全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 2期，2008年 4月 187
C4光合关键酶基因转化C3植物
罗遵喜，张树珍 *，杨本鹏
中国热带农业科学院热带生物技术研究所，海口 571101
Transformation of Genes of C4 Photosynthetic Key Enzyme into C3 Plants
LUO Zun-Xi, ZHANG Shu-Zhen*, YANG Ben-Peng
Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571101, China
提要：文章介绍 C4光合关键酶和转运蛋白基因转化 C3植物的研究进展。
关键词：C4光合关键酶；C3植物；转化
收稿 2007-10-16 修定 2008-03-05
资助 国家自然科学基金(3 0 5 6 0 0 8 1 )。
* 通讯作者(E-m a i l：zha ngsz .2 0 0 7 @ya hoo. com.cn；
Tel：0898-66892735)。
绿色植物光合作用是一切生物获得能量、食
物以及氧气的根本途径。植物的光合作用分为光
反应(light reaction)和暗反应(dark reaction)两个阶
段，光反应的实质是在光下产生同化力 ATP和
NADPH去推动暗反应的进行；而暗反应的实质是
用同化力将 CO2转化成稳定的碳水化合物。根据
CO2固定形式的不同，绿色植物光合作用的暗反
应可以分为C3、C4和景天科植物代谢(crassulacean
acid metabolism，CAM)等 3种不同途径。C3植物
中固定 CO2的酶为核酮糖 -1，5-二磷酸羧化 /加
氧酶( R u b i s c o )，初产物为 3 - 磷酸甘油酸( 3 -
phosphoglycerate，3-PGA) ；而在 C4植物中，除
C3光合途径外，还有与高效光合密切相关的C4光
合途径。C4植物中固定 CO2的酶为磷酸烯醇式丙
酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxlase，
PEPC)，它对底物CO2有较高的亲和力，且不受O2
的竞争抑制，形成的初产物为草酰乙酸(oxaloacetic
acid，OAA)。C4植物具有浓缩CO2机制，当其处
在高温、高光照强度、低 CO2浓度及干旱等条件
下仍具有相对较高的光合效率以及水分和氮素利用
效率。所以采用生物技术方法将C4光合关键酶基
因导入 C3植物(尤其是重要的农作物)，从而在 C3
植物中建立起C4循环，提高C3植物的光合生产能
力一直是人们关注的问题。
1 植物光合作用暗反应中的C3循环与C4循环
C3植物的维管束鞘细胞较小，几乎没有叶绿
体，无花环型(kranz type)结构，位于维管束鞘周
围的叶肉细胞排列松散。而C4植物叶中的维管束
鞘细胞较大，其中含有许多较大的叶绿体颗粒，
叶绿体没有基粒或基粒发育不良。在维管束鞘的
外侧紧密包围着一层环状或近环状排列的叶肉细
胞，组成花环型结构，这是典型 C 4植物的结构
特征，其叶肉细胞的叶绿体数目少，个体小，有
基粒，维管束鞘细胞与其临近的叶肉细胞之间有
大量的胞间连丝相连(匡廷云等 2004)。与 C3植物
相比，C4植物叶片在解剖结构上具有许多明显的
特征，这使得 C4植物具有 CO2浓缩机制。C3植
物的 C3循环是在单细胞中完成的，大气中的 CO2
直接通过 Rubisco催化的羧化反应进入 Calvin循
环，而C4循环是在叶肉细胞和维管束鞘细胞中协
同完成(图1)。首先，在叶肉细胞中，CO2以HCO3-的
形式为 PEPC催化固定，形成C4二羧酸——草酰
乙酸(OAA)，OAA再被还原为苹果酸(Mal)，然
后通过胞间连丝转移到维管束鞘细胞中，再迅速
在脱羧酶的催化下重新释放 CO2，参与 Calvin循
环，形成糖类；其次，在释放 CO 2 的同时产生
的丙酮酸(pyruvate，Pyr)又转移到叶肉细胞的叶
绿体中，在丙酮酸正磷酸二激酶(PPDK)的催化下
生成无机碳的受体磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，使光
合反应循环进行。由于 PEPC对其底物 CO2有较
高的亲和力，所以C4植物固定CO2的能力远大于
