如何利用現(xiàn)代生物技術(shù)提高水稻的光合作用

如何利用現(xiàn)代生物技術(shù)提高水稻的光合作用效率

影響水稻光合作用的因素一、內(nèi)部因素

葉齡幼葉正處于旺盛生長(zhǎng)期，其光合產(chǎn)物人不敷出，必須從其他葉片得到光合產(chǎn)物的供應(yīng)。葉面積已定型的功能期葉片是光合作用的主要器官，隨著葉片的衰老，光合強(qiáng)度也明顯下降。圖示水稻不同葉位的葉片的光合強(qiáng)度，4/0與5/0分別代表主莖第四葉與第五葉，這些葉片已漸衰老。6/0～8/0代表主莖第六至第八葉，這些葉片正值功能期，吸入的14CO2最多。表現(xiàn)出含有較高的脈沖數(shù)（cpm、每分鐘放出居里數(shù)）。9/0與10/0是正在伸長(zhǎng)中的幼葉，它們的呼吸旺盛，往往超過光合，所以，cpm值急劇下降。目前認(rèn)為葉片的光合強(qiáng)度之所以與葉齡有關(guān)，主要原因在于RUBP羧化酶活性的變化。已有實(shí)驗(yàn)證明：鴨茅、水稻、小麥葉片完全展開后，其RuBP羧化酶活性很快達(dá)到最高峰，以后隨著葉齡的延長(zhǎng)，葉片光合速率與RuBP羧化酶活性的變化趨勢(shì)是一致的外部因素

（一）光光是光合作用的動(dòng)力，也是形成葉綠素與正常葉片的必要條件。它的強(qiáng)度直接制約著光合作用的強(qiáng)度。因?yàn)橐环矫妫疌O2所需的ATP和NADPH+H+來自于光反應(yīng)。另一方面，暗反應(yīng)中的若干關(guān)鍵性酶，像RUBP羧化酶與PEP羧化酶等都受光的活化。一般植物的葉片，在黑暗中只進(jìn)行呼吸作用，吸收氧氣而放出二氧化碳。當(dāng)光強(qiáng)增至數(shù)百米燭光時(shí)，葉片的光合強(qiáng)度等于呼吸強(qiáng)度，CO2吸收量等于放出量，碳素營(yíng)養(yǎng)處于收支平衡的狀態(tài)。這時(shí)的光強(qiáng)叫光補(bǔ)償點(diǎn)。光補(bǔ)償點(diǎn)標(biāo)志著植物對(duì)光強(qiáng)的最低要求，反映著植物對(duì)弱光的利用能力。當(dāng)氣溫在25～30℃時(shí)，棉花的光補(bǔ)償點(diǎn)高達(dá)1000～1500米燭光。水稻為600～700米燭光，而大豆僅500米燭光。因此，大豆苗期較耐蔭，可在玉米行間正常生長(zhǎng)。當(dāng)光強(qiáng)超過光補(bǔ)償點(diǎn)后，葉片才表現(xiàn)出光合作用，其CO2吸入量才大于放出量，這時(shí)才能測(cè)定出表觀光合強(qiáng)度（凈光合強(qiáng)度）。（二）CO2濃度CO2是光合作用的原料之一，主要靠葉片從空氣中吸收。但是，空氣中的CO2濃度很低，只有330ppm，即每升空氣約含0.65毫克。每合成一克光合產(chǎn)物（葡萄糖），葉片約需從2250升空氣中才能吸收到足量的CO2，從而在光照充足而通風(fēng)不良時(shí)，CO2往往成為光合作用的限制因素。。當(dāng)CO2濃度為400ppm時(shí)，麥苗于11000米燭光已達(dá)光飽和狀態(tài)，如于此時(shí)增加CO2濃度，可顯著提高光合強(qiáng)度。但當(dāng)CO2濃度增至1200ppm時(shí)，光合強(qiáng)度不再上升，這時(shí)的CO2濃度稱為CO2的飽和點(diǎn)。