全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2008, 25 (5): 516-525, w w w .chinbullbotany.com
收稿日期: 2007-12-05; 接受日期: 2008-03-07
基金项目: 国家自然科学基金(No. 30370121)
* 通讯作者。E-mail: zhanglixin@ibcas.ac .cn
.综述.
高等植物碳循环基因工程研究进展
魏松涛 1 , 迟伟 2 , 张立新1, 2 *
1兰州大学生命科学学院, 兰州 730000
2中国科学院植物研究所, 光合作用与环境分子生理学重点实验室光合作用研究中心, 北京 100093
摘要 高等植物根据其CO2同化方式的不同, 可分为C 3植物、C 4植物和CAM植物。由于C 4植物特殊的光合作用方式, 其光合
能力明显高于C 3植物。然而, 大多数农作物都是C 3植物。为了改善C 3植物的光合能力, 人们试图通过转基因的方法来改造C 3
作物, 以提高主要农作物如水稻(Oryz a sativa )、小麦(Tri ticum aestivum )和大豆(Glycine m ax)等的光合生产力, 并在这些
方面做了很多有益的尝试。该文主要综述了通过转基因方法改善碳循环能力的一些进展, 并对一些尚需深入研究的问题进行
了探讨。
关键词 碳循环, 基因工程, 光合作用
魏松涛 , 迟伟 , 张立新 (2008). 高等植物碳循环基因工程研究进展. 植物学通报 25, 516-525.
随着我国人口的不断增长以及可利用土地资源的不
断减少, 水稻(Oryza sativa)和小麦(Triticum aest ivum)
等粮食作物生产正面临着巨大的挑战, 其挑战之一就是
在现有的基础上, 如何进一步提高作物产量, 以满足人们
日益增长的需求。矮秆技术和杂种优势的应用, 虽然使
作物产量有了大幅度提高, 但近年来, 许多农作物增产幅
度并不大。由于光合作用是作物产量形成的物质基础,
现有作物如水稻等的高产品种的光能利用率仅为 1%-
1.5%, 而理想的光能利用率为 3%-5%。在现有基础上
提高作物的光合能力, 可能是进一步提高光合生产力和作
物产量的途径 (Jiao et al. , 2001)。
光合作用是利用光能将CO2转化为碳水化合物, 并
释放O2的化学反应过程。其中, 光能的吸收、传递和
转换是在叶绿体的类囊体膜上进行的, 而CO2同化的循
环过程则是在叶绿体基质中进行的。近年来围绕着如
何通过调节植物的碳循环来改善植物的光合效率做了大
量工作。目前这方面的研究进展主要集中在以下几个
方面: 一是将C4循环途径引入C3植物; 二是对碳循环关
键酶的改造; 三是对植物光呼吸的抑制等。
1 C4循环途径引入C3植物
根据碳同化途径的差别, 陆生植物主要可以分为 C3 植
物、C4 植物和CAM 植物 3种。具有 C4 光合途径的一
类植物称为C4植物 (Kortschak et al. , 1965; Hatch,
1987)。与C3植物明显不同, 在 C4植物中存在着一个
由叶肉细胞和维管束鞘细胞组成的花环状结构, CO2
在叶肉细胞中首先被固定生成四碳酸, 随之被转运至
维管束鞘细胞并脱羧生成 CO2, 重新被核酮糖 -1, 5-
二磷酸羧化酶 / 加氧酶 (ribulose-1, 5-bisphosphate
carboxylase/oxygenase, Rubisco) 固定而进入所谓的
C 3 途径。
从进化上看, C4 植物可能是在白垩纪时代大气中
CO2浓度剧烈降低时由 C3植物进化而来的 (Ehleringer
et al. , 1991)。因此 C4植物的出现是自然选择的必然
结果。据统计, 地球上的高等植物主要是 C3植物, 其中
包括许多重要的粮食作物。但数量上并无优势的C4 植
物与 C3 植物相比, 却存在着巨大的生存优势。在 C3 植
物中, 由于 Rubisco的CO2结合位点能够竞争性地结合
517魏松涛等: 高等植物碳循环基因工程研究进展
O2 而发生光呼吸作用, 使 CO 2 的固定效率大幅下降
(Voznesenskaya et al., 2001)。一般情况下 (21%O2,
0.035%CO2), 光呼吸作用使CO2的固定效率通常会下
降 30%-40%。在高温、高光强以及干旱等胁迫条件
下, 由于气孔的关闭使叶肉细胞中 CO2 浓度急剧下降,
CO2固定效率的下降尤为明显。与 C3 植物不同, C4 植
物固定CO2的酶为磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 (phospho-
enolpyruvate caroxylase, PEPC)。与 Rubisco相比,
PEPC对CO2的亲和力更高。在C4植物的叶肉细胞中,
CO2首先被固定生成四碳酸, 转运至维管束鞘细胞中脱
羧, 大大地提高了Rubisco 的 CO2结合位点的 CO2 浓
度, 整个花环状结构充当了一个 CO2 泵。这种 CO2 的
浓缩机制一方面提高了 Rubisco的羧化能力, 另一方面
又抑制了Rubisco 的加氧能力, 降低了光呼吸(Furbank
and Taylor, 1995)。因此, 在相同生理条件下, 与 C3植
物比较, C4 植物具有更高的光合效率。
随着研究工作的不断深入, 人们逐渐发现了一些新
的C4光合途径类型, 这进一步丰富了人们对植物光合途
径的认识。在 Flaverial属植物中, F. t rinervia是 C4 植
物, F. pringler是 C3植物, 而 F. chloraefol ia 和 F.
