核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是光合作用中决定碳同化速率的关键酶,其中小亚基(rbcS)是由核基因编码,并且主要在叶片中表达.利用RT-qPCR技术确定了小黑杨(Populus×xiaohei)叶片中高表达的Rubisco小亚基基因PxrbcS1和PxrbcS2基因,并克隆了其上游2 240、2 174 bp的启动子.对其进行启动子元件分析结果表明,PxrbcS1和PxrbcS2的启动子具有多个与光诱导表达相关的元件,例如G-box、MRE和Box 4等元件.构建pBI-121-pPxrbcS1::GUS和pBI-121-pPxrbcS2::GUS植物表达载体并遗传转化84K杨(P.alba× P.glandulosa).GUS组织化学染色以及qPCR表达分析表明PxrbcS1和PxrbcS2的启动子能够驱动GUS基因在84K杨叶片特异性高表达.总之,上述结果表明该研究成功地从小黑杨中克隆了具有叶片高表达活性的Pxr-bcS1和PxrbcS2的启动子,该启动子可应用到包括杨树在内的植物光合作用相关的基因功能研究以及提高植物光合作用的遗传操作中.

Hexadecameric form I Rubisco,which consisting consists of eight large(RbcL)and eight small(RbcS)sub-units,is the most abundant enzyme on earth.Extensive efforts to engineer an improved Rubisco to speed up its catalytic efficiency and ultimately increase agricultural productivity.However,difficulties with cor-rect folding and assembly in foreign hosts or in vitro have hampered the genetic manipulation of hexade-cameric Rubisco.In this study,we reconstituted Synechococcus sp.PCC6301 Rubisco in vitro using the chaperonin system and assembly factors from cyanobacteria and Arabidopsis thaliana(At).Rubisco holo-enzyme was produced in the presence of cyanobacterial Rubisco accumulation factor 1(Raf1)alone or both AtRaf1 and bundle-sheath defective-2(AtBsd2)from Arabidopsis.RbcL released from GroEL is as-sembly capable in the presence of ATP,and AtBsd2 functions downstream of AtRaf1.Cryo-EM structures of RbcL8-AtRaf18,RbcL8-AtRaf14-AtBsd28,and RbcL8 revealed that the interactions between RbcL and AtRaf1 are looser than those between prokaryotic RbcL and Raf1,with AtRaf1 tilting 7° farther away from RbcL.AtBsd2 stabilizes the flexible regions of RbcL,including the N and C termini,the 60s loop,and loop 6.Using these data,combined with previous findings,we propose the possible biogenesis path-ways of prokaryotic and eukaryotic Rubisco.

为探讨棉花(Gosypium spp.)叶片净光合速率(Pn)与氮分配的关系,分析影响光合氮利用效率(PNUE)提高的限制因子,揭示氮利用效率的光合生理调控机制,该研究在花铃期测定包括陆地棉(G.hirsutum)、海岛棉(G.barbadense)、树棉(G.arboreum)和草棉(G.herbaceum)16个基因型棉花的气体交换参数、不同组分氮含量与比例和单位面积细胞壁含量(CWarea)等,分析Pn、CWarea、PNUE与各组分氮含量之间的关系.结果表明:当单位面积氮含量(Narea)小于3.75g·m-2时,Pn与Narea呈极显著正相关关系,超过此值,它们之间无相关关系;而Pn与光合机构中的核酮糖-1,5-双磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)氮含量(Nr)和生物力能学氮含量(Nb)呈显著正相关关系,与捕光系统氮含量(NL)呈边缘性正相关关系,表明光合机构氮含量(Np)比Narea对光合能力更为重要;此外,Pn也与气孔导度(Gs)呈显著正相关关系.基因型'常紫1号'低的Pn主要与低Np有关,而基因型'MOC-620'低的Pn主要与低Gs有关.光合机构各组分氮分配比例也与PNUE呈显著或极显著正相关关系;但光合机构各组分氮分配比例受自身Narea和CWarea影响.相关分析表明,生物力能学氮分配比例(Pb)和捕光系统氮分配比例(PL)与Narea极显著负相关;Rubisco氮分配比例(Pr)、PL和Pb分别与CWarea显著、极显著和边缘性负相关.表明随着Narea和CWarea增加,叶片倾向于非光合机构氮分配,包括储存氮组分和细胞壁组分.此外,细胞壁可能通过影响叶肉导度(gm)降低Pn和PNUE.增加光合机构氮分配比例,降低非光合机构的氮分配比例以及增加gm可提升基因型'常紫1号'和'MOC-620'的PNUE.

