C3植物、C4植物与CAM植物

C3植物、C4植物与CAM植物 标题: C3植物、C4植物与CAM植物 摘要: [C3植物、C4植物与CAM植物]在高等植物中,光合碳同化主要有3种类型:C3途径, C4途径和景天酸代谢途径(CAM)。C3植物中,CO2的固定主要取决于1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPCase)的活化状态,因为该酶是光合碳循环的入口钥匙。它催化1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)羧化,将大气中的CO2同化,产生两分子磷酸甘油酸,可见RuBPCase在C3植物中同化CO2的重要性。C4植物是从C3植物进化而来的一种高光效种类。与C3植物相比,它具有在高光强……[关键词:叶绿体活性基因外稃细胞质叶片大豆]…… 关键词: 叶绿体活性基因外稃细胞质叶片大豆 在高等植物中,光合碳同化主要有3种类型:C3途径,C4途径和景天酸代谢途径(CAM)。C3植物中,CO2的固定主要取决于1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPCase)的活化状态,因为该酶是光合碳循环的入口钥匙。它催化1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)羧化,将大气中的CO2同化,产生两分子磷酸甘油酸,可见RuBPCase在C3植物中同化CO2的重要性。C4植物是从C3植物进化而来的一种高光效种类。与C3植物相比,它具有在高光强,高温及低CO2浓度下,保持高光效的能力。C4植物固定CO2的酶为磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase),与C3作物中RuBPCase相比,PEPCase对CO2的亲和力高。C4植物的细胞分化为叶肉细胞和鞘细胞,而光合酶在两类细胞中的分布不同,如PEPCase在叶肉细胞固定CO2,生成草酰乙酸(OAA), OAA进一步转化为苹果酸(Mal),Mal进入鞘细胞,脱羧,被位于鞘细胞内的RuBPCase羧化,重新进入卡尔文循环。这种CO2的浓缩机理导致了鞘细胞内的高浓度的CO2,一方面提高RuBPCase的羧化能力,另一方面又大大抑制了RuBPCase的加氧活性,降低了光呼吸,从而使C4植物保持高的光合效率。正是因为C4途径具有高光合能力,自60年代以来,试图利用C4光合特性来改进C3植物的光合效率,一直是一个引人注目的研究问题。多年来,人们希望通过C3植物与C4植物杂交,将C4植物同化CO2的高效特性转移到C3植物中去,但至今尚未取得令人满意的结果,其杂种F1和F2代的光合效率均比任何一个亲本都低,基于上述情况,试图通过杂交将具有C3途径的许多作物(如水稻(Rice)、小麦,大豆)改造为具有C4途径植株的可能性极微。但却可能从C3植物中筛选出有PEPCase及C4途径表达较高的变异株,并加以遗传改进,从而提高C3植物的光合效率。所以几十年来,人们设想在那些利用杂种优势不明显的品种内,如C3作物大豆、小麦中筛选高光效品种。Winter(1974)指出C3植物(如小麦、大麦)不同的绿色器官中,PEPCase,RUBPase的活性存在显著差异。这不仅表现在碳同化速率上,同时也表现在碳素同化的途径上。随着人们发现C3植物中存在C4途径,根据这一特点,寻找C4途径表达强的C3植物逐渐成为光合研究的一个侧重点。为此,大量的工作已经被开展并已取得许多令人欣喜的成果。不仅证明了在C3植物中C4途径的存在,而且发现同种植物中不同品系间C4途径的强弱有较大差异。但是有关C4途径在C3植物中的表达方式及途径的研究开展还很少,人们仅发现C3植物中C4途径的客观存在,至于C4途径在C3植物中的作用机理及在植物光合作用中所占的比例,均有争议,但无论如何,有关C3植物中C4途径存在的发现及由此进行的筛选高光效品系工作,为基因 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 (Genetic Engineering)改造培育新品种和高产农作物提供了理论依据。 1 C3植物中C4途径的发现及研究现状 C3植物中C4途径的发现是伴随着C4途径的发现而发现的。1953年Calvin确定了植物体内 C3途径的存在,1965年Kortschack等在夏威夷甘蔗试验中观察到CO2固定的初期产物是四碳酸,1966年,澳大利亚的Hatch在甘蔗研究上获得了证实,并提出了C4途径。