油茶光合特性研究進(jìn)展與高光效育種前景

陳隆升，陳永忠，彭邵鋒

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2.國(guó)家林業(yè)局油茶研究開發(fā)中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

油茶光合特性研究進(jìn)展與高光效育種前景

陳隆升1，2，陳永忠1，2，彭邵鋒1，2

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2.國(guó)家林業(yè)局油茶研究開發(fā)中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

在綜述油茶光合作用和山茶屬其他植物光合作用的規(guī)律等研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，從高光效株型的選育、生理生化型的選育、雜交育種和基因工程育種等方面論述了油茶高光效育種的主要方法及發(fā)展前景。

油茶; 光合特性;高光效育種

油茶(Camelliaoleifera)屬山茶科山茶屬常綠小喬木或灌木，分布于閩、湘、贛、桂等18個(gè)省500多個(gè)縣，總面積達(dá)400萬hm2，占我國(guó)木本油料樹種栽培面積的80% 以上，是我國(guó)南方主要的木本食用油料樹種，與油棕、油橄欖、椰子并稱為世界四大木本食用油料樹種[1]。油茶的主要產(chǎn)品是茶油，我國(guó)南方2億多人長(zhǎng)年食用茶油，它是國(guó)際糧農(nóng)組織重點(diǎn)推薦的健康型食用油之一，被譽(yù)為“東方橄欖油”[2]。我國(guó)年產(chǎn)茶油約15～20萬t，有“綠色油庫(kù)”、“綠色金庫(kù)” 之美譽(yù)[3]。此外，茶油在工業(yè)、化妝品業(yè)等方面都具有重要的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值和社會(huì)資源價(jià)值。

常規(guī)育種、生理育種、生物技術(shù)育種是作物育種的發(fā)展趨勢(shì)，其中高光效生理育種是當(dāng)代植物生理和育種工作者共同關(guān)注的問題。20世紀(jì)60年代，通過作物育種的第一次綠色革命——株型育種，使作物矮桿化和葉片直立，減少了群體消光系數(shù)從而提高作物群體光能利用率，使作物產(chǎn)量大幅度提高。20世紀(jì)70年代，在株型育種的基礎(chǔ)上，通過雜種優(yōu)勢(shì)的利用，增大群體最適葉面積指數(shù)和群體光合能力，使產(chǎn)量進(jìn)一步提高[4]。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，通過基因工程手段利用C4光合特性來改善C3植物的光合效率進(jìn)而提高其生物產(chǎn)量，逐漸成為植物高光效育種的一個(gè)研究熱點(diǎn)[5]。

當(dāng)前我國(guó)各地對(duì)油茶良種選育、豐產(chǎn)栽培等方面的研究頗為重視，而對(duì)其生理活動(dòng)研究較少。對(duì)光合作用的研究被認(rèn)為是植物生理研究的主攻方向之一，并被列為自然科學(xué)中的重要科研項(xiàng)目[6]。1988年諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)在光合作用研究成果的獲獎(jiǎng)評(píng)語中，稱光合作用是“地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)”[7]。植物的生長(zhǎng)實(shí)質(zhì)上是凈光合作用的結(jié)果，其光合作用能力的高低直接決定了植物的總生產(chǎn)力，并在一定程度上影響植物凈生產(chǎn)力狀況[8]。為了使油茶穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，深入地了解其光合生理活動(dòng)是十分必要的。近年來，由于對(duì)光合作用研究的深入，尤其對(duì)光能的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究，加快了對(duì)高光效作物光合特性研究的步伐[9]。許多研究已經(jīng)表明，油茶CO2飽和點(diǎn)較低，CO2補(bǔ)償點(diǎn)較高，光抑制現(xiàn)象明顯，光合效率不強(qiáng)，且不同品種之間，由于遺傳因子的作用，光合潛能差異很大。因此，對(duì)油茶光合特性以及生理生化指標(biāo)進(jìn)行研究，選育出擁有能經(jīng)濟(jì)有效地利用太陽光能的理想株型、葉型，在生理機(jī)能和結(jié)構(gòu)上有更強(qiáng)大的光合器官、具有CO2補(bǔ)償點(diǎn)低的高光效低消耗或經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量高的油茶良種，具有十分重要的意義。我們對(duì)油茶光合作用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜合概述，同時(shí)，結(jié)合作物高光效基因育種的最新進(jìn)展，分析油茶高光效基因育種的方法及前景，旨在為今后油茶良種的研究提供參考。

