转玉米C4型PEPC基因大豆植株的遗传与功能特性分析(2)
2、植物C3和C4途径的比较和研究进展
高等植物依据光合作用利用CO2的途径不同，可被分为C3植物、C4植物和景天酸代谢（CAM）植物。与C3植物中最初固定CO2的酶RuBPCase相比，C4植物最初固定CO2的酶为磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC），且表现出对CO2更高的亲和力。在C4植物中，叶细胞由文管束鞘细胞和叶肉细胞两类细胞组成，叶细胞构成“Kranz结构（花环结构）”。磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）首先与CO2反应，生成草酰乙酸、苹果酸等一些四碳化合物，PEPC起催化作用（吴梅等，2011），这些四碳化合物再继续被转移到文管束鞘细胞内进行脱羧反应，从而使被释放出的CO2被Rubisco再次固定。这既提高了RuBPCase的羧化能力，又有效抑制了RuBPCase氧化活性，降低了光呼吸，从而使C4植物表现出高光效的特点（Jeanneau et al, 2002）。PEPC是一类高效特异性表达的酶，它的酶活性既不受CO2浓度的影响也不受大气中O2浓度的影响，可将大气中低浓度CO2固定下来，并运输到文管束鞘细胞的叶绿体中供卡尔文循环利用，因此C4途径固定CO2能力比C3途径强，起到CO2泵的作用，从而使C4植物在较低的CO2浓度的条件下也能进行高效率的光合作用（潘瑞炽等，1993）。因此，在长期的进化过程中，C4植物形成在高温、高光照、低CO2浓度等逆性条件下，具有比C3植物更高的光能利用率及更强的适应力。
3、植物PEPC研究进展及应用研究
目前已知，PEPC作为C4植物光合作用途径的关键酶之一，广泛分布于高等植物、蓝藻和细菌中。其基因最早从大肠杆菌（Sabe 1984）和蓝藻（Katagiri et al, 1985）中克隆得到。在植物体，PEPC主要定位在细胞质中，是催化磷酸烯醇式丙酮酸与二氧化碳反应生成草酰乙酸呈不可逆反应的酶。目前，包括玉米（Hudspeth et al, 1989; Matsuoka et al, 1989）、大豆（Sugimoto et al, 1992）、马铃薯（Merkelbach et al , 1993）、高粱（Lepiniec et al, 1993）、水稻（Lin et al, 2004）、以及籽粒苋（李平，2010；冯端云等，2011）等许多植物的PEPC基因也被相继报道。
近年来，随着基因组学的发展和DNA重组技术的成熟，通过基因克隆、修饰和改造，成功实现了C4型PEPC酶在C3植物（烟草、水稻和小麦等）中的表达。例如：Ku等（1999）借助农杆菌转染法将包含启动子、终止子以及全部外显子和内含子的完整玉米PEPC基因导入水稻中，首次得到高效率表达的C4基因的C3植物。分析结果发现，85%的转基因水稻叶片中PEPC活性相对于对照提高了2~30倍，其中，PEPC活性最高可提高110倍。Fukayama等（2003）将玉米C4-PEPC基因转入水稻中发现，C4-PEPC在水稻中的表达水平越高，O2对其光合作用的抑制作用越低，会使抑制作用降低至20%左右。如果在大气条件下，转基因水稻CO2同化速率与野生型水稻则没有差别。Jiao等（2001）进行了转玉米C4型PEPC基因的水稻和野生型水稻的叶片气孔导度和光合速率在不同光照条件下的比较试验发现，700~1000 μmol/(m2•s)光照强度下，转基因水稻叶片的气孔导度比非转基因水稻高出80%，但是转基因水稻的光合速率与野生型水稻并没有显著的变化。这表明转C4型PEPC基因水稻CO2同化作用的提高可能不是因为气孔导度的提高，而可能是C4途径对CO2更高效的原因。
此外，Zhang等（2009）研究表明，在低光强和低温下条件下，转PEPC和PPDK双基因的水稻的光合作用与野生型水稻相比较并没有明显的不同，但在高光强和高温条件下转基因水稻的光合速率较野生型水稻提高了30%。张方等（2003）的研究表明高粱的C4型PEPC基因在水稻中的可以高效表达。Hudspeth等（1992）发现，在玉米C4型PEPC启动子控制下，烟草中玉米C4型PEPC基因在正常起始位点上游开始转录。而在烟草叶绿素a/b结合蛋白基因启动子控制下，转基因烟草中玉米C4型PEPC正常表达，并且PEPC活性是对照的两倍。马宏梅（2014）在转甘蔗PEPC基因的水稻中发现水稻光合效率、千粒重、每穗粒重及单株产量等均有较大提高。由于转基因植株发育状态的差异，以及转基因植株与对照不易保持完全一致的生育时期，因此当代转基因作物的光合生理指标测定结果不能全面准确地反映玉米等C4型PEPC基因的表达对水稻、小麦等C3作物光合作用的影响。转基因C3作物中光合生理的效应还需要通过转基因后代作进一步研究才能更加确定结论的准确性。
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