随着工业化的发展,大气中二氧化碳浓度不断升高,所导致的全球气候变化对人类产生了巨大的威胁。植物是地球上固定二氧化碳的最重要的生物,如果通过植物自身机制进一步增加其吸收二氧化碳的能力,这无疑是降低大气二氧化碳浓度的一种最有效的方式。水稻是我国主要的农作物,种植面积及产量均为世界第一,且种质资源丰富。二氧化碳进入植物叶片叶绿体的过程分为从大气进入叶片的过程和从叶肉细胞到达叶绿体的过程,分别用气孔导度和叶肉导度来表示。植物叶片气孔是控制气体交换的门户,对植物光合作用起着限制作用,相反叶肉导度对二氧化碳的影响一直被认为是稳定的。然而近年来的研究结果表明,叶肉导度对植物运输二氧化碳和光合作用的影响也是很大的。水通道蛋白最早发现与水分运输有关。在蛋白结构上,它是由四个相同的亚基构成,并且各有六个跨膜结构域。在植物中,水通道蛋白家族可以分为细胞膜上的PIP亚家族、液泡膜上的TIP亚家族及两个小亚家族NIP、SIP。随着研究的深入,研究者发现除了运输水分,水通道蛋白还具有转运一些小分子物质的作用。烟草水通道蛋白NtAQP1和拟南芥水通道蛋白AtPIP1;2被证实具有运输二氧化碳的功能。但在单子叶植物,尤其是模式植物水稻中的相关研究还存在空白。因此,我们以水稻水通道蛋白OsPIP1;2为研究对象进行了功能分析,并构建了该基因超表达及沉默水稻株系,并筛选了 T-DNA插入的ospip1;2突变体。在此基础上,我们测定了各个株系的气孔导度、净光合速率及叶肉导度等指标,并通过田间试验测定了这些水稻株系的生理指标与产量。主要结果如下: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、OsPIP1;2的表达模式分析表明,该基因在高浓度二氧化碳处理下,叶片基因表达显著上调。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,并且在叶片中表达最高。3、OsPIP1;2超表达水稻与野生型相比,叶片气孔大小、密度及气孔导度没有差异,突变体与野生型也没有差异。但是,超表达株系净光合速率、叶绿体CO2浓度及叶肉导度显著高于野生型,突变体显著低于野生型。相比于野生型,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、在大气二氧化碳倍增条件下,OsPIP1;2超表达水稻地上部及根系生物量均显著高于野生型。此外,超表达植株韧皮部汁液蔗糖浓度及根尖质子分泌均显著高于野生型。5、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穗粒数均显著增加,产量显著高于野生型。综上所述,水稻水通道蛋白OsPIP1;2可能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二氧化碳运输,增加水稻叶绿体C02浓度,提高水稻光合速率,并促进光合产物向根系的转运及根尖质子分泌提高水稻根系生长,从而吸收更多的养分,最终提高了水稻产量。