全 文 ：第28卷 第3期 作　物　学　报 V ol. 28, N o. 3
2002 年5月　 321～ 326页 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA pp. 321～ 326　M ay, 2002
光抑制条件下转 PEPC 基因水稻的光合表现Ξ
王仁雷1, 2　华　春2　李　霞1　张其德3　焦德茂1, 3
(1江苏省农业科学院农业生物遗传生理研究所, 江苏南京, 210014; 2 淮阴师范学院生物学系, 江苏淮阴, 223001; 3 中国科学院植物研究所,
北京 100093)
摘　要　用原种粳稻 K itaake 和转 PEPC 基因水稻为材料, 比较光合速率、叶绿素荧光参数、叶绿素含量等光合特性的
差别。结果表明, 转 PEPC 基因水稻的饱和光强为1200 Λmolöm 2. s, 比原种高200 Λmolöm 2. s, 光饱和光合速率比原种
高50% 以上。在高光强1400 Λmolöm 2. s (2 h) 下, 与原种相比, 转 PEPC 基因水稻的 PSÊ 光化学效率 (FvöFm ) 下降较
少、光化学猝灭系数 (qP)较恒定。在光氧化处理后, 与原种相比, 转 PEPC 基因水稻的 FvöFm 和光合速率的下降、叶
绿素含量和组分的衰减较慢。上述结果表明: 转 PEPC 基因水稻对高光强有较高的适应能力, 并具有耐光抑制和光氧
化的特性。
关键词　光抑制; 转基因水稻; 光合特性; 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
中图分类号: Q 945　　　文献标识码: A
Photosyn thetic Performance of PEPC Tran sgen ic R ice under Photo inh ibition
Condition s
WAN G R en2L ei1, 2　HUA Chun2　L I X ia1　ZHAN G Q i2D e3　J IAO D e2M ao1, 3
(1 Institu te of A g robiolog ical Genetics and P hy siology , J iangsu A cad em y of A g ricultural S ciences, N anj ing , J iangsu 210014, China; 2D epartm ent
of biology , H uaiy in T eachers college, H uaiy in, J iangsu 223001, China; 3 Institu te of B otany , A cad em ia S inica, B eij ing 100093, China)
Abstract　T he pho tosyn thetic rate, param eters of ch lo rophyll fluo rescence and ch lo rophyll con ten t of PEPC
transgen ic rice w ere m easured under pho to inh ibition conditions. T he results show ed that pho tosyn thetic ligh t
saturation in tensity of transgen ic rice w as 1200 Λmolöm 2. s, w h ich is 200 Λmolöm 2. s h igher than that of
un transfo rm ed rice. T he ligh t saturation pho tosyn thetic rate of transgen ic rice w as 50% more than that of
un transfo rm ed rice. T he pho tochem ical efficiency of PS Ê ( FvöFm ) decreased more slow ly, and the
pho tochem ical quench ing (qP) w as no t inh ibited in transgen ic rice as compared w ith un transfo rm ed rice. T he
con ten t of ch lo rophyll and its componen ts, the FvöFm and pho tosyn thetic rate of transgen ic rice also decreased
more slow ly than those of un transfo rm ed rice. A cco rding to these results: it could be seen that PEPC
transgen ic rice w as more adap table to h igh ligh t in tensity, and more to leran t to pho to inh ibition and
pho toox idation.