然而，此時(shí)將光照強(qiáng)度增至22000米燭光，CO2的飽和點(diǎn)又可進(jìn)一步提高。上述現(xiàn)象顯示出CO2濃度與光強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響是協(xié)同的，包含著一個(gè)“限制因子”概念，它相當(dāng)于哲學(xué)上的“主要矛盾”。圖提供了三碳植物菜豆與四碳植物玉米在不同光強(qiáng)與CO2濃度配合下的光合強(qiáng)度變化。從中可以更具體地認(rèn)識(shí)“限制因子”的重要性在光照、溫度、肥與水供應(yīng)良好的條件下，CO2濃度常是光合作用的限制因子，這時(shí)四碳植物可依靠本身的CO2泵來加速吸收CO2，三碳植物則需從外界補(bǔ)充供應(yīng)CO2。據(jù)試驗(yàn)，將溫室空氣中的二氧化碳濃度提高3～5倍，番茄、蘿卜與黃瓜等可增產(chǎn)25％～49％；大田條件下可以使用大量的有機(jī)肥料，增加土壤微生物的呼吸。但是，必須指出，當(dāng)植物周圍的二氧化碳濃度過高時(shí)，光合作用強(qiáng)度也會(huì)受到抑制。溫度

在強(qiáng)光和CO2濃度較高的條件下，溫度對(duì)光合強(qiáng)度的影響特別顯著；而于弱光和CO2不足時(shí)，溫度對(duì)光合強(qiáng)度的影響不大，凈光合強(qiáng)度等于零時(shí)的最低溫度與最高溫度，分別稱為光合作用的冷限與熱限。耐低溫的萵苣，于5℃已有明顯的凈光合強(qiáng)度，而番茄與黃瓜則需要12℃與20℃。稻、棉等喜溫植物，遇到5～10℃持續(xù)低溫，其光合功能就會(huì)受到損害，回暖后往往恢復(fù)不到原有的水平。四碳植物的光合熱限一般較高，約55～60℃；三碳植物中，棉花較耐熱，可達(dá)50～55℃，而蠶豆、小麥等對(duì)熱敏感的作物則在40℃以下。乳熟期小麥葉片遇到持續(xù)高溫，盡管外表上仍呈綠色，但光合功能已受嚴(yán)重?fù)p害。植物街從外盜界環(huán)歷境獲勉得氮結(jié)主要訊是通步過3條途陣徑：腥通過誦還原NO諒3-把無(wú)任機(jī)氮稈轉(zhuǎn)化儉為生受命體查可用漠的有略機(jī)氮茄，通賣過固裝氮菌寄對(duì)N2的固席定，慚直接價(jià)吸收矛土壤廟中的筐銨或春有機(jī)烤氮。鑼無(wú)機(jī)舉氮被俘吸收恢還原槐后,在植事物體死內(nèi)經(jīng)率運(yùn)輸信、合求成、摧轉(zhuǎn)化款及再播循環(huán)換等各許種生鍋理活支動(dòng)過倦程后,與蛋阿白質(zhì)習(xí)代謝霧共同巧構(gòu)成倍其生薦命活狹動(dòng)的巷基本鄉(xiāng)豐過程童。植物梳從外史界環(huán)四境獲著得氮主要墾途徑谷氨艷酸脫倦氫酶在（gl淡ut煎am搬at舟e褲de謙hy途dr插og掉en城as救e）是涉一種拘催化圈使氨趕還原踩性地僻固定芽到α-酮戊算二酸壘上形館成谷億氨酸詞反應(yīng)大的酶堵。它眠廣泛梢分布賣于生嘴物中革，在劈燕動(dòng)物零，存蓋在于諒線粒盲體中友。雖圓然反勝應(yīng)是棟可逆憲的，公但平煤衡具匙有朝侵向合塵成谷駁氨酸蓮的傾唐向。持因物蓋種的花不同掌，輔部酶的閘特異李性有搶所不生同，撒在植賢物中蜜是NA估D，酵嗽母是NA棉D(zhuǎn)P，動(dòng)尸物中朽雖不飼論那維種輔猶酶都唉有作興用。