Manipulation of Catalase Levels Produces Altered Photosynthesis in Transgenic Tobacco Plants
- 作者
- Louise F. Brisson, Israel Zelitch, Evelyn A. Havir
- 单位
- Department of Biochemistry and Genetics, The Connecticut Agricultural Experiment Station
- 杂志
- Plant Physiology（1998）
- DOI
- 10.1104/pp.116.1.259
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究过氧化氢酶活性水平是否以及如何影响转基因烟草的光呼吸CO2释放和净光合作用，特别是高温下的光呼吸化学计量。
研究策略
通过农杆菌介导转化，将来自烟草和棉花的过氧化氢酶cDNA以正义或反义方向导入烟草（Nicotiana tabacum cv Havana Seed），获得过氧化氢酶比活从野生型0.20倍到2.0倍以上的转基因植株；测定不同温度下的CO2补偿点（Γ）及暗呼吸速率，并与野生型比较。
核心内容
该研究通过农杆菌介导转化，将烟草和棉花的过氧化氢酶cDNA以正义或反义方向导入烟草，获得叶片过氧化氢酶比活从野生型0.20倍到2.0倍以上的转基因植株。在38°C高温下，过氧化氢酶活性降低50%时CO2补偿点增加39%，活性提高50%时补偿点降低17%，而29°C下这一趋势不显著。野生型叶片在38°C下CO2补偿点约为133 μL CO2 L⁻¹，29°C下约为74 μL CO2 L⁻¹，转基因植株的暗呼吸速率与野生型一致。结果表明过氧化氢酶活性在高温下显著影响光呼吸CO2释放：降低酶活性增加光呼吸CO2损失，升高酶活性则减少损失。研究提出过氧化氢酶通过分解H2O2抑制酮酸的非酶促过氧化脱羧，从而将光呼吸CO2形成的化学计量维持在接近理论值25%，为通过提高过氧化氢酶活性减少光呼吸CO2损失、增加净光合效率提供了新策略。
创新点
明确证明过氧化氢酶水平可调控光呼吸CO2形成的化学计量，提出通过提高过氧化氢酶活性减少光呼吸CO2损失、增加净光合效率的新方法。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana tabacum cv Havana Seed | 光呼吸/过氧化氢代谢 | N. tabacum leaf catalase cDNA (CAT-1) | 过氧化氢酶 CAT-1 | 催化 | 正义构建过表达，反义构建抑制；CaMV 35S或Big Mac启动子驱动 |
| Nicotiana tabacum cv Havana Seed | 光呼吸/过氧化氢代谢 | N. sylvestris catalase partial cDNA (0.7 kb) | 过氧化氢酶 | 催化 | 反义构建（pBZ1），降低叶片过氧化氢酶活性 |
| Nicotiana tabacum cv Havana Seed | 光呼吸/过氧化氢代谢 | Gossypium hirsutum (cottonseed) catalase subunit 1 cDNA | 过氧化氢酶亚基1 | 催化 | 正义或反义构建（pBZ4/pBZ5），正义约1.36倍WT，反义约0.43倍WT |
| Nicotiana tabacum cv Havana Seed | 光呼吸/过氧化氢代谢 | CaMV 35S promoter | — | 调控 | 组成型启动子，用于驱动正义或反义过氧化氢酶cDNA |
| Nicotiana tabacum cv Havana Seed | 光呼吸/过氧化氢代谢 | Big Mac promoter (hybrid CaMV 35S / mannopine synthase promoter) | — | 调控 | 用于增强过表达，获得约2倍WT的过氧化氢酶活性 |
| Nicotiana tabacum cv Havana Seed | 光呼吸/过氧化物酶体代谢 | NADH-hydroxypyruvate reductase (endogenous) | NADH-羟丙酮酸还原酶 | 催化 | 作为对照过氧化物酶体酶，其活性不受过氧化氢酶改变影响（斜率0.009，P=0.97） |
关键发现
- 反义构建使叶片过氧化氢酶比活降低至野生型（WT）的0.20-0.75倍，正义过表达提高至1.25-2.0倍以上
- 在38°C下，过氧化氢酶活性降低50%时CO2补偿点（Γ）增加39%，活性提高50%时Γ降低17%（r²=0.67），而29°C时趋势不显著（r²=0.32）
- WT叶片38°C下Γ约为133 μL CO2 L⁻¹，29°C下约为74 μL CO2 L⁻¹
- NADH-羟丙酮酸还原酶活性在转基因植株中与WT相似
- 暗呼吸速率与WT一致（转基因/WT=1.04±0.057）。
研究结论
过氧化氢酶活性在高温下显著影响光呼吸CO2释放：降低过氧化氢酶增加光呼吸CO2损失，升高过氧化氢酶减少光呼吸CO2损失，且此效应依赖于温度。过氧化氢酶通过分解H2O2抑制酮酸的非酶促过氧化脱羧，从而将光呼吸CO2形成的化学计量维持在接近理论值（25%），提高净光合效率。