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高等植物在光合类型上可分为C3、C4、CAM三大类。C4和CAM植物是在逆境条件下经过长期驯化，从C3植物进化而来的。与C3植物相比，C4植物由于具有CO2浓缩机制，能在高光强、高温及低浓度CO2、干旱等条件下，比C3植物有较高的光合速率和营养、水分利用效率。然而遗憾的是，许多重要的粮食作物（例如水稻）都是光合效率较低的C3植物。从生理上分析，我国现有的高产水稻品种的光能利用率仅为1％～1.5％，与理想的光能利用率3％～5％相比，尚有很大的潜力可挖。人们受到C4光合途径的启发，希望通过转基因技术改造水稻等C3植物，以增强其叶片的光合能力，从而达到提高光合效率和产量的目的。改善C3作物光合作用的内在遗传基础，提高光合效率，已成为分子育种新兴学科的重要研究领域。
二十世纪末，随着转基因技术的快速发展，以农杆菌为介导己成功地将来自玉米编码C4光合途径关键酶PEPC、PPDK和NADP-ME的基因分别转入水稻中，获得了不同的高表达的转基因水稻材料。本文以转C4基因的水稻为材料，进行了系列研究，得到以下结论：
1.利用冻融法，使用不同的CaCl2浓度对不同细胞生长状态的农杆菌进行重组质粒导入的研究，以确定最适的导入条件。结果表明，菌体OD600值和不同的CaCl2浓度对转化有不同程度的影响。在OD600值为0.4时，液氮条件下用浓度为50mmol.L-1的CaCl2溶液对菌体进行处理得到的转化率最高。实验得到转化子，并进行了菌落PCR技术的鉴定。
2.以杂交水稻的亲本籼稻不育系2364S为材料，建立了农杆菌转化的体系，以期获得转PEPC基因的籼稻亲本，为杂种优势利用和生理育种的结合提供依据。
3.进一步用杂交的方法获得转PEPC+PPDK双基因水稻，测定了环境因素对其光合生理指标的影响，发现转PEPC+PPDK基因水稻显著地增加了光合能力。进一步研究转PEPC+PPDK基因水稻的光合保护能力，看到玉米PEPC和PPDK基因导入水稻后，在高光强下光合速率提高50％，光合作用的光抑制减轻。在高光高温自然条件下转PEPC+PPDK基因水稻中午Fv/Fm降低较少，光抑制较轻，光能转化为化学能的效率较高，热耗散较低。在中度干旱处理后，转PEPC+PPDK基因水稻表现出净光合速率和蒸腾速率高，气孔导度增加，胞间CO2浓度降低的特性。
4.以原种和转PEPC+PPDK双基因水稻为材料，进行了PCR检测，C4光合酶活性的测定。通过ATP处理后，分析了光、温-光合曲线和活性氧代谢有关指标，统计分析了相关的产量构成因素。原种中虽有全套的C4光合酶，但活性很低。PCR检测出玉米的PEPC和PPDK基因转入普通水稻后，转PEPC+PPDK双基因水稻高表达了C4光合酶。在高光和高温条件下，同未施ATP的相比，ATP处理后转PEPC+PPDK双基因水稻光合速率提高17％，在光氧化条件下，耐光氧化能力进一步增强，产量提高15％。ATP处理后，转PEPC+PPDK基因水稻增强了光合生产力，表明ATP是设计类似C4水稻的关键因子。
5、测定了不同转C4光合酶基因水稻的C4光合酶活性、光合速率以及活性氧代谢有关指标，发现原种中具有全套的C4光合酶，但活性很低，而不同转C4光合酶基因水稻高表达了相应的C4酶活性。转PPDK、PEPC光合酶基因水稻的饱和光合速率比原种高，其中转PEPC和转PEPC+PPDK双基因水稻的光饱和点比原种高200μmol m-2 s-1,而转PPDK、ME基因水稻的光饱和点与原种相差不大。在高光条件下，与原种相比较，转PPDK基因水稻的光合速率未增加，转ME基因水稻的光合速率降低了7.6％，转PEPC基因水稻的光合速率增加了52.1％，转PEPC+PPDK双基因水稻与转PEPC基因水稻相近。ATP处理后，可显著提高转PEPC+PPDK双基因水稻的光合放氧速率，显现出类似C4的光合特点，表明ATP是构建C4水稻的关键因子。光氧化条件下，转PEPC+PPDK基因水稻的耐光氧化能力得到进一步的增强。