全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(11): 2046−2052 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)前期专项(2009CB126000-9), 国家自然科学基金项目(30971785), 国家转基因生物新品
种培育科技重大专项(2011ZX08002-003), 国家科技支撑计划项目(2011BAD07B00)和河南省杰出青年基金(104100510021)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 许为钢, E-mail: xuwg1958@sohu.com, Tel: 0371-65712307
第一作者联系方式: E-mail: wuqiong001@gmail.com, Tel: 15286805738
Received(收稿日期): 2011-04-01; Accepted(接受日期): 2011-06-15; Published online(网络出版日期): 2011-09-06.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20110906.1104.015.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.02046
田间条件下转玉米 C4型 PEPC基因小麦的光合生理特性
吴 琼 1,2,3 许为钢 1,3,* 李 艳 1,3 齐学礼 1,3 胡 琳 1,3 张 磊 1,3
韩琳琳 1,3
1河南省农业科学院小麦研究中心, 河南郑州 450002; 2南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室, 江苏南京 210095; 3河南
省小麦生物学重点实验室, 河南郑州 450002
摘 要: 为了检验转 PEPC基因小麦是否具有 C4光合生理特性, 以转 PEPC基因小麦和对照周麦 19为试验材料, 分
别于抽穗期、开花期、花后第 7天和花后第 15天测定其单株旗叶的气体交换参数日变化, 对净光合速率日变化进行
单位日光合总量分析, 并且对净光合速率日变化与单株气孔导度、胞间 CO2浓度、蒸腾速率日变化的相关性进行了
分析; 在花后第 15 天测定其单株叶绿素荧光参数, 并在成熟期调查了单株产量性状。与对照相比, 转基因株系在 4
个测定时期的旗叶净光合速率明显提高, 尤其在花后第 15天, 单位日光合总量较对照提高 29.1%和 23.3%, 气孔导度
和蒸腾速率均明显增加, 胞间 CO2浓度降低; 花后第 15天 12:00与 8:00相比, 转 PEPC基因小麦的 Fv/Fm、qP、NPQ、
ΦPSII的变幅均小于对照; 单茎重、千粒重、单穗重和收获指数较对照显著增加。以上结果表明, 转 PEPC基因小麦材
料在田间条件下光合特性明显优于对照, 且具有提高小麦产量水平的潜力。
关键词: 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶; 转基因小麦; 光合特性
Physiological Characteristics of Photosynthesis in Transgenic Wheat with
Maize C4-PEPC Gene under Field Conditions
WU Qiong1,2,3, XU Wei-Gang1,3,*, LI Yan1,3, QI Xue-Li1,3, HU Lin1,3, ZHANG Lei1,3, and HAN Lin-Lin1,3
1 Wheat Research Center, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, China; 2 National Key Laboratory of Crop Genetics and Germ-
plasm Enhancement, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 3 Henan Key Laboratory of Wheat Biology, Zhengzhou 450002, China
Abstract: Transformation and high efficiency expression of key enzymes gene of C4 photosynthetic characteristics are the impor-
tant approach to improve photosynthetic efficiency and seed yield for C3 crop wheat. Phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC)
plays an important role in C4 pathway. The authors have obtained several transgenic wheat lines with maize C4 type PEPC gene.
To explore the expression and functional characteristics of PEPC gene in transgenic wheat plants, PCR test, PEPC activity, gas
exchange parameters, chlorophyll fluorescence parameters and yield related characteristics of transgenic wheat lines were deter-
mined, using untransformed wheat as the control, and the value of diurnal photosynthesis cumulative (VDPC) at the four stages
and the correlations between net photosynthesis rate and stomata conductance, intercellular CO2 concentration and transpiration
rate were analyzed. The results showed that in the four determination stages, net photosynthetic rate of transgenic wheat obviously
increased. For instance VDPC was increased by 29.1% and 23.3% on the 15th day after anthesis. Stomatal conductance and tran-
spiration rate in flag leaves of transgenic wheat obviously increased compared to the control, and intercellular CO2 concentration
decreased. Net photosynthetic rate of transgenic wheat enhanced by 23.2%, and variation scope of Fv/Fm, qP, NPQ, and ΦPSII of
transgenic wheat was smaller than that of the control from 8:00 to 12:00 on the 15th day after anthesis; the major yield character-
istics, such as weight per stem, thousand grain weight, single spike weight and harvest index of transgenic wheat, were signifi-
cantly higher than those of the control. The results described above indicated that the transgenic wheat expressing maize PEPC
gene showed better photosynthetic characteristics than untransformed plant and has the potential to increase wheat yield.
Keywords: Phosphoenolpyruvate carboxylase; Transgenic wheat; Photosynthetic characteristics
第 11期 吴 琼等: 田间条件下转玉米 C4型 PEPC基因小麦的光合生理特性 2047


