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C4植物玉米的第1-3叶维束鞘细胞叶绿体(BSC)有垛叠的基粒和PS II活性,主要利用Rubisco直接固定C02进行C3光合循环；而4叶以上,叶肉细胞(MC)利用PEPC固定CO2并以苹果酸形式运输到BSC叶绿体,再由Rubisco加入C3循环。这些叶片BSC叶绿体的结构特点是基粒和PS II活性基本消失,很少合成NADPH,因此,这些叶绿体中C3循环的运转需要依赖从叶肉细胞转运的还原力。苹果酸是细胞内多种代谢的联接者和调节者。在玉米C4光合作用中,苹果酸不仅是叶肉细胞向BSC叶绿体输送CO2的载体,还是转移还原力的携带者,在脱羧的同时产生NADPH。所以,苹果酸的脱羧作用影响叶绿体的氧化还原状态,氧化还原状态的变化可能与BSC叶绿体的基粒发育和PS II活性变化有关,可能参与进化和个体发育过程中C4光合途径形成的的调节。为研究PEPC通过苹果酸参与BSC叶绿体发育调节的作用及机制,本文观察了不同碳同化途径玉米叶片的PEPC活性、苹果酸含量和解剖结构,检测了外源苹果酸对玉米和烟草叶圆片及对转C4-PEPC基因水稻活体叶片光合作用的效应,并完成了抑制玉米C4-PEPC基因表达的小RNA克隆和载体构建,为阐明植物C4光合途径形成和BSC分化的机制提供新的思路和理论依据,也为利用转基因技术改造C3作物的光合作用提供参考。主要结果如下：1. PEPC活性、苹果酸代谢与维管束鞘细胞分化具有密切关系在本试验中,随着玉米叶片的发育,C4循环关键酶PEPC和NADP-ME等活性也随之增加,维管束鞘细胞叶绿体的C4结构特征越来越明显,内源苹果酸代谢增强,外源苹果酸处理玉米离体叶圆片和根系饲喂水稻抑制叶片的光反应。因此,叶片的PEPC活性和内源苹果酸代谢强度与C4解剖结构的发育具有密切的相关关系。2. PEPC和苹果酸在C4植物光合途径发育中的作用机制(1)苹果酸的供应降低叶绿体中NADP的数量,增大NADPH/NADP的比值,阻碍电子传递的进行,促进活性氧的产生;(2)苹果酸的脱羧或脱氢反应改变细胞的氧化还原电位,进而影响PS II的结构和功能；(3)苹果酸脱羧后生成的丙酮酸可能影响细胞的氧化还原电位和PS II的结构。3. C4-PEPC在转基因水稻中的作用机制在转C4-PEPC基因的水稻植株中,PEPC基因的表达使苹果酸代谢增强,OAA不均匀进入不同的叶绿体。苹果酸在高还原能力的叶绿体内合成,在低还原能力的叶绿体内脱羧。一部分叶绿体起C4植物MC叶绿体的作用,另一部分起BSC叶绿体的作用,在两种叶绿体之间可以进行C4微循环。4.玉米C4-PEPC基因的克隆、载体构建和转入北方粳型超级稻本文以国内玉米优良自交系郑58为材料,分两步克隆了C4型PEPC基因的启动子和其剩余全长序列,片段长7530bp,利用In-fusion技术成功构建了pCAMBIA-1391Z-PEPC载体,利用农杆菌介导法将其转入悬浮培养的北方粳型超级稻沈农265的愈伤组织,获得了PEPC酶活性显著提高的转基因水稻植株。5. C4-PEPC基因RNAi载体的构建本研究选择一个C4-PEPC自身的内含子序列作为RNAi干扰的间隔区域,先克隆正向片段与内含子,共475bp,然后与反向片段387bp相连接,成功构建了RNAi植物表达载体p7002-Z-F。但此RNAi载体与用其它序列作为间隔区域载体干扰效果的差异,还有待进一步的研究。根据本试验结果可以得出初步结果,PEPC通过合成苹果酸而影响玉米BSC叶绿体的分化和发育。在BSC中,苹果酸脱羧生成丙酮酸,同时产生大量NADPH,消耗NADP。 NADP的减少会抑制线性光合电子传递,并可能导致活性氧的产生,最终改变PS II反应中心的结构。因此,我们推测在植物进化过程中PEPC活性增强并引发大量苹果酸的合成,后者转运到BSC中参与调节BSC叶绿体基粒跺叠的消失及BSC与MC叶绿体分化方向的改变。