中文摘要：

众所周知，C4植物比C3植物具有较低的光呼吸和较强的抗旱耐热性，这主要得益于C4植物具有一套CO2浓缩机制。如能显著提高C3植物叶片内部CO2浓度，将显著提高其逆境光合效率和抗旱耐热性。本项目拟以水稻为材料，采用多基因组装载体系统将甘油酸途径的三个基因(乙醇酸脱氢酶、乙醛酸醛连接酶和羟基丙二酸半醛还原酶)导入水稻，在水稻叶绿体中构建一条新的乙醇酸分流代谢捷径，使乙醇酸直接在叶绿体中分流代谢并释放出CO2，显著提高干旱、高温等条件下水稻叶绿体内CO2浓度。由此不但能提高水稻的逆境光合效率，消耗逆境下过剩的同化力，减少氧化胁迫对植物的伤害，而且还可降低光呼吸损耗，这些都将直接或间接地提高水稻的抗旱耐热性。这是一条提高植物抗逆性尤其是抗旱耐热等多种抗逆性的新思路。研究结果不仅为合理利用、改良C3作物光呼吸奠定基础，而且也为进一步利用多基因组装载体系统改良作物品质、提高作物抗逆性进行有益的探索。

结论摘要：

CO2浓度是影响植物光合速率的关键因子之一。本研究拟在水稻叶绿体内构建一条光呼吸乙醇酸代谢途径，使乙醇酸直接在叶绿体内代谢并释放出CO2，提高叶绿体内CO2浓度，促进Rubisco的羧化活性，抑制其加氧活性。目的基因分别为来自集胞藻6803的乙醇酸脱氢酶 (glycolate dehydrogenase, Sygdh)、来自拟南芥的乙醇酸脱氢酶Atgdh、来自大肠杆菌的乙醛酸醛连接酶 (glyoxylate carboxyligase, gcl) 和羟基丙二酸半醛还原酶 (tartronic semialdehyde reductase, tsr)。构建2个多基因表达载体pYL1305-Syggt和pYL1305-Atggt，转化水稻获得转基因植株。结果表明三个目的基因在转录水平正常表达，但转基因植株的表型和抗逆性与野生型无显著差异，进一步分析表明目的蛋白GCL和TSR不能准确定位到叶绿体，从而导致实验的失败，说明蛋白质的叶绿体定位不仅和叶绿体定位信号有关，也与目的蛋白本身有关。调整研究方案，重新利用来自水稻的乙醇酸氧化酶1 (glycolate oxidase1, glo1)、过氧化氢酶3 (catalase3, cat3) 和抗坏血酸过氧化物酶7 (ascorbate peroxidase7, apx7) 以及来自南瓜的苹果酸合成酶 (malate synthase, Cmms) 构建新的多基因表达载体pYL1305-gma和pYL1305-gmc。以四个gma转基因株系为材料的检测结果表明目的基因在转录和翻译水平正常表达，光合速率比野生型提高约20%，株高、叶长和叶宽等指标显著高于野生型植株，主穗的长度、小穗数及粒重等农艺指标高于野生型植株。但相比野生型植株，转基因植株对强光及干旱的抵抗能力未见显著提高，这可能是叶绿体内产生过多的H2O2未能被及时清除所致，换用光诱导型启动子PrbcS启动apx的表达可能会改善这一状况。