论文部分内容阅读
光合作用是光合生物将光能转变为化学能的反应过程，提高光合效率是提高作物产量的重要途径。前期比较转录组学研究表明，水稻杂种优势主要由涉及光合途径的基因表达变化引起，进一步研究光合基因的作用机理对水稻产量提高具有重要意义。放氧光合生物通过调整光系统Ⅱ(PSⅡ)和光系统Ⅰ(PSⅠ)之间的能量分配以适应外界变化的光强或光质，上述光合状态转换过程中的两个关键基因OsSTN7和OsPGR5在杂交稻中差异表达，暗示其对水稻的光能利用具有重要作用。其中，STN7具有激酶活性，能够磷酸化捕光蛋白复合体Ⅱ(LHCⅡ)，介导线性电子传递转向环式电子传递;PGR5是PSⅠ中的重要电子传递因子，由其介导的电子传递在环式电子传递中占主要地位。 通过时钟动态转录组分析发现，OsSTN7和OsPGR5基因在水稻叶片中具有明显的昼夜节律表达特性。以水稻恢复系明恢86(MH86)为材料，克隆了两个基因的编码区及启动子序列，分别构建了自身启动子驱动的过表达载体;同时，构建了两个基因的RNAi敲减载体和CRISPR/Cas9敲除载体，最终获得了相应的转基因水稻株系。 对过表达株系的目的基因时钟动态转录水平检测表明，过表达株系表现出振幅加大，而昼夜节律特性并未改变;敲减株系表达量明显下调。对OsSTN7转基因株系光合特性检测发现，弱光条件下，过表达株系质体醌的还原比例下降，净光合速率提高，最高可达4.9％;而敲减和敲除株系质体醌处于更高的还原态，净光合速率降低，最多降低5.8％，PSⅠ的光合性能也有所降低。上述现象可能是由于转基因株系中OsSTN7蛋白含量改变引起LHCⅡ蛋白磷酸化程度变化，从而影响了光合状态转换过程。强弱光交替条件下，OsSTN7过表达株系的PSⅠ光合特性得以提高，生物总量略有上升，最高可达15.8％;敲减株系长势明显减弱，生物量最多降低61.4％。强光条件下，过表达株系中类囊体蛋白的超级复合体含量增加，暗示OsSTN7能够参与水稻光合的长期调控;敲减株系在强光下表现出更高的耐受性，且净光合速率提高;敲除株系在强光下两个光系统的光合特性均有一定程度提高。以上结果表明，OsSTN7上调表达可以提高水稻的光合效率，并促进生物量的增加。 对OsPGR5转基因株系光合特性检测发现，过表达株系PSⅡ和PSⅠ的光合性能均明显提高，其中PSⅠ的电子传递效率ETR(Ⅰ)提高多达2倍，净光合速率提高14.1％;而敲减和敲除株系的PSⅠ的光合性能显著下降，ETR(Ⅰ)分别降低60％和80％，植株的长势受到一定程度的抑制。过表达株系幼苗表现出白化现象，分子检测表明，其叶绿素合成途径明显受阻;敲减和敲除株系的叶片明显黄化，暗示OsPGR5对水稻叶绿体发育具有调控作用。以上研究表明，OsPGR5上调表达可以提高水稻两个光系统的光合特性，其介导的环式电子传递对水稻的正常生长至关重要。 综上分析，OsSTN7和OsPGR5在水稻的光合状态转换过程中发挥关键作用。两个基因的高表达，能够有效提高光系统的光合特性，其中OsSTN7过表达转基因株系能够适应变化的光强，且在长期调控中发挥作用;而OsPGR5过表达转基因株系的两个光合系统性能均有显著提高。本研究通过调控光合过程中关键基因，为提高作物的光合效率开辟了新的途径，为提高作物产量奠定基础。