超量表达氮代谢关键基因对水稻碳氮代谢的影响
为了确保粮食安全，国内外利用转基因技术超量表达单个氮代谢途径关键基因在作物增产上的尝试日益增多，但是许多研究报道转基因植株仅仅是目的基因表达量增加，而产量却未相应提高。迄今为止，关于基因的超量表达对植物生长发育过程中碳氮代谢的影响鲜有报道。本研究以超量表达GS1;1、GS1;2、AMT1;3、GS2(OX-GS1;1、 OX-GS1;2、 OX-AMT1;3、OX-GS2)四种转基因水稻为研究材料，将碳氮代谢平衡作为切入点，从生长表型和产量;叶片SPAD值和光合作用参数;水溶性蛋白质和碳水化合物含量;总碳、总氮以及碳/氮比;NR、GS和RUBISCO活性;碳氮关键基因的表达水平以及氮的吸收转运方面开展了系列研究，探讨了超量表达单个基因GS1;1、GS1;2、AMT1;3、GS2对植株碳氮代谢的影响，解析上述转基因植株生物量及产量低下的主要原因，为今后揭示氮高吸收、利用的生理生化基础和分子机理提供理论参考。本研究的主要结果如下：
⑴超量表达GS1;1、GS1;2对水稻碳氮代谢的影响。通过对OX-GS1;1、OX-GS1;2转基因植株和野生型中花11的分析发现，在四种不同氮水平（缺氮、低氮、正常氮和高氮）培养条件下，转基因植株在生长表型和产量上均显著差于野生型植株。对叶片SPAD值和光合作用参数;水溶性蛋白质和碳水化合物含量;总碳、总氮以及碳/氮比;GS和RUBISCO活性的测定分析发现，GS1;1、GS1;2的超量表达显著影响了转基因植株的碳氮代谢水平和碳氮之间的平衡。同时，通过15N同位素示踪试验发现，GS1;1、GS1;2的超量表达也影响了转基因植株对无机氮的吸收和转运。通过对碳氮代谢关键基因的荧光定量表达分析发现，OX-GS1;1植株只在氮充足的条件下诱导碳氮代谢途径关键基因上调表达，在低氮胁迫条件下，以抑制碳代谢途径来确保氮代谢途径的基因的表达;而OX-GS1;2植株在缺氮和高氮下根中大多数碳氮关键基因均受到抑制，在低氮和正常氮下，同一个基因家族的同源基因表达不尽一致。总而言之，GS1;1、GS1;2的超量表达导致转基因植株氮吸收能力降低，碳氮代谢产物的含量和关键基因表达水平发生改变，最终影响转基因植株的正常生长和产量形成。
⑵超量表达AMT1;3对水稻碳氮代谢的影响。通过对OX-AMT;3转基因植株和野生型中花11的分析发现，在四种不同氮水平（缺氮、低氮、正常氮和高氮）培养条件下，转基因植株在生长表型和产量上均显著差于野生型植株。同时，OX-AMT1;3植株表现为叶片光合速率降低、水溶性蛋白质和碳水化合物含量发生变化、碳和氮含量降低而碳/氮比升高、NR和GS活性下降。同时，通过15N同位素示踪试验发现，AMT1;3的超量表达反而降低了转基因植株对无机氮的吸收和转运。通过对碳氮代谢关键基因的荧光定量表达分析发现，施氮水平越高，OX-AMT1;3转基因植株中碳氮代谢途径关键基因上调表达的越多。总而言之，AMT1;3的超量表达导致转基因植株碳氮代谢水平降低，最终影响转基因植株的正常生长和产量形成。
⑶超量表GS2对水稻碳氮代谢的影响。OX-GS2转基因植株在苗期表现为GS2大量表达，叶片绿色，正常生长;在分蘖期，GS2的表达受到抑制，叶片开始黄化，生长受到限制。本试验对OX-GS2转基因植株和野生型中花11分别在苗期和分蘖期进行不同氮源(NH4NO3、NH4NO3+Gln、Gln)供给的培养，并对叶片SPAD值和光合作用参数;水溶性蛋白质和碳水化合物含量;总碳、总氮以及碳/氮比;NR和GS活性;碳氮代谢关键基因表达水平进行测定分析。结果表明，相比野生型，OX-GS2转基因植株在苗期茎、叶水溶性蛋白质含量显著升高，而碳水化合物含量显著降低;在分蘖期，蛋白质含量却显著降低，碳水化合物含量显著升高。当氮源为NH4NO3时，在苗期，OX-GS2转基因植株根中碳氮途径关键基因多数下调表达，叶片中则多数上调表达;在分蘖期，根中碳氮途径关键基因多数上调表达，叶片中则多数下调表达。同时，在分蘖期，转基因植株茎部氮含量显著升高，碳含量与野生型无显著差异，C/N比显著降低，氮的吸收转运能力降低。在苗期和分蘖期转基因植株中碳氮途径关键基因表达模式变化的差异引起碳氮代谢的不平衡，从而影响植株的正常生长发育。转基因植株在苗期和分蘖期截然不同的生理代谢过程，可能是植株应对逆境的自我调节的结果。
转基因植株;植物发育;碳氮代谢;基因表达
华中农业大学
硕士
植物营养学
徐芳森;蔡红梅
2013
中文
Q945.1;Q943.2
85
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）