从此植物界光合碳同化方式有了C3途径和C4途径的区分。但是随着研究的日益深入,研究人员们发现C3植物和C4植物的区分并非绝对的。Duffus等(1973)报道在C3植物大麦颖片中,具有高于叶片中的PEPCase含量,而PEPCase是C4途径中关键性酶,因此提出了C3植物中可能有C4途径的存在。Nutbeam等(1976)发现,非成熟的C3作物大麦种子固定CO21 min后, 84%的14C分布在苹果酸中,其余的在戊糖磷酸和蔗糖中。固定后2 min,主要标记产物是蔗糖,6分钟后,蔗糖中的14C占整个固定14CO2的94%。从而进一步证实了C3植物中C4途径的存在。在粟米草属(Mollugo nudicaulis)中同一植物内可同时存在光合作用的C3和C4途径,嫩叶属C3途径,老叶属C4途径,中部叶属于中间类型。在其它C3植物中,亦发现有C4途径的存在,如宽叶香蒲(Typha latifolia)和芫荽(Coriandrum sativum)(刘振业等,1983)。Cheng等(1988),Moore等(1989)和Ku等(1991)曾报道,在黄花菊属(Flaveria)中有类似C4途径的种类,它们表现出C4植物的特征;另外Bowes等(1989)指出在水韭属(Isoeres)种类中也具有同样的现象。Reiskind等(1997)发现一种两栖植物黑藻(Hydrilla verticillata),在冬季C3代谢很旺盛,而在夏季水生条件下,尽管不具有“Kranz”结构,但仍有活跃的C4代谢。看来,高等植物CO2的两种类型代谢途径,C3和C4途径不是截然分开的,而是相互联系的,在一定条件下可以相互转化的。 Hatch等(1990)经过数年的观察,他们认为判定植物体内是否具有C4途径,必须符合以下两个条件:①酶学研究,即C4途径有关的酶PEPCase,NAD(P)-苹果酸酶,NAD(P)-苹果酸脱氢酶,丙酮酸磷酸双激酶及碳酸酐酶等,与C3植物体内相应的同功酶比较,活性较高。②14CO2示踪试验证明:CO2的最初产物为C4酸即苹果酸(Mal)和天冬氨酸(Asp),而且这些有机酸脱羧后,CO2转移到有机物如糖类、淀粉中去。 1.1 酶学研究 近几十年来,人们围绕着C3植物中C4酶的存在做了大量工作,并取得了许多成果。PEPCase 是C4途径的最初固定CO2的酶,大量研究表明,PEPCase不仅存在于C4植物中,而且也广泛存在于C3植物中。Ting等(1973)认为C3植物PEPCase对底物PEP,HCO3的亲和力也比C4植物中同功酶的亲和力约高6倍。因此PEPCase在C3植物中碳代谢作用是不可忽视的,尤其当植物体内外条件发生变化时,其活性发生显著变化。如烟草感染花叶病毒时,RUBPase 被抑制,其功能可部分地被PEPCase代偿;小麦和大豆在干旱条件下,PEPCase活性可被显著提高。近来,Jenkins(1989)用PEPCase专一性抑制剂3,3-2氯-2-(二羟膦甲基)-丙烯酯(DCDP)证明,C3植物中C4光合酶PEPCase对CO2的同化有一定的贡献。郝乃斌等(1991b)的研究表明,大豆不同器官中的PEPCase/RuBPCase的比值差异显著,其中叶片中的比值最低,为0.27,而种皮中的比值最高为8.66,子叶中为6.49,这说明大豆种皮和子叶中PEPCase活性要比该器官中的RuBPCase活性高出几倍。而且还证明,PEPCase不仅大量固定呼吸作用所释放的CO2,同时还可以通过C4途径固定CO2。C4途径的存在标志着细胞有可能通过“CO2泵”的方式提高光合碳循环的CO2浓度,使RuBPCase的催化方向朝着有利于形成碳水化合物的方向运转。Kelly(1977)等认为与C4植物中的PEPCase相比,C3植物体内的活性较低,但与碳同化中的一些限速酶的活性相比,C3植物中的PEPCase的活性仍然是可观的。 碳酸酐酶(CA)在C4光合中是种很关键的酶,它催化CO2到HCO3的快速转化,而HCO 3是PEPCase的底物。Hatch等(1990)利用生化和分子生物学技术研究发现,CA有两种,即细胞质CA和叶绿体CA,C4植物体内的CA主要是细胞质CA,而C3植物的CA主要是叶绿体CA,这2种CA动力学性质及对CO2的亲和力和对抑制剂的敏感性相似。Popova等(1990)发现CA位于C3植物的叶绿体中,它的浓度变化因植物种类而异,一般在86%~96%的范围, 在C3植物中,CA同样有效地将CO2转化为HCO-3,为PEPCase提供底物,从而为C3植物中的C4途径顺利进行打下基础。 丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)是C4途径的专一性酶,Duffus等(1973)在大麦颖果的青色种皮中, Kisaki等(1973)在烟草的幼苗及Meyer(1982)在未熟的小麦颖果中相继发现PPDK的存在。Aoyagi等(1986)年也证实在C3植物中,存在着与C4植物同样的丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)。Hata等(1987)及Aoyagi等(1984)证明,PPDK不但位于叶绿体中,而且还存在于小麦种子的细胞质中;Imaizumi(1991)通过Northern blot 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 发现,在水稻(Rice)种子的细胞质中有PPDK 存在。Rosche等(1994)认为PPDK是C4光合作用的关键酶,它催化固定CO2的最初受体PEP 的再生。PPDK大部分位于叶肉细胞,它的活性已在C3植物的光合组织中被测定。Imaizumi 等(1997b)发现水稻(Rice)开花6天后,外稃中的苹果酸中14C分布比开花初期高,而外稃中的PPDK在开花6 d的含量也相应地高于开花初期,这些结果显示,PPDK的功能与外稃中的C4代谢有关。已报道C3植物中的PPDK与C4植物中的PPDK具有相同的酶学特征,如被光激活(Aoyogi等,1984),对冷胁迫的敏感(Aoyogi等,1984),催化性质(Meyer等,1982)等。Hata等(1987)发现C3植物水稻(Rice)幼苗体内的PPDK与C4植物玉米的PPDK无论在蛋白分子量,抗原决定簇和蛋白质结构等方面都相同。 Edwards等(1983)认为NAD(P)-苹果酸酶是催化L-苹果酸脱羧的酶,在C3,C4及CAM植物中广泛存在。Scheibe(1990)发现NADP-苹果酸脱氢酶是催化草酰乙酸转化为Mal的酶,在自然界中广泛存在,因此认为C3植物的NADP-MDH在碳代谢中与C4型植物的NADP-MDH同样重要。 在大豆的豆荚,西红柿的果皮,小麦及水稻(Rice)的颖果中存在着一种C3-C4中间型或类似C4的光合途径(Edwards等,1983)。有关C4途径的光合酶,如PEPCase,PPDK,NAD(P)-ME 及NAD(P)-MDH在这些器官中具有较高的活力。在大麦和小麦的穗中,在大豆的豆荚中有较高的PEPCase和RuBPCase活性,在西红柿的果皮中也具有相同的现象。Imaizumi等(1991, 1997a)指出在水稻(Rice)的园锥花序的外稃和内稃中,有关C4途径的酶(PEPCase,PPDK, NAD(P)-ME及NAD(P)-MDH)的活性分别是在RuBPCase活性的67%~171%之间浮动。因为植物体内的物质代谢(substance metabolism)是多重的,例如Latzko等(1983)认为C3植物体内的PEPCase的作用不仅行使C4途径,固定外界CO2,生成苹果酸,而且生成的Mal还可以用来维持细胞的pH,也还可以作为三羧酸循环(TCA)的中间产物来参与呼吸代谢。 1.2 CO2同化后的最初产物及转换 Hatch等(1961)提出,在C4途径中固定外界CO2的最初产物为苹果酸(Mal)和天冬氨酸(Asp),为此许多人用14CO2示踪技术,来证明C3植物中不仅存在高活性的C4途径光合酶,同时从CO2同化产物方面来证实C4途径的存在。 Nutbeam等(1976)证明,在C3作物大麦中不仅具有高活性的PEPCase,而且利用14CO2示踪还证明14C的最初固定产物为四碳酸—Mal,而不是3-磷酸甘油酸(3-PGA)。在小麦穗中,用同位素示踪技术也同样发现,CO2的最初产物为Mal和Asp。 Imaizumi等(1997b)发现水稻(Rice)圆锥花序显示出高的CO2同化速率(在叶绿素含量的基础上),有利于产量的提高。在水稻(Rice)圆锥花序中,不仅存在较高的C4途径酶活力,同时采用14C脉冲12C追踪实验,发现外稃中有大约35%和25%的14C分别固定在3-PGA和Mal 中。在C4酸中大约有一半的14C转移到卡尔文循环的中间产物中去。这个结果表明,在水稻(Rice)外稃中,光合途径主要表现为C3途径,然而它们可能有某种程度地利用PEPCase固定CO2。 