代谢物含量的测定结果表明，高光合速率品系具有较高的旗叶SPS活性、籽粒SS活性和AGPase活性以及高的旗叶蔗糖含量、籽粒蔗糖和淀粉含量，这有利于高光合速率品系光合产物能及时有效地从叶片运输到籽粒中，并在籽粒中及时转化为淀粉，从而减缓了可能存在的终产物代谢对叶片光合作用的反馈抑制作用。（6）高光合速率小麦品系叶片具有较高的Asa-Glu循环关键酶及抗氧化酶（SOD、CAT、POD、APX）活性，表现出较强的活性氧清除能力，能及时清除体内产生的活性氧，减少活性氧对光合机构的破坏。(7) 通过基因芯片的初步分析，能够找到一些差异相关基因，特别是与光合作用相关的基因，如碳代谢、天线蛋白、淀粉与糖代谢途径有关基因等，具体数据和结果有待进一步挖掘和分析。