C3植物(王忠等 2000)。根据植物所形成的C4二羧
酸的种类以及脱羧反应参与的酶类，C4植物分为
3个亚型：叶绿体NADP-苹果酸酶(NADP-ME)催
专论与综述 Reviews
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化脱羧反应的NADP-ME型，如玉米、甘蔗、高
粱等；线粒体NAD-ME催化的NAD-ME型，如
马齿苋；以及胞质磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶
(phosphoenolpyruvate carboxykinase)催化的 PCK
型，如鼠尾草(Wyrich等 1998)。
2 C4光合关键酶和转运蛋白基因转化C3植物及其
产生的生理效应
随着C3和C4光合途径的深入研究和重组DNA
技术的不断发展，人们试图通过转基因的方法来
提高C4光合作用酶在C3植物中的活性，希望能在
C3植物中建立起一个类似于C4循环的光合途径(图
2)，并最终提高 C3植物的光合效率。迄今 C3植
物叶中表达C4循环酶基因的研究已取得一定的进
展。
2.1 PEPC转化C3植物 相对于 C3植物的 Rubisco
而言，C4植物的 PEPC对空气中的 CO2具有较高
的亲和力，且不受 O2的竞争抑制。早期的 C3植
物的遗传转化研究中，重点都集中在C4光合关键
酶 PEPC上。C4型 PEPC基因(Ppc)最早是从玉米
和黄花菊属植物 Flaveria trinervia中克隆(Izui 等
1986；Poetsch 等 1991)。玉米 C4型 PEPC的完整
基因约为 6.8 kb，由 10个外显子和 9个内含子组
图 1 C4光合碳同化途径简图(Matsuoka 等 1998)
RuBP：核酮糖 -1，5-二磷酸(ribulose-1，5-bisphosphate) ；OAA：草酰乙酸(oxaloacetate) ；Mal：苹果酸(malate) ；Pyr：丙
酮酸(pyruvate) ；NADP-MDH：NADP-苹果酸脱氢酶(NADP-malate dehydrogenase) ；NADP-ME：NADP-苹果酸酶(NADP-malic enzyme) ；
PEP：磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate) ；PEPC：磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase) ；PPDK：丙
酮酸正磷酸二激酶(pyruvate orthophosphate dikinase)。
图 2 在烟草中建立单细胞C4光合途径简图(Hausler等 2002)
RuBP：核酮糖 -1，5 - 二磷酸( r ibu l ose-1，5 -bi spho spha te) ；O AA：草酰乙酸(oxa loa ceta te) ；Ma l：苹果酸(ma la te) ；
Pyr：丙酮酸(pyru vate) ；NAD P-MD H：NADP-苹果酸脱氢酶(N ADP-malate dehydrogenase) ；NADP-ME：NADP-苹果酸酶
(NADP-malic enzyme) ；PEP：磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate) ；PEPC：磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate
carboxylase) ；CA：碳酸酐酶(carbonic anhydrase) ；PPDK：丙酮酸正磷酸二激酶(pyruvate orthophosphate dik inase) ；PEPS：磷
酸烯醇式丙酮酸合成酶(phosphoenolpyruvate synthetase)。
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成，其阅读框为 2 910 bp，编码 970个氨基酸残
基，蛋白质分子量为 109.4 kDa (Matsuoka 和
Minami 1989；Lepiniec 等 1993)。来源自微生物
资源的 PEPC缺少植物酶的调控特征，例如它不
具备磷酸化作用的共价修饰，因而其对 PEP的亲
