超量表達氮代謝關(guān)鍵基因?qū)λ咎嫉x的影響.pdf

1、為了確保糧食安全，國內(nèi)外利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)超量表達單個氮代謝途徑關(guān)鍵基因在作物增產(chǎn)上的嘗試日益增多，但是許多研究報道轉(zhuǎn)基因植株僅僅是目的基因表達量增加，而產(chǎn)量卻未相應(yīng)提高。迄今為止，關(guān)于基因的超量表達對植物生長發(fā)育過程中碳氮代謝的影響鮮有報道。本研究以超量表達GS1;1、GS1;2、AMT1;3、GS2(OX-GS1;1、 OX-GS1;2、 OX-AMT1;3、OX-GS2)四種轉(zhuǎn)基因水稻為研究材料，將碳氮代謝平衡作為切入點，從生長表型和

2、產(chǎn)量;葉片SPAD值和光合作用參數(shù);水溶性蛋白質(zhì)和碳水化合物含量;總碳、總氮以及碳/氮比;NR、GS和RUBISCO活性;碳氮關(guān)鍵基因的表達水平以及氮的吸收轉(zhuǎn)運方面開展了系列研究，探討了超量表達單個基因GS1;1、GS1;2、AMT1;3、GS2對植株碳氮代謝的影響，解析上述轉(zhuǎn)基因植株生物量及產(chǎn)量低下的主要原因，為今后揭示氮高吸收、利用的生理生化基礎(chǔ)和分子機理提供理論參考。本研究的主要結(jié)果如下：
　　 ⑴超量表達GS1;1、GS

3、1;2對水稻碳氮代謝的影響。通過對OX-GS1;1、OX-GS1;2轉(zhuǎn)基因植株和野生型中花11的分析發(fā)現(xiàn)，在四種不同氮水平（缺氮、低氮、正常氮和高氮）培養(yǎng)條件下，轉(zhuǎn)基因植株在生長表型和產(chǎn)量上均顯著差于野生型植株。對葉片SPAD值和光合作用參數(shù);水溶性蛋白質(zhì)和碳水化合物含量;總碳、總氮以及碳/氮比;GS和RUBISCO活性的測定分析發(fā)現(xiàn)，GS1;1、GS1;2的超量表達顯著影響了轉(zhuǎn)基因植株的碳氮代謝水平和碳氮之間的平衡。同時，通過15N同

4、位素示蹤試驗發(fā)現(xiàn)，GS1;1、GS1;2的超量表達也影響了轉(zhuǎn)基因植株對無機氮的吸收和轉(zhuǎn)運。通過對碳氮代謝關(guān)鍵基因的熒光定量表達分析發(fā)現(xiàn)，OX-GS1;1植株只在氮充足的條件下誘導(dǎo)碳氮代謝途徑關(guān)鍵基因上調(diào)表達，在低氮脅迫條件下，以抑制碳代謝途徑來確保氮代謝途徑的基因的表達;而OX-GS1;2植株在缺氮和高氮下根中大多數(shù)碳氮關(guān)鍵基因均受到抑制，在低氮和正常氮下，同一個基因家族的同源基因表達不盡一致?？偠灾?，GS1;1、GS1;2的超量表達

5、導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株氮吸收能力降低，碳氮代謝產(chǎn)物的含量和關(guān)鍵基因表達水平發(fā)生改變，最終影響轉(zhuǎn)基因植株的正常生長和產(chǎn)量形成。
　　 ⑵超量表達AMT1;3對水稻碳氮代謝的影響。通過對OX-AMT;3轉(zhuǎn)基因植株和野生型中花11的分析發(fā)現(xiàn)，在四種不同氮水平（缺氮、低氮、正常氮和高氮）培養(yǎng)條件下，轉(zhuǎn)基因植株在生長表型和產(chǎn)量上均顯著差于野生型植株。同時，OX-AMT1;3植株表現(xiàn)為葉片光合速率降低、水溶性蛋白質(zhì)和碳水化合物含量發(fā)生變化、碳和氮含

6、量降低而碳/氮比升高、NR和GS活性下降。同時，通過15N同位素示蹤試驗發(fā)現(xiàn)，AMT1;3的超量表達反而降低了轉(zhuǎn)基因植株對無機氮的吸收和轉(zhuǎn)運。通過對碳氮代謝關(guān)鍵基因的熒光定量表達分析發(fā)現(xiàn)，施氮水平越高，OX-AMT1;3轉(zhuǎn)基因植株中碳氮代謝途徑關(guān)鍵基因上調(diào)表達的越多。總而言之，AMT1;3的超量表達導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株碳氮代謝水平降低，最終影響轉(zhuǎn)基因植株的正常生長和產(chǎn)量形成。
　　 ⑶超量表GS2對水稻碳氮代謝的影響。OX-GS2轉(zhuǎn)基

7、因植株在苗期表現(xiàn)為GS2大量表達，葉片綠色，正常生長;在分蘗期，GS2的表達受到抑制，葉片開始黃化，生長受到限制。本試驗對OX-GS2轉(zhuǎn)基因植株和野生型中花11分別在苗期和分蘗期進行不同氮源(NH4NO3、NH4NO3+Gln、Gln)供給的培養(yǎng)，并對葉片SPAD值和光合作用參數(shù);水溶性蛋白質(zhì)和碳水化合物含量;總碳、總氮以及碳/氮比;NR和GS活性;碳氮代謝關(guān)鍵基因表達水平進行測定分析。結(jié)果表明，相比野生型，OX-GS2轉(zhuǎn)基因植株在苗期

8、莖、葉水溶性蛋白質(zhì)含量顯著升高，而碳水化合物含量顯著降低;在分蘗期，蛋白質(zhì)含量卻顯著降低，碳水化合物含量顯著升高。當?shù)礊镹H4NO3時，在苗期，OX-GS2轉(zhuǎn)基因植株根中碳氮途徑關(guān)鍵基因多數(shù)下調(diào)表達，葉片中則多數(shù)上調(diào)表達;在分蘗期，根中碳氮途徑關(guān)鍵基因多數(shù)上調(diào)表達，葉片中則多數(shù)下調(diào)表達。同時，在分蘗期，轉(zhuǎn)基因植株莖部氮含量顯著升高，碳含量與野生型無顯著差異，C/N比顯著降低，氮的吸收轉(zhuǎn)運能力降低。在苗期和分蘗期轉(zhuǎn)基因植株中碳氮途徑關(guān)鍵