1、分 子 植 物 育 种 , 2 0 0 5 年 , 第 3 卷 , 第 4 期 , 第 5 5 0 - 5 5 6 页M o l e c u l a r P l a n t B r e e d i n g , 2 0 0 5 , V o l . 3 , N o . 4 , 5 5 0 - 5 5 6专 题 介 绍R E V I E W转 C4光 合 基 因 水 稻 及 其 在 育 种 中 的 应 用李 霞*焦 德 茂江 苏 省 农 业 科 学 院 农 业 生 物 遗 传 生 理 研 究 所 , 南 京 , 2 1 0 0 1 4* 通 讯 作 者 , j s p p l x j a a s .
2、 a c . c n按 光 合 作 用 途 径 可 将 植 物 分 为 C3植 物 、 C4植 物 和 C A M 植 物 , 由 于 C4植 物 在 高 光 强 、 高 温 和 高氧 分 压 的 条 件 下 , 比 C3植 物 具 有 较 高 的 光 合 效 率 , 作 物 生 理 和 育 种 学 家 就 试 图 用 C4光 合 途 径 改 造 C3作物 , 以 提 高 主 要 农 作 物 如 稻 、 麦 和 大 豆 等 光 合 生 产 力 , 但 通 过 常 规 杂 交 的 方 法 难 以 奏 效 。 近 年 来 , 随 着 分 子生 物 学 的 兴 起 和 植 物 转 基 因 技 术 的
3、 快 速 发 展 , 许 多 与 C4光 合 作 用 途 径 相 关 的 关 键 酶 P E P C 、 N A D P - 苹 果酸 ( N A D P - M E ) 和 P P D K 等 一 系 列 基 因 已 从 玉 米 、 高 粱 和 苋 菜 等 C4植 物 中 被 克 隆 , 对 这 些 基 因 启 动 子 序 列分 离 、 重 组 、 转 化 及 表 达 的 研 究 , 发 现 它 们 可 以 在 C3植 物 中 驱 动 外 源 基 因 并 进 行 组 织 特 异 性 表 达 , 而 且 一系 列 C4型 光 合 基 因 导 入 C3植 物 的 成 功 报 道 。 特 别 是
4、获 得 高 表 达 的 转 C4光 合 基 因 水 稻 , 表 现 光 合 能 力 和种 子 产 量 显 著 提 高 , 而 且 在 光 逆 境 的 条 件 下 , 超 氧 化 物 歧 化 酶 ( S O D ) 和 过 氧 化 物 酶 ( P O D ) 的 活 性 提 高 , 从 而有 效 地 清 除 活 性 氧 分 子 , 表 现 耐 光 抑 制 ( 氧 化 ) 等 。 目 前 利 用 转 C4光 合 基 因 水 稻 的 育 种 研 究 也 取 得 了 重 要进 展 , 培 育 出 携 带 C4光 合 基 因 的 高 光 效 水 稻 株 系 , 在 遗 传 上 证 明 了 常 规 育 种
5、 和 生 物 技 术 结 合 可 以 将 转 C4光 合 基 因 水 稻 中 高 表 达 的 C4光 合 基 因 遗 传 给 后 代 , 获 得 高 光 效 的 超 级 稻 , 最 后 提 出 了 本 研 究 中 尚 需 深 入研 究 的 问 题 。C4光 合 基 因 , 光 合 作 用 , 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 羧 化 酶 , 水 稻 , 育 种T r a n s g e n i c R i c e O v e r e x p r e s s i n g C4P h o t o s y n t h e t i c G e n e s a n d T h e i r A p p l
6、i -c a t i o n i n B r e e d i n gL i X i a*J i a o D e m a oI n s t i t u t e o f A g r o b i o l o g i c a l G e n e t i c s a n d P h y s i o l o g y , J i a n g s u A c a d e m y o f A g r i c u l t u r a l S c i e n c e s , N a n j i n g , 2 1 0 0 1 4* C o r r e s p o n d i n g a u t h o r , j