和力提高，对苹果酸抑制的敏感性降低。Gehlen
等(1996)将来源自大肠杆菌(Escherichia coli)和谷氨
酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)的Ppc基
因在 CaMV 35S启动子控制下导入马铃薯后，后
一种菌的PEPC在马铃薯叶中的活性与非转基因植
株相比增加 5倍，放在黑暗中诱导时，其 CO2释
放量增加，而在 Ppc 抑制表达的植物中则下降，
表明PEPC可影响CO2释放速率。Hausler等(1999)
将来源自棒状杆菌(Corynebactrium glutamicum)
PEPC的基因导入马铃薯，获得的转基因植株其
CO2补偿点降低，呼吸和葡萄糖以及淀粉含量随
之增加。Hausler等(2001)进一步的研究表明，在
体外测定马铃薯转化植株的PEPC活性是非转基因
植株的 20倍， PEPC的过量表达诱导胞质NADP-
ME活性升高4~6倍，因而促进CO2在叶绿体中从
PEP羧化产物中释放出来。
Ku等(1999)报道，水稻中转入玉米的 C4型
Ppc基因(包括所有外显子、内含子及其自身的启
动子和终止序列)后，Ppc基因获得高水平表达，
体外测定表明其活性增加 110倍，植株中的PEPC
蛋白含量占叶片中总可溶蛋白的 12%，同时 CO2
同化过程中的O2受到抑制，因而光呼吸也有一定
程度的削弱，但光合速率没有发生明显的变化。
焦德茂等(2001)获得的转玉米Ppc基因水稻植株其
PEPC活性比原种‘Kitaaki’高 20倍，CO2补偿
点降低 20 %，光饱和光合速率和羧化效率有提
高，气孔导度增加，耐光抑制和光氧化能力增
强。高光照强度下，碳酸酐酶 ( c a r b o n i c
anhydrase，CA)活性增加 1.8倍。处在高温高强
光下的转 Ppc基因水稻一般可增产 10%~30%。在
此基础上，他们又用 14C示踪技术测定的结果表
明，转基因水稻中的 14C较多的分配在 C4光合原
初产物天冬氨酸中，因此他们认为转化植株中存
在着一定的C4光合代谢途径，也即是说可以在C3
植物叶内构建初级的 C O 2 浓缩机制(焦德茂等
2003)。张方等(2003)将从高粱基因组中分离的 C4
型 Ppc基因导入水稻后，水稻植株中 Ppc高水平
表达，CO2补偿点和光呼吸速率下降，光饱和光
合速率和羧化效率提高，这些都显示出了C4植物
的光合特征。但凌丽俐等(2006)采用放射性碳同
位素研究第 8 代转 Ppc 基因水稻的结果表明，此
种转基因水稻的种质仍为 C 3植物，且稳定，不
过其C4光合产物增多，一些C4光合特性如光能转
换效率提高、耐光氧化能力增强。
Kogami等(1994)报道，在组成型表达启动子
CAMV 35S、叶肉细胞特异表达启动子 Cab或玉
米自身启动子的控制下将来源于玉米C4型PEPC 的
cDNA导入烟草后，转基因烟草植株中PEPC活性
增加近 2倍，苹果酸含量也有增加，但对 CO2的
同化率并没有影响，与野生型相比，在温度提高
的情况下，同化 CO2过程中的量子产量未受到影
响，且 CO2补偿点也未发生变化。Matsuoka等
(2001)在C4 型PEPC启动子的控制下将PEPC的全
长 cDNA导入烟草后，转基因烟草叶中 PEPC活
性增加 2~5倍，苹果酸含量也相应增加，但预期
的光合CO2同化和CO2补偿点等重要的生理指标未
发生变化。Hausler等(2002)认为在温度增高时量
子产量并不减少，这可能揭示转基因植株中呼吸
释放的CO2被PEPC固定所致。杨荣仲等(2004)将
甘蔗C4型Ppc导入烟草所获得的转化植株其PEPC
活性也仅是有较小程度的提高。
2.2 PEPCK转化C3植物 在 C3植物中表达 C4型
PEPC的酶基因只是在C3植物中建立细胞内CO2泵
的第一步，在 PEPC的作用下形成的苹果酸或天
冬氨酸经胞间连丝移动从叶肉细胞进入维管束鞘细
胞的叶绿体中，而叶绿体中 CO2释放是取决于脱
羧酶的类型，或是由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶
(PEPCK)催化或是由NADP苹果酸酶催化，其中
以 PEPCK催化OAA脱羧为最简单的方式。由于
PEPCK本身是胞质酶，所以要使其能在叶绿体中
表达，还需要一段叶绿体转运肽的引导。Suzuki
