水通道蛋白调控水稻二氧化碳运输的机制研究

CO2 is the major green house gas in the atmosphere. Improving CO2 uptake in plant photosynthesis can help to increase crop yield, and decrease the atmosphere CO2 concentration. Aquaporin PIP1 is the CO2 transport facilitator in humans, however, the function of its homolog in plant is not clear. We recently found that knockdown of PIP1;2 by RNAi significantly decreased mesophyll conductance of rice plants during the photosynthesis, indicating that PIP1;2 might have interfered with CO2 transport in the leaf of rice plants. This project is therefore aimed at elucidating the fuction of rice PIP1;2.We plan to express genes of PIP1 family in yeast cells and test the CO2 transport abiligy by micro pH electrode and stop flow photometer. The homozygous PIP1;2 RNAi lines will be identified to compare their total amount of the uptake of isotope 14CO2, with that of the wild type. Further, overexpression rice lines of PIP1;2 will be built to test the feasibility of using PIP1;2 to improve CO2 utilization efficiency. This project is important not only in theory but also in agricultural practice. Moreover, the project is also helpful to decrease green house gas emission and reduce the risk of global warming.

大气中CO2浓度升高是造成气候变暖的主要原因，如何提高植物对CO2的吸收与利用，不仅对降低大气中CO2含量具有重要的意义，同时对促进光合作用，提高作物产量也具有重要的理论研究价值。水通道PIP1家族蛋白对人体内CO2运输具有重要作用，但在植物中发掘得很少。我们前期研究发现，水稻PIP1;2基因沉默后，光合作用过程中的叶肉导度明显降低，提示了该蛋白对水稻叶片中CO2的运输可能具有重要的影响。因此本项目拟利用酵母异源表达系统，分析PIP1家族蛋白对CO2运输的能力。筛选PIP1;2基因沉默的单拷贝纯合体植株，用同位素标记的14CO2示踪方法来比较它与野生型在CO2吸收途径与吸收量的差别，以明确其具体的生理作用。在此基础上，建立该基因过表达植株，进一步验证其在促进水稻CO2吸收中的效果。本项目对于农业生产中促进光合作用提高作物产量以及在宏观尺度上减少大气中CO2均具有重要的理论研究与应用价值。

本项目通过对水稻叶片中一个运输CO2的水通道蛋白的研究，达到了促进水稻自身增强叶片中二氧化碳运输，提高光合作用，并最终提高作物产量的目的，这对于将来利用植物来固定大气中过多的二氧化碳同样具有重要的意义。因此，本项目的研究结果具有重要的应用前景。.我们的研究在世界上首次从农作物水稻中筛选并证实了OsPIP1;2具有运输二氧化碳的功能。在本项目中我们分析了日本晴水稻的OsPIP1;2的功能，构建了该基因超表达及沉默株系，筛选了T-DNA插入的ospip1;2冬粳的突变体。在此基础上，我们测定了各个株系的生理指标，并通过田间试验对产量进行验证。结果如下：.1、通过生物信息学分析，OsPIP1;2定位于4号染色体，由三个外显子和两个内含子组成，开放阅读框全长867 bp，编码289个氨基酸。.2、启动子融合GUS报告基因结果表明，OsPIP1;2在叶片表皮、叶肉细胞、韧皮部、根表皮、侧根、中柱细胞、花药和胚中都有表达。OsPIP1;2在水稻原生质体的细胞膜及叶绿体均有定位，在水稻苗期及成熟期的各个器官均有表达，在叶片中表达最高。.3、OsPIP1;2超表达水稻与野生型、突变体相比，叶片气孔大小、密度没有差异，但是，超表达株系净光合速率、叶绿体CO2浓度、气孔导度及叶肉导度显著高于野生型，突变体显著低于野生型。超表达株系叶片Rubisco酶相关基因及酶活性显著高于野生型，突变体低于野生型。.4、田间试验结果表明，在水稻生长的扬花期、灌浆中期及灌浆末期，OsPIP1;2超表达水稻叶片净光合速率均高于野生型水稻，同时超表达水稻植株体内总碳、总氮积累量也显著高于野生型。OsPIP1;2超表达水稻有效穗数及穂粒数均显著增加，产量显著高于野生型。.综上所述，水稻水通道蛋白OsPIP1;2具有调控水稻叶片二氧化碳运输的功能，因此超表达该基因可以通过促进水稻叶片二氧化碳运输，提高叶绿体CO2浓度，增强水稻光合速率，并促进光合产物向根系转运提高水稻根系生长，从而吸收更多的土壤养分，最终提高水稻产量。