7、s p p l x j a a s . a c . c nA c c o r d i n g t o p h o t o s y n t h e t i c p a t h w a y s , p l a n t s c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e t y p e s s u c h a s C3p l a n t , C4p l a n t a n d C A M p l a n t . D u e t o t h e C O2c o n c e n t r a t i o n m e c h a n i s m , C4p l a n t
8、 s e x h i b i t e d h i g h e r p h o t o s y n t h e t i c e f f i -c i e n c y t h a n C3p l a n t u n d e r t h e c o n d i t i o n o f h i g h l i g h t i n t e n s i t y , h i g h t e m p e r a t u r e a n d h i g h o x y g e n p a r t i a l p r e s s u r ec o n d i t i o n s . C r o p p h y s
9、 i o l o g i s t a n d b r e e d e r t r y t o e n h a n c e C4p h o t o s y n t h e t i c c a p a b i l i t y i n C3p l a n t s s u c h a s r i c e ,w h e a t a n d s o y b e a n t o i n c r e a s e t h e p h o t o s y n t h e t i c p r o d u c t i v i t y . B u t t h e c o n v e n t i o n a l h y
10、b r i d i z a t i o n i n t h e s a m ef a m i l y s u c h a s t h a t b e t w e e n C4p l a n t ( m a i z e ) a n d C3p l a n t ( r i c e ) c a n s t i l l n o t b r i n g i n t o e f f e c t . I n r e c e n t y e a r s , w i t ht h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f m o l e c u l a r b i o l o
11、g y a n d t r a n s g e n i c t e c h n o l o g y , m a n y g e n e s e n c o d i n g k e y C4p h o t o s y n -t h e s i s e n z y m e s d e r i v e d f r o m m a i z e , s o r g h u m a n d a m a r a n t h , w e r e i s o l a t e d , c l o n e d , r e c o m b i n e d a n d e x p r e s s e d .T h e
12、s e a r e p h o s p h o e n o l p y r u v a t e c a r b o x y l a s e ( P E P C ) , p r i v a t e o r t h o p h o s p h a t e d i k i n a s e ( P P D K ) , a n d N A D P - m a l i ce n z y m e ( N A D P - M E ) . T h e r e s e a r c h o n t h e p r o m o t e r o f t h e s e g e n e s s h o w e d t h