为探究西南麦区冬小麦旗叶叶肉导度(gm)与CO2同化对土壤速效磷缺乏的响应.试验于2020-2022年在四川仁寿试验站进行秸秆覆盖和磷素水平的二因素裂区试验,以秸秆覆盖(SM)和不覆盖(NSM)为主区;三个磷水平0(P0)kg/hm2、75(P75)kg/hm2和120(P120)kg/hm2为裂区,分析小麦旗叶光响应曲线、叶肉导度和CO2同化对旗叶磷素水平的响应.结果表明:与NSM相比,SM下旗叶比叶重(LMA)、单位面积磷含量(PA)、单位质量磷含量(PM)和净光合速率(P)分别提高4.1％、16.9％、12.2％和6.9％,且随着施磷量的增加,旗叶的LMA、PA、PM和Pn呈增加趋势.秸秆覆盖与施磷显著提高旗叶最大净光合速率(Pmax)和表观量子效率(AQY),增加旗叶的光合潜能.施磷显著提高旗叶光系统Ⅱ实际光化学效率(ΦPSⅡ),最大羧化效率(Vcmax)、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)活力、胞间CO2浓度(Ci)、叶绿体CO2浓度(Cc)、气孔导度(gs)和gm,P75和P120较 P0 分别提高 16.8％—23.8％、27.9％—35.3％、30.9％—61.7％、1.4％—3.6％、4.8％—13.1％、9.0％—10.2％和 16.0％—16.9％,P75和P120无显著差异.秸秆覆盖与施磷降低旗叶的气孔限制(Ls)和叶肉限制(Lm),生化限制(Lb)是光合速率的主要限制因子.综上所述,秸秆覆盖配施75kg/hm2磷肥可提高西南冬小麦旗叶磷素含量、光系统Ⅱ实际光化学效率、叶肉导度和CO2同化效率,降低气孔限制和叶肉限制,从而提高旗叶净光合速率.

芦苇(Phragmites australis)分布范围广,生物量巨大,环境适应性强.受芦苇多倍体基因组的限制,在基因水平上解释其独特的物种特质非常困难.利用三代测序及多种方法研究2种生态型芦苇(2n=8x)中RCA基因(编码Rubisco活化酶)的类型、结构、表达和定位模式.结果表明,芦苇基因组中有4类RCA基因,均属于RCA2β.转录水平和蛋白质水平检测以及免疫胶体金定位结果表明,芦苇RCA的基因表达模式和蛋白质定位具有明显的生态型特异性.与沼泽芦苇(SR)相比,沙丘芦苇(DR)中RCA的表达水平较低,且更倾向于产生RCA2-β2产物.通过分相的蛋白双向电泳和质谱方法,鉴定到6个高表达的RCA同型物.在DR中这些同型物高比例地分布于膜相.研究表明当芦苇处于极度恶劣的沙漠环境中,RCA转移到膜相并参与叶绿体的膜保护机制.

CONSTANS,CO-like,and TOC1(CCT)family genes play important roles in regulating heading date,which exerts a large impact on the regional and seasonal adaptation of rice.Previous studies have shown that Grain number,plant height,and heading date2(Ghd2)exhibits a negative response to drought stress by directly upregulating Rubisco activase and exerting a negative effect on heading date.However,the target gene of Ghd2 regulating heading date is still unknown.In this study,CO3 is identified by analyzing Ghd2 ChIP-seq data.Ghd2 activates CO3 expression by binding to the CO3 promoter through its CCT domain.EMSA experiments show that the motif CCACTA in the CO3 promoter was recognized by Ghd2.A com-parison of the heading dates among plants with CO3 knocked out or overexpressed and double-mutants with Ghd2 overexpressed and CO3 knocked out shows that CO3 negatively and constantly regulates flowering by repressing the transcription of Ehd1,Hd3a,and RFT1.In addition,the target genes of CO3 are explored via a comprehensive analysis of DAP-seq and RNA-seq data.Taken together,these results suggest that Ghd2 directly binds to the downstream gene CO3,and the Ghd2-CO3 module constantly delays heading date via the Ehd1-mediated pathway.

[背景]随着代谢工程与合成生物学的快速发展,通过对异养微生物进行代谢改造,利用生物法进行二氧化碳固定成为一个新的趋势.生物代谢途径中存在着大量固碳酶,这些酶尚待挖掘与应用,不同的酶固碳效率之间也缺少比较.[目的]在体外和体内对固碳功能和效率进行评价.[方法]选取 3 种固碳酶,即核酮糖 1,5-二磷酸羧化加氧酶(ribose 1,5-diphosphate carboxylation oxygenase,RuBisCo)、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PCK)和乙酰辅酶A羧化酶(acetyl coenzyme A carboxylase,ACC)在大肠杆菌中异源表达并纯化.测定纯酶的酶活,并建立无细胞催化实验-液质联用评价酶固碳能力的方法.在厌氧发酵条件下检测代谢指标,比较过表达固碳酶的地衣芽孢杆菌相较于原始菌的代谢差异.[结果]3 种酶均实现可溶性表达,纯酶的比酶活分别为66.43、1.16 和 12.52 U/mg.通过体外无细胞催化实验,ACC在 3 种酶中表现出最高的固碳效率.分别过表达了 PCK、ACC 的重组地衣芽孢杆菌,厌氧发酵主产物乳酸的转化率从 48.6%分别提升至 58.1%和 59.7%.[结论]可以通过体外、体内结合的方式对固碳酶的效率进行评价,该研究可为固碳酶在微生物遗传改造中理性、精准地应用提供参考.