1 油茶光合作用的研究進(jìn)展

1.1油茶光合作用

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于油茶多方面的研究不少，但國(guó)內(nèi)外對(duì)油茶光合作用的研究還不多，20世紀(jì)80年代以后才見到此方面的報(bào)道，主要集中在光合日動(dòng)態(tài)、不同品種間光合差異及如何提高光合速率等方面的研究。

油茶光合作用日變化曲線有單峰和雙峰2種不同的報(bào)道。俞新妥等[10]于1984年測(cè)定了普通油茶和小果油茶的光合速率，得到以下結(jié)論：從上午6時(shí)到下午6時(shí)，2物種都能測(cè)出表觀光合作用，其日進(jìn)程為雙峰曲線，第1次高峰(即最高峰)出現(xiàn)在上午 9—10時(shí)，第2次高峰出現(xiàn)在下午5時(shí)左右，且后者光合速率高于前者，下午3時(shí)最低。梁根桃等[11]通過測(cè)定普通油茶的光合作用日進(jìn)程指出：普通油茶光合作用日進(jìn)程為單峰曲線，最高峰出現(xiàn)在上午10時(shí)左右，隨后，光合速率逐漸降低，出現(xiàn)光合作用“午休”現(xiàn)象，下午光合速率也是逐漸降低，直至傍晚，并未出現(xiàn)第2次高峰。駱琴婭等[12]于1993年研究了高州油茶的光合日變化，指出其光合日變化呈雙峰曲線，第1次高峰[12](即最高峰)出現(xiàn)在上午10時(shí)，第2次高峰出現(xiàn)在下午4時(shí)左右，下午3時(shí)最低。

不少研究表明，不同的品種、無性系及葉齡間，油茶的光合生理特性表現(xiàn)出明顯差異。鄒天才等[13]于1994年研究了貴州山茶屬5種野生植物的光合生理特性，發(fā)現(xiàn)5種野生植物的光合速率、光飽和點(diǎn)等光合生理特性存在明顯差異，并認(rèn)為這5種植物均為C3植物。黃義松等[14]于2007年對(duì)幼齡期生長(zhǎng)比較旺盛的3個(gè)油茶無性品系長(zhǎng)林4號(hào)、長(zhǎng)林166號(hào)和長(zhǎng)林53號(hào)光合作用進(jìn)行測(cè)定和分析發(fā)現(xiàn)：長(zhǎng)林4號(hào)在幼齡期光合特性上具有比較優(yōu)良的種質(zhì)優(yōu)勢(shì)。1988年梁根桃等[11]均指出：油茶的年生長(zhǎng)周期中，不同葉齡的葉片存在著功能轉(zhuǎn)換過程的差異，當(dāng)年生葉隨著幼葉萌發(fā)和春梢生長(zhǎng)，葉綠素含量和光合速率不斷增加(由4月中下旬低于2年生葉到7月初超過2年生葉)；2年生葉片葉綠素含量和光合速率高而穩(wěn)定，是正常功能葉；3年生葉的葉綠素含量和光合速率逐漸降低，表現(xiàn)出明顯的衰老趨勢(shì)。

近幾年來，油茶高光效育種越來越受到研究者的重視，在如何提高油茶的光合速率方面的研究取得了一些進(jìn)展。趙中華等[15]于2007年研究了不同施肥處理下的中齡油茶的光合生理指標(biāo)時(shí)指出：施肥處理對(duì)油茶光合性能具有很好的改善作用。胡哲森等[16]于2001年以不同濃度NaHSO3對(duì)油茶進(jìn)行葉面噴施。結(jié)果表明:150～250mg·L-1NaHSO3可以明顯抑制葉片的光呼吸，提高光合速率，增加經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。李鐵柱等[17]于2008年對(duì)秋水仙素處理的油茶苗光合作用進(jìn)行了初步研究，篩選出了葉綠素、凈光合速率、光飽合點(diǎn)均比對(duì)照高的無性系(8號(hào))。何一明等[18]于2008年對(duì)兩種密度條件下的油茶光合速率進(jìn)行了測(cè)定,發(fā)現(xiàn)密植和疏植林分中個(gè)體之間的凈光合速率差異顯著，疏植林分個(gè)體光合效率高于密植。

