C3和C4植物和CAM植物在碳代谢上有什么异同点?

C3和C4植物和CAM植物在碳代谢上有什么异同点?
C3和C4植物和CAM植物在碳代谢上有什么异同点?

C3和C4植物和CAM植物在碳代谢上有什么异同点?
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、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,科学家们发现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,HCO3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HCO3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分析发现,在水稻种子的细胞质中有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同化产物在水稻圆锥花序的外稃中的代谢,其结果也证明在水稻中存在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,水稻外稃中,90%的14C被标记在Mal的C-4位置；然而在水稻的旗叶中,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等(1997)发现黑藻(Hydrilla)虽然没有复杂的细胞内区域化,但极易通过诱导出现类似C4途径特征,从而提高CO2同化率,所以在研究C3植物诱导出现C4光合途径,黑藻被认为是一个优秀的材料.
2.2.2 植物不同发育阶段的影响 影响C4途径表达的因素是多方面的,除了环境是一个重要因素外,不同的植物发育阶段也是一个重要影响因素,这一现象已在许多植物中被发现.
在粟米草属(Mollugo nudicaulis)中同一植物内,嫩叶进行C3途径,老叶属C4途径,中部叶植物中间类型.甘蔗本来为C4型植物,但植物老化时,出现C3植物的特征.Khanna等(1973)报道过高梁在开花后其光合碳同化向C3途径的转变,此时RuBPCase活性大于PEPCase活性,而且初期产物中磷酸甘油酸(3-PGA)较多,但叶片仍保持有Kranz构造.这些说明不同的发育阶段确实影响C4途径的表达.
2.3 几种C3植物中C4途径的作用机理
尽管人们已经发现环境因子的诱导对C4途径表达很重要.但是C3植物既不具备C4植物的Kranz结构,也没有C4途径酶的区域分隔,即叶肉细胞和鞘细胞之分.那么,C3植物中的C4途径又如何运行的呢?对此许多研究工作者作过探索,并提出几种设想.
2.3.1 碳酸酐酶作用机理 在C4植物中CA定位在叶肉细胞的细胞质中,在鞘细胞中只有极微的CA活力.在C3植物中CA定位于叶绿体中,在不同植物中,叶绿体CA含量占整个细胞CA含量的比例为86％～95%.Popova等(1990)发现在低CO2条件下,CA参与C3植物对低CO2浓度的适应.CA和叶肉细胞中的PEPCase联合起来,反应过程如下：CO2→HCO3→OAA,CA位于叶绿体中,OAA通过NADP-苹果酸脱氢酶被还原成Mal,并且Mal能被脱羧；另一种反应也可能是OAA直接被脱羧,并生成底物PEP.在这两种情况下脱羧生成的CO2将加强CO2被固定,伴随着CA的参与,CO2与H2O反应,会生成HCO3,通过这种方式,CO2进入细胞质,并且运转到叶绿体的RuBPCase作用的部位.在C3植物中,这种反应将作为一种CO2同化适应机理运行.