13、 a t t h e y c a n p r o m o t e f o r e i g n g e n ee x p r e s s i n g a t s p e c i a l t i s s u e s o f C3p l a n t . F u r t h e r m o r e , m a n y t r a n s g e n i c r i c e p l a n t s o v e r e x p r e s s i n g C4p h o t o s y n -t h e t i c g e n e s h a v e o b t a i n e d s u c c e s
14、 s f u l l y . I n p e c u l i a r , P E P C t r a n s g e n i c r i c e e x h i b i t e d a h i g h e r p h o t o s y n t h e t i c c a p a -b i l i t y a n d g r a i n y i e l d o f a p l a n t . U n d e r p h o t o - s t r e s s c o n d i t i o n s , t h e a c t i v i t y o f S O D a n d P O D i
15、n P E P C t r a n s g e n i cr i c e p l a n t s a l s o e n h a n c e d , w h i c h i s b e n e f i c i a l t o g e t r i d t o t h e a c t i v e o x y g e n s p e c i e s a n d e x h i b i t i n g t o l e r a n c e t op h o t o i n h i b i t i o n ( p h o t o o x i d a t i o n ) . A t p r e s e n
16、t , t h e r e w a s i m p o r t a n t p r o g r e s s i n t h e a p p l i c a t i o n o n C4t r a n s g e n i c r i c ei n b r e e d i n g . S o m e r i c e l i n e s w i t h h i g h e f f i c i e n c y d e r i v e d f r o m C4p h o t o s y n t h e s i s g e n e t r a n s g e n i c r i c e p l a n t
17、 s h a v eb e e n o b t a i n e d . T h e r e s e a r c h a l s o p r o v e d i n g e n e t i c s t h a t t r a n s g e n i c r i c e p l a n t s o v e r e x p r e s s i n g C4p h o t o s y n t h e s i sg e n e s c a n t r a n s f e r t o i t s g e n e r a t i o n w i t h h i g h e f f i c i e n c y
18、 a n d h i g h g r a i n y i e l d b y c o m b i n a t i o n c o n v e n t i o n b r e e d i n ga n d b i o t e c h n o l o g y . A t l a s t , t h e p r o b l e m s n e e d t o b e s t u d i e d w e r e a l s o p u t f o r w a r d t o .C4p h o t o s y n t h e t i c g e n e s , P h o t o s y n t h e
19、 s i s , P E P C , R i c e , B r e e d i n g随 着 我 国 人 口 的 不 断 增 长 以 及 土 地 资 源 的 不断 减 少 , 稻 谷 生 产 正 面 临 巨 大 的 挑 战 , 其 中 包 括 单产 增 长 率 下 降 、 自 然 资 源 消 耗 殆 尽 、 劳 动 力 短 缺 、 性别 问 题 、 机 构 限 制 和 环 境 污 染 。 稻 米 作 为 我 国 一 半以 上 人 口 的 主 食 , 只 有 进 一 步 提 高 稻 谷 生 产 系 统 的可 持 续 性 和 生 产 效 率 , 并 同 时 保 护 和 养 护 环 境 , 才能
