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水稻光合CO2浓缩机制的创建及其对光合效率的影响研究
结题报告
批准号:
31470343
项目类别:
面上项目
资助金额:
85.0 万元
负责人:
彭新湘
依托单位:
学科分类:
C0203.植物光合与固氮
结题年份:
2018
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
张建军、Manosh Kumar Biswas、沈博然、彭程、崔丽丽、朱程华、谢宗旺、丁利杰
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中文摘要
采用多基因转化技术(整合至核基因组)和多基因质体转化技术(整合至叶绿体基因组),并以不同的代谢改造方式(乙醇酸 至 乙醛酸 至 草酸 至 CO2;乙醇酸 至 乙醛酸 至 羟基丙酮酸半醛 至 甘油酸 + CO2),在水稻叶绿体中分流光呼吸乙醇酸并释放CO2于其中,以此提高Rubisco周围的CO2浓度、创建水稻光合CO2浓缩机制(CCM)。依据相关报道与本课题组的前期研究基础,可望由此一方面提高植物光合效率并减少CO2释放,另一方面可望深入阐明光合效率与水稻产量形成的关系及其机理,还可能由此改善植物的抗逆能力(干旱、高温、高光等)。因此,本项目研究对深入阐明高光效机理、对作物生产、甚至对减少大气碳排放均具有深远意义。
英文摘要
In this project, we aim to construct the photosynthetic CO2 concentrating mechanism (CCM) in rice plants through increasing the ambient CO2 concentration surrounding Rubisco by releasing the photorespiratory CO2 within the chloroplast. The metabolic engineering will be carried out by using both multigene transformation (integrated into nuclear genome) and multigene plastid transformation (integrated into chloroplast genome) approaches to bypass the photorespiratory glycolate into CO2 in different ways, i. e. glycolate to glyoxylate to oxalate to CO2; glycolate to glyoxylate to tartronate semialdehyde to glycerate+CO2. Based on the related literature and our own pioneering investigations, this engineering would be able to improve photosynthetic efficiency meanwhile lowering CO2 loss in plants, and then to in-depth understand the relationship between photosynthetic efficiency and crop yield formation and its mechanism, and also hopefully, to increase stress resistance of rice (drought, heat and high light, etc.). Therefore, this study is of both academic and practical significance in terms of understanding the mechanism of high photosynthetic efficiency, its relations to crop yield formation, and even of manipulating carbon emissions in the atmosphere.
正常环境条件下,C3植物光呼吸可消耗其光合产物的25-30%,而高温、干旱、高光等逆境条件下这种损耗会更为严重。本研究采用多基因转化技术,将多个与光呼吸相关的酶导入水稻叶绿体中从而创建一条光呼吸代谢支路,使水稻光呼吸产生的部分乙醇酸直接在叶绿体中代谢并释放出CO2,以此提高Rubisco周围的CO2浓度,创建一种新的光合CO2浓缩机制(CCMs),以期提高光合速率并降低光呼吸损耗,最终获得高光效水稻工程植株,主要研究结果如下:. 1.参考以往报道并结合本实验室长期光呼吸研究成果,设计了一条新的光呼吸代谢改造支路GOC支路,即将OsGLO3(水稻乙醇酸氧化酶3)、OsOXO3(水稻草酸氧化酶3)和OsCAT2(水稻过氧化氢酶2)三个酶引入水稻叶绿体中,使水稻光呼吸产生的部分乙醇酸直接在叶绿体内被催化为草酸并最终分解为CO2,从而形成CO2浓缩机制,而由该支路产生的H2O2则被OsCAT2分解,防止对植物造成毒害。利用多基因表达技术,成功获得了能够同时在水稻叶绿体中协同表达三个目的基因的转基因纯合子植株。大田种植分析表明,相对于野生型,GOC植株的净光合速率、叶绿素含量、叶片总氮含量显著提高,同时有效分蘖数、剑叶宽、地上部分生物量、穗长、穗粒数显著增加。. 2.发现在rCTP介导的叶绿体定位中,无论是对外源蛋白还是rbcS蛋白本身,其N端非折叠区的长度均影响其叶绿体定位,当这一长度少于20个左右的氨基酸时,叶绿体定位效率会下降。根据这一发现,对rCTP进行了改造,改造后的信号肽RC2能将外源蛋白高效的定位进水稻叶绿体并最终完全被切除。. 3. 成功筛选得到了3个水稻叶肉细胞光诱导启动子(Prbcs、Prca和Pcab)和3个水稻干旱诱导启动子(pOshox24、pRab21和pOsLEA3-1),可用于更加有针对性的对光呼吸进行代谢工程改造。
期刊论文列表
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Association-Dissociation of Glycolate Oxidase with Catalase in Rice: A Potential Switch to Modulate Intracellular H2O2 Levels
水稻中乙醇酸氧化酶与过氧化氢酶的结合-解离:调节细胞内 H2O2 水平的潜在开关
DOI:10.1016/j.molp.2016.02.002
发表时间:2016-05-02
期刊:MOLECULAR PLANT
影响因子:27.5
作者:Zhang, Zhisheng;Xu, Yuanyuan;Peng, Xin-Xiang
通讯作者:Peng, Xin-Xiang
An optimized transit peptide for effective targeting of diverse foreign proteins into chloroplasts in rice.