linearis 却是介于 C3和C4植物之间的C3-C4型植物(Ku
et al. , 1991)。在亲缘关系较为密切的同一属中出现了
3种不同的光合类型, 不仅为进化提供了佐证, 而且更激
起了人们的研究热情。C3植物与 C4植物的区分不是绝
对的, 大量的研究表明: 在同一种植物中可能同时存在着
C3和 C4 两种光合途径, 不过是谁占优势的问题。例如
在粟米草属中, 同时存在C3和C4两种光合类型, 嫩叶属
于 C 3 途径, 老叶属 C 4 途径, 中部叶属于中间类型
(B lac k , 1973 )。宽叶香蒲(Typha la t i f ol i a)和芫荽
(Coriandrum sat ivum)也存在类似情况。光合途径的改
变, 不仅与植物不同的发育阶段相关, 而且与其所处的环
境条件也密切相关。一种两栖植物黑藻(H y d r i l l a
verticil lata)在冬季进行C3代谢, 而在夏季水生条件下则
进行 C4代谢 (Magnin et al., 1997)。这些研究结果不
仅为我们从新的角度研究C4植物提供了素材, 更重要的
是它向我们表明: 即使没有完整的花环状结构, 植物在单
一的叶肉细胞内仍然能够进行C4 光合代谢。为此, 有
研究者提出了在 C3 植物叶肉细胞叶绿体中建立一个类
似于 C4 循环的模型, 这为通过遗传操作提高 C3 植物的
光合效率提供了理论依据 (Edwars et al., 2004)。
随着分子生物学的快速发展, 特别是许多与C4光合
作用途径相关的关键酶 PEPC、NADP-ME和PPDK等
的基因已从高粱(Sorghum vulgare)和玉米(Zea mays )
等 C4植物中克隆出来, 并且可以在C3 植物中进行组织
特异性表达, 采用的C4基因有 Pepc、Ppdk 和 Nadp-
Me等, 受体植物主要有烟草(Nicotiana tabacum)、拟
南芥(Arab idops is thaliana)和水稻等。
1.1 PEPC
PEPC在碳循环中具有重要作用, 它是 C4与 CAM植物
CO2 同化途径中最初反应的酶, 该酶对CO2的结合力非
常强, 它对 CO2 的 Km 仅约为 7 mmol.L-1, 因此利用
PEP C进行转基因研究的比较多。
Hudspeth等(1992)将玉米 Pepc转入烟草中, 所得
到的转基因植株的PEPC活性比非转基因植株高 2倍,
但是转基因植物的CO2补偿点和光合效率没有明显的改
变。 Kogami等(1994)将玉米的Pepc基因转入烟草, 也
获得了 PEPC活性为对照的 2倍的转基因植株。然而
不但转基因植株的光合效率没有明显的改变, 而且, 其生
长速率比对照低, 单位叶面积的叶绿素含量也有所降
低。G e h l e n 等 ( 1 9 9 6 )将 C o r y n i b a c t e r i u m
glutanicum、E. coli和 Flaverial trinervia的 Pepc 基
因转入马铃薯(Solanum tuberosum), 所获得的转基因
植株的PEPC活性是未转基因植株的 2-12倍。Tanabe
等(2000 )将玉米 Pepc 基因转入 C3-C 4 中间类型植物
Moricandia arvensis 中, 得到的转基因植株的PEPC活
性是对照的2倍, 但对光合作用没有明显的影响, 而且子
代表现出严重的生长缺陷。尽管上述转基因植株的酶
活性都有了很大的提高, 但对光合作用却没有很大的影
响, 对提高产量也没有明显改善。而且转基因植株的
PEPC活性远比C4植物低, 不能达到提高光合效率的目
的。Häus ler等(1999)发现, 超表达 Pepc 转基因植株
的CO2补偿点比对照稍有下降, 但同时转基因植株的暗
呼吸和光呼吸都有所加强。另外, PEPC的羧化作用增
518 植物学通报 25(5) 2008
强, 这导致叶肉细胞中的CO2/O2比率增大, 在一定程度
上使植物在进行光合作用时的呼吸作用降低。但研究
显示, 单独过表达一个Pepc基因, 不可能对水稻的产量
有很大的影响(Häusler et al. , 1999)。
Ku等将整个玉米的Pepc基因转入水稻, 所得到的
转基因植株 PEPC活性比对照高 2-30倍, 甚至比玉米
高 2-3倍, 达到叶片可溶性蛋白的 12%。氧气对光合
作用的抑制作用也下降了 20% , 种子产量比原种提高
10%-12% (Ku et al., 1999, 2000)。而且, 这种特性
在子代也能稳定遗传。Jiao等(2002)研究了转玉米 C4
光合酶Pepc基因的水稻在大田生长状态下的生理特征,
发现转Pepc基因的水稻的净光合速率比对照高20.2%,
羧化效率也提高了 57%, CO2补偿点降低 32%。在高
光强下, 与对照相比, 转Pepc基因水稻中Rubisco羧化
酶活性变化不明显, 但碳酸酐酶 (carbonic anhydrase,
CA)诱导活性增加 1.8倍, 表明光合特性得到显著改善
(Jiao et al., 2002)。Zhang等(2003)将高粱的C4型
Pepc 基因转入水稻的核基因组, 并获得高水平表达植
株。生理学检测结果表明, 转基因植株的光呼吸速率和
CO2补偿点显著降低, 光饱和速率和羧化效率提高, 显示
出 C4 植物的光合特征。陈绪清等(2004)将玉米C4 型
Pepc基因转入小麦, 发现部分转基因植株叶片中PEPC
酶活性提高了 3-5倍, 对转基因小麦旗叶光合生理指标
的测定结果表明, 部分转基因植株光合速率有所提高, 并
且气孔的开放程度与叶片中的PEPC活性紧密相关, 说
明完整的玉米C4型PEPC基因在小麦中可以正确表达,
并起到一定的生理作用。Lebouteiller等(2007)将高粱
的 Pepc基因成功地转入拟南芥。转基因植株叶片中的
PEPC活性是非转基因植株的10倍, 其种子的干重和全
蛋白的含量均为对照的 30倍。这些C4光合基因成功导
入 C3植物的研究, 使通过分子手段来改善碳循环, 从而
改善 C 3 作物光合作用以提高其光合效率成为可能