20、保 持 和 谐 社 会 。常 规 育 种 !生 理 育 种 !生 物 技 术 育 种 是 水 稻育 种 的 发 展 趋 势 , 其 中 高 光 效 生 理 育 种 是 我 们 当 代植 物 生 理 和 育 种 工 作 者 共 同 关 注 的 问 题 ( A u s t i n e ta l . , 1 9 8 4 ) 。 2 0 世 纪 6 0 年 代 , 作 物 育 种 的 第 1 次 绿 色革 命 : 株 型 育 种 , 由 于 矮 杆 化 和 叶 片 直 立 , 减 少 了 群体 消 光 系 数 从 而 提 高 作 物 群 体 光 能 利 用 率 , 使 作 物产 量 大 幅 度 提 高
21、 。 2 0 世 纪 7 0 年 代 , 在 株 型 育 种 的 基础 上 , 通 过 杂 种 优 势 的 利 用 , 增 大 群 体 最 适 叶 面 积指 数 和 群 体 光 合 能 力 , 因 而 使 产 量 进 一 步 提 高 ( 焦 德茂 , 1 9 9 3 , 水 稻 文 摘 , 1 2 ( 4 ) : 1 - 4 ) 。 但 近 年 来 , 水 稻 品 种增 产 幅 度 不 大 , 加 之 近 年 来 , 自 然 灾 害 如 涝 、 干 旱 和高 低 温 等 逆 境 , 耕 地 资 源 的 不 断 侵 占 , 使 水 稻 的 总产 量 下 降 , 可 见 , 今 后 水 稻 育 种
22、 仍 要 在 优 质 的 基 础上 , 必 须 继 续 通 过 育 种 思 路 、 育 种 资 源 和 技 术 途 径的 新 突 破 , 进 一 步 提 高 单 产 , 才 能 保 证 我 国 粮 食 安全 ( 闵 绍 楷 等 , 1 9 9 9 ) 。1 C3、 C4和 C A M 植 物高 等 植 物 根 据 其 光 合 作 用 中 C O2的 同 化 途 径可 分 类 为 C3植 物 、 C4植 物 和 C A M 植 物 。 C3植 物C O2最 初 受 体 为 核 酮 糖 - 1 , 5 - 二 磷 酸 , 最 初 固 定 产物 为 3 - 磷 酸 甘 油 酸 , C4和 C A M
23、 植 物 C O2最 初 受体 为 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 ( P E P ) , 最 初 固 定 产 物 为 草 酰乙 酸 ( O A A ) 。 催 化 C3植 物 C O2同 化 途 径 最 初 反 应 的酶 为 核 酮 糖 1 , 5 - 二 磷 酸 羧 化 加 氧 酶 ( R u b i s s c o ) , 该酶 既 可 以 结 合 O2, 又 可 以 结 合 C O2, 当 它 与 O2结 合时 , 催 化 核 酮 糖 - 1 , 5 - 二 磷 酸 和 氧 形 成 1 分 子 3 - 磷酸 甘 油 酸 和 1 分 子 2 - 磷 酸 乙 醇 酸 , 消 耗 了 C O
24、2同化 的 最 初 反 应 受 体 , 使 C O2同 化 的 碳 水 化 合 物 被 氧化 , 固 定 的 能 量 重 新 被 释 放 。 R u b i s s c o 催 化 反 应 的 双重 性 以 及 对 C O2的 Km高 达 4 5 0 !m o l / L , 是 C3植 物低 光 合 效 率 的 重 要 原 因 。 而 C4与 C A M 植 物 C O2同化 途 径 最 初 反 应 的 酶 为 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 羧 化 酶( p h o s p h o e n o l p y r u v a t e c a r o x y l a s e , P E P C
25、) , 该 酶 对 C O2的 结 合 力 非 常 强 , 它 对 C O2的 Km仅 为 7 “m o l / L , 而且 P E P C 和 丙 酮 酸 焦 磷 酸 二 激 酶 ( p y r y v a t e o r -t h o p h o s p h o d i k i n a s e , P P D K ) 等 一 类 高 效 特 异 性 表 达的 酶 类 , 其 活 性 也 不 受 大 气 中 O2浓 度 的 影 响 , 从 而使 C4与 C A M 植 物 即 使 在 较 低 C O2浓 度 下 也 能 进行 高 效 率 的 光 合 作 用 ( 潘 瑞 帜 和 董 愚 得