Imaizumi等(1997b)利用LED技术研究CO2同化产物在水稻(Rice)圆锥花序的外稃中的代谢,其结果也证明在水稻(Rice)中存在C4途径。所谓LED技术,就是在外界空气条件下,植物组 织接受光照20分钟后,将其移入一个密闭系统,然后关掉光源,注射进14CO2,使14CO2的浓度达到0.03%。在暗中固定14CO2 120 s后恢复光照,同时用含12CO2的空气代替14CO2。在不同的时间间隔,杀死叶片组织,然后测组织中的14C含量。Samejima等(1978)曾报道说,利用LED技术,在玉米叶片中,大量的14C被固定在Mal和Asp中,并且在LED技术的暗处理过程中,14C水平保持恒定。C4植物玉米叶片的特征之一是C4酸的C-4位置的14C的转移是严格光依赖的。在水稻(Rice)的外稃中,暗中固定的大部分的14C积累在Mal和Asp 中,并且没有转移到其它产物中去,这一点与玉米的14CO2固定结果相同。Samejima等(1978)报道,利用真空渗入法把NaH14CO3溶液直接饲喂给玉米叶片的鞘细胞,14CO2的光合起始产物为3-PGA;然而通过LED技术,14CO2的最初产物为Mal和Asp。他们认为,用真空渗入法技术得到的结果是由少量的RuBPCase造成的,而非玉米叶片的PEPCase作用结果。如果存在预光照期或通过预光照中止法,RuBPCase活力迅速减少。因此,在水稻(Rice)的外稃中,尽管主要以C3途径固定CO2,但由于存在比RuBPCase活力更高的PEPCase以及其它C4途径光合酶,同时利用LED技术已经证明,在水稻(Rice)的外稃中可产生大量的14C标记的C4酶,而且Mal中的14C主要转移到3-PGA和蔗糖中,因此可说明在水稻(Rice)外稃中确实存在着C4途径。 下一个问题是C3植物中被固定到四碳酸的CO2是否像C4植物那样直接由PEPCase催化固定而来的;或像来自RuBPCase所催化固定的,即空气中的CO2先被C3植物中的RuBPCase 固定在产物如蔗糖中,然后通过呼吸作用分解产生的CO2被PEPCase重新固定。Hatch(1976)证明,在C4植物中,95%的Mal中的14C位于C-4位置上。然而在C3植物中,Mal的14C 只有60%位于C-4位置,33%位于C-1位置。Imaizumi(1997b)采用14CO2示踪和LED技术证明水稻(Rice)外稃中,分别有90%和71%的14C出现在Mal中。在14CO2示踪试验中,光照10分钟后,水稻(Rice)外稃中,90%的14C被标记在Mal的C-4位置;然而在水稻(Rice)的旗叶中,Mal中的14C只有72%在C-4位置上。这些结果表明,水稻(Rice)外稃中的14CO2是通过PEPCase被直接固定下来的。Samejima等(1978)用示踪试验证明,C4植物叶片中几乎所有的C4酸中的14C都转移到其它产物,而水稻(Rice)外稃中四碳酸的14C,大约50%进入到3-PGA,然后转移到磷酸糖中,大约另一半的14C在其它的生化途径中缓慢代谢,如参与氨基酸合成或糖异生途径等。实验结果还表明水稻(Rice)外稃的C4酸代谢像C4植物那样是光依赖性的。 Usuda等(1973)认为14C从Mal到3-PGA的转化,至少有2种可能途径:1)Mal脱羧,形成的14CO2被RuBPCase重新固定,产生3-PGA;2)Mal脱羧产生丙酮酸,丙酮酸经磷酸化再产生3-PGA。若Mal中的14C完完全全位于C-4位置,则第二种可能性可忽略不计。Imaizumi 等(1997b)的试验结果显示,在光合作用固定14CO2 10 s和LED的110 s后,Mal中的14C分别有90%和83%位于C-4位置。这种比例还不足以排除第二种可能,但却有力地支持了第一种可能性的存在。 Nutbeam等(1976)也发现,通过14CO2饲喂发育中的大麦颖果,在颖片中有一些C4途径的特征。水稻(Rice)开花后30 d,从圆锥花序中分离颖片(开花后60 d,谷粒成熟),在饲喂14CO2 1 min后,标记的产物是Mal,长时间喂饲14CO2,14C标记出现在蔗糖中,进一步研究证实Mal中的C-4位置的14C转移到3-PGA的C-1位置,证明了C4途径的存在。 综上所述,无论从酶学,还是从四碳酸代谢均可充分地证明在C3植物中确实存在着C4途径。 2 C4途径在C3植物中作用机理的探讨 2.1 C4途径的酶分子生物学的研究进展 随着C3植物中C4途径存在的证实及分子生物学手段的运用,人们更深刻地了解C4途径酶类的分子机理及它们在C3植物体内的表达。