将C4途径高光效系统引入小麦等C3作物中, 改
善 C3作物光合作用的内在遗传基础, 通过大幅度提
高光合效率来带动生物学产量和籽粒产量的提高一
直是育种家关注焦点。自从 Ku等[1]首先获得高效表
达玉米 PEPC (phosphoenolpyruvate carboxylase)的转
基因水稻后, 在水稻、小麦等作物上相继出现了关
于 C4转基因的报道[2-6], 尤以 C4高光效基因转水稻
的研究工作已走在前列。目前,C4 光合途径的关键酶
PEPC[1,7]、PPDK (pyruvate orthophosphate dikinase) [8-9]
和 NADP-ME (NADP-malic enzyme)基因[10-12]已成功
导入水稻中, 获得了高表达的转基因植株。转 PEPC
基因水稻在高光下表现出高光合能力[13]和耐光氧化
特性[14-15], 高表达 PEPC 的转基因水稻存在初级的
CO2浓缩机制[16-18]。目前, 对转 PEPC基因小麦的研
究也取得一定进展。陈绪清等[19]与张庆琛等[20]将玉
米中 C4型 PEPC 基因导入小麦植株中, 发现部分转
基因植株叶片中 PEPC 酶活性与光合速率均得到提
高 ; 陈绪清等 [19]认为气孔的开放程度与叶片中的
PEPC 活性紧密相关。张彬等[21]分别利用根癌农杆
菌法将稗草 PEPC 基因导入小麦基因组中并稳定表
达, PEPC 酶活性与净光合速率(Pn)同样有所提高。
李艳等[22]将玉米 C4型 PEPC基因 cDNA以基因枪法
导入小麦中, 并证明 PEPC 基因已整合到小麦基因
组中且稳定表达。但是, 目前尚缺乏对转 PEPC基因
小麦光合生理特性的深入研究。本文以导入玉米 C4
型 PEPC 基因 cDNA 序列的小麦 T2代植株为材料,
测定转基因植株 PEPC 酶活性, 稀植大田栽培条件
下测定 4个测定日旗叶气体交换参数、花后第 15天
叶绿素荧光参数及成熟后穗部产量性状等, 旨在了
解转 PEPC基因小麦光合生理特性及其产量特性, 为
进一步探讨增强 C3植物中 C4光合特性的机制和应用
小麦转基因高光效育种技术提供试验依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
从高光效玉米材料中分离了 C4型高光效 PEPC
基因 cDNA 序列, 利用基因枪法将其导入河南小麦
栽培品种周麦 19基因组中[22], T0和 T1代分子标记验
证表明, PEPC 基因已整合到小麦基因组上, 并可正
常转录与表达 [23]。用其 T2 代两个株系 1-45-2 和
1-47-1为试验材料, 2009年 10月 8日种植于河南省农
业科学院转基因试验基地, 行距 25 cm, 株距 10 cm,
常规大田管理。
1.2 转 PEPC基因小麦的 PCR检测
参照 Lin 等[24]的方法提取 DNA。根据玉米 C4
型 PEPC基因 cDNA序列(GenBank登录号为X15238),
用 Primer Premier 5.0软件(Premier Biosoft International,
Palo Alto, CA, USA)设计特异引物(F: 5′-CGCCCTTC
CATACAGTCTCA-3′; R: 5′-CATCTCGCTTCCGTGC
TTAG-3′), 并由上海生工生物技术服务有限公司合
成。该引物目的扩增片段为 800 bp。
对 2个供试转基因株系进行单株 PCR检测。PCR
反应条件为 94℃预变性 5 min; 94℃变性 45 s, 57℃退火
45 s, 72℃延伸 1 min, 35个循环; 72℃延伸 10 min。扩增
产物经 1.0%琼脂糖凝胶电泳分离 30 min (5 V cm−1)、
溴化乙锭染色后, 在凝胶成像系统中观察。对阳性
单株进行田间标记和光合特性参数测定。
1.3 PEPC酶活性测定
参照 Jeanneau等[25]的方法测定转基因小麦及对
照株系旗叶 PEPC酶活性。
1.4 气体交换参数测定
分别在抽穗期(2010年 4月 23日)、开花期(5月 4
日)、花后第 7天(5月 12日)和花后第 15天(5月 19日)
利用光合测定系统(CIRAS-1, UK)测定光合有效辐射
PAR 和温度, 其变化均呈单峰曲线, 最大 PFD 和最
高温度均超过小麦的光合作用最适光照强度和最适
温度[26](表 1)。