隨但NA私D則較爸其他蚊輔酶努的效棚力高紅出數(shù)膚倍。呆反應(yīng)續(xù)可被AD竄P、GD雁P促進(jìn)彩，而萌被AT和P、GT賤P等抑硬制。細(xì)菌罪谷氨裹酸脫甩氫酶百基因貪是最碧早用棵于提失高植鴿物氮渡肥利糖用率構(gòu)的外張?jiān)椿鶕跻颉?9權(quán)99年，Li悠gh扯tf鐵oo泥t流et羅a劍l.將大金腸桿或菌（E.掀co妖li）的gd究hA基因?qū)僭跓熋癫葜旭v表達(dá)穿，發(fā)吸現(xiàn)轉(zhuǎn)領(lǐng)基因碌植株碧能夠攝增強(qiáng)固對(duì)PP臘T（ph猛os錢ph昨in物ot層hr肚ic餓inhe閥rb測(cè)ic軟id勢(shì)es）的晃耐受號(hào)力，爆而且腸氮素竄利用炮效率最明顯移提高霉，并黃且就蹤蝶此還繡申請(qǐng)賢了專末利研究陳者進(jìn)一狐步發(fā)羞現(xiàn)E.方co暑ligd循h(huán)A基因葡能夠鐮增強(qiáng)疾植物南的抗鵝旱能刻力和揭增加偉葉片纏的生俘物量(Am喇ez濫ia躺neet磁a甚l.飽2習(xí)00坦0；Li域gh伐tf貌oo虛t滾et潤(rùn)a嚇l.嫂2牲00懂1；No濁lt客e魄et家a恨l.繩2瘡00勒4；Mu捉ng精uret筐a援l.丈2劑00短6)。Li帝gh珠tf旦oo撤t等（20杜07）將療大腸姓桿菌換中編航碼NA馳DP依賴懶的谷傘氨酸尖脫氫客酶基宿因轉(zhuǎn)鍋入換纖玉米賽，發(fā)飾現(xiàn)轉(zhuǎn)替基因她植株盾在明勾顯缺攏水的境季節(jié)維里的口萌發(fā)寇率和斯生物畏產(chǎn)量購(gòu)均比繩對(duì)照條高，禾其氮起素利還用效驚率也至明顯乘提高遺。朱腐冰等龜（20賠00）克街隆了潑地衣供芽孢脾桿菌轎（Ba村ci辦ll暢usli石ch鐘en徑if蹤蝶or淺mi嬌s）谷問氨酸瘦脫氫堪酶基康因(gd幟hA),并研題究了枕其表璃達(dá)和頌功能登。可緣瑞惜還榴未見并用于溫轉(zhuǎn)化醬植物。真菌NA湊DP報(bào)H依賴犬型谷省氨酸立脫氫倍酶是甚用于灘提高字植物攝氮肥貼利用累率的筋最有摧前景易的外件源基兼因，頌也是友目前幫研究片的熱殖點(diǎn)。正王芳尸和田惡波（20銷01）通兇過RT督-P刺CR方法傻克隆肉了真澆菌中尖間脈書孢霉踏（Ne叢ur婦os爺po磨ra牽i巴nt采er著me偉di床a，簡(jiǎn)剃稱Ni），黎好食承脈孢叢霉（Ne憂ur澆os材po紐奉ra櫻s殲it線op塵hi遼la）,粗糙欺脈孢礙霉（Ne星ur旗os肢po拜ra偵c嗽ra呢ss敘a）的雀基因,進(jìn)行盯序列桌測(cè)定調(diào)。前宣兩種GD清H基因竄的序設(shè)列為揪首次蓬報(bào)道有。分赴別將線上述GD彩H基因縮慧克隆戲入pE勿T3腔0a質(zhì)粒脾在大干腸桿品菌中好表達(dá),純化騙后進(jìn)揮行酶篇活性誓及米乘氏常喇?dāng)?shù)（Km）測(cè)小定,結(jié)果蹲發(fā)現(xiàn)遷大腸橡桿菌撇表達(dá)昏的Ni嚷-G疫DH具有黃更高押的酶懂活性,其Km值在0.饞3-銅0.好45mm燭ol/L比左效右。劫選擇Ni夫-G剝DH基因色轉(zhuǎn)化蠟煙草,發(fā)現(xiàn)加它能謠促進(jìn)繞煙草耀在低嘩氮水乓平下維的生槽長(zhǎng)中國(guó)殃科學(xué)溜院微昆生物傅研究握所發(fā)跌現(xiàn)一晨類真系菌的GD農(nóng)H,其Km很低,僅為0.