(Matsuoka et al. , 2001)。
1.2 PPDK
Ppdk 基因已经从玉米等 C4 植物中克隆出来 (Ishimaru
et al. , 1997)。将由拟南芥 RbcS 启动子和 CaMV35S
启动子控制的玉米Ppdk 基因转入拟南芥中, 并在叶绿体
中表达, 转基因植株中的 PPDK活性为对照的 4倍, 但对
光合作用和产量的提高影响不大(Ishimaru et al., 1998)。
他们还将玉米的 Ppdk 基因转入马铃薯中, 转基因
植株的 PPDK 活性比对照高 5.4倍。在转基因马铃薯
中, 其叶片中 PPDK活性与丙酮酸含量呈负相关而与苹
果酸含量呈正相关, 但是可能由于 Ppdk的表达量太低,
转基因植株中碳代谢的改变对光合作用的影响很小, 在
上述转基因植株中, CO2气体交换没有变化 (Ishimaru et
al. , 1998)。高水平表达玉米 Ppdk 使转基因水稻叶片
的含 N量升高, 但Rubisco含量、叶绿素含量以及CO2
同化速率都下降。Fukayama 等 (1999)将玉米的Ppdk
基因转入水稻, 转基因植株的PPDK活性比对照高20倍
以上, 达到玉米的 40.3%。但是在这些转 Ppdk 基因植
株中均没有发现明显的生理特征的改变。
Sheriff 等 (1998)将兼性 CAM 植物Mesembryan-
themum crystall inum的叶绿体Ppdk基因转入烟草并过
表达, 转基因烟草每个蒴果中的种子数比野生型多约
40%, 蒴果也比野生型的增重约 20%, 叶片中PPDK 活
性增加了 1.5倍。这些结果在同样转细胞质中的Ppdk
时没有观察到。对于 Ppdk与提高作物产量之间关系的
机理, 目前还不是很清楚, 可能过表达叶绿体中的Ppdk ,
能增加与种子相关的器官如荚和穗等的光合效率。因
此, 通过过表达叶绿体中的 Ppdk 来提高作物的产量也
许是一条可行的途径(Matsuoka et al., 2001)。
1.3 NADP-ME
Ku 等 (1991)指出, Nadp-me基因的活性与光呼吸的速
率呈负相关。因此将 Nadp-me转入到 C3植物中, 可能
是降低C3植物的光呼吸, 提高其光合效率的一个有效途
径。但是少数研究工作表明, Nadp-me活性的提高对
提高植物的光合效率似乎没有多大作用, 有些研究报道
还指出它的表达与光合效率呈负相关。Chi 等(2004)将
高粱的 Nadp-me转入水稻, 转基因植物中酶的活性提
高了 1-7倍, 但是对CO2 的同化作用影响不大。同时
Jiao 等 (2001)研究了转玉米C4光合酶 Nadp-me基因
水稻, 发现虽然外源C4光合基因在水稻中能正确且高效
519魏松涛等: 高等植物碳循环基因工程研究进展
表达, 转 Nadp-me 基因水稻的ME 酶活性也高达原种
的 5倍, 达到玉米的 50%, 但转基因水稻的光合效率却
没有提高。
Takeuchi 等 (2000)将玉米的Nadp-me转入水稻,
在转基因植物的叶片中 NADP-ME 酶活增加了 20-70
倍, 但转基因植物的叶绿体生长畸形, 没有类囊体膜垛叠
在一起而构成的基粒。而且, 叶绿素的含量和光系统 II
的活性与Nadp-me的含量成反比。由此推测, 过表达
Nadp-me对光合作用和作物的产量会产生不利的影响。
由于 C3 植物并不具备 C4 植物的花环状结构, 因此
人们对通过基因工程手段将 C4光合酶基因导入C3植物
中, 能否建立一个有效的C 4 循环途径一直存在疑虑。
近来对不具备花环状结构的水生植物黑藻的研究发现:
在某些环境条件下, 黑藻在叶肉细胞内能进行完整的C4
碳同化, 并不需要花环状结构 (Magnin et al. , 1997)。
最近在 C3植物烟草的茎和叶柄中也观察到了完整的C4
循环途径, 只不过以微弱的形式存在。据此, 有研究者
提出了 C3 植物叶绿体微循环的概念, 用以解释 C3 途径
和 C4途径的相互转化。这些研究说明, C3和C4 途径可
能不是截然分开的, 它们可能只是植物体内相互补充并
且在某种条件下可以相互转化的两条光合代谢途径。
因此通过遗传操作在 C3植物中建立或者加强C4循环途
径理论上是完全可行的。通过同位素示踪的手段在转
Pepc基因和转Pck基因水稻中观察到了初级的CO2浓
缩机制 (Suzuki et al., 2000; Jiao et al. , 2003), 也有力
地支持了这一观点。这些证据使人们逐渐意识到: 在不
具备花环状结构的C3植物中, 对植物体内代谢途径通盘
考虑后, 通过有选择的遗传转化, 有可能建立起有效的
C4 碳同化循环。
2 碳循环
目前对碳循环的改善主要集中在两个方面, 一是对
Rubisco的改造; 另一方面是关于 SBPase活性的改善。
2.1 Rubisco
Rubisco是碳循环中的关键酶, 它是一个双功能酶。该
酶既能催化碳循环中的第一步CO 2 固定反应, 即催化
RuBP的羧化反应, 生成 2分子的 3-磷酸甘油酸, 同时
又能催化 RuBP的加氧反应, 生成 1分子的 3-磷酸甘油
酸和 1分子的磷酸乙醇酸。羧化反应和加氧反应所产生
的3-磷酸甘油酸参与碳循环, 而加氧反应产生的磷酸乙
醇酸被氧化分解成CO2, 释放到空气中。可见, Rubis-
co在这两种代谢中起着重要的枢纽作用, 它调节着细胞
中碳的流向。Rubisco的活性不但影响 CO2 的固定效
率和作物的产量, 而且 Rubisco是叶绿体中含量最为丰
富的蛋白, 占叶子可溶性蛋白的 50% 以上。由于它是
植物光合作用过程中固定CO2的关键酶, 同时也参与植
物的光呼吸代谢途径, 消耗植物光合作用合成的有机物,
由此造成的净光合效率损失高达 20%-50% (Lundqvist
and Schneider, 1991; Ashida et al., 2005)。因此,
Rubisco效率的改善对提高植物的光合作用效率具有重
要意义。
关于 Rubisco的结构特征、活性以及调控机制已
经有了相当多的报道(Spreiter and Salvucc i, 2002)。由
