水稻是世界人口主要的粮食作物之一,传统的育种方法提高水稻产量已很难再有巨大突破。随着基因组学研究的深入,许多研究机构已经陆续开展转C4基因水稻研究。已有研究表明,转C4基因水稻也表现出C4基因表达产物可能不被活化、光合C4酶特异性表达对其他细胞产生毒害、植株发育畸形等局限性。近年来研究发现,水稻中也存在C4光合酶,但活性低,类似C4光合作用途径可能在水稻育种过程中被富集于杂交稻中,本实验室前期研究也证实高产杂交稻“两优培九”中脉中存在高丰度和活性的C4循环关键酶。因此,本课题选取“两优培九”(LYP9)为研究对象,以其父本9311、高粱基因融入水稻9311中获得的大穗变异株系“高粱稻”(GLD)为对照,通过对LYP9类C4光合生理特性的研究,为进一步构建水稻中成熟的C4体系以进行高光合育种提供更好的理论和实践依据。(1)为探究水稻931 1、GLD和LYP9的叶片中是否存在类C4光合结构,对叶片进行超薄切片,观察维管束鞘细胞及其周围叶肉细胞的发育状况。结果显示,9311维管束鞘细胞内边缘有叶绿体,体积较小,维管束鞘细胞周围叶肉细胞中叶绿体分布零散。GLD的维管束鞘细胞中有较大叶绿体贴壁,叶绿体中有淀粉粒积累,维管束鞘细胞周围的叶肉细胞排列整齐,叶绿体密集,同时可见维管束鞘细胞与叶肉细胞间的胞间连丝。LYP9的维管束鞘细胞中叶绿体体积较大,可见基质片层,有少量小淀粉粒的积累。证实GLD和LYP9的类似C4光合结构发育比9311更完善。(2)为探究水稻中类似C4光合结构对光合途径是否有增强作用,利用光合仪和叶绿素荧光仪测定9311、GLD和LYP9在孕穗期、齐穗期和乳熟期的光合效率和光能转化效率。结果表明,在孕穗期,LYP9的净光合速率高于931 1和GLD,PSⅡ中反应能量吸收和热耗散指数的ABS/RC和DIo/RC高于931 1和GLD,说明体内的能量流动和热耗散平衡更为完善。到乳熟期,LYP9功能叶开始进入半衰老阶段,GLD叶片功能期长,光能效率不受气孔导度下降的影响,因此,乳熟期LYP9的净光合速率低于GLD,PSⅡ反应中心特异性能变化相对较大,但相比于9311,LYP9受机体衰老影响光合能力变化较小。(3)通过蛋白免疫技术进一步验证水稻光合途径。对931 1、GLD和LYP9在孕穗期、齐穗期和乳熟期的C3循环关键酶RuBisCO、C4循环关键酶PEPC、PEPCK、PPDK和NAD-ME蛋白丰度进行检测。结果表明,受PEPC酶影响,GLD和LYP9孕穗期的RuBisCO酶含量相比9311较低,到乳熟期,随着功能叶衰老和RuBisCO酶降解,PEPC酶和PPDK酶含量上升。在乳熟期,LYP9的RuBisCO和PEPC酶丰度均低于GLD,可能存在的光合类C4途径相对较少。对比三个水稻品种三个时期的PEPCK和NAD-ME酶的变化和差异,推测LYP9中的C4光合途径脱羧释放CO2属于NADP-MR型。