根瘤菌、铵态氮、光照强度对大豆固氮和光合作用影响的研究

生物固氮和植物光合作用作为全球生态系统的两个基本生物学过程, 在碳氮循环、自然生态系统的维持和演替，以及农业生产中起了重要作用。尽管过去关于共生固氮与光合作用的研究取得了巨大成就，但是，很少将两者直接联系起来。本研究通过比较低光效和高光效大豆接种高效固氮根瘤菌后固氮与光合作用的差异，比较接种根瘤菌和施用铵态氮肥对大豆光合生理的影响或光照强度对大豆光合固氮的影响，以及C4基因转化C3 豆科植物—苜蓿的研究，试图将两者偶联起来。研究获得以下结果： 1．用nifA和dct工程根瘤菌接种低光效和高光效大豆后，与出发菌株比，均提高了大豆的固氮和光合作用。两者相比，nifA工程菌对低光效大豆黑农37号发挥了比较好的作用，大豆的光合作用参数，固氮活性和植物株高、株重等产量参数比dct工程菌好;dct工程菌接种高光效大豆黑农40号后，尽管固氮酶活性与nifA工程菌相比没有明显差异，但是大豆光合作用和产量参数有了比较明显的提高。 2．光照培养条件下，对大豆进行了接种根瘤菌（108细菌/ mL）、低氮（5 mmol/L (NH4)2SO4）和高氮（30 mmol/L (NH4)2SO4）处理。测定的大豆生长状况和光合作用系列参数结果表明：低氮处理的最好，接种根瘤菌的次之，高氮处理的最差。由此说明单纯接种根瘤菌满足不了大豆发育过程中的氮营养要求，其光合作用和生长受到不利影响。但是，高氮处理也并没有提高大豆的光合作用，其生长发育甚至受到抑制。该结果为生产实践中合理施肥提供了光合生理方面的参考。 3．接根瘤菌和不接根瘤菌的大豆在正常光强（150μmol photons m-2s-1）下生长三周后进行遮光（15μmol photons m-2s-1，7天）和复光（正常光强，7天）处理，大豆的光合作用有下降和回复。测定的一系列光合参数、叶绿素荧光参数，以及植物的生长生理参数结果表明：接根瘤菌大豆与不接根瘤菌的大豆对遮光的响应有不同。正常光照下，接种根瘤菌能促进大豆生长与光合作用;遮光处理后，根瘤菌对大豆的促进作用不显著。 4．获得了不同苜蓿品种的愈伤组织及其诱导的再生植株。并作了用小米、甘蔗的PEPC基因转化苜蓿的研究。由于在实验过程中，考虑转基因植物的安全性，着重于用甘露糖筛选转化体系的研究工作，忽略了用抗生素筛选转化体。用PCR法从苜蓿中扩增出甘露糖异构酶基因（pmi），表明苜蓿体内含有自己的甘露糖异构酶基因，使得甘露糖筛选没有成功。

谷子和甘蔗C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因的克隆及其转基因水稻光合效率的提高

水稻是我国重要的粮食作物之一，它是一种典型的C3植物。与其它C3作物不一样的是，水稻的生长需要相对较高的温度和充足的阳光照射。然而高温和高光强的生长环境更加适合于C4植物的生长，更加有利于发挥C4植物高光合效率的特点。因此本论文希望将C4植物中固定CO2的酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因导入水稻，获得一种更加适合高温和高光强生活环境的“C4型”水稻，这对于提高水稻的产量，满足人口增长对粮食需求具有重大意义。 本论文从C4植物谷子和甘蔗中克隆了其C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶cDNA基因，获得了具有自主知识产权的基因克隆，并将它们导入粳稻品种中花8号，进而对转基因材料的光合生理特性进行了研究。结果如下： 首次从谷子中得到了ppc基因两个cDNA克隆，分别命名为Mppc1和Mppc2。前者是一个C3型的ppc基因，它可能属于在根中特异表达的C3-2型ppc基因;后者是在绿色叶片中大量表达的C4型ppc基因。它们所编码的蛋白的氨基酸残基数分别为961和964，序列同源性为82.5%。C4型PEPC多出的3个氨基酸位于N末端。利用RACE的方法我们得到了谷子C4型ppc基因完整的cDNA序列，包括63bp的5'非编码区，2895bp的编码区和256bp的3'非编码区。 首次获得了甘蔗C4型ppc基因完整的cDNA序列的克隆，命名为Sppc。它包括95bp的5'非编码区、2886bp的编码区，和224bp的3'非编码区。 利用所克隆的基因，分别连上强组成型启动子Ubiquitin启动子和强光调控启动子Rubisco小亚基启动子后，再插入两个标记基因不同的表达载体pCB和pPCB的多克隆位点中，构建了八个含有外源ppc基因的植物表达载体pCB-Pubi-Mppc、pCB-Pubi-Sppc、pCB-PrbcS-Mppc、pCB-PrbcS-Sppc、pPCB-Pubi-Mppc、pPCB-Pubi-Sppc、pPCB-PrbcS-Mppc和pPCB-PrbcS-Sppc。再加上含有玉米完整的C4型ppc 核基因的载体pCB-ZMppc，共有9个载体。利用农杆菌介导法进行了水稻的转化，各个载体都获得了大量的转基因植株。对标记基因潮霉素磷酸转移酶基因hpt和磷酸甘露糖异构酶基因pmi以及导入的目的ppc基因的PCR扩增检测，结果显示绝大多数转基因植株都能扩增出目的片段，而未转化的植株则没有扩增产物。对部分转基因水稻的Southern和Western杂交以及RT-PCR分析都表明，无论从DNA水平、mRNA水平，还是从蛋白质水平上都证明外源ppc基因都成功地导入了水稻，并获得了正确的表达。 对各载体转基因植株PEPC活性大规模的测定表明，转入玉米完整C4型PEPC核基因（有内含子）的水稻表现出极大的表达效率，大多数转基因材料的PEPC活性为对照的10-20倍，其活性最高可达到对照的44倍。转入谷子和甘蔗PEPC基因cDNA的水稻，表达的效率很低，多数材料活性增加仅为对照的2-5倍，但也有极少数材料活性增加了10倍以上。用Rubisco小亚基启动子控制的ppc基因在水稻的表达活性要略高于Ubiquitin启动子控制的ppc基因。以上结果说明ppc基因的内含子在其转录或mRNA的稳定上起着重要作用。 对部分转基因材料气体交换特征的研究发现，随着转基因水稻PEPC活性的增加，净光合速率也有逐渐增加的趋势。其中PEPC活性最大的ZM24株系的三个单株净光合速率比对照增加了39.8%、13.7%和28.6%，而它们的PEPC活性比对照分别增加了21.2、21.9和23.6倍。 转PEPC水稻的净光合速率与气孔导度具有显著的相关性。这说明表达的外源ppc 基因产物PEPC参与了转基因水稻的气孔运动，使气孔开放程度增加。更有意义的是过表达PEPC的水稻具有更高的水分利用效率，这就增加了其耐旱能力。在光抑制条件下转基因水稻也具有更高的光合能力。这些特征表明转ppc基因的水稻比对照更加适合于水稻高温高光强和干旱的原生环境。