于 Rubisco可同时催化 RuBP 的羧化反应和加氧反应,
因此, 羧化 / 加氧反应的强弱直接影响植物的光合效
率。Rubisco的羧化反应和加氧反应速率由空气中CO2
和O2的浓度以及 Rubisco的羧化和加氧反应常数的比
值决定。不同来源的植物Rubisco的羧化和加氧反应
常数的比值不同, 同一来源的为一常数。因此, 人们希
望通过对 Rubisco分子进行改造, 来提高其羧化和加氧
反应常数的比值, 从而提高Rubisco固定 CO2的效率。
研究表明Rubisco大亚基上一些氨基酸残基被取代可显
著改变这一比值 (Chen et al., 1990, 1993)。对莱茵
衣藻(Chlammydomonas reinhardti i)光合作用缺陷型突
变体及 Rubisco 的研究表明, 位于大亚基的 a/b桶状结
构之中的 Loop-6区以及附近的氨基酸残基被其它氨基
酸替换, 能够降低或升高羧化 / 加氧反应常数的比值
(Chen and Spreitzer, 1989)。在藻类中已有成功增加
Rubisco的羧化和加氧反应常数比值的报道(Read and
Tabita, 1994; Ramage et al., 1998), 但是在高等植物
中还未见报道。Uemura在1997年指出海藻中Rubisco
的羧化和加氧反应常数的比值要比高等植物中的高, 其
520 植物学通报 25(5) 2008
中有些嗜热红藻中该比值比高等植物中的高1.5-2倍以
上 (Uemura et al. , 1997), 这再一次从理论上为利用现
代生物学技术改进粮食作物品种提供了诱人的前景
(Mann, 1999)。
虽然 Rubisco在叶片中的含量很高, 但它的催化效
率却很低, 钝化态的 Rubisco必须经过 Rubisco活化酶
(Rubisco act ivase, RCA)的活化才能表现出羧化 /加氧
活性 (Salvucc i et al. , 1985; Crafts -Brandner and
Salvucc i, 2000)。RCA 广泛存在于光合生物中, 是植
物进行光合碳同化的关键酶。它参与调节光合作用和
光呼吸的关系 , 其含量及活性与光合速率密切相关
(Lorimer, 1981; Salvucci and Ogren, 1996)。RCA 是
由核基因编码的叶绿体蛋白, 能使生理条件下失活的
R u b i s c o 活化, 在光合速率调节中起着重要作用
(Salvucci and Ogren, 1996; 韩鹰等, 2000)。目前, 虽
然对 RCA 调节 Rubisco的机理尚不是很清楚, 但关于
RC A 基因工程的研究已经很深入。现已克隆了菠菜
(Spinacia oleracea)、拟南芥 (Werneke et al., 1989)、
玉米、水稻 (To et al., 1999)和棉花(Gossypium spp.)
(Salvucc i and van de loo, 2003)等植物的 RCA 基因的
cDNA , 并对转基因植株的生理生化特性进行了研究。
例如烟草、拟南芥 (Sha rkey et al . , 2001 )和大豆
(Glycine max) (Jiang et al. , 1994)的转反义RCA植株,
RCA 含量和Rubisco的活性均下降, 同时光合作用减
弱, 而且烟草转反义RCA基因在热胁迫 (42°C)下与野生
型相比, 野生型的光合作用几乎完全恢复, 而转基因植株
则恢复很少 (Motohashi et al., 2001)。
总之, Rubisco和RCA相互联系又相互制约的关系使
我们意识到, 对RCA的改善可能会为提高植物的光合作用
效率提供一个新的方法 (Spreiter and Salvucci, 2002)。
2.2 SBPase
景天庚酮糖 -1, 7-二磷酸酯酶 (sedohept ulose-1,7-
biphosphatase, SBPase)是碳循环的关键酶, 与RUBP
的再生有关。在叶绿体基质中进行的碳循环是高等植
物进行碳同化的主要途径。碳同化产物或者离开碳循
环参与蔗糖/淀粉的生物合成, 或者继续进行所述循环以
再生碳受体分子, 即 RUBP。SBPase是一种催化该分
支区的一个基本不可逆反应的酶, 在该分支区中间产物
可以离开所述循环, 因此该酶可能对调解所述循环的再
生阶段与蔗糖及淀粉生物合成之间的碳分配时至关重
要。SBPase没有已知的胞质对应物, 并且据报道仅在
叶绿体中发现了该酶, 它将景天庚酮糖 -1 , 7 -二磷酸
(SBP)去磷酸化, 生成景天庚酮糖 -7-磷酸和无机磷酸。
该酶对 SBP具有特异性, 并受到其产物、甘油酸 (Sch-
imkat et al. , 1990)以及果糖- 2, 6 -二磷酸 (Cadet and
Meunier, 1988)的抑制。
有报道显示: 使用反义技术去除烟草植物中80%以
上的SBPase酶活性, 会导致缺绿症, 生长速度降低, 以
及碳同化水平降低 (Harrison et al., 1997)。此外, 还
观察到光系统 II的量子效率降低, 导致叶片中的糖类累
积量降低。这些结果显示SBPase是糖类代谢中可能
的限速步骤。
Yoshiko将蓝细菌(Cyanobacteria sp.)的SBPase
(FBPase)基因转入烟草过量表达后, 转基因烟草的干物
质产量和净光合速率分别提高了 1.5倍和 1.24倍, 酶的
活性也明显提高。转基因植物和野生型的杂交后代, 在
生长至 12 周后, 转基因植物的后代高度是野生型的
1.9倍, 根、茎、叶都明显比野生型大得多。另外, 根
的鲜重是野生型的 3 倍。然而, 单位面积叶绿体和全
蛋白含量却没有变化。而且在光学显微镜和电子显微
镜下, 都没有发现转基因植物的叶子变厚和叶绿体结构
发生改变。
Lefebvre等(2005)将拟南芥的SBPase基因转入烟
草中并过量表达, 发现转基因植物在生长的早期表现出
光合效率和生长量明显增加的特征, 但在成熟的植株中
却没有明显改变。