愛3～0.旁5m蹲mo順l/刷L。該謹(jǐn)基因貪核苷爺酸序團(tuán)列測(cè)廚定結(jié)疊果證去明是認(rèn)一類盾新的GD嬌H基因,已被旁國(guó)際Ge孟nB科an渴k收錄鏈。將紐奉該基呈因轉(zhuǎn)臭入植夢(mèng)物,可提限高氮燙素利逮用率30蹲%以上,使植壩物增扭加了京一條蒼氮素季同化肚的新宅途徑回。Ao返ki等(2國(guó)00襲8)將在Ca碗MV鹿-3浙5S啟動(dòng)鬧子驅(qū)窮動(dòng)下爬的真碧菌GD笨H基因醬轉(zhuǎn)入叔土豆片和水專稻，突獲得帖了過緊表達(dá)濃的轉(zhuǎn)秧基因厭植株。研究我發(fā)現(xiàn)烏，與財(cái)未轉(zhuǎn)暢化的稈對(duì)照揉植株盆相比住，轉(zhuǎn)優(yōu)基因讀土豆遮在標(biāo)才準(zhǔn)氮潔和低寒氮條所件下降葉面述積都浴增加捉，光店合效尊率升責(zé)高明課顯，猜但是障暗呼雹吸效斗率大歪幅度餓降低黃。同時(shí)還刃發(fā)現(xiàn)匙匍匐騰莖和澇塊莖具數(shù)量掌增加夠，相索應(yīng)的堂土豆乒產(chǎn)量它也大題幅增聾加。喂該結(jié)問果說綱明，粱真菌GD涂H基因摟的過托表達(dá)油不僅灶增強(qiáng)許了代棍謝源按的功冠能，洞而且探也增紀(jì)強(qiáng)了熔代謝叼庫(kù)的茶功能唉，從莊而增鏟加了長(zhǎng)土豆天在低忙氮條從件下腦的氮穿素利耳用效住率。Ao早ki等(2凡00拘8)在轉(zhuǎn)甩基因劈燕水稻條中發(fā)朱現(xiàn)分送蘗數(shù)懇和每庭穗的墊小穗唉數(shù)明捷顯增熱加，寶生物艦量和藏谷物秒產(chǎn)量樓也大栽幅增柄加，震特別逐是在蓄低氮牙條件督下更通為明騎顯。座該結(jié)底果也獎(jiǎng)?wù)f明耕了真靈菌GD喇H基因箭的過杠表達(dá)極增加踐了水樸稻的攝氮素北利用善效率崗。其他喉外源膨谷氨測(cè)酸脫鄭氫酶伐也用紛于提搞高植吸物氮鉤肥利遙用率刃。黃精國(guó)存困等（20傾02）用RT按-P精CR方法副從小少球藻(Ch沾lo豎re嗚ll躍aso慎ro臺(tái)ki險(xiǎn)ni即an備a)中克津隆了NA積DP陳-G暢DH基因盲，并伐轉(zhuǎn)入薯煙草(Ni承co身ti抱an墻ata辟ba識(shí)cu略mL.鈴)中。計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)沃基因恢煙草禁分析替表明,在低叢氮培協(xié)養(yǎng)基竊或在律低氮卸蛭石扮中其牢生長(zhǎng)菠速度疏和葉任片數(shù)肢明顯聞高于侵對(duì)照海。水稻岡是我佩國(guó)種既植面葉積最欠大、右產(chǎn)量返最高社、氮識(shí)肥用搭量最雷多的哭糧食后作物帖之一雜。氮繪素對(duì)刃水稻要生產(chǎn)刃的影雨響僅觸次于飽水，爹是構(gòu)筐成水刺稻生弱產(chǎn)成絹本的言主要逢部分向。中澤國(guó)水秋稻種表植面球積占籌世界街水稻該種植催面積鑄的20政%,而水平稻氮堆肥用豈量占線全球氧水稻洗氮肥萄總用授量的37貢%,成為純世界哲上施廳用無(wú)勇機(jī)氮潤(rùn)肥最杏多的畝國(guó)家柱，而辨且氮卻肥成泄本占沙水稻屢生產(chǎn)遙外部賞投入考總成裹本的拼份額津高達(dá)35慘%。另筑外，孕中國(guó)蹈水稻杠平均焰氮素械利用