一种优化的转运肽,可有效地将多种外源蛋白靶向水稻叶绿体
DOI:10.1038/srep46231
发表时间:2017-04-11
期刊:Scientific reports
影响因子:4.6
作者:Shen BR;Zhu CH;Yao Z;Cui LL;Zhang JJ;Yang CW;He ZH;Peng XX
通讯作者:Peng XX
Overexpression of Glycolate Oxidase Confers Improved Photosynthesis under High Light and High Temperature in Rice.
乙醇酸氧化酶的过度表达可改善水稻在高光和高温下的光合作用
DOI:10.3389/fpls.2016.01165
发表时间:2016
期刊:Frontiers in plant science
影响因子:5.6
作者:Cui LL;Lu YS;Li Y;Yang C;Peng XX
通讯作者:Peng XX
Responsiveness comparison of three stress inducible promoters in transgenic rice
转基因水稻三种逆境诱导启动子的响应性比较
DOI:10.1007/s11738-018-2753-1
发表时间:2018-09
期刊:Acta Physiologiae Plantarum
影响因子:2.6
作者:Haiyan Teng;Boran Shen;Ee Liu;Jianjun Zhang;Xinxiang Peng
通讯作者:Xinxiang Peng
Catalytic and functional aspects of different isozymes of glycolate oxidase in rice.
水稻乙醇酸氧化酶不同同工酶的催化和功能方面
DOI:10.1186/s12870-017-1084-5
发表时间:2017-08-08
期刊:BMC plant biology
影响因子:5.3
作者:Zhang Z;Li X;Cui L;Meng S;Ye N;Peng X
通讯作者:Peng X
光呼吸GLO与CAT互作/解离调控机理及其与植物抗逆性的关系研究
  • 批准号:
    31770256
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    彭新湘
  • 依托单位:
OsNOA1调控水稻叶绿素和Rubisco形成及其温度依赖性的机理研究
  • 批准号:
    31170222
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    彭新湘
  • 依托单位:
水稻草酸合成与调控的分子机理
  • 批准号:
    30971710
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    27.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    彭新湘
  • 依托单位:
GLO调控水稻光合作用的机理研究
  • 批准号:
    30870184
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    38.0万元
  • 批准年份:
    2008
  • 负责人:
    彭新湘
  • 依托单位:
植物乙醇酸氧化酶生理功能的分子生物学研究
  • 批准号:
    30470152
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    21.0万元
  • 批准年份:
    2004
  • 负责人:
    彭新湘
  • 依托单位:
水稻草酸代谢调控的分子机理研究
  • 批准号:
    30270799
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    23.0万元
  • 批准年份:
    2002
  • 负责人:
    彭新湘
  • 依托单位:
铝毒与低磷胁迫对大豆草酸形成分泌的协同诱导作用及其机理研究
  • 批准号:
    30070453
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    13.0万元
  • 批准年份:
    2000
  • 负责人:
    彭新湘
  • 依托单位:
植物草酸脱氢酶和草酸代谢的研究
  • 批准号:
    39000009
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    3.0万元
  • 批准年份:
    1990
  • 负责人:
    彭新湘
  • 依托单位:
国内基金
海外基金