到目前为止有关SBPase的转基因研究还很少, 而
且也只是集中在对烟草的转化, 很少有针对农作物如水
稻等的转化。基于前人的实验结果及 SBPase在碳循
环中的重要作用, 推测将其转入农作物如水稻中可能也
会像 SBPase (FBPase)转基因烟草一样在一定程度上
521魏松涛等: 高等植物碳循环基因工程研究进展
提高生物产量, 可见 SBPase对提高作物产量可能有潜
在的影响。
3 光呼吸的抑制
光呼吸是一种光下消耗O2, 放出 CO2 的过程。光呼吸
降低了光合作用的效率, 因为光呼吸需要氧化光合作用
中产生的还原型碳原子 , 同时消耗大量的能量。
Rubisco除了作为羧化酶, 催化将CO2添加到RUBP, 生
成 2分子 3-磷酸甘油酸外, 也可作为加氧酶, 将 RUBP
裂解成 3- 磷酸甘油酸和磷酸乙醇酸。由于磷酸乙醇酸
不能被碳循环利用, 所以是碳同化的废物。磷酸乙醇酸
的合成, 不仅浪费能源和碳源, 而且磷酸乙醇酸的积累可
能会杀死植物本身, 因为这种物质能够抑制丙糖磷酸异
构酶 (triose-phosphate isomerase)的活性, 从而破坏
了叶绿体基质中甘油醛-3-磷酸与二羟丙酮 (dihydroxya-
cetone)的平衡。
在改善植物碳循环的结构上, 人们一直没有停止探
索的步伐。最近 Kebeis 等(2007)另辟蹊径将 Escheri-
chia coli中的乙醇酸分解途径引入拟南芥 (图 1), 以减
少由于光呼吸产生乙醇酸而使C3 植物固定的碳和氮损
失。E. coli 中的乙醇酸分解途径可以直接将乙醇酸转
变成甘油酸。这减少了 (但并未完全消除)乙醇酸通过
过氧化物酶体和线粒体进行光呼吸的量, 从而提高了植
物的光合效率, 进而提高了植物的产量。在其转基因植
物的生理特性上也有力地证明了这一点。转基因拟南
芥的生长速度快, 根和茎的生物量大, 可溶性糖的含量也
明显增加。这主要是由于新构建的碳循环体系减少了
拟南芥的光呼吸, 降低了O2对Rubisco羧化能力的竞争
抑制作用, 从而提高了光合效率。
图 1 C3植物光呼吸途径 (Leegood, 2007)
黑色: 碳循环中的Rubisco羧化反应; 蓝色: 利用乙醇酸进行的光呼吸途径, 最终产物为 2个二碳化合物和 1个三碳化合物; 红色: 大肠杆
菌的乙醇酸分解途径; GDC: 甘氨酸脱羧酶; TSA: 羟基丙二酸半醛; Serine: 丝氨酸; Glyoxylate: 乙醛酸
Figur e 1 Photorespiratory pathw ay of C3 plants in relation to a chloroplastic bypass for catabolism of glycolate to glycerate
(Leegood, 2007)
Black ar row s and metabolites indicate rubisco carboxy lation and the Benson-Calvin cycle w ithin the chloroplas t, w hereas blue
arrow s and metabolites depic t the normal photorespiratory pathw ay using glycolate, w hich ultimately conver ts tw o C2 mol-
ecules and one C3 molecule w ith the loss of CO2 and ammonia. Red arrow s and metabolites indicate the glycolate catabolic
pathw ay f rom Escher ichi a col i engineered into the Arabi dops is thal i ana chloroplast. GDC: Glyc ine decarboxylase; TSA :
Tartronic semialdehyde
522 植物学通报 25(5) 2008
Kebeis在碳循环改善上的大胆尝试, 取得了很大成
功, 也给了我们很多启发。 大肠杆菌的乙醇酸分解途径
既然能在拟南芥中建立, 那么在C3植物尤其是农作物如
水稻中是否也能建立, 是否也能表现出明显的抑制光呼
吸作用且提高光合效率的特性, 值得探索。需要指出的
是, 如前所述尽管抑制 C3植物的光呼吸, 在一定程度上
可以提高 C3植物的光合效率。但是光呼吸在 C3植物中
并不是一个可有可无的生理过程。因为光呼吸完全剔
除的突变体植株, 在普通大气条件下是致死的 (Tolbert,
1971; Takeba and Kzaki, 1998)。这说明光呼吸在 C3
植物中仍然是必不可少的(Rachmilevitch et al., 2004)。
因此, 进一步认识光呼吸在 C3植物中的特殊生理意义,
特别是其在整个碳代谢的平衡以及叶绿体、线粒体和
过氧化物酶体 3 个细胞器的信息和能量交流中的作用,
将具有重要意义 (Nunes-Nesi et al., 2008)。
4 存在的问题和展望
综上所述, 改善碳循环的方法很多, 且在理论研究上取得
了一定的进展, 为提高植物的光合效率提供了一些新线
索, 而其中一些成功的例子也向我们展示了通过改善碳
循环, 增强作物光合效率以提高作物产量的前景。但是
目前还存在一些难题, 比如 Lefebvre等(2005)将拟南芥
的 SBPase基因转入烟草中并过量表达, 虽然提高了光
合效率, 但只是对幼嫩植株有效, 对于成熟的植株几乎没
有任何作用; Kebeis等(2007)将大肠杆菌的乙醇酸分解
途径转入拟南芥中, 在筛选突变体时却很难得到纯合体,
这为基因的遗传和育种带来了困难。所有这些都表明
转基因技术在改善碳循环上的应用还不是很完善, 需要
我们继续努力探索。
参考文献
陈绪清 , 张晓东 , 梁荣奇 , 张立全 , 杨凤萍 , 曹鸣庆 (2004). 玉米
C4型Pepc基因的分子克隆及其在小麦中的转基因研究. 科学通
报 49, 1976-1982.