26、, 1 9 9 3 , 植 物生 理 学 , 第 二 版 , p p . 1 0 2 - 1 0 3 ) 。1 . 1 传 统 的 增 强 C3植 物 C4光 合 特 性 的 研 究目 前 人 类 重 要 的 粮 食 作 物 如 水 稻 和 小 麦 等 均为 C3植 物 , 较 低 的 光 合 作 用 效 率 成 为 限 制 其 单 株 生物 学 产 量 进 一 步 提 高 的 主 要 内 在 因 素 。 由 于 C4植 物具 有 光 合 效 率 高 、 C O2补 偿 点 低 、 几 乎 没 有 光 呼 吸 等优 点 , 特 别 在 强 光 、 高 温 、 干 旱 等 条 件 下 , C4植
27、 物 具有 明 显 的 生 长 优 势 及 水 分 和 营 养 利 用 率 , 生 物 学 产量 也 较 高 ( B r o w n e t a l . , 1 9 8 6 ) 。 因 此 , 从 1 9 6 6 年 澳 大利 亚 学 者 H a t c h - S l a c k 发 现 C4光 合 途 径 开 始 , 作 物生 理 和 育 种 学 家 就 试 图 用 C4光 合 途 径 改 造 C 3 作物 , 以 提 高 主 要 农 作 物 如 稻 、 麦 和 大 豆 等 光 合 生 产力 ( H a t c h , 1 9 8 7 ; A o y a k i a n d B a s s
28、 h a m , 1 9 8 6 ) 。 其 间 也有 不 少 有 益 的 尝 试 如 : !“#$%F u k a y a m a e t a l . , 2 0 0 0 ) 。 张 方 等 人 ( 2 0 0 3 , 科 学 通 报 ,4 8 ( 1 4 ) : 1 5 4 2 - 1 5 4 7 ) 报 道 了 高 粱 的 C4型 !“!# 基 因 也可 在 水 稻 中 实 现 有 效 的 表 达 。 陈 绪 清 等 ( 2 0 0 4 , 科 学通 报 , 4 9 ( 1 9 ) : 1 9 7 6 - 1 9 8 2 ) 又 成 功 地 将 玉 米 C4型 !“!#基 因 在 小 麦
29、 中 实 现 有 效 表 达 。 这 些 C4光 合 基 因 成 功导 入 C3植 物 研 究 , 使 通 过 分 子 育 种 途 径 改 善 C3作物 光 合 作 用 以 提 高 其 光 合 效 率 成 为 可 能 。1 . 3 转 C4光 合 基 因 作 物 的 生 物 学 特 性值 得 注 意 的 是 , K u 等 ( 1 9 9 9 ; 2 0 0 0 ) 获 得 转 玉 米!“!# 基 因 水 稻 的 P E P C 活 性 高 达 原 种 的 4 4 8 1 倍 ,是 C4植 物 玉 米 P E P C 活 性 的 2 3 倍 , 氧 抑 光 合 也 下降 了 2 0 % , 种
30、 子 产 量 比 原 种 提 高 1 0 % 1 2 % , 转 玉 米C4型 !% 基 因 水 稻 产 量 增 加 3 5 % , 这 些 均 展 示 了通 过 增 强 水 稻 的 C4光 合 特 性 增 加 光 合 效 率 以 提 高水 稻 产 量 的 端 倪 。1 . 3 . 1 转 C4光 合 基 因 水 稻 的 光 合 生 理 特 性为 什 么 仅 导 入 1 个 C4光 合 关 键 酶 P E P C 的 基因 , 就 引 起 水 稻 的 光 合 效 率 的 提 高 ? 对 于 C4光 合 基因 导 入 植 物 后 引 起 的 生 物 学 效 应 一 直 存 在 争 议 。 不少
31、学 者 继 续 重 点 对 转 玉 米 !“!# 基 因 植 株 光 合 生 理机 制 进 行 了 研 究 : 日 本 学 者 F u k a y a m a 等 ( 2 0 0 0 ) 在 室内 中 等 光 强 下 测 定 未 见 转 !“!# 基 因 水 稻 植 株 光 合特 性 的 改 善 , 而 韩 国 和 智 利 的 学 者 发 现 在 紫 外 线 充足 的 高 光 强 高 温 的 条 件 下 , 转 !“!# 基 因 水 稻 植 株 也不 仅 仅 是 光 合 速 率 增 加 ( K u e t a l . , 2 0 0 0 ) 。 但 随 着 高表 达 的 转 玉 米 的 !“!