1.2山茶屬其它植物光合作用的規(guī)律

有關(guān)山茶屬其它植物光合作用的研究報(bào)道較多。林金科等[19]于1999年研究了茶樹光合作用的年變化規(guī)律，指出1年中茶樹葉片的凈光合速率有2個(gè)低谷，分別出現(xiàn)在1月和4月(分別為2.50和4.02μmol·m-2·s-1)；有2個(gè)高峰，第1個(gè)出現(xiàn)在3月(5.91μmol·m-2·s-1)，第2個(gè)出現(xiàn)在6月和8月(分別為 8.75和 8.23 μmol·m-2·s-1)。莊雪嵐等[20]認(rèn)為不同品種和樹齡、不同季節(jié)和氣候條件，茶樹的凈光合速率都會(huì)呈雙峰曲線的變化；李娟[21]的研究也指出，在適宜的光照、溫度、濕度條件下，茶樹日變化呈雙峰曲線；陶漢之[22]則認(rèn)為茶樹日變化曲線單峰型和雙峰型均有，早春、晚秋、冬季和夏季的陰天多出現(xiàn)單峰型，夏季的晴天多出現(xiàn)雙峰型，但遮蔭會(huì)使茶樹光合日變化出現(xiàn)單峰曲線，林金科等[23-24]研究后也指出多云時(shí)茶樹光合日變化出現(xiàn)單峰曲線；駱耀平等[25]在研究冬季不同嫁接品種茶樹的光合日變化后指出凈光合的峰值和谷底不如夏季明顯，可能與冬季茶樹個(gè)體生長(zhǎng)減弱有關(guān)。對(duì)于茶樹凈光合日變化出現(xiàn)“午休”的機(jī)理有兩種觀點(diǎn)：茶樹受到環(huán)境影響[26]和茶樹系統(tǒng)發(fā)育過程生理節(jié)奏[27]。

茶樹(Camelliasinensis)光合途徑究竟屬C3途徑還是C4途徑，引起了許多學(xué)者的興趣。日本于1977年以中國(guó)的小葉種茶樹為材料，測(cè)定了茶樹光合作用，發(fā)現(xiàn)CO2飽和點(diǎn)較低，CO2補(bǔ)償點(diǎn)較高，光合效率不強(qiáng)，因此，認(rèn)為茶樹可能屬于C3植物。也有研究表明：茶樹對(duì)碳素同化過程是按照卡爾文循環(huán)進(jìn)行的，即通過二磷酸核酮糖羧化酶來固定CO2，最初的光合產(chǎn)物是3-磷酸甘油酸和磷酸糖類，其光合和光呼吸特征也類似C3植物[28]。

2 油茶高光效育種的方法及應(yīng)用前景

2.1高光效育種的基本概念

所謂植物“高光效育種”，就是通過雜交(包括遠(yuǎn)緣雜交和體細(xì)胞雜交)或人工誘變，然后對(duì)其后代進(jìn)行篩選，以期將C3植物改造成C4植物；也可以在C3植物品種中直接進(jìn)行大量篩選，選育出低補(bǔ)償點(diǎn)的高光效株系或品種；同樣，在C4植物品種中也可以進(jìn)一步篩選出光合能力更強(qiáng)的株系或品種[29-30]。