Key words　Pho to inh ibition; T ransgen ic rice; Pho tosyn thetic characteristics; Phosphoenopyruvate carboxylase
(PEPC)
　　C4植物同化CO 2的途径为C4光合途径, 具有浓
缩 CO 2的机制, 特别在高光、高温和干旱条件下,
具有较高的光合能力和养分利用效率。而C3植物同
化CO 2的途径为C3途径, 有较高的光呼吸, 在逆境
下光合效率较低。早期人们曾企图用常规杂交的方
法将C4性状转移到C3中[ 1 ] , 但未获得成功。后来由
于分子生物学的发展, 人们尝试将C4光合酶的基因
导入C3植物以调节光合的代谢过程[ 2, 3 ] , 但在转基
因植株中导入的基因表达水平较低。近年来, 用农
杆菌转化系统将玉米有关 C4光合途径的三个关键
酶 (PEPC, PPD K, NAD P2M E) 基因导入水稻, 获
得了一些高表达的转基因水稻植株[ 4, 5 ] , 在此基础Ξ 基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目 (G1998010100) ; 江苏省教委自然科学研究基金项目 (98KJB180004)
作者简介: 王仁雷 (19632 ) , 男, 江苏丹阳人, 副教授, 在职博士生, 研究方向为植物生理。　　3 通讯作者。
Received on (收稿日期) : 2001204209, A ccep ted on (接受日期) : 2001207217

上, 我们经过世代繁殖, 逐代鉴定选择, 获得第7代
稳定的材料。本文以原种和高表达转 PEPC 基因水
稻为材料, 研究其光合表现和光抑制ö光氧化的特
性, 为应用生物技术进行水稻的遗传改良提供实验
依据。
1　材料与方法
1. 1　植物材料
转 PEPC 基因水稻第3代于1997年由美国华盛
顿州立大学古森本教授提供, 几年来通过在南京和
海南加代繁殖。于1999～ 2000年用稳定的转 PEPC
基因水稻与原种 K itaake (O ry za sativa L. )盆栽于南
京江苏农科院遗传生理所网室中, 5月上旬播种,
全生育期约90天。每盆栽5穴, 每穴1苗, 水肥按常
规管理。
1. 2　光氧化的处理方法
按 J iao (1992) 的方法[ 6 ] , 于抽穗期将水稻离体
剑叶平展浸于装满自来水的白色磁盘中, 用玻璃压
住避免叶片浮起, 在晴天自然光照下处理8天, 中
午光强达1800 Λmolöm 2. s, 温度保持30～ 35℃, 经
测定该条件下 CO 2为0. 75 ΛmolöL , O 2为266 Λmolö
L。Pow les(1984) [ 7 ]早已指出低CO 2, 低O 2, 高光强
是一种光抑制条件, 长时间的光抑制导致叶绿素衰
减, 叶色变黄, 称为光氧化现象。
1. 3　叶片叶绿素荧光参数的测定
按 L u 和 Zhang (1998) [ 8 ]的方法。用便携式叶
绿素荧光计 PAM 22000 (W alz, 德国) 进行测定, 用
数据处理软件DA 22000 (H einz, W alz) 记录处理叶
绿素荧光参数。
1. 4　叶绿素含量的测定
叶圆片浸于80% 的丙酮中, 待叶圆片完全脱色
后, 按W ellburn (1984) [ 9 ]方法测定和计算。
1. 5　光合速率的测定
光强2光合曲线用便携式光合系统 (L I26200,
美国) 测定; 光氧化处理后的叶片光合速率用BP22
型溶氧仪 (上海植物生理所制) 按李德耀和叶济宇
(1999) [ 10 ]的氧电极法测定。
2　结果
2. 1　转 PEPC 基因水稻的光合速率对光强的响应
图1显示转 PEPC 基因水稻和原种的光2光合曲
线。在300 Λmolöm 2. s 光强以下, 转 PEPC 基因水
稻和原种的光合速率是相近的, 但随光强增加, 两
者存在明显的差异。转 PEPC 基因水稻和原种的光
饱和点分别为1200和1000 Λmolöm 2. s, 光饱和光合
速率分别是30和20 ΛmolCO 2öm 2. s 左右。转 PEPC
基因水稻的光饱和点提高200 Λmolöm 2. s, 饱和光
合速率提高大约10 ΛmolCO 2öm 2. s。由此可见将玉
米 PEPC 基因转入水稻后在高光强下有较高的光合
能力。
图1　转 PEPC 基因水稻和原种的光强2光合曲线
F ig. 1　L ight2photosynthesis curve of transgenic
rice and untransform ed rice
2. 2　光抑制条件下转 PEPC 基因水稻叶绿素荧光
参数的变化
图2是在光抑制条件 (2 h) 下转 PEPC 基因水稻
和原种叶片叶绿素荧光参数 FvöFm 和 qP 的变化。
结果表明, 原种的 PSÊ 光化学效率 (FvöFm ) 下降
18. 8% , 而转 PEPC 基因水稻仅下降9. 2% , 另外转
PEPC 基因水稻的光化学猝灭系数 (qP) 未见抑制,
而原种的 qP 略有下降。这表明光抑制条件 (2 h) 下
原种有较明显的光抑制现象, 而转 PEPC 基因水稻
光抑制很轻。说明了C4植物玉米 PEPC 基因转入水
稻后, 增强了水稻对高光强的适应能力, 表现了耐
光抑制的特性。
2. 3　光氧化条件下转 PEPC 基因水稻的叶绿素荧
光参数、光合速率和叶绿素含量的变化
2. 3. 1　光氧化条件下转 PEPC 基因水稻的叶绿素
荧光参数的变化　　光氧化处理后转 PEPC 基因水
稻和原种的叶绿素荧光参数的变化如图3所示。在
未处理前, 转 PEPC 基因水稻和原种的 FvöFm 相
同, 至处理2天时, 两者还基本相似。但在2～ 4天
内, 转 PEPC 基因水稻下降缓慢, 原种下降的幅度
较大。处理4天后 , 原种下降更快。转PEPC基因
223　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　作　　物 　　学　　报　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　28卷

图2　光抑制条件下转 PEPC 基因水稻和原种的叶绿素荧光参数的变化
□ 原种　　　■ 转 PEPC 基因水稻
注: 光抑制条件是指将水稻叶片浸没在水中 (低CO 2, 低O 2) , 照光2 h, 光强1400 Λmolöm 2. s
F ig. 2　Changes of param eters of ch lorophyll fluorescence of transgenic rice and untransform ed rice under photo inh ibition conditions(2 h)
□ untransform ed rice　　　■ transgenic rice
Note: Photo inh ibition condition refer to that w here flag leaves w ere imm ersed in w ater
( low CO 2, low O 2) and w ere illum inated for 2 hours at 1400 Λmolöm 2. s PPFD.