表 1 4个生育期的最大光合有效辐射和最高温度
Table 1 Maximal values of photosynthetically active radiation
(PAR) and temperatures at four stages
生育期
Stage
光合有效辐射
PAR
(μmol m−2 s−1)
温度
Temperature
( )℃
抽穗期 Heading 1566 ±103 23.9 ± 0.3
开花期 Anthesis 1614 ± 59 33.4 ± 1.0
花后第 7天
The 7th day after anthesis
1532 ± 99 28.9 ± 0.8
花后第 15天
The 15th day after anthesis
1706 ± 33 33.3 ± 0.3

于上述 4 个观测日晴朗无云时, 选取无病且受光
一致的小麦, 利用光合测定系统(CIRAS-1, UK)测定
转基因小麦及对照旗叶净光合速率(Pn)、气孔导度
(Gs)、胞间 CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。测定时 CO2
浓度为大气 CO2浓度, 气体流速为 300 mL min−1。
光合日变化测定时刻为 6:00、7:00、8:00、9:00、10:00、
11:00、12:00、13:00、14:00、15:00、16:00、17:00
和 18:00, 每个时段往返重复测定 3次。参照王兰兰
等[27]的方法并加以改进计算单位日光合总量。
2048 作 物 学 报 第 37卷

1
N 1
1
1( ) ( )
2
n
i i i
i
P D P P t
−
+
=
= +∑
式中, PN(D)为单位日光合总量值(μmol m−2); Pi
为 i次测光合速率(μmol m−2 s−1); Pi+1为 i+1次测光
合速率(μmol m−2 s−1); ti为 Pi次测定与 Pi+1次测定间
隔时间(s); n为测定次数。
1.5 叶绿素荧光参数测定
选取无病且受光一致的旗叶, 于花后第 15天的
8:00和 12:00, 参照 Genty等[28]的方法, 利用 FMS-2
脉冲调制式荧光仪(HANSATECH, UK)测定最大荧
光(Fm)、暗适应下最大可变荧光(Fv)、任意光适应条
件下最大可变荧光强度(Fv′)和稳态荧光(Fs), 并计算
PSII 的最大光量子效率(Fv/Fm)、光化学猝灭系数
(qP)、非化学猝灭系数(NPQ)和作用光下的 PSII的实
际量子效率(ΦPSII)。
1.6 产量和农艺性状调查
取收获后自然风干的转基因株系及对照各 10
株, 调查产量、株高、植株单茎重、单株穗数、单
穗粒数、单穗重和千粒重。对转基因株系各指标与
周麦 19进行 t-检验。
2 结果与分析
2.1 转 PEPC基因小麦 PCR检测
T2代转基因植株与阳性对照均扩增出 800 bp的
目的条带, 而未转化植株无该条带(图 1), 表明玉米 C4
型 PEPC基因已整合到小麦基因组中, 2个转基因株系
1-45-2、1-47-1的 PCR阳性率分别为 67.5%和 60.5%。