32、# 基 因 水 稻 的 稳 定 选 育 , 越 来 越多 的 研 究 结 果 证 实 了 高 表 达 转 玉 米 !“!# 基 因 水 稻具 有 高 光 效 特 性 ( J i a o e t a l . , 2 0 0 1 ; 焦 德 茂 等 , 2 0 0 1 ,科 学 通 报 , 4 6 ( 5 ) : 4 1 4 - 4 1 8 ; C h i e t a l . , 2 0 0 1 ) : 在 我 国夏 季 高 光 强 和 高 温 的 自 然 条 件 下 , J i a o 等 ( 2 0 0 1 ) 研究 了 转 玉 米 C4光 合 酶 P E P C 、 P P D K 、 N
33、A D P - M E 基因 水 稻 不 仅 外 源 C4光 合 基 因 在 水 稻 中 正 确 而 且 高效 的 表 达 , 转 N A D P - M E 、 !% 基 因 水 稻 的 M E 、P P D K 酶 活 性 比 原 种 高 5 倍 , 分 别 达 到 玉 米 的 5 0 %和 7 0 % ; 转 !“!# 基 因 水 稻 的 P E P C 活 性 比 原 种 水 稻的 提 高 了 2 0 倍 , 比 玉 米 的 活 性 高 。 转 C4光 合 酶 基 因水 稻 中 , 转 !%、 转 2 0 0 4 a ) 通 过 对 !“!#, !$% 和!“! C a s a t i
34、 e t a l . , 2 0 0 0 ) 。 转 C4光 合 基 因 水 稻 为 该 问 题 研 究 提 供 了 很 好 的 材 料 , 起初 转 P E P C 基 因 水 稻 植 株 气 孔 导 度 的 增 加 与 光 合 速率 的 增 加 相 一 致 , 认 为 是 C4基 因 的 高 表 达 的 导 致气 孔 导 度 增 加 , 进 而 提 高 其 光 合 速 率 ( K u e t a l . ,1 9 9 9 ; 陈 绪 清 等 , 科 学 通 报 , 4 9 ( 1 9 ) : 1 9 7 6 - 1 9 8 2 ) 。 但J i a o 等 ( 2 0 0 3 ) 进 一
35、步 的 研 究 发 现 , 光 合 速 率 的 提 高并 不 与 气 孔 导 度 的 增 加 相 关 , 用 !1 3C 测 定 转 !“!&基 因 水 稻 及 其 1 6 个 杂 种 后 代 材 料 , 其 “1 3C 在2 8 3 0 之 间 与 普 通 水 稻 ( 原 种 ) 2 9 . 4 0 接 近 , 而 与 玉 米1 2 . 7 6 相 差 较 远 , 参 照 C3、 C3- C4中 间 型 , C4的 数 值 ,说 明 转 !“!& 基 因 水 稻 仍 属 于 C3或 初 级 的 C3- C4中间 型 作 物 。 进 一 步 通 过1 4C 同 位 素 鉴 定 其 原 初 光
36、合产 物 , 发 现 转 !“!& 基 因 水 稻 中1 4C 较 多 地 分 配 到 天冬 氨 酸 中 , 表 明 玉 米 的 N A D P - M E 型 的 光 合 固 定 途径 并 未 整 合 到 转 !“!& 基 因 水 稻 中 ( 焦 德 茂 等 , 2 0 0 3 ,中 国 科 学 , 3 3 ( 1 ) : 3 3 - 3 9 ) , 通 过 测 定 水 稻 叶 内 与 光 合C4途 径 有 关 的 关 键 酶 如 P E P C 、 N A D P - M E 、N A D P - M D H 和 P P D K , 发 现 原 种 水 稻 叶 片 中 具 有 完整 的 C
37、4光 合 酶 体 系 ( H u a n g e t a l . , 2 0 0 2 ) , 暗 示 C3作物 水 稻 原 种 叶 内 具 有 一 个 有 限 的 、 低 速 的 C4循 环 。季 本 华 等 用 伺 喂 碳 四 二 羧 酸 如 O A A 、 M A 等 , 证 明了 水 稻 中 存 在 一 个 原 初 和 有 限 的 C4光 合 微 循 环 , C4基 因 的 导 入 大 幅 度 地 提 高 了 C4光 合 微 循 环 的 运 行( 季 本 华 等 , 2 0 0 4 ) 。 进 一 步 用 低 浓 度 的 N a H S O3( 浓 度为 1 2 m m o l / L
