水稻剑叶叶绿体光能转化与碳同化协调运转的研究

In order to increase the accumulation of photosynthetic production and improve the yield of hybrid rice, it is of particular importance to study the mechanism and influential factors involved in flag leaves senescence progress of hybrid rice. The research group for this project has been studying the characteristics of hybrid rice for years. We choose Liangyoupeijiu as experimental materials, and focus on the characteristic changes between light energy conversion (primary reaction and assimilatory power formation) and carbon assimilation coordination of chloroplast during flag leaf senescence. In order to find the key factors that affect the senescence, we analyze the components and characteristic changes of photosynthesis-associated protein complexes, such as light harvesting complex, ATP synthase and RuBisCO, and provide a dynamic investigation of the environmental factors which may influence the chloroplast protein activity. We attempt to discuss the mechanism of chloroplast senescence based on aspects from light energy conversion efficiency, biochemical and metabolic physiology, gene expression, chloroplast protein function and composition, and to evaluate the intrinsic character of flag leaf senescence and provide a theoretical and experimental basis for the high yield of hybrid rice.

明确杂交水稻功能叶衰老过程，探索其衰老机制及影响因子，对于延长叶片光合功能期，增加光合产物的积累，提高杂交水稻的产量具有重要意义。申请项目在课题组长期对杂交水稻功能叶片光合生理生态特性研究的基础上，选用培育基地栽培的高产杂交水稻品种"两优培九"为实验材料，着眼于剑叶衰老过程中叶绿体光能转化（原初反应、同化力形成）和碳同化的协调运转，利用对模式植物光合作用研究所获得的成果，围绕剑叶衰老过程中叶绿体关键功能蛋白复合物（LHCⅡ，ATP合酶和RuBisCO）的组分及功能特性的变化，并对可能影响功能蛋白复合物特性变化的环境因子进行动态性的实验检测和分析，试图从光能转化效率、光合代谢生理、叶绿体蛋白功能及组分、基因表达等不同层次，探讨杂交水稻剑叶衰老过程中叶绿体光能转化和碳同化协调运转的机制和规律，为适时调控杂交水稻功能叶片衰老过程提供理论和实验依据。

本项目聚焦高产杂交水稻品种“两优培九”在衰老过程中剑叶叶绿体结构和功能的变化，研究剑叶叶绿体光能吸收、转化、传递的动态过程，分析剑叶衰老过程中类囊体膜蛋白复合物（PSII core、PSI core、LHCI、Cytb6/f、LHCII、ATPase和RuBisCO复合物）的组分及功能特性的变化，从光能转化效率、光合代谢生理、类囊体膜蛋白功能及组分、基因表达等不同层次，探讨杂交水稻剑叶衰老过程中叶绿体光能转化和碳同化协调运转的机制和规律，以揭示叶片衰老的本质，为适时调控杂交水稻功能叶片衰老过程提供理论和实验依据。.本项目通过利用生物化学和分子生物学手段对“两优培九”衰老进程中剑叶中脉和叶肉细胞光合系统的特性进行全面的比较，通过分析叶脉和叶片在光合代谢、叶绿体超微结构、叶绿素荧光动态监测以及类囊体膜蛋白组分和含量的差异，发现水稻叶中脉里存在类似C4途径光合作用，进一步揭示中脉和叶肉细胞的光合异质性和衰老异步性。本项目选择高光、干旱、UV-B辐射等环境限制因子进行动态性实验检测和分析，探讨环境因子限制下剑叶类囊体膜蛋白复合物动态变化的过程，以及碳同化阶段关键酶的含量与活力的变化规律，试图从能量代谢、细胞功能和基因表达等水平上明确高光、干旱、UV-B辐射胁迫下类囊体膜蛋白复合物的动态变化过程与PSI和PSII两个光系统之间光能分配的关系，探究环境因子限制下剑叶叶绿体光能转化和碳同化动态衔接和协调运转规律，这将对研究杂交水稻光能资源高效利用的分子机理，为杂交水稻高产、特别是在逆境下的生长调控提供理论基础。