韩鹰 , 陈刚 , 王忠 (2000). Rubisco活化酶的研究进展. 植物学通报
17, 306-311.
Ashida H, Danchin A, Yok ota A (2005) . Was photosynthetic
Rubisco rec ruited by acquisitive evolution from rubisco-like
proteins involved in sulfur metabolism? Res Mic robi ol 156,
611-618.
Black CCJr (1973). Photosynthetic carbon f ixation in relation to
net CO2 uptake. Annu Rev Plant Physi ol 24, 253-286.
Cadet F, Meunier JC (1988). PH and kinetic studies of chloro-
plas t sedoheptulose-1,7-bisphosphatase from spinach
(Spinacia oleracea). Biochem J 253, 249-254.
Chen ZX, Spr eitzer RJ (1989). Chloroplast in transgenic sup-
press ion enhances the low CO2/O2 spec if icity of mutant ribu-
lose-bisphosphate carboxylase/oxygenase. J Biol Chem 264,
3051-3053.
Chen ZX, Green D, Westhoff C, Spreitze r RJ (1990). Nuclear
mutation restores the reduced CO2 /O2 spec if ic ity of
ribulosebisphosphate carboxylase/oxygenase in a tempera-
ture-condit ional chloroplas t mutant of Chl amydomonas
reinhardtii. Arch Biochem Biophys 283, 60-67.
Che n ZX, Hong S, Spreitzer RJ (1993). Thermal instability of
ribulose-1, 5-bisphosphate carboxylase/oxygenase from a
temperature-conditional chIoropIast mutant of Chl amydomo-
nas reinhardtii. Plant Physiol 101, 1189-1194.
Chi W, Zhou JS, Zhang F, Wu NH (2004). Photosynthetic f ea-
tures of transgenic rice expressing sorghum C4 type NA DP-
ME. Acta Bot Sin 46, 873-882.
Cr afts -Br andner SJ, Salvucci ME (2000). Rubisco activase
constrains the photosynthetic potential of leaves at high tem-
perature and CO2. Proc Natl Acad Sci USA 97, 13430-13437.
Edwar ds GE, France schi RR, Voznese nsk aya EV (2004) .
Single-cell C(4) photosynthesis versus the dual-cell (Kranz)
paradigm. Annu Rev Plant Biol 55, 173-196.
Ehler inger JR, Phillips SL, Schus ter WSF, Sandquist DR
(1991). Differential utilization of summer rains by desert plants.
Oecol ogia 88, 430-434.
Fuk ayam a H, Tuchida H, Onoder a H, Ono K, Makino A,
Matsuoka M , Tokutomi-Miyao M (1999). Eff ect of high
level express ion of the maize pyruvate orthophosphate
dikinase on photosynthesis rate and nitrogen partitioning in
transgenic rice plants. Jpn J Crop Sci 68, 80-81.
Furbank RT, Taylor WC (1995). Regulation of photosynthesis in
C3 and C4 plants: a molecular approach. Plant Cell 7, 797-807.
Gehlen J, Panstruga R, Smets H, Merkelbach S, Kleines M,
523魏松涛等: 高等植物碳循环基因工程研究进展
Porsch P, Ladung M, Becker L, Rademacher T, Häusler
PE, Hirs ch HJ (1996). Effects of altered phosphoenolpy ru-
vate carboxylase activit ies on transgenic C3 plant Solanum
tuberosum. Plant Mol Biol 32, 831-848.
Har rison EP, Willingham NM , Lloyd JC, Raines CA (1997).
Reduced sedoheptulose-1,7-bisphosphatase levels in
transgenic tobacco lead to decreased photosynthetic capac-
ity and altered carbohydrate accumulation. Pl anta 204, 27-
36.
Hatch MD (1987). C4 photosynthes is: a unique blend of modif ied
biochemistry anatomy and ultrastructure. Biochim Biphys Acta
895, 81-106.
Häusler PE, Kleines M, Uhrig H, Hirsch HJ, Smets H (1999).
Overexpression of phosphoenolpyruvate carboxylase f rom
Corynebacterium glutamicum low ers the CO2 compensation
point (G*) and enhances dark and light respiration in transgenic
potato. J Exp Bot 50, 1231-1242.
Hudspeth RL, Grula JW, Dai ZG, Edwards GE, Ku MSB (1992).
Expression of maize phosphoenolpy ruvate carboxylase in
transgenic tobacco. Plant Physiol 98, 458-464.
Ishimaru K, Ichikawa H, Matsuoka M, Ohsugi R (1997). Analy-
sis of a C4 maize pyruvate, orthophosphate dikinase expressed
in C3 transgenic Arabidopsis plants. Plant Sci 129, 57-64.
Ishimaru K, Ohkawa Y, lshige T, Tobias DJ, Ohsugi R (1998).
Elevated py ruvate, orthophosphate dikinase (PPDK) activ ity
alters carbon metabolism in C3 transgenic potatoes w ith a C4
maize PPDK gene. Phys iol Plant 103, 340-346.