等(2000)将来源于 C4植物类黍尾稃草(Urochloa
panicoides)的 PEPCK基因与 rbcs转录序列在玉米
PEPC或PPDK启动子的控制下导入水稻后，转基
因水稻叶片中的PEPCK活性达到尾稃草叶片的一
半，且植株叶绿素含量增加；用碳同位素标记转
基因水稻显示较高的 14CO2流进入 C4复合物(苹果
酸、草酰乙酸和天冬氨酸)中，导致植株细胞质
P E P 含量的增加，因而更高的( P E P )流通过
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PEPC，因此认为存在着PEP流从转化水稻植株的
叶绿体中运出；随后饲喂 14C标记的OAA的结果
显示，在PEPCK脱羧作用下释放的CO2也进入卡
尔文循环，且标记的 3-PGA和蔗糖增加 3倍，但
转基因水稻植株的光合指标如CO2同化率和CO2补
偿点并未发生改变。这可能是由于导入的 PEPCK
不能与水稻内源PEPC协同作用以形成有效的C4循
环所致。Hausler等(2001)在马铃薯 Rubisco小亚
基(rbcs)转录序列控制下将来源于费氏中华根瘤菌
(Sinorhizobium meliloti)的PEPCK基因导入烟草叶
绿体后，在转基因烟草植株的叶绿体中可以检测
到 PEPCK 活性，但光合效率并未提高。
2.3 NADP-ME转化C3植物 叶绿体内的NADP-苹
果酸酶是NADP-ME型C4光合途径中的另一个关键
酶，位于维管束鞘细胞叶绿体中的NADP-ME催
化苹果酸或天冬氨酸的脱羧反应。NADP-ME 活
性与叶绿素含量及光呼吸活性呈负相关( K u 等
1991)。Lipka等(1999)将来源于 C3植物黄顶菊
(Flaveria pringlei)的叶绿体NADP-ME的 cDNA在
双 CaMV 35S启动子的控制下导入马铃薯，由于
来源于黄顶菊的NADP-ME的低水平表达以及马铃
薯中内源细胞质NADP-ME的活性较高，以致引
入的叶绿体酶只能在叶绿体的汁液中形成，但过
量表达C3叶绿体NADP-ME的转基因马铃薯植株其
光合并没有受到影响。而 Takeuchi等(2000)将有
玉米C4特征的NADP-ME基因在CaMV 35S启动子
控制下导入水稻后，免疫电镜分析显示，过量表
达玉米NADP-ME 的水稻植株绝大部分定位于叶绿
体中，以致植株的叶绿体异常，叶绿体无基粒，
类似于 C4植物维管束鞘细胞的叶绿体。据此他们
认为叶绿体发育结构的异常是由外源的NADP-ME
的活性高所致。Tsuchida等(2001)将编码水稻 C3
特征和玉米C4特征的NADP-ME 同功酶全长cDNA
在 Cab 启动子控制下导入水稻后，携带水稻 C 3
cDNA基因的水稻植株NADP-ME活性明显低于非
转基因植株，而转玉米NADP-ME基因的水稻植
株的NADP-ME活性为非转基因植株的 30倍，这
说明表达水稻C3特征的NADP-ME受到了共抑制，
而转外源C4特征的NADP-ME则能避免这种抑制作
用。Chi等(2004)将来源于高粱的NADP-ME基因
导入水稻后，转基因植株中NADP-ME酶活性提
高 1~7倍。虽然转NADP-ME后获得的转基因植
株酶活性不一样，但绝大多数转NADP-ME基因
的植株都受到不良的影响，如生长迟缓，叶片白
化，基质状态紊乱，光抑制增强，据此可以说
转基因植株对光合生产量的提高无实质性的结果
(Hausler等 2001；Tsuchida 等 2001；Chi等 2004)。
2.4 PPDK转化C3植物 Sheriff等(1998)将兼性景
天科植物冰叶日中花 ( M e s e m b r y a n t h e m u m
crystallinum)的质体 PPDK基因导入烟草后，转基
因的烟草叶片和种子中 PPDK含量均得到提高；
当控制 PPDK基因在质体中表达时，转基因的烟
草每个蒴果的种子数以及蒴果重都高于野生型。
当去除转运肽序列促使PPDK在细胞质中表达时，
转基因植株产生的种子比野生型的少，而且
P P D K 高表达的转基因植株几乎不产生种子。
Ishimaru等(1998)将玉米的 PPDK基因导入马铃薯
后，转基因的植株中 PPDK酶活性增加 5倍，Pyr
几乎被耗尽，PEP含量略有升高，苹果酸含量也
有一定程度的增加，他们认为这可能是高的 PEP
流通过 PEPC以致随后的苹果酸合成增加所致。
