转pepc基因籼稻恢复系“N175”产量相关性状分析

马宏敏

(福建省农业科学院 350003)

近年来，水稻育种的研究重点逐步转向高光效育种。C4植物具有光合效率高、CO2补偿点低、几乎没有光呼吸等优点，因而生物学产量也较高。在植物光合作用碳代谢过程中，CO2的固定同化及有机终产物的合成中起关键作用的酶，决定着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固定的关键酶之一，因此将C4型pepc基因导入C3植物水稻中，有望大幅度提高水稻的光合效率，从而提高水稻单产。将C4型pepc基因导入C3植物水稻中，是水稻高光效遗传工程育种的基本设想。已有的研究表明，将来源于不同C4植物的pepc基因导入水稻，能够提高其磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活性。Ku和Agarie将玉米C4Ppc基因导入粳稻Kitaaken和Nipponbare品种中，转基因植株PEPC酶活性比非转基因植株高2～110倍。张方等将高粱的pepc基因导入农垦58和中花10两个粳稻品种，有53%转基因水稻植株的PEPC酶的活性与高梁叶片中的PEPC酶活性相当，个别植株甚至超过高粱3倍。［1－2］福建省农业科学院水稻研究所与福建农林大学甘蔗研究所合作，将甘蔗pepc基因导入籼稻恢复系N175，获得了遗传性状稳定的转基因后代植株，其光合效率明显提高［3］。本研究在此基础上，进一步评价其产量相关性状，探讨通过转基因方法提高光合效率实现增产的可能性。

1 材料与方法

1.1 材料

转甘蔗pepc基因的籼稻恢复系N175(T6株系)与非转基因对照种子由福建省农业科学院水稻研究所提供。转基因供试材料为经过世代繁殖，逐代检测、选择，得到第6代稳定的种质。

1.2 方法

2010年6月10日播种，5叶龄移栽，单本插栽4行，每行10株，株行距20.0 cm×23.3 cm，记载始穗日期，计算播始历期，成熟期取10株调查株高、单株穗数、穗长、每穗总粒数、结实率、千粒重和单株产量等产量相关性状。

光合参数测定:始穗后，选择天气晴朗的上午10:00～12:00，选取转基因植株与未转基因植株各5株，对完全展开的健康的剑叶中部进行测定，采用Li－6400型便携式光合作用测定仪测定净二氧化碳同化速率，系统设定光强1200 μmol/(m2·s)，环境温度30℃左右。

2 结果与分析

2.1 光合效率比较分析

从表1可以看出，转基因植株的光合效率比非转基因植株提高了29.56%，差异达显著水平。说明导入的甘蔗pepc基因改善了籼稻恢复系N175的光合生理特性，增强了光合作用效率。而光合作用效率的提高，有可能进一步提高N175的产量。

表1 转甘蔗pepc基因的籼稻恢复系N175植株与非转基因对照光合速率比较

2.2 主要性状比较分析

转甘蔗pepc基因水稻与非转基因对照的产量相关性状见表2。由表2可见:转基因植株与非转基因植株相比较，在播始历期、株高、每穗总粒数、结实率4个性状上差异不显著;穗长、单株有效穗数2个性状比非转基因植株提高，差异达显著水平;单株穗数、千粒重、单株产量3个性状比非转基因植株有明显提高，差异达极显著水平，特别是单株产量提高了15.60%，这与转基因植株有较高的光合效率表现一致。由此可见，在籼稻恢复系N175中异源表达甘蔗pepc基因，通过提高植株的光合效率，使单株有效穗数、千粒重等重要产量性状得以提升，从而达到增产目的。

表2 转甘蔗pepc基因的籼稻恢复系N175植株与非转基因对照主要性状比较

3 讨论

甘蔗是高光效的C4作物之一，营养生长期长，在其生长发育过程中既有高温潮湿强光下的快速生长期，也有在较低温或干燥条件下的糖分积累期。因此，甘蔗的C4型pepc基因与玉米或高粱的C4型pepc基因比较，有其表达特点。本研究所用的转基因受体是福建省农业科学院水稻研究所提供的优质籼稻恢复系N175，该恢复系已配组出多个高产、优质杂交水稻新组合，并通过省级农作物品种审定。以该恢复系作为转基因受体，提高了本研究的起点，使研究结果与实际生产应用结合得更加紧密。

C4型光合途径是一种复杂的生理生化过程，涉及多个基因的协同表达。导入C4型pepc基因后，如何通过提高光合效率实现增产目的，还需要在分子机理上进行进一步探讨和阐明。目前已有的研究工作只是实现了单一的C4型光合酶基因在转基因C3植物中的高水平表达，还没有解决多个C4光合酶基因在转基因C3植物中的协调表达和适宜有效表达的问题，多个C4光合酶基因在水稻中的聚合表达，可能对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义［4－5］。

［1］李霞，焦德茂，刘蔚，等.转玉米PEPC基因水稻的农艺性状及生理特性［J］.江苏农业学报，2007，23(2):87－92.

［2］张庆琛，裴冬丽，任永哲，等.C4光合pepc基因转化水稻和小麦研究进展［J］.江苏农业科学，2012，40(11):42－44.

［3］张建福，孙亚萍，马宏敏，等.转甘蔗pepc基因籼稻恢复系N175的遗传学分析 ［J］.分子植物育种，2009，7(4):666－670.

［4］凌丽俐，林宏辉，焦德茂.转PEPC基因水稻种质的稳定光合生理特性 ［J］.作物学报，2006，32(4):527－531.

［5］王德正，焦德茂，吴爽，等.转玉米pepc基因的杂交水稻亲本的选育 ［J］.中国农业科学，2002，35(10):1165－1170.