Agarie等(1997)认为,近年来研究最为成功的例子是PPDK在一种两栖类植物荸荠(Eleocharis)体内表达的研究。荸荠在陆生条件下,进行C4型光合作用,而在水生条件下,进行C3方式CO2同化。通过对陆生和水生条件下,丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)的同源基因ppdk1和ppdk2的研究证明,尽管同源基因同源性极高,但却不完全相似。PPDK1蛋白是cDNA的核序列编码的,包含一个特殊的N端区域,可能作为叶绿体的转移肽,然而PPDK2缺乏这个特殊区域。因此ppdk1和ppdk2分别编码一个叶绿体PPDK1和一个细胞质PPDK2。基因组的Southern印迹分析显示,在荸荠的基因组中存在小的ppdk基因家族。Northern印迹分析显示无论叶绿体PPDK1或是细胞质PPDK2同时在同一光合器官—空心秆中表达。但不同的生态环境下,这些基因的表达不同。荸荠缺乏叶片,原来的空心秆表现出所有的光合功能。这种植物依赖环境条件发育成不同的光合器官(即C3类型空心秆和C4类型空心秆),当水生空心秆露出空气中,空心秆就迅速死掉,而长出新的空心秆就具有Kranz结构和C4光合特征。相反地,如果具有C4途径的陆生空心秆被淹没在水中,植物就会发育成过渡态新空心秆,几个月后,就有C3方式光合,即从C4方式逐渐向C3方式转化。在C4植物中,PPDK位于叶肉细胞的叶绿体,在那里催化丙酮酸向PEP的转化。PPDK基因的细胞专一性表达是在转录水平上调控。PPDK是核DNA编码,基因从两个不同的起始点转录。在两个不同的起动子的控制下,大的转录产物是叶绿体PPDK,包括转运肽;小的产物是细胞质PPDK。两栖类型的荸荠,其光合特征的独一无二的进化方式为阐明C4途径的基因表达机理提供了有用的系统。由于有关同一基因组的多种基因的不同表达依赖于生长环境,正如两栖类荸荠的基因表达,也为分子水平上研究C4途径的代谢提供了很好的模式。 另外,人们对PEPCase基因也作了许多研究,对C3,C4,C3-C4的PEPCase基因进行克隆,基因结构分析和调控表达进行广泛的研究。Hermans(1990)在黄花菊属(Flaveria)中发现有C3,类似C3,类似C4,C3-C4,C4等不同代谢类型,分析它们的PEPCase基因,发现同源性极高,由共同的原始祖先进化而来的,由于表达不同,所以活性高低不同,C4植物PEPCase 基因与C3植物PEPCase基因有71%的同源性。Gupta等(1994)通过诱导,使C3植物冰叶日中花(M.crystallinum)中PEPCase的同源基因转录水平大大提高。Hermans等(1990)通过研究C3和C4植物中特殊酶专一性同源基因,发现同种黄花菊属种类中的PEPCase基因具有相同的序列段,研究表明这些同源基因是由共同的原始基因进化而来,只是在不同的植物中有不同的表达。前面谈到在植物中CA有C4型(细胞质CA)和C3型(叶绿体CA),它们基因的不同仅仅是表达水平的不同,细胞质基因高水平表达,而叶绿体基因低水平表达。Badger等(1994)指出两种CA的启动子区域不同导致了两种CA的不同表达。有关C4植物与C3植物PEPCase 基因表达区可能为启动子作用不同而使不同种类的PEPCase表达不同,即C4植物高水平表达,而C3植物则低水平表达,说明光调节光合酶基因的表达具有复杂的机理。由于同源基因在不同环境下的表达不同,因此能否通过人为的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 修饰启动子,使C4途径的酶在C3植物中大量表达呢?如果这种设想取得成功,那么C4途径在C3植物中的表达将大大提高, C3植物光合效率也将会有较大改变,从而为作物改良提供了新的分子生物学途径。 2.2 影响C3植物中C4途径的出现和表达的因素 2.2.1 环境因子Ueno等(1988)发现两栖类植物荸荠已经进化成在不同的生长条件下、具有不同的光合类型。在陆生条件下,表现为C4碳代谢特征;而在水生条件下,则表现为C3植物特征。Teese(1995)发现在高温下,黄花菊属的lineanis类似C4途径特征的表现增强,同时提高CO2同化效率。Reiskind(1989)发现,在低浓度的CO2条件下,能使C3植物诱导出类似C4植物特征,随着类似C4途径的出现,它们的光呼吸强度和CO2补偿点降低。Reiskind