图 1 转 PEPC基因小麦及对照 PCR分析
Fig. 1 PCR analysis of PEPC gene in transgenic wheat and WT
1~12: 转基因植株; 13: 未转化植株(周麦 19); 14: 阳性质粒
p3301-pepc; M: DL-2000 marker。
1–12: transgenic plant; 13: nontransgenic plant (Zhoumai 19); 14:
plasmid p3301-pepc; 15: DL-2000 marker.

2.2 旗叶 PEPC酶活性
转基因株系 1-45-2与 1-47-1的 PEPC酶活性分
别为 4.909 μmol min−1 mg−1和 3.407 μmol min−1 mg−1,
比对照的 1.291 μmol min−1 mg−1提高 2.8倍和 1.6倍。
2.3 旗叶气体交换特性
2.3.1 旗叶 Pn 4 个测定日的 Pn变化趋势相同,
均呈现双峰曲线(图 2), 但转 PEPC基因小麦旗叶 Pn
在 4 个测定日 8:00~16:00 期间均高于对照。抽穗期
株系 1-45-2和 1-47-1的旗叶 Pn最大值分别为 29.45
μmol m−2 s−1 和 28.20 μmol m−2 s−1, 较对照提高
16.0%和 11.0%; 花后第 15 天两株系旗叶 Pn最大值
分别为 25.63 μmol m−2 s−1和 24.23 μmol m−2 s−1, 较
对照提高 23.2%和 13.7%。



图 2 4个测定日转基因小麦及未转化对照旗叶净光合速率日变化曲线
Fig. 2 Diurnal variation of photosynthetic rate of flag leaves in transgenic wheat and WT at four stages
A: 抽穗期; B：开花期; C：花后第 7天; D：花后第 15天。
A: heading stage; B: anthesis stage; C: the 7th day after anthesis; D: the 15th day after anthesis.
第 11期 吴 琼等: 田间条件下转玉米 C4型 PEPC基因小麦的光合生理特性 2049


在 4个测定日株系 1-45-2和 1-47-1的平均日光
合总量均明显高于对照, 分别比对照提高 14.7%和
12.0%, 尤其是在花后第 15天, 分别较对照高 29.1%
和 23.3% (表 2)。以上结果表明转 PEPC基因小麦较
对照具有较高的光合效率, 且在生育后期高温高光
强条件下表现尤为明显。
2.3.2 旗叶 Ci、Gs和 Tr 4 个测定日转基因株系
与对照 Ci、Gs和 Tr的变化趋势完全相同, 均表现为
转基因株系的 Ci明显低于对照, 而Gs和 Tr明显高于
对照(图 3)。由于前 3个测定日小麦夜间出现“吐水”
现象, 6:00与 7:00田间湿度过大, r的测定数据出现
误差, 因此仅对 8:00~18:00 的观察结果进行相关分
析。结果表明, Pn与 Ci显著负相关, 与 Gs显著正相
关(表 3), 说明转 PEPC 基因小麦由于其 PEPC 酶对
CO2 较强的同化作用, 导致其胞间 CO2 浓度明显降
低, 从而转基因小麦气孔表现出较大的气体流量。
2.4 叶绿素荧光参数
在花后第 15 天中午 12:00 高温强光下, PSII 的
Fv/Fm、qP和 ΦPSII值较早上 8:00均有所下降, 转 PEPC
基因小麦降幅明显较对照降幅小(图 4), 表明转 PEPC
基因小麦在中午高光强下较对照耐光抑制, 仍能把吸
收的光能较多地转化为化学能。在中午强光下, 转
PEPC 基因小麦的 NPQ 升幅较对照升幅小。由此可
见, 在中午强光下转 PEPC 基因小麦吸收的光能较
少地以热能的形式耗散掉, 用于形成同化物的光能
数量多于对照。
2.5 产量性状分析
与周麦 19 相比, 转基因株系 1-45-2 和 1-47-1
的千粒重(P=0.008 与 0.003)和单穗重(P=0.001 与
0.035)均显著提高; 其单茎重和收获指数也较周麦
19明显提高, 其中株系 1-45-2与对照差异达到显著
水平(单茎重 P=0.026, 收获指数 P=0.046); 单株穗