鑒定和篩選高光效(或低光呼吸、CO2低補(bǔ)償點(diǎn))品種的方法很多，這些方法主要應(yīng)用在農(nóng)作物的選育方面，在林木上的應(yīng)用較少。目前常用而且又比較簡(jiǎn)易的方法是利用“同室效應(yīng)”的原理進(jìn)行篩選，即C4作物與C3同室播種篩選法。具體作法是將被鑒定和篩選的低光效水稻、小麥等作物(C3作物)幼苗同玉米或高粱等高光效作物(C4作物)的幼苗，一起種在密封的玻璃箱或塑料薄膜箱內(nèi)，在較強(qiáng)的光照和較高的溫度(30～35℃)條件下進(jìn)行觀察、鑒別與篩選。目前，農(nóng)作物采用高光效育種的技術(shù)途徑主要有以下3種：一是改造農(nóng)作物品種植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)，提高新育成農(nóng)作物品種對(duì)光能的利用率，即進(jìn)行高光效株型育種；二是選育對(duì)CO2補(bǔ)償點(diǎn)低、光呼吸低、凈光合率高的高光效品種。前者是從植株形態(tài)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行高光效育種，后者是從生理生化功能上進(jìn)行高光效育種，只有兩者緊密結(jié)合，相輔相成，才有可能成功選育高光效品種。要想卓有成效地成功選育高光效農(nóng)作物品種，還必須根據(jù)不同農(nóng)作物優(yōu)良品種應(yīng)具備的高光效生理生化指標(biāo)，制定切實(shí)可行的高光合性狀的選擇指標(biāo)與鑒定指標(biāo);三是轉(zhuǎn)基因育種，主要是通過轉(zhuǎn)C4植物的光合基因進(jìn)行育種。

2.2高光效株型的選育

許多研究表明，植物高光效品種表現(xiàn)出獨(dú)特的植物學(xué)特性及株型。合理的莖葉夾角有利于提高植株群體的光合能力，挺立的葉片也較平鋪的葉片具較高的光能捕捉能力。挺立的葉片在早晚弱光下與光線垂直，可以有效的利用弱光；中午強(qiáng)光斜射在挺立的葉片上，減少了強(qiáng)光和高溫對(duì)葉片光合作用的不利影響[31]，挺立的葉片向外反射光較向下漏光多，使群體中的光能可以得到合理分布與利用[32]。楊振偉[33]研究蘋果的葉型發(fā)現(xiàn)，樹冠外圍的陽生葉常表現(xiàn)為直立且略卷曲，而內(nèi)膛的陰生葉常呈水平狀，有利于光有效輻射透過冠幕，使內(nèi)膛葉截獲。Okie[34]、Horst等[35]研究發(fā)現(xiàn)狹窄且長(zhǎng)的葉片，提高了冠層間光線的透過率，有利于光能的充分利用，因此認(rèn)為窄葉桃品種具有較高的群體光合速率。

緊湊的株型有利于植株整體采光，提高光能利用率[36]。緊湊株型群體內(nèi)光合有效輻射、CO2濃度分布比平展型相對(duì)的“均勻”，是其群體光合速率較高的重要原因[37]。楊克軍等[38]對(duì)不同株型玉米光能利用狀況的研究發(fā)現(xiàn)，在玉米葉片光合能力最大的80～180cm處，緊湊株型的掖單4號(hào)吸收輻射最大。因而從理論上證實(shí)了緊湊型玉米品種光能利用效率最高。緊湊型玉米增產(chǎn)的又一原因是其光合勢(shì)大、光能利用率高，百粒重雖然減少，但每公頃穗粒數(shù)增加[39]。

單位葉面積上較高的葉綠素含量也有利于植株對(duì)光線的捕獲。含有葉綠素的葉綠體主要存在于葉片的柵欄組織中，因此柵欄組織發(fā)達(dá)、較厚且多層的葉片含有較多的葉綠素，具有較高的光合效率，葉綠體數(shù)目的多少對(duì)單葉光合能力有一定的影響。杜維廣等[40]對(duì)不同品種大豆葉片進(jìn)行的解剖學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)葉片厚度、柵欄組織數(shù)目、葉綠體數(shù)目、氣孔數(shù)量及木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目均是高光效品種(黑農(nóng)40、黑農(nóng)41)高于低光效品種(黑農(nóng)26)的依據(jù)。張桂茹等[41]研究了豆莢同化組織細(xì)胞內(nèi)葉綠體數(shù)目，高光效品種均大于普通高產(chǎn)品種，且在相同品種中豆莢兩端的葉綠體分布密度大于豆莢的兩面，同時(shí)發(fā)現(xiàn)豆莢兩側(cè)維管束密度以及腹、背部導(dǎo)管數(shù)目與豆莢的光能利用率有一定的關(guān)系。