38、) 喷 施 转 C4光 合 基 因 水 稻 叶 片 , 可 以减 轻 转 C4光 合 基 因 水 稻 的 光 抑 制 伤 害 , 外 源 A T P的 供 应 , 还 可 进 一 步 提 高 转 C4光 合 基 因 水 稻 的 光 合能 力 ( J i e t a l . , 2 0 0 5 ) 。 转 !“!& 基 因 水 稻 在 高 光 强 下 表现 的 一 系 列 高 光 合 效 率 的 特 性 , 而 在 转 !$%, 4“ 基因 水 稻 中 则 效 果 不 明 显 , 说 明 在 C3水 稻 中 要 加 强C4循 环 , P E P C 是 限 速 酶 , 这 些 结 果 为 转 C
39、4光 合 基因 的 分 子 育 种 工 程 提 供 了 依 据 。2 外 源 C4光 合 基 因 在 转 基 因 水 稻 及 杂种 后 代 中 的 遗 传既 然 C4光 合 基 因 导 入 后 , 赋 予 了 水 稻 的 高 光 效特 性 , 那 么 这 种 高 表 达 特 性 和 高 光 合 特 性 能 否 遗传 , 如 何 遗 传 。 李 霞 等 ( 2 0 0 1 b ) 报 道 杂 交 1 代 的 转!“!& 基 因 水 稻 具 有 高 P E P C 活 性 和 光 合 速 率 的 植株 , 从 F1代 的 P E P C 酶 活 性 和 光 合 速 率 的 表 现 看 ,净 光 合
40、 速 率 和 P E P C 活 性 呈 正 相 关 , 一 方 面 证 明 可以 将 水 稻 叶 片 中 的 P E P C 活 性 作 为 鉴 定 高 光 效 水 稻的 主 要 生 理 指 标 , 同 时 证 明 通 过 杂 交 可 以 将 转 !“!&基 因 水 稻 的 高 光 效 特 性 传 递 到 杂 种 稻 的 不 育 系 和恢 复 系 中 去 , 并 通 过 对 这 些 材 料 世 代 跟 踪 研 究 显示 : 玉 米 !“!& 基 因 是 以 1 个 显 性 基 因 稳 定 传 递 给 后代 , 符 合 孟 德 尔 分 离 规 律 ; 玉 米 !“!& 基 因 在 杂 交 转育
41、 的 转 基 因 水 稻 中 的 表 达 水 平 与 受 体 亲 本 和 转 基因 拷 贝 数 有 关 , 来 源 相 同 的 世 代 间 有 相 似 的 表 达 水平 , 但 同 一 世 代 不 同 个 体 间 的 表 达 水 平 有 差 异 , 这可 能 与 其 位 置 效 应 、 拷 贝 数 和 环 境 条 件 有 关 ( 王 德 正等 , 2 0 0 4 b ) 。 王 德 正 等 ( 2 0 0 4 a ) 用 转 !“!&、 !$% 和!“!&+ !$% 的 转 基 因 材 料 分 别 与 不 育 系 杂 交 , 这 些5 5 3分 子 植 物 育 种M o l e c u l a
42、 r P l a n t B r e e d i n g基 因 在 新 的 遗 传 背 景 下 不 仅 稳 定 遗 传 和 高 水 平 表达 , 而 且 表 现 增 穗 增 产 。3 转 C4光 合 基 因 水 稻 的 遗 传 育 种 研 究基 础 研 究 的 新 发 现 , 必 然 导 致 技 术 上 的 革 新 。由 于 现 代 技 术 在 转 化 当 前 生 产 上 应 用 的 品 种 时 成功 率 比 较 低 , 导 致 原 始 的 转 P E P C 基 因 水 稻 的 农 艺性 状 存 在 不 足 , 生 态 适 应 性 较 差 , 如 在 南 京 地 区 种植 生 育 期 为 9
43、 0 d ( 李 霞 等 , 2 0 0 1 b ) , 在 合 肥 地 区 种 植生 育 期 不 足 6 0 d ( 王 德 正 等 , 2 0 0 4 b ) , 这 种 原 因 影 响了 转 基 因 材 料 不 能 直 接 应 用 , 李 霞 等 从 1 9 9 8 年 开始 通 过 杂 交 转 育 的 方 法 , 用 高 表 达 的 转 !“!# 基 因 水稻 作 父 本 , 与 水 稻 不 育 系 培 矮 6 4 S 、 恢 复 系 9 3 1 1 , 粳稻 9 5 1 6 进 行 杂 交 可 获 得 高 P E P C 活 性 和 高 光 合 效率 F1材 料 ( 李 霞 等 ,
44、2 0 0 1 a ) 。 与 此 同 时 , 为 了 提 高 育 种效 率 , 缩 短 选 育 周 期 , 进 一 步 选 择 株 型 良 好 , P E P C活 性 高 的 F1进 行 花 药 培 养 ( 高 东 迎 等 , 2 0 0 2 , 植 物 细胞 工 程 与 分 子 育 种 技 术 研 究 , p p . 3 2 9 - 3 3 4 ) 可 选 出 分孽 性 强 、 大 穗 重 粒 的 高 光 效 的 稳 定 株 系 , 并 解 析 了其 育 种 途 径 ( 李 霞 等 , 2 0 0 5 a ) 。 王 德 正 等 ( 2 0 0 2 ) 通 过 回交 在 合 肥 、 南