本研究以抗、感烟草品系JYH、CBH为试验材料,分析赤星病胁迫对光合作用和核酮糖-1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)、核酮糖-1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶活化酶(RCA)活性及基因表达的影响.结果表明,胁迫 9 d,JYH的光合作用及Rubisco、RCA活性、基因表达水平和蛋白含量受到明显抑制.赤星病胁迫显著降低CBH的光合作用及Rubisco、RCA活性和蛋白含量,Rubisco大、小亚基基因(rbcL、rbcS)、RCA基因(rca)的相对表达量也持续下降.JYH的Rubisco、RCA活性、基因表达水平和蛋白含量均显著高于CBH.相关性分析结果显示,Pn与Rubisco、RCA活性及基因表达量呈显著、极显著正相关.在赤星病胁迫下,JYH可维持较高的Pn与Rubisco、RCA活性,从而具有较强抗性.

以适生在我国南亚热带地区的珍贵树种灰木莲(Manglietia glauca)为研究对象,对其幼苗叶片的光合氮利用效率(PNUE)及影响因素在不同遮荫条件下的适应情况进行了研究,以期为这种珍贵树种的栽培育苗,以及人工纯林的改造提供科学理论依据.结果表明:60％遮荫条件下生长的灰木莲幼苗叶片光饱和净光合速率最高(Amax,6.03 μmol m-2 s-1),主要是由于60％遮荫条件下的灰木莲幼苗叶片具有最高的最大羧化速率(Vcmax,32.93 μmol m-2 s-1)及较高的最大电子传递速率(Jmax,61.83 μmolm-2 s-1).不同遮荫处理下的灰木莲幼苗叶片PNUE并没有显著差异,这是因为其在不同遮荫条件下的单位面积叶片氮含量(Narca)及Amax会同步变化,核心是其分配到1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)及生物力能学组分的氮比例(PR及PB)在不同遮荫处理下并没有显著差异.灰木莲幼苗叶片光合系统中捕光组分氮分配比例(Pt)会随着遮荫程度的增加而显著增大,三个处理下的PL大小顺序为:90％遮荫(0.296 g/g) ＞60％遮荫(0.216 g/g)＞全光(0.132 g/g),但这部分氮比例的提高并不会提高叶片的PNUE.灰木莲幼苗叶片捕光组分氮并不与细胞壁氮、Rubisco氮或者生物力能学组分氮形成协同变化,其随着遮荫程度的增加而增大的氮比例来源于其他氮库,这种变化是多因子综合作用的结果.因此在培育灰木莲幼苗时要进行适度遮荫,进行纯林改造时开出的林窗也不宜过大,要选择较为荫蔽的林下环境进行栽植;在遮荫的同时也要适度增施氮肥,以补充因捕光组分氮比例提高而造成的叶片氮消耗.

叶片光合能力直接决定着植物生产力的高低,它既受外界环境条件的影响,也受叶片内部因素的制约.本文以“日”为单位对叶龄进行度量,从爆芽日开始,对蒙古栎光合作用参数随叶龄的变化及其与叶片功能性状的关系进行了分析.结果如下:(1)蒙古栎叶片生长季初期(爆芽后3日内)其呼吸速率大于光合速率,净光合速率为负值;生长季中期,光合参数Pmax(最大净光合速率)、Jmax(CO2饱和时最大净光合速率)、Vcmax(最大Rubisco催化反应速率)的变化主要受环境因子(降雨、土壤含水率)的影响.(2)整个生长季初期,光合参数与叶绿素含量及叶面积呈极显著正相关(P＜0.01);生长季初期爆芽阶段光合参数与比叶重呈负相关,生长季初期展叶阶段光合参数与比叶重呈正相关,在生长季初期叶片完全展开后,光合参数与比叶重呈负相关;生长季中期,所有的光合参数与叶片功能性状无显著相关性;生长季后期,光合参数与叶片功能性状均呈显著正相关(P＜0.05).建议今后研究中,考虑根据叶片的生长过程分阶段探讨其光合能力及其生理生化影响机制,以增加森林生态系统碳收支估算的准确性.