Overexpression of C4-cycle enzymes in transgenic C

LOGOOverexpressionofC4-cycleenzymesintransgenicC3plants:abiotechnologicalapproachtoimproveC3-photosynthesisaswellasabeautifuldream.Dingzj,Zhengc2009.10.9CompanyLogoContentsIntroduction1PreviousTransgenicResults2DiscussionandPerspective3CompanyLogoIntroductionwheatricesoybeanpotatoTheseC3-cropsaresignificantlyimportantforfeedingthegrowingwordpopulationanyway.CompanyLogoWhatapity!somedeficienciesinC3-cyclephotosynthesisphotorespirationTheprocessofphotorespirationdiminishestheefficiencyofCO2assimilationandphotoassimilates.CompanyLogoIntroductionPEPC(PEPcarboxylase)hasahigheractivityofCO2assimilation..CompanyLogoAgreatidealPredominantfactorsinC4-cycle.DefectsinC3-pathwayPeopleattemptedtohaveahybridization,transferringC4-propertiestoC3-plant.Butitwasfailedanyway.compensateCompanyLogoAPerfectDesignAC4-pathwayestablishedinC3-plantbyengineeringapproaches.CompanyLogoKeyenzymesinC4-cyclePEPC(PEP羧化酶)PPDK(PEP/Pi双激酶)PEPCK(PEP羧激酶)NADP+-MDH(苹果酸脱氢酶)NADP+-ME(苹果酸酶)CA(碳酸酐酶)PPT(PEP/Pi转运蛋白)CompanyLogoCompanyLogoPEPCKogami等(1994)报道，在组成型表达启动子CAMV35S、叶肉细胞特异表达启动子Cab或玉米自身启动子的控制下将来源于玉米型PEPC的cDNA导入烟草后，转基因烟草植株中PEPC活性增加近2倍，苹果酸含量也有增加，但对CO2，的同化率并没有影响，与野生型相比，在温度提高的情况下，同化CO2，过程中的量子产量未受到影响，且CO2，补偿点也未发生变化。Matsuoka等(2001)在C4型PEPC启动子的控制下将PEPC的全长cDNA导入烟草后，转基因烟草叶中PEPC活性增加2～5倍，苹果酸含量也相应增加，但预期的光合CO2同化和CO2补偿点等重要的生理指标未发生变化。CompanyLogoPEPCK转基因水稻植株的光合指标如CO2同化率和CO2补偿点并未发生改变。这可能是由于导入的PEPCK不能与水稻内源PEPC协同作用以形成有效的C4循环所致。Hausler等(2001)在马铃薯Rubisco小亚基(rbcs)转录序列控制下将来源于费氏中华根瘤菌(Sinorhizobiummeliloti)的PEPCK基因导入烟草叶绿体后，在转基因烟草植株的叶绿体中可以检测到PEPCK活性，但光合效率并未提高。CompanyLogoNADP+-ME绝大多数转NADP+-ME基因的植株都受到不良的影响，如生长迟缓，叶片白化，基质状态紊乱，光抑制增强，转NADP+-ME基因植株对光合生产量的提高无实质性的结果CompanyLogoDouble&MutipleoverexpressionofC4-cycleenzymesLipka等(1999)将来源于黄顶菊(Flaveriapringlei)的PEPC基因和NADP—ME基因逐步转入马铃薯后，获得马铃薯双转化植株，其PEPC和叶绿体NADP-ME活性均得到提高，与野生型相比，双转基因的植株分离的叶绿体中NADP—ME活性增加5倍，温度升高时，它们对CO2，同化的温度依赖性明显减弱，且CO2，同化过程中的电子需求显著下降。Hausler等(2001)在马铃薯的Ppc过量表达植株中再导入内生细胞质NADP-ME酶基因后，双转化植株中的Ppc表达被削弱，其光合作用也没有显著变化。但Ku等(2001)在同一水稻植株中过量表达PEPC和PPDK基因后，其光合能力增加35％、谷粒产量增加22％。CompanyLogo如Hausler等(2002)用含有不同的抗性筛选基因的表达质粒逐步转入马铃薯后，共获得4个C4基因(来源于Corynebacteriumglutamicum的PEPC或内源PEPC、NADP-ME、PPDK和PPT)表达的马铃薯植株。在烟草中，过量表达C4循环单一基因的转基因植株经过常规杂交，采用不同的组合获得一系列共表达的多种组合(PEPC，ADP—ME，PPDK，PEPS，PEPCK，PPT)的杂合子代(JunLi的未发表资料，引自Hausler等2002)。CompanyLogoDiscussionandperspectiveThepotentialoftransgenicmethodstoimproveC3-photosynthesisisunlimited.TherehasbeensignificantprogressintheoverexpressionofkeyenzymesofC4-typebiochemistryintransgenicC3plants.Nevertheless,theidealmodelisstillintheair.CompanyLogoThestudyhasalwaysbeendifficult,forthesortsoffactorsinsuchcomplexmechanismsincludingthespatialityofenzymesdistribution,thecertainstructureinC3andC4plantrespectivelyandsoforth.AncompletesystemmaybeestablishedratherthanasingleorsomeenzymesofC4-cycleoverexperessedintransgenicC3-cropsinthefuture.CompanyLogoReferences植物生理学通讯第44卷第2期，2008年4月C4光合关键酶基因转化C3植物罗遵喜，张树珍，杨本鹏HauslerRE，HirschHJ，KreuzalerF，PeterhanselC(2002)．OverexpressionofC4cycleenzymesintransgenicC3plant：abiotechnologicalapproachtoimproveC3-photosynthesis．JExpBot。53(369)：591-607HauslerRE，KleinesM，UhrigH，HirschHJ，SmetsH(1999)．overexpressionofphosphoenolpyruvatecarboxlasefromCorynebactriumglutamicumlowertheCO2compensationpoint(T)andenhancedarkandlightrespirationintransgenicpotato．JExpBot。50：1231-1242HudspethRL,GrulaJW,DaiZ,EdwardsGE,KuMSB.1992.Expressionofmaizephosphoenolpyruvatecarboxylaseintransgenictobacco.PlantPhysiology98,458–464.KogamiH,ShonoM,KoikeT,YanagisawaS,IzuiK,SentokuN,TanifujiS,UchimiyaH,TokiS.1994.Molecularandphysiologicalevaluationoftransgenictobaccoplantsexpressingamaizephosphoenolpyruvatecarboxylasegeneunderthecontrolofthecauliflowermosaicvirus35Spromoter.TransgenicResearch3,287–296.LOGO