目前，對(duì)玉米、水稻的高光效種質(zhì)篩選研究較多，而對(duì)油茶則集中在通過篩選矮化砧木、短枝型品種及采取整形修剪措施調(diào)控群體光能利用能力上，對(duì)優(yōu)異種質(zhì)篩選研究較少。油茶分布廣、適應(yīng)性強(qiáng)，品種多，不同品種及不同地區(qū)之間的植物學(xué)特性及株型勢(shì)必表現(xiàn)出明顯的差異。因此，選育出能經(jīng)濟(jì)有效地利用太陽光能的理想株、葉型的油茶品種及無性系是提高油茶光合效率的捷徑之一。

2.3高光效生理生化型選育

一系列研究表明，植物的許多光合生理特性如光抑制、光呼吸、光合效率、光合功能期等在不同品種間都存在著差異，這為植物高光效雜種優(yōu)勢(shì)利用提供了理論依據(jù)。高光效的植株葉片常具有較高的光能適應(yīng)能力、較高的光合作用速率、快捷的光合產(chǎn)物輸出、較低的光合產(chǎn)物消耗等。較高的光能適應(yīng)能力是指植物葉片對(duì)光強(qiáng)和光質(zhì)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，對(duì)光強(qiáng)的適應(yīng)是指具有較低的光補(bǔ)償點(diǎn)和較高的光飽和點(diǎn)的植株，葉片因此具有較寬的有效光合范圍，可以充分地利用不同光照強(qiáng)度的光能，可以利用不同的光質(zhì)進(jìn)行光合作用[42]。葉綠素a含量高的種質(zhì)可以更好的利用長(zhǎng)波光，葉綠素b含量高的種質(zhì)可以較好的利用漫射光中比例高的短波光，因此葉綠素是影響光合作用速率的主要因素[43]。Rubisco是一個(gè)羧化與加氧的雙功能酶，Rubisco活性是固碳(固定CO2，積累光合產(chǎn)物)與耗碳(光呼吸消耗固定的有機(jī)碳)的效應(yīng)差，各種生態(tài)因子都是通過Rubisco影響光合作用[44]，在高光效植物品種中具有較高的羧化效率和低光呼吸能力。滿為群等[9]2003年的研究發(fā)現(xiàn)選育出的高光效大豆品種黑農(nóng)40和黑農(nóng)41的光合速率、光飽和點(diǎn)及羧化效率均高于對(duì)照品種黑農(nóng)37，而CO2補(bǔ)償點(diǎn)則明顯低于黑農(nóng)37，C3途徑關(guān)鍵酶RuBP羧化酶及C4途徑關(guān)鍵酶的活性明顯提高。

C4植物由于其單葉凈光合速率高，其光合生產(chǎn)力也高，而C3植物不同品種之間發(fā)現(xiàn)也存在著明顯的遺傳差異，因此可通過改進(jìn)C3植物的單葉光合速率來增加產(chǎn)量[45]。光呼吸和暗呼吸是光合產(chǎn)物消耗的重要原因，較低的光呼吸和暗呼吸有利于同化產(chǎn)物的積累，使種質(zhì)表現(xiàn)出高光效特性。大量的研究證明，油茶為C3植物，光合效率不高，且存在著較長(zhǎng)時(shí)間的“光午休”現(xiàn)象，光抑制、光氧化現(xiàn)象明顯。此外，在油茶種植區(qū)某些自然條件下可能出現(xiàn)過強(qiáng)陽光所造成的光抑制甚至光氧化的傷害，如長(zhǎng)期低溫陰雨→突然晴天、長(zhǎng)期陰雨→突然晴天、冷空氣南下+晴天，另外夏日中午的光合作用“午睡”現(xiàn)象也可能導(dǎo)致光抑制傷害。如能育成一個(gè)Pmax高又耐高光強(qiáng)的油茶品種，在遇到上述情況時(shí)，會(huì)大大增進(jìn)其光合生產(chǎn)力。

