水稻光合CO2浓缩机制的创建及其对光合效率的影响研究

In this project, we aim to construct the photosynthetic CO2 concentrating mechanism (CCM) in rice plants through increasing the ambient CO2 concentration surrounding Rubisco by releasing the photorespiratory CO2 within the chloroplast. The metabolic engineering will be carried out by using both multigene transformation (integrated into nuclear genome) and multigene plastid transformation (integrated into chloroplast genome) approaches to bypass the photorespiratory glycolate into CO2 in different ways, i. e. glycolate to glyoxylate to oxalate to CO2; glycolate to glyoxylate to tartronate semialdehyde to glycerate+CO2. Based on the related literature and our own pioneering investigations, this engineering would be able to improve photosynthetic efficiency meanwhile lowering CO2 loss in plants, and then to in-depth understand the relationship between photosynthetic efficiency and crop yield formation and its mechanism, and also hopefully, to increase stress resistance of rice (drought, heat and high light, etc.). Therefore, this study is of both academic and practical significance in terms of understanding the mechanism of high photosynthetic efficiency, its relations to crop yield formation, and even of manipulating carbon emissions in the atmosphere.

采用多基因转化技术（整合至核基因组）和多基因质体转化技术（整合至叶绿体基因组），并以不同的代谢改造方式（乙醇酸 至 乙醛酸 至 草酸 至 CO2；乙醇酸 至 乙醛酸 至 羟基丙酮酸半醛 至 甘油酸 + CO2），在水稻叶绿体中分流光呼吸乙醇酸并释放CO2于其中，以此提高Rubisco周围的CO2浓度、创建水稻光合CO2浓缩机制（CCM）。依据相关报道与本课题组的前期研究基础，可望由此一方面提高植物光合效率并减少CO2释放，另一方面可望深入阐明光合效率与水稻产量形成的关系及其机理，还可能由此改善植物的抗逆能力（干旱、高温、高光等）。因此，本项目研究对深入阐明高光效机理、对作物生产、甚至对减少大气碳排放均具有深远意义。

正常环境条件下，C3植物光呼吸可消耗其光合产物的25-30%，而高温、干旱、高光等逆境条件下这种损耗会更为严重。本研究采用多基因转化技术，将多个与光呼吸相关的酶导入水稻叶绿体中从而创建一条光呼吸代谢支路，使水稻光呼吸产生的部分乙醇酸直接在叶绿体中代谢并释放出CO2，以此提高Rubisco周围的CO2浓度，创建一种新的光合CO2浓缩机制（CCMs），以期提高光合速率并降低光呼吸损耗，最终获得高光效水稻工程植株，主要研究结果如下：. 1.参考以往报道并结合本实验室长期光呼吸研究成果，设计了一条新的光呼吸代谢改造支路GOC支路，即将OsGLO3（水稻乙醇酸氧化酶3）、OsOXO3（水稻草酸氧化酶3）和OsCAT2（水稻过氧化氢酶2）三个酶引入水稻叶绿体中，使水稻光呼吸产生的部分乙醇酸直接在叶绿体内被催化为草酸并最终分解为CO2，从而形成CO2浓缩机制，而由该支路产生的H2O2则被OsCAT2分解，防止对植物造成毒害。利用多基因表达技术，成功获得了能够同时在水稻叶绿体中协同表达三个目的基因的转基因纯合子植株。大田种植分析表明，相对于野生型，GOC植株的净光合速率、叶绿素含量、叶片总氮含量显著提高，同时有效分蘖数、剑叶宽、地上部分生物量、穗长、穗粒数显著增加。. 2.发现在rCTP介导的叶绿体定位中，无论是对外源蛋白还是rbcS蛋白本身，其N端非折叠区的长度均影响其叶绿体定位，当这一长度少于20个左右的氨基酸时，叶绿体定位效率会下降。根据这一发现，对rCTP进行了改造，改造后的信号肽RC2能将外源蛋白高效的定位进水稻叶绿体并最终完全被切除。. 3. 成功筛选得到了3个水稻叶肉细胞光诱导启动子（Prbcs、Prca和Pcab）和3个水稻干旱诱导启动子（pOshox24、pRab21和pOsLEA3-1），可用于更加有针对性的对光呼吸进行代谢工程改造。