图3　光氧化条件下转 PEPC 基因水稻和原种叶片 FvöFm , qP 和 qN 的变化
F ig. 3　Changes of FvöFm , qP and qN of transgenic rice and untransform ed rice under photooxidative condition
水稻的 FvöFm 一直高于原种, 至处理8天时, 转
PEPC 基因水稻下降37. 9% , 原种下降51. 8%。光
氧化处理后, 转基因水稻和原种的 qP 均下降, 但
原种下降得较多, 到处理后8天, 原种的 qP 下降了
约47. 1% , 而转基因水稻仅下降了约26. 3% , 光氧
化处理后, 转基因水稻和原种的非光化学猝灭
(qN ) 均有增加的趋势, 但转基因水稻的 qN 增加较
多, 处理8天后, 转基因水稻的 qN 增加11. 0% , 而
原种仅增加6. 4%。上述结果说明转 PEPC 基因水
稻不仅将吸收的光能较多地转化为化学能, 从而有
较高的转能效率; 而且能将过剩的光能以热的形式
较多地耗散掉, 以保护光合机构。这一重要结果与
以往用人工光氧化剂M ethyl V io logen 处理所得的
结果一致①, 其机理值得进一步研究。
2. 3. 2　光氧化条件下 PEPC 基因水稻叶片叶绿素
含量及其组分的变化　　过去的研究 (J iao 1992) 表
明在这种光氧化条件下, 随着光合速率的下降, O -2
逐渐增加, 导致叶绿素含量和叶色相应的衰减, 图
4A 显示, 光氧化导致原种和转 PEPC 基因水稻剑
叶叶片的总叶绿素含量逐渐下降, 在处理的前2天
内, 转 PEPC 基因水稻和原种的叶绿素含量相同, 2
天后, 转 PEPC 基因水稻的叶绿素含量下降较原种
慢, 到处理8天时, 转 PEPC 基因水稻比处理前下降
了71. 9% , 而原种下降了91%。
叶绿素 a 含量在光氧化处理过程中与总叶绿素
含量的变化趋势基本一致 (图4. B ) , 处理8天时, 转
PEPC 基因水稻和原种的 Ch la 分别下降79. 9% 和
92. 6% , 均比总叶绿素含量下降的幅度大。
叶绿素 b 含量的变化与总叶绿素和叶绿素 a 含
量的变化趋势相似 (图4. C )。在处理的前2天内 ,
3233期　　　　　　　　　　　　王仁雷等: 光抑制条件下转 PEPC 基因水稻的光合表现　　　　　　　　　　　　　　　
① J iao DM , L i X, Huang XQ , ChiW , Kuang TY, Ku M SB.