表 2 4个生育时期的单位日光合量 PN
Table 2 Value of diurnal photosynthesis cumulative PN (μmol m−2)
株系
Line
抽穗期
Heading
开花期
Anthesis
花后第 7天
The 7th day after anthesis
花后第 15天
The 15th day after anthesis
平均
Average
1-45-2 894852±7085 723610±5197 686570±4322 839330±6745 786091±5837
1-47-1 879620±5473 736980±3457 651850±6618 801510±7309 767490±5714
野生型 Wild type 827460±7686 666600±7128 596655±2076 649920±2672 685189±4891
野生型为周麦 19未转化植株。数据为 3次重复的平均值±标准差。
The wild type is nontransgenic plant of Zhoumai 19. Data are the means ± SD of three replicates.



图 3 4个时期转基因小麦及对照旗叶 Ci、Gs和 Tr平均日变化曲线
Fig. 3 Average diurnal variation of Ci, Gs, and Tr in transgenic wheat and WT at four stages

图中数值均为 4个测定日数值的平均值。
All values in the figure were the average of values measured in the 4 days.

表 3 Pn与 Gs、Ci和 Tr的相关系数(8:00–18:00)
Table 3 Correlation coefficients of Pn with Gs, Ci, and Tr (8:00–18:00)
Gs Ci Tr 生育期
Growth stage 1-45-2 1-47-1 WT 1-45-2 1-47-1 WT 1-45-2 1-47-1 WT
抽穗期 Heading 0.955** 0.834** 0.867** –0.785** –0.917** –0.833** 0.872** 0.813** 0.815**
开花期 Anthesis 0.856** 0.891** 0.776** –0.858** –0.853** –0.356 0.762** 0.697* 0.656*
花后第 7天 The 7th day after anthesis 0.834** 0.916** 0.900** –0.769** –0.512 –0.351 0.798** 0.750** 0.786**
花后第 15天 The 15th day after anthesis 0.830** 0.775** 0.739** –0.481 –0.570 –0.770** 0.888** 0.822** 0.770**
* P<0.05; ** P<0.01 (n=11; r0.05=0.576; r0.01=0.708).
2050 作 物 学 报 第 37卷

数(P=0.884 与 0.102)和单穗粒数(P=0.076 与 0.254)
与对照无显著差异; 株高均小于对照, 其中 1-45-2
与对照差异显著(P=0.004) (表 4)。上述结果表明, 转
基因株系在产量结构方面较对照有明显优势, 在田
间条件下具有提高产量的潜力。
3 讨论
自从 Ku 等[1]利用农杆菌介导法获得转玉米全
长 PEPC 基因水稻后, 国内外诸多科学家开始将 C4
途径中关键酶基因导入 C3植物。然而, 对转 PEPC
基因 C3植物的光合速率能否增加却存有分歧[29-33]。
本研究对转玉米 C4型 PEPC基因小麦在开花前后 20
余天的 4次测定结果均表明其净光合速率显著提高,
其中在花后第 15 天光合日累计值最大提高 32.5%,
说明 PEPC 基因 cDNA 序列导入小麦后确实可提高
小麦光合速率, 这一结果与前人在高光强下研究转
PEPC 基因水稻光合速率的测定结果一致, 均较对
照明显提高[31-32]; 对转基因小麦在花后第 15天的早
上和中午叶绿素荧光参数比较分析发现, 转基因小
麦在中午期间的 Fv/Fm、qP、NPQ 和 ΦPSII值变幅比
对照的变幅小, 说明在中午高温高光强田间条件下
转基因小麦植株的 PSII 功能受到抑制程度小, 表现
出耐强光高温的光合生理特性; 对转基因小麦的考
种结果表明, 转基因株系在产量结构方面较对照具
有明显提高, 其中株系 1-45-2 的千粒重、单穗重、
单茎重、收获指数与对照差异显著。以上表明, 将
玉米 C4型 PEPC基因 cDNA序列导入小麦后其光合
生理特性明显改善, 获得的高光效转基因小麦株系
具有提高产量水平的潜力。
虽然将 PEPC基因导入 C3作物后可提高其光合
特性, 但对于 PEPC酶在转 PEPC基因植株如何提高
光合速率尚未明确。Ku等[15]认为, 转 PEPC基因水
稻光合速率增加主要依赖于气孔导度的增加; 丁在
松等[14]提出, 过表达 pepc基因水稻在室温条件下光
合速率的提高是由于气孔导度的增加所致, 但在高
温高光下光合速率显著提高可能是由于叶肉细胞
PEPC酶参与 CO2的浓缩, 进而促进 Rubisco羧化活
性; 焦德茂研究小组以 Ku 的转基因水稻为材料 ,