45、京 和 海 南 的 5 年 7 代 的 选 育 中 , 采 用抗 生 素 催 芽 初 筛 、 P C R 分 析 抽 检 、 P E P C 活 性 测 定 和田 间 表 型 观 测 的 转 玉 米 !“!# 基 因 水 稻 选 育 筛 选 体系 , 已 育 成 3 个 含 玉 米 !“!# 基 因 的 水 稻 新 株 系 , 通过 大 田 繁 殖 , 或 配 组 杂 交 , 将 很 快 形 成 品 系 ( 组 合 ) ,走 向 大 面 积 推 广 , 证 明 常 规 育 种 和 生 物 技 术 结 合 可以 将 转 P E P C 基 因 水 稻 中 高 表 达 的 P E P C 基 因
46、遗 传给 后 代 , 获 得 高 光 效 的 超 级 稻 。4 存 在 的 问 题 和 展 望总 之 , 转 C4光 合 基 因 水 稻 的 理 论 研 究 还 是 取 得很 多 有 益 的 进 展 , 给 植 物 光 合 途 径 提 供 了 一 些 新 线索 , 而 转 C4光 合 基 因 水 稻 在 育 种 上 的 应 用 , 给 我 们展 示 了 通 过 增 强 C4光 合 特 性 改 良 C3作 物 光 合 作 用以 提 高 产 量 的 远 大 前 景 , 为 超 高 产 水 稻 育 种 开 辟 了一 条 新 途 径 。 在 阐 明 了 C4基 因 的 导 入 可 增 强 水 稻 的光
47、 合 作 用 后 , 人 们 自 然 会 提 出 为 什 么 C4光 合 基 因 的高 表 达 能 够 增 产 ? 这 些 基 因 是 如 何 调 控 其 后 的 光 合产 物 的 运 输 和 子 粒 产 量 积 累 ? 携 带 玉 米 !“!# 基 因 的高 光 效 和 高 产 的 品 种 在 环 境 释 放 时 候 是 否 飘 移 ? C4光 合 基 因 的 高 表 达 协 同 其 它 逆 境 相 关 的 抗 光 氧 化酶 如 S O D , P O D 等 的 分 子 机 理 是 什 么 ? 等 一 系 列 问题 还 需 要 今 后 进 一 步 的 研 究 加 以 证 明 。致 谢本 项
48、 目 由 江 苏 省 自 然 科 学 基 金 项 ( B K 2 0 0 4 4 2 9 ) ,江 苏 省 农 业 科 学 院 基 金 项 目 ( 6 1 1 0 4 1 9 ) , 国 家 重 点 基础 发 展 规 划 项 目 ( G 1 9 9 8 0 1 0 1 0 0 ) 资 助 。参 考 文 献A o y a k i K . , a n d B a s s h a m J . A . , 1 9 8 6 , A p p e a r a n c e a n d a c c u m u l a -t i o n o f C4c a r b o n p a t h w a y e n z
49、y m e s i n d e v e l o p i n g w h e a tl e a v e s , P l a n t P h y s i o l . , 8 0 : 3 3 4 - 3 4 0A u s t i n R . B . , F o r d M . A . , M o r g a n C . L . , K a m i n s k i A . , a n d M i l l e rT . E . , 1 9 8 4 , G e n e t i c c o n s t r a i n t s o n p h o t o s y n t h e s i s a n d y i e l di n w h e a t , I n : S y b e s m a C . , e d . , A d v a n c e s i n P h o t o s y n t h e s i sR e s e a r c h , P r o c e e d i n g s o f t h e V I t h I n t e r n a t i o n a l C o n g r e s so n P h o t o s y n t h e s i s , 1 - 6 , A u g u s t , B r u s s e l s ,