轉(zhuǎn)pepc基因秈稻恢復(fù)系“N175”產(chǎn)量相關(guān)性狀分析

馬宏敏

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 350003)

近年來，水稻育種的研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向高光效育種。C4植物具有光合效率高、CO2補(bǔ)償點(diǎn)低、幾乎沒有光呼吸等優(yōu)點(diǎn)，因而生物學(xué)產(chǎn)量也較高。在植物光合作用碳代謝過程中，CO2的固定同化及有機(jī)終產(chǎn)物的合成中起關(guān)鍵作用的酶，決定著植物光合效率的高低。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是C4植物光合CO2固定的關(guān)鍵酶之一，因此將C4型pepc基因?qū)隒3植物水稻中，有望大幅度提高水稻的光合效率，從而提高水稻單產(chǎn)。將C4型pepc基因?qū)隒3植物水稻中，是水稻高光效遺傳工程育種的基本設(shè)想。已有的研究表明，將來源于不同C4植物的pepc基因?qū)胨?，能夠提高其磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活性。Ku和Agarie將玉米C4Ppc基因?qū)刖綤itaaken和Nipponbare品種中，轉(zhuǎn)基因植株P(guān)EPC酶活性比非轉(zhuǎn)基因植株高2～110倍。張方等將高粱的pepc基因?qū)朕r(nóng)墾58和中花10兩個(gè)粳稻品種，有53%轉(zhuǎn)基因水稻植株的PEPC酶的活性與高梁葉片中的PEPC酶活性相當(dāng)，個(gè)別植株甚至超過高粱3倍。［1－2］福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所與福建農(nóng)林大學(xué)甘蔗研究所合作，將甘蔗pepc基因?qū)攵i稻恢復(fù)系N175，獲得了遺傳性狀穩(wěn)定的轉(zhuǎn)基因后代植株，其光合效率明顯提高［3］。本研究在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評(píng)價(jià)其產(chǎn)量相關(guān)性狀，探討通過轉(zhuǎn)基因方法提高光合效率實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的可能性。

1 材料與方法

1.1 材料

轉(zhuǎn)甘蔗pepc基因的秈稻恢復(fù)系N175(T6株系)與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ辗N子由福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所提供。轉(zhuǎn)基因供試材料為經(jīng)過世代繁殖，逐代檢測(cè)、選擇，得到第6代穩(wěn)定的種質(zhì)。

1.2 方法

2010年6月10日播種，5葉齡移栽，單本插栽4行，每行10株，株行距20.0 cm×23.3 cm，記載始穗日期，計(jì)算播始?xì)v期，成熟期取10株調(diào)查株高、單株穗數(shù)、穗長(zhǎng)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重和單株產(chǎn)量等產(chǎn)量相關(guān)性狀。

光合參數(shù)測(cè)定:始穗后，選擇天氣晴朗的上午10:00～12:00，選取轉(zhuǎn)基因植株與未轉(zhuǎn)基因植株各5株，對(duì)完全展開的健康的劍葉中部進(jìn)行測(cè)定，采用Li－6400型便攜式光合作用測(cè)定儀測(cè)定凈二氧化碳同化速率，系統(tǒng)設(shè)定光強(qiáng)1200 μmol/(m2·s)，環(huán)境溫度30℃左右。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合效率比較分析

從表1可以看出，轉(zhuǎn)基因植株的光合效率比非轉(zhuǎn)基因植株提高了29.56%，差異達(dá)顯著水平。說明導(dǎo)入的甘蔗pepc基因改善了秈稻恢復(fù)系N175的光合生理特性，增強(qiáng)了光合作用效率。而光合作用效率的提高，有可能進(jìn)一步提高N175的產(chǎn)量。

表1 轉(zhuǎn)甘蔗pepc基因的秈稻恢復(fù)系N175植株與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ展夂纤俾时容^

2.2 主要性狀比較分析

轉(zhuǎn)甘蔗pepc基因水稻與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ盏漠a(chǎn)量相關(guān)性狀見表2。由表2可見:轉(zhuǎn)基因植株與非轉(zhuǎn)基因植株相比較，在播始?xì)v期、株高、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率4個(gè)性狀上差異不顯著;穗長(zhǎng)、單株有效穗數(shù)2個(gè)性狀比非轉(zhuǎn)基因植株提高，差異達(dá)顯著水平;單株穗數(shù)、千粒重、單株產(chǎn)量3個(gè)性狀比非轉(zhuǎn)基因植株有明顯提高，差異達(dá)極顯著水平，特別是單株產(chǎn)量提高了15.60%，這與轉(zhuǎn)基因植株有較高的光合效率表現(xiàn)一致。由此可見，在秈稻恢復(fù)系N175中異源表達(dá)甘蔗pepc基因，通過提高植株的光合效率，使單株有效穗數(shù)、千粒重等重要產(chǎn)量性狀得以提升，從而達(dá)到增產(chǎn)目的。

表2 轉(zhuǎn)甘蔗pepc基因的秈稻恢復(fù)系N175植株與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ罩饕誀畋容^

3 討論

甘蔗是高光效的C4作物之一，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期長(zhǎng)，在其生長(zhǎng)發(fā)育過程中既有高溫潮濕強(qiáng)光下的快速生長(zhǎng)期，也有在較低溫或干燥條件下的糖分積累期。因此，甘蔗的C4型pepc基因與玉米或高粱的C4型pepc基因比較，有其表達(dá)特點(diǎn)。本研究所用的轉(zhuǎn)基因受體是福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所提供的優(yōu)質(zhì)秈稻恢復(fù)系N175，該恢復(fù)系已配組出多個(gè)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)雜交水稻新組合，并通過省級(jí)農(nóng)作物品種審定。以該恢復(fù)系作為轉(zhuǎn)基因受體，提高了本研究的起點(diǎn)，使研究結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)合得更加緊密。

C4型光合途徑是一種復(fù)雜的生理生化過程，涉及多個(gè)基因的協(xié)同表達(dá)。導(dǎo)入C4型pepc基因后，如何通過提高光合效率實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)目的，還需要在分子機(jī)理上進(jìn)行進(jìn)一步探討和闡明。目前已有的研究工作只是實(shí)現(xiàn)了單一的C4型光合酶基因在轉(zhuǎn)基因C3植物中的高水平表達(dá)，還沒有解決多個(gè)C4光合酶基因在轉(zhuǎn)基因C3植物中的協(xié)調(diào)表達(dá)和適宜有效表達(dá)的問題，多個(gè)C4光合酶基因在水稻中的聚合表達(dá)，可能對(duì)改善水稻的光合生理特性，提高光合作用效率具有更大的意義［4－5］。

［1］李霞，焦德茂，劉蔚，等.轉(zhuǎn)玉米PEPC基因水稻的農(nóng)藝性狀及生理特性［J］.江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，23(2):87－92.

［2］張慶琛，裴冬麗，任永哲，等.C4光合pepc基因轉(zhuǎn)化水稻和小麥研究進(jìn)展［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(11):42－44.

［3］張建福，孫亞萍，馬宏敏，等.轉(zhuǎn)甘蔗pepc基因秈稻恢復(fù)系N175的遺傳學(xué)分析 ［J］.分子植物育種，2009，7(4):666－670.

［4］凌麗俐，林宏輝，焦德茂.轉(zhuǎn)PEPC基因水稻種質(zhì)的穩(wěn)定光合生理特性 ［J］.作物學(xué)報(bào)，2006，32(4):527－531.

［5］王德正，焦德茂，吳爽，等.轉(zhuǎn)玉米pepc基因的雜交水稻親本的選育 ［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002，35(10):1165－1170.