The characteristics of CO 2 assim ilation of photosynthesis and
chlorophyll fluorescence in PEPC transgenic rice. Chinese S cience
B ulletin. 2001, ( in p ress)

图4　光氧化条件下转 PEPC 基因水稻和原种叶片叶绿素含量 (A )及组份Chla (B)和Chlb (C)含量的变化
F ig. 4　Changes of ch lorophyll content (A ) and its components Chla (B) and Chlb (C) of transgenic rice
and untransform ed rice under photooxidative condition
转 PEPC 基因水稻和原种变化相同, 但在2天后, 原
种 Ch lb 含量直线下降, 转 PEPC 基因水稻则下降
缓慢, 在处理的 2～ 8 天内, 叶绿素 b 仅下降
27. 9%。这一结果表明二种基因型中叶绿素 a 比叶
绿素 b 下降更快, 可以说明光氧化对光系统反应中
心色素蛋白复合体的伤害大于集光色素蛋白复合
体。同时可以看出与原种相比, 转 PEPC 基因水稻
的集光色素蛋白复合体受到的伤害较轻。
2. 3. 3　光氧化条件下转 PEPC 基因水稻剑叶光合
速率的变化　　光氧化条件下, 转 PEPC 基因水稻
和原种的光合放O 2速率的结果如图5。由于光氧化
处理后, 转 PEPC 基因水稻和原种叶片的叶绿素含
量逐渐下降 (图4. A ) , 因而无论在1000 Λmolöm 2. s,
还是在1400 Λmolöm 2. s 的光强下, 转 PEPC 基因水
稻和原种叶片的净光合速率均随光氧化处理时间延
长而下降 (图5) 。至处理8天时, 原种由于叶绿素含
量下降较多, 只有0. 5 m gödm 2, 已丧失光合能力;
而转 PEPC 基因水稻由于仍有较高的叶绿素含量,
为2. 0 m gödm 2, 因而仍有约2 Λmolöm 2. s 的光合速
率。转 PEPC 基因水稻的光合速率在两种光强下均
高于原种。有趣的是, 在整个光氧化处理期间, 转
PEPC 基因水稻在1400 Λmolöm 2. s 的高光强下, 其
光合速率均比1000 Λmolöm 2. s 的高, 而原种则相
反。这一结果表明, 从逆境下的光合表现看, 与原
种相比转 PEPC 基因水稻具有较强的耐光氧化的特
性。
图5　光氧化条件下转 PEPC 基因水稻和原种叶片在1000 Λmolö
m 2. s 和1400 Λmolöm 2. s 光强下光合速率的变化
F ig. 5　Changes of photosynthetic rate at 1000 Λmolöm 2. s and
1400 Λmolöm 2. s PPFD in transgenic rice and untransform ed
rice under photooxidative condition
423　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　作　　物 　　学　　报　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　28卷

3　讨论
当绿色植物叶片吸收的光强超过光合作用的饱
和光强时, 就会发生光合作用的光抑制[ 11 ] , 光抑制
现象在 C3植物中普遍存在[ 12 ] , 高光强下伴以其它
理化逆境 (低温、高温、干旱、盐、大气污染等) 时
加剧光抑制, 使叶绿素降解[ 13 ] , 出现叶片“黄化”的
光氧化现象[ 7 ]。多年的研究已经明确耐光氧化特性
在品种间有着明显的差异[ 14, 15 ] , 并看到耐光氧化
的水稻品种在强光与低 CO 2条件下 PSÊ 的电子传
递活性和 PSÊ 光化学效率较高[ 16 ] , 清除超氧阴离
子自由基的超氧物歧化酶 (SOD )诱导活性高[ 15 ]。特
别有趣的是我们早期观察到耐光氧化的水稻品种叶
内 PEPC 活性诱导较高, 有将叶内光呼吸放出的
CO 2 再固定的功能[ 17 ]。本文证明, 导入玉米的
PEPC 基因的水稻, 与原种相比, 在高光强下, 有
较高的光合速率 (图1) , 在连续高光强下 (2 h) 它的
PSÊ 光化学效率 ( FvöFm ) 下降较少, 光化学猝灭
系数 (qP)比较稳定 (图2) , 在光氧化条件下叶绿素
衰减速度减慢 (图5)。这些事实说明, 转 PEPC 基因
水稻表现出耐光抑制和光氧化的特性。Ku 等
(2000)认为[ 18 ] , 转 PEPC 基因水稻的较高光合能力
是与叶片内气孔导度的增加有关, 推测是 PEPC 基
因导入后, 保卫细胞内C4酸增多, 由于离子交换作
用, 使保卫细胞内 K+ 浓度增加, 从而增加了气孔
导度。J iao 等 (2001) ①的研究表明, 在转 PEPC 基因
水稻叶内 PEPC 活性高表达的同时, 叶片中碳酸酐
酶的活性增大, CO 2的转输能力增强, 提高了叶内
R ubisco 的羧化反应能力, 从而提高叶片的羧化效
率, 使光合能力大为增加。已知光合能力的增加可
减少过剩光能的产生而缓解了光抑制[ 19 ] , 这可能是
转 PEPC 基因水稻耐光抑制和耐光氧化的原因之
一, 有关其它的保护机制尚需通过实验从多方面作
进一步探讨。
常规育种2生理育种2生物技术育种是作物育种
的发展趋势[ 20 ] , 目前在 C3植物水稻中用生物技术
提高光合能力的研究引人注目[ 21, 22 ]。众多的科学工
作者表示应重新设计水稻光合作用以进一步提高产
量[ 23 ] , 有关论述启示我们在我国现有良好株型和杂
种优势利用的基础上, 通过遗传操作将C4植物的光
合酶基因导入我国水稻品种中, 将可能为水稻开拓
一条新的生理育种途径。
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