Ku等(2000)将玉米的 PPDK基因导入水稻后，过
量表达玉米PPDK的转基因水稻植株的光合速率和
气孔电导率均高于非转基因植株。而将玉米的
PPDK基因导入水稻植株后，转基因水稻植株的
PPDK活性增加 40倍，其纯合植株中的 PPDK蛋
白占叶片总可溶蛋白的 35%，转基因水稻的叶中
PPDK蛋白活性与玉米中的一致，都受光 /暗调
控，过量表达 PPDK的水稻植株的单株谷粒数和
千粒重都高于非转基因植株(Fukayama 等 2001；
Miyao 和 Fukayama 2005)。Zhang 等(2007)将玉
米 PPDK 基因导入籼稻‘IR64’后，将获得的
转基因植株于温室条件下栽培，其剑叶的全氮含
量高于非转基因植株，且产量也有提高。
2.5 CA转化C3植物 C4光合的起始步骤是在 CA
催化下将CO2快速转换成HCO3-，为PEPC固定碳
提供前体(HCO3-) (Hatch和 Burnell 1990)。Badger
和 Price (1994)认为，在缺少细胞质 CA的条件
下，C4植物的光合作用估计将会降低到原来的万
分之一。C4植物中的绝大多数 CA均定位在叶肉
细胞的细胞质中，并在那里催化空气中的 CO2进
入叶中形成 C4光合途径的前体HCO3-，而在维管
束鞘细胞中几乎没有CA的分布(Ludwig等 1998)。
Caemmerer等(2004)将编码细胞质 CA的 cDNA反
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义基因导入 C4双子叶植物(Flaveria bidentis)后，
转基因植株的 CO2同化率降低，以致植株生长需
要更多的CO2。用光谱技术测定T1代植株叶中CA
活性和 CO2同化速率之间数量关系的结果表明，
当CA活性不及野生型的20% 时CO2同化速率急剧
下降，在正常条件下生长不正常。至于 C 4植物
的 CA转化 C3植物后会产生何种生理效应，迄今
尚未见报道。
2.6 PPT转化C3植物 C4光合途径的有效运转不仅
需要一系列 C4光合酶的催化反应，还伴随着多种
跨膜运输过程，这一过程包括叶肉细胞中丙酮酸
通过丙酮酸 /H+同向转运蛋白(symporter)进入叶绿
体；叶绿体内生成的 PEP通过PEP/磷酸转运蛋白
(phosphoenolpyruvate/phosphate translocator，PPT)
进入细胞质等(匡廷云等 2004)。PPT是惟一的一
种C4代谢所必需的转运蛋白，目前已从多种非C4
组织中克隆出此种转运蛋白，经分析，其在C3植
物的叶绿体内膜和非绿色质体中的活性很低，这
可能是限制四碳二羧酸循环的一种因素(Fischer等
1997；Suzuki等 2000)。由于 PPT的低活性，所
以形成的 PEP便在叶绿体中大量积累，以致整个
代谢循环受阻，为此，应将 C3植物叶绿体中由
PEPCK或PPDK催化形成的PEP高效地转运出去，
这样才能提高 CO2的同化能力。Hausler等(2002)
根据 Flugge实验室的资料表明，花椰菜的 PPT基
因在CaMV35S启动子调控下转入烟草后，转基因
的植株中 PEP转运速率比野生型的高出 10倍。
3 C4光合关键酶基因在C3植物中的组合表达
在C3植物中过量表达单个C4循环酶基因是C3
植物高光效遗传改造的一种尝试。由于C4循环是
在多种酶和转运蛋白的协同作用下完成的，并且
C3植物中存在内源的C4循环酶及转运蛋白，只是
它们的活性较低，且表达的部位不同，因而增加
个别基因的表达并不能在C3植物中建立起完整的
C4循环，还有可能会扰乱C3植物的正常代谢。由
于所有的C4酶在C3植物中均有不同的功能，所以
采用分析转双(基因)和多(基因)的植株也许可以找
出在 C3作物建立单细胞 C4循环的有效方法。目
前，人们已经开始尝试将两个或更多的C4循环关
键酶基因转入同一种C3植物中。Lipka等(1999)将
来源于黄顶菊(Flaveria pringlei)的 PEPC基因和
NADP-ME基因逐步转入马铃薯后，获得马铃薯
双转化植株，其PEPC和叶绿体NADP-ME活性均
得到提高，与野生型相比，双转基因的植株分离
的叶绿体中NADP-ME活性增加 5倍，温度升高
时，它们对 CO2同化的温度依赖性明显减弱，且
CO2同化过程中的电子需求显著下降。Hausler等