图 4 转基因小麦及对照叶绿素荧光参数比较(花后第 15天)
Fig. 4 Comparison of chlorophyll fluorescence parameters in flag leaves of transgenic wheat (the 15th day after anthesis)

表 4 转 PEPC基因小麦与周麦 19产量和农艺性状
Table 4 Yield and agronomic traits of transgenic lines and Zhoumai 19
株系
Line
株高
Plant height
(cm)
单株穗数
Spike number
per plant
单茎重
Weight per stem
(g)
单穗粒数
Grain number
per spike
千粒重
1000-grain
weight (g)
单穗重
Single spike
weight (g)
收获指数
Harvest index
(%)
Zhoumai 19 83.4±0.2 a 9.2±0.9 a 4.55±0.17 a 42.3±2.6 a 46.99±0.35 a 1.99±0.10 a 44.9±2.8 a
1-45-2 79.1±0.3 b 9.1±1.3 a 4.81±0.30 b 45.0±2.7 a 48.20±1.15 b 2.22±0.16 b 46.1±2.1 b
1-47-1 80.6±0.3 ab 10.1±1.3 a 4.68±0.30 ab 44.3±2.6 a 47.53±0.41 b 2.11±0.14 b 45.1±3.7 ab
数据为 10个单株重复的平均值±标准差。数值后不同字母表示存在显著差异(P < 0.05)。
Data are means±SD of 10 plants. Data followed by different letters are significantly different at P < 0.05.
第 11期 吴 琼等: 田间条件下转玉米 C4型 PEPC基因小麦的光合生理特性 2051


获得了 PEPC 活性稳定提高的转基因水稻株系, 并
认为转 PEPC 基因水稻光合速率的增加与气孔导度
无相关[17], 经进一步试验证明高表达 PEPC 酶的转
基因水稻存在初级的类 C4 微循环[18]。本研究显示,
转 PEPC 基因小麦 Pn和 Ci呈显著负相关, 与 Gs和
Tr显著正相关; 而且, 花后第 15天中午的 Fv/Fm、qP、
NPQ和 ΦPSII较对照变化幅度小。转基因小麦光合能
力提高的原因可能是 PEPC 酶在转基因小麦叶肉细
胞内高度表达, CO2浓缩效率提高, 高光强下 PSII光
化学转换效率增强, 吸收的光能较少地以热散的形
式耗散掉, 大部分光能转为化学能, 使得 CO2 同化
效率加大, 光合速率提高, 胞间 CO2 浓度降低, 气
孔内外气体流速加大。
4 结论
与对照相比, 转玉米 PEPC 基因小麦材料的旗
叶 Pn、Gs和 Tr均显著增加, Ci降低。田间强光高温
条件下, 转基因植株的 Fv/Fm、qP、NPQ、ΦPSII等主
要荧光参数降幅均小于对照。收获期转基因植株的
单茎重、千粒重、单穗重和收获指数均较对照显著
提高。初步表明田间条件下转玉米 PEPC 基因小麦
材料的光合特性及产量特性明显优于未转化对照。
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