2.3.2 叶绿体是CO2的浓缩部位 Bowes等(1989)发现通过提高细胞质PEPCase活力能减少光呼吸CO2的无效循环,他们认为CO2的浓缩位点有可能是叶绿体.Badger等(1992)发现蓝细菌和显微藻类细胞中,羧酶体和叶绿体分别是CO2的浓缩部位,这些支持了Bowes等的假设.黑藻(Hydrilla verticillota (L.f.) Royle)是一种可诱导成为C4类型的C3植物.Reiskind等(1997)发现在黑藻诱导型C4光合状态时,虽仍不具有C4叶片的“Kranz”结构,但从光合指标看,却是按C4机制运行.联想到前人假设叶绿体为CO2浓缩部位,他们利用计算和测定发现,在C4型黑藻的叶绿体内可溶性无机碳(DIC)浓度是周围介质DIC浓度的5倍,CO2浓度达到400 mmol*m-3,这些数值与陆生C4植物叶片鞘细胞内〔CO2〕相符合,而在C3光合状态时,叶绿体内CO2只有7 mmol*m-3.氧抑制RuBPCase羧化程度研究发现在相同O2浓度诱导C4型黑藻中,RuBPCase活性只有2%的被抑制,而C3型的O2抑制RuBPCase活性则高达27%左右.利用PEPCase专一性抑制剂碘乙酰胺发现在C4型黑藻的细胞质中所利用的碳源是来自OAA和Mal,这类C4酸穿过叶绿体膜在叶绿体内脱羧,给卡尔文循环供应碳源.酶学研究发现,NADP苹果酸酶位于叶绿体中,进一步证实叶绿体是CO2浓缩的部位.他们还发现,当诱导型C4光合状态出现时,催化OAA转化成Mal的NADPH苹果酸脱氢酶活性增高,并且这种酶也定位在叶绿体中.在C4光合过程中,丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)为PEPCase提供底物PEP.Salvuci等(1981)发现在诱导C4型黑藻中,随着C4光合型的出现,PPDK活力增加了10倍.以上这些证明在不具有Kranz结构而又行使C4光合途径的植物中,叶绿体充任CO2浓缩的部位,在细胞质中,通过PEPCase作用,产生OAA,OAA穿越叶绿体膜,在叶绿体内生成Mal,Mal脱羧,然后CO2进入卡尔文循环和丙酮酸再生成PEP.由于这方面工作开展较少,许多具体作用途径还需进一步研究.
2.3.3 大豆C4循环途径 郝乃斌等(1991a)通过研究发现大豆叶片中存在着较高活性的丙酮酸磷酸双激酶,而且大豆不同器官中PEPCase羧化酶等C4光合酶活性存在很大差异.从而他们认为在大豆叶片中,具有一个完整的C4循环(PEP羧化酶→C4酸脱羧→PEP再生),这个系统的存在标志着绿色细胞有可通过“CO2泵”的方式提高光合碳循环的CO2浓度,使RuBPCase的催化朝着有利于形成碳水化合物的方向运行,他们还认为,C3植物中活跃的CO2-β羧化作用至少有两方面的功能,一是像C4植物那样通过C4途径固定大气中的CO2,尽管这种作用比较弱,另外一种是PEPCase重新固定呼吸作用释放的CO2,减少CO2的流失,增强碳素的积累.
3 C3植物的遗传改造
C4植物之所以有高的光合效率是因为它具有C4途径,因此,在C3植物中C4途径的存在并运行,也应该是高光效的标志.现已证明在C3植物中具有C4途径已母庸置疑,但如何提高C3植物中C4途径同化CO2的强度,则是今后的重要研究课题.目前国内外已开展了一些工作,并取得了一定的成效.
3.1 高光效育种研究
作物高光效育种既要考虑株型结构的高光效,更应考虑生理功能的高光效.从遗传学看,光合器的结构以及决定其活力的调节系统极其复杂,受多基因控制.因此,仅借助于自然来打破基因链锁是困难的.杂交育种和人工诱变则是基因重组的有效方法,这是因为细胞核突变使叶绿体的结构和生化机构发生变化,便于人工选择筛选其有益的种质.郝乃斌等(1984)及戈巧英等(1994),通过有性杂交和物理诱变等方法,已培育出高光效大豆品种(系)哈79-9440和诱处四号等,这些品种的特性除RuBPCase活性提高外,更重要的是C4途径中关键性酶活性的提高,如PEP羧化酶活性提高29.8%、NAD-苹果酸酶活性提高50.2%、NADP-苹果酸酶活性提高78.5%、丙酮酸磷酸双激酶活性提高251.2%.NADP-苹果酸脱氢酶活性提高62.7%等.由于这些酶活性的提高,标志着C4途径运转速率的提高,从而使绿色细胞有可能通过“CO2泵”的方式提高光合碳循环的CO2浓度来提高光合效率.因此,通过遗传育种手段,可能选育出具有高活性C4途径的C3植物.
回答者：wwwwer777 - 秀才 二级 10-5 16:20
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