(2001)在马铃薯的Ppc过量表达植株中再导入内生
细胞质NADP-ME酶基因后，双转化植株中的Ppc
表达被削弱，其光合作用也没有显著变化。但Ku
等(200 1)在同一水稻植株中过量表达 PEP C 和
PPDK基因后，其光合能力增加 35%、谷粒产量
增加 22%。Matsuoka 等(2001)进一步分析认为，
PPDK在叶绿体中高表达后促进了种荚和小穗等组
织的类似于 C4光合作用的参数，因而种子和谷物
的产量提高。王德正等(2004)获得的水稻PEPC和
PPDK的双转化植株，其单株有效穗和单株产量
分别比受体亲本‘Kitaake’ 提高 29. 1 %和27.0 %。
袁定阳等(2007)将 PEPC和PPDK基因在Cab启动
子的控制下导入水稻恢复系‘R299’后，其 T3
代获得了无筛选标记的转基因纯合系，它的PEPC
酶活性比非转基因植株提高 1.5~4.9倍，光合速率
提高 19%~40%；初步测定转基因纯系所配杂交组
合的产量表明，转基因组合单株的有效穗数和单
株产量分别比非转基因植株提高 15%和 10%。而
将多个基因同时转入一种 C3植物中也获得成功，
如 Hausler等(2002)用含有不同的抗性筛选基因
(kanamycin、hygromycin、sulphonylamide和
BASTA [bar])的表达质粒逐步转入马铃薯后，共
获得 4 个 C 4 基因(来源于 C o r y n e b a c t e r i u m
glutamicum 的 PEPC或内源 PEPC、NADP-ME、
PPDK和 PPT)表达的马铃薯植株。在烟草中，过
量表达C4循环单一基因的转基因植株经过常规杂
交，采用不同的组合获得一系列共表达的多种组
合(PEPC，NADP-ME，PPDK，PEPS，PEPCK，
PPT)的杂合子代( J un L i 的未发表资料，引自
Hausler 等 2002)。
4 结束语
从解剖结构来说，C4植物的花环型解剖结构
并不是控制 CO2浓缩机制的先决条件，因为在水
生植物和陆生藜科植物中都曾报道有单细胞C4集
中机制，但它们并无典型的花环型结构(Spencer
等 1996；Magnin等 1997)。长期以来，人们都
在尝试将C4植物的光合特性导入C3植物来提高它
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们的光合效率。传统的方法是杂交育种，但效果
不佳(李卫华等 1999；Raines 2006)。近年来，人
们试图用基因工程的方法来提高C3植物的光合碳
同化，C4型光合酶和转运蛋白基因在C3植物中过
量表达的研究已取得较大的进展，且在C3植物叶
中的特定区域高水平表达C4酶基因的技术已十分
成熟。但在转基因C3植物中的许多方法都将目标
定位在相应酶可能的最高活性上，因为这些酶在
C4植物的叶片中具有高的表达水平。但导入的酶
基因的高表达与其体内的高活性之间并没有必然的
联系，因而转入单一基因并不能明显地提高C3植
物的光合效率。于是人们又进一步将多基因共转
化于 C3植物中，以期提高其光合效率。
虽然转PPDK的烟草和双转化(PEPC和PPDK)
水稻植株的光合速率和产量有提高，但要真正在
C3植物中建立起完整的 C4循环尚存在许多难题。
首先，在现有的基础上如何使多种C4关键酶基因
在C3植物的单细胞内协调表达？因为每一条代谢
途径都受到严格而精密控制，各种途径又互相交
错和相互影响。单纯将某一种酶大量表达而不注
意对其他代谢途径的影响以及它们彼此之间的比例
关系，很可能会造成代谢失调、能量浪费，以
致循环不能有效运转(匡廷云等 2004) ；其次，除
C4循环关键酶以外，还有其他酶、代谢产物的转
运蛋白的组织特异性表达和诱导表达都是C3植物
中建立 C4循环所不能忽略的，如磷酸烯醇式丙酮
酸合成酶(phosphoenolpyruva te syntheta se，
PEPS)、PPT、CA。虽然 C3型 PPT和 CA的转
基因研究取得了一些进展，但 C4型的 PPT和 CA
向 C3植物的转化迄今尚未见报道。总之，在 C3
植物中建立有效的 C4微循环是一个伟大的设想，
也是所有高光效育种工作者面临的一项艰巨任务，
其中的许多问题还有待深入研究。
参考文献
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