因此，可通過研究光抑制、光呼吸、光合效率、光合功能期等在不同品種及無性系間存在的差異，選育出光合速率、同化效率高，光呼吸、CO2補(bǔ)償點(diǎn)低的高光效低消耗或經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量轉(zhuǎn)化率高的油茶品種及無性系，同時(shí)，在篩選具有良好光合特性的親本的基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用其雜種優(yōu)勢(shì)培育高產(chǎn)油茶品種。改良單葉光合速率提高其單葉光能轉(zhuǎn)化效率，仍是“高光效育種”中的一個(gè)重要的生理指標(biāo)，但是要使油茶獲得高產(chǎn)必先有“大庫(kù)”，而“大庫(kù)”必須要有“大源”來保證；在一定的葉面積條件下，提高單葉光能轉(zhuǎn)化效率及延長(zhǎng)其高效率的工作時(shí)間，是不可忽視的兩個(gè)方面。因此，單葉光合速率不能看作是唯一的指標(biāo)，還必須注意與其它性狀的平衡及協(xié)調(diào)。光合能力的改進(jìn)，從空間上可以小到在分子水平進(jìn)行考慮，大到在群體水平進(jìn)行考慮，從時(shí)間上可以從不到1秒的電子傳遞水平進(jìn)行考慮，也可從整個(gè)油茶生長(zhǎng)季進(jìn)行考慮。由于油茶產(chǎn)量的形成是在一定空間和一定時(shí)間范圍內(nèi)綜合光合能力的體現(xiàn)，因此在考慮光合能力的改進(jìn)方面，一定要從宏觀上進(jìn)行把握。大的宏觀控制指標(biāo)應(yīng)是: ① 空間上要注意與群體截獲光能能力有關(guān)的葉面積指數(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，即LAI發(fā)展動(dòng)態(tài)；② 時(shí)間上要注意群體及單葉有效光合時(shí)期的長(zhǎng)短，尤其是影響油茶產(chǎn)量的高效光合持續(xù)期。

2.4高光效雜交育種

根據(jù)Yeo[46]1994年對(duì)20個(gè)野生稻種光合性能的研究結(jié)果，在光飽和條件下一些野生種的同化率顯著高于栽培種，而有些野生種的CO2補(bǔ)償點(diǎn)和光呼吸明顯低于栽培種，說明野生稻種中可能蘊(yùn)藏有高光效基因。Zhao等[47]在2001年在國(guó)際水稻研究所(IRRI)對(duì)野生稻資源的研究工作中，從栽培種與普通野生稻的8個(gè)雜交組合中篩選出了高光效雜交組合，其后代的光合速率超過42μmol·m-2·s-1，表現(xiàn)出顯著的超親性。趙秀琴等[48]2003年發(fā)現(xiàn)，野生稻與栽培稻雜交篩選出的高光效后代氣孔密度比親本有顯著增加，增加后代的氣孔乳突數(shù)，提高氣孔導(dǎo)度，從而可能改善光合效率。進(jìn)一步研究表明，利用野生資源提高栽培稻光合性能是一條可行途徑。

油茶資源豐富，分布廣，全世界約有200種山茶屬植物[49]，而這些植物又大多分布在中國(guó)。山茶屬植物的種質(zhì)基因資源在我國(guó)經(jīng)歷了長(zhǎng)期的自然選擇和演化，它們之間可能蘊(yùn)藏著高光效基因，具有良好光合生理特性的現(xiàn)有高產(chǎn)品種中，勢(shì)必也存在著高光效基因。因此，可以利用野生及現(xiàn)有的油茶資源進(jìn)行高光效品種的雜交育種創(chuàng)新，通過遺傳改進(jìn)使多項(xiàng)高光效的功能特性整合到高光效油茶品種中。進(jìn)一步改善光合生理特性，提高光合效率，從而選育出高光效的油茶新品種。

2.5高光效基因工程育種

C3植物中，CO2的固定主要取決于1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶( ribulose1, 5-bisphosphatcarboxylase/oxygenase， Rubisco)的活化狀態(tài)，它催化1，5-二磷酸核酮糖(RuBP)羧化，將大氣中的CO2同化，產(chǎn)生兩分子磷酸甘油酸，可見Rubisco在C3植物中同化CO2的重要性。C4植物固定CO2的酶為磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase，PEPC)，與C3作物中Rubisco相比，PEPC對(duì)CO2的親和力高。C4植物的細(xì)胞分化為葉肉細(xì)胞和鞘細(xì)胞，而光合酶在兩類細(xì)胞中的分布不同，如PEPC在