Jiang CZ, Quick WP, Air ed R, Klie benstein D, Roderm el SR
(1994). A ntisense RNA inhibit ion of Rubisco activase
express ion. Plant J 5, 787-789.
Jiao DM, Huang XQ, L i X, Chi W, Kuang TY, Zhang QD, Ku
SBM, Chao DG (2002) . Photosynthetic characteristics and
tolerance to photo-oxidation of transgenic rice expressing C4
photosynthesis enzymes. Photosyn Res 72, 85-93.
Jiao DM, Kuang TY, L i X, Ge QY, Huang XQ, Hao NB, Bai KZ
(2003). Physiological characterist ics of the primitive CO2 con-
centrating mechanism in PEPC transgenic rice. Sci Chi na Ser
C-Life Sci 33, 33-39.
Jiao DM, Li X, Huang XQ, Chi W, Kuang TY, Maurice KSB
(2001). The characterist ics of CO2 ass imilation of photosyn-
thes is and chlorophyll f luorescence in transgenic PEPC r ice.
Chin Sci Bull 46, 1080-1084.
Ke beis R, Niess en M , Thir uvee dhi M, Bar i M , Hirsch HJ,
Rosenkranz R, Stäble r N, Schoänfeld B, Kr euzaler F,
Pete rhaänsel C (2007). Chloroplas tic photorespiratory by-
pass increases photosynthesis and biomass production in
Arabidopsis thal iana. Nat Biotechnol 25, 593-599.
Kogami H, Shono M, Koike T, Yanagisawa S, Izui K, Sentoku
N, Tanifu ji S, Uchimiya H, Toki S (1994). Molecular and
physiological evaluation of transgenic tobacco plants express-
ing a maize phosphoenolpy ruvate carboxylase gene under
the control of the caulif low er mosaic v irus 35S promoter.
Transgenic Res 3, 287-296.
Kortschak HP, Hartt CE, Burr GO (1965). Carbon dioxide f ixa-
tion in sugarcane leaves. Plant Physi ol 40, 209-213.
Ku MSB, Agarie S, Nomur a M , Fuk ayama H, Tsuchida H,
Ono K, Hirose S, Toki S, Miyao M, Mats uoka M (1999).
High-level expression of maize phosphoenolpyruvate carboxy-
lase in transgenic rice plants. Nat Biotechnol 17, 76-80.
Ku MSB, Cho D, Ranade U, Hsu TP, Li X, Jiao DM, Ehleringer
J, Miyao M, Matsuok a M (2000). Photosynthetic perfor-
mance of transgenic rice plants overexpressing maize C4 pho-
tosynthesis enzymes. In: Sheehy JE, Mitchell PL, Hardy B,
eds. Redesigning Rice Photosynthesis to Increase Yield.
Philippines: International Rice Research Institute. pp. 193-204.
Ku M SB, Wu JR, Dai Z, Scott RA, Chu C, Ewards GE (1991).
Photosynthetic and photorespiratory characterist ics of
Flaveria species. Plant Physi ol 96, 581-528.
Le boute iller B, Gous set -Dupont A, Pierr e JN, Bleton J,
Tchapla A, Maucourt M, Moing A, Rolin D, Vidal J (2007).
Physiological impacts of modulating phosphoenolpyruvate car-
boxylase levels in leaves and seeds of Arabidopsi s thaliana.
Plant Sci 172, 265-272.
Leegood RC (2007). A w elcome diversion from photorespiration.
Nat Biotechnol 25, 539-540.
Lefebvre S, Lawson T, Fryer M, Zakhleniuk OV, Lloyd JC,
Raine s CA (200 5) . Inc re ased sedo heptulose -1,7-
bisphosphatase activity in transgenic tobacco plants stimu-
lates photosynthesis and grow th f rom an ear ly s tage in
development. Plant Physi ol 138, 451-460.
Lorime r GA (1981). The carboxylation and oxygenation of ribu-
lose-1, 5-bisphosphate: the primary events in photosynthesis
and photorespiration. Annu Rev Pl ant Physi ol 32, 349-
383.
524 植物学通报 25(5) 2008
Lundqvist T, Schneider G (1991). Crys tal structure of acti-
vated ribulose-1, 5-bisphosphate carboxylase complexed w ith
its substrate, r ibulose-1, 5-bisphosphate. J Biol Chem 266,
12604-12611.
Magnin NC, Cooley CA, Reisk ind JB (1997). Regulation and
localization of key enzymes during the induction of Kranzless,
C4-type photosynthesis in Hydr illa lerticill ata. Plant Phys iol
115, 1681-1689.
M ann CC (1999) . Genetic engineers aim to soup up c rop
photosynthesis. Science 283, 314-316.
Matsuoka M, Furbank R, Fukayama H, Miyao M (2001). Mo-
lecular engineering of C4 photosynthesis. Annu Rev Plant
Physiol Plant Mol Biol 52, 297-314.
Motohashi K, Kondoh A, Stumpp MT, His abor i T (2001) .
Comprehensive survey of proteins targeted by chloroplast
thioredoxin. Proc Natl Acad Sci USA 98, 11224-11229.
Nunes -Nes i A, Sulpice R, Gibon Y, Fernie AR (2008) . The
enigmat ic contr ibut ion of mitoch ondr ial f unc tion in
photosynthesis. J Exp Bot 60, 1-10.
Rachmilevitch S, Cousins AB, Bloom AJ (2004). Nitrate as-
similation in plant shoots depends on photorespiration. Proc
Natl Acad Sci USA 101, 11506-11510.
Ramage RT, Read BA, Tabita FR (1998). Alteration of the alpha
helix region of cyanobacterial ribulose-1, 5-bisphosphate car-
boxylase/oxygenase to reflect sequences found in high sub-
strate spec if icity enzymes. Arch Biochem Biophys 349, 81-
88.
Re ad BA, Tabita FR (1994). High subs trate spec if icity f actor
ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase f rom eukary-
otic marine algae and properties of recombinant cyanobacterial
Rubisco containing algal residue modif ications. Arch Biochem
Biophys 312, 210-218.
Salvucci ME, Portis AR, Ogren WL (1985). A soluble chloro-
plast protein catalyzes ribulose bisphosphate carboxylase/
oxygenase activation in vivo. Photosyn Res 7, 193-201.
Salvucci ME, Ogren WL (1996). The mechanism of Rubisco
activase: insight from studies of the properties and structure
of the enzyme. Photosyn Res 47, 1-11.
Salvucci ME, van de loo FJ (2003). Tw o isoforms of Rubisco
activase in cotton, the products of separate genes not alter-
native splicing. Planta 216, 736-744.
Schimkat D, Heineke D, Heldt HW (1990) . Regulation of se-
doheptulose-1, 7-bisphosphatase by sedoheptulose-7-phos-
phate and glycerate, and of fructose-1, 6-bisphosphatase by
glycerate in spinach chloroplas ts. Planta 181, 97-103.
Shar ke y TD, Badge r MR, Cae mm er er SV, Andr ew s TJ
(2001). Increased heat sensitivity of photosynthesis in tobacco
plants w ith reduced Rubisco activase. Photosyn Res 67, 147-
156.
She riff A, Meyer H, Riede l E, Schmin JM, Lapke C (1998).
The influence of plant py ruvate orthophosphate dikinase on a
C3 plant w ith respect to the intracellular location of the enzyme.
Plant Sci 136, 43-57.
Spreiter RJ, Salvucci ME (2002) . Rubisco: s ructure, regulatory
interactions , and possibilities for a better enzyme. Annu Rev
Plant Biol 53, 449-475.
Suzuk i S, Mur ai N, Burne ll JN, Arai M (2000). Changes in
photosynthetic carbon f low in transgenic r ice plants that ex-
press C4-type phosphoenopy ruvate carboxykinase f rom
Urochloa panicoides. Plant Physiol 124, 163-172.
Takeba G, Kzaki A (1998). Photorespiration is an essential mecha-
nism for the protec tion of C3 plants from photooxidation. In:
Satoh K, Murata N, eds. Stress Responses of Photosynthetic
Organisms. Amsterdam: Elsevier Science BV. pp.15-36.
Takeuchi Y, Akagi H, Kamasawa N, Osumi M, Honda H (2000).
Aber rant chloroplasts in transgenic r ice plants expressing a
high level of maize NADP-dependant malic enzyme. Pl anta
211, 265-274.
Tanabe M, Izui K, Toriyam a K (2000) . Production and analysis
of transgenic C3-C4 intermediate Moricandia arvensis express-
ing a maize C4 phosphoenolpyruvate carboxylase gene. Plant
Biotechnol 17, 93-98.
To KY, Suen DF, Che n SC (1999). Molecular characterization of
ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase activase in rice
leaves．Pl anta 209, 66-76.
Tolber t NE (1971) . Microbodies-peroxisomes and glyoxysomes.
Annu Rev Plant Physiol 22, 45-74.
Uem ur a KA, M iyachi S, Yok ota A (1997) . Ribulose-1,5-
bisphosphate carboxy lase/oxygenase f rom thermophilic red
algae w ith a s trong specif ic ity f or CO2 f ixation. Bi ochem
Biophys Res Commun 233, 568-571.
Vozne sens kaya EV, Frances chi VR, Kiirats O, Freitag H,
525魏松涛等: 高等植物碳循环基因工程研究进展
Edwards GE (2001). Kranz anatomy is not essential for ter-
restrial C4 plant photosynthesis. Nature 414, 543-546.
We rne ke JK, Chatfield JM, Ogr en WL (1989) . Alternative
mRNA splicing generates the tw o ribulose bisphosphate car-
Advances in Genetic Engineering of the Fixation of Atmospheric
CO2 in Higher Plants
Songtao Wei1, Wei Chi2, Lixin Zhang1, 2*
1Schoo l of Li fe Sci ence s, Lan zho u Un ive rsi ty, Lan zho u 7 300 00, Chi na
2Ph oto synthesis Research Center, Key La boratory o f Photosyn the sis an d En vironmental Mole cul ar Physiol ogy, In sti tute o f Bo tan y,
Ch ine se Aca demy of Scien ces, Bei jin g 10 009 3, Chi na
Abstr act Mos t terres trial plants, according to the method of atmospher ic CO2 assimilation, can be divided into 3 types: C3, C4 and
CA M plants. Because of the CO2 concentration mechanism, C4 plants exhibit higher photosynthetic ef f iciency than C3 plants .
How ever, many impor tant crops such as rice, w heat and soybean, are C3 plants. To improve the photosynthetic character ist ics of
C3 plants, researchers have tr ied to enhance the C4 photosynthetic capability to inc rease photosynthetic productivity in C3 plants.
Important progress has been made in genetic engineer ing. This paper discusses the progress made in improving the f ixation of
atmospher ic CO2 by transgenic approaches and problems that need to be addressed.
Ke y words carbon cycle, g enet ic eng ine erin g, ph oto synthesis
We i ST, Chi W, Zhang LX (200 8). Advances in gene tic en gin eeri ng of the fi xati on of atm osp heri c CO2 i n h igh er p lan ts. Ch in Bul l Bot
25 , 51 6-52 5.
* Author for correspondence. E-mail: zhanglix in@ibcas.ac.cn
(责任编辑: 孙冬花)
boxylase/oxygenase activase. Plant Cell 1, 815-825.
Zhang F, Chi W, Wang Q, Zhang QD, Wu NH (2003). Molecular
cloning of C4 specif ic Ppc gene of sorghum and its high level
expression in transgenic r ice. Chin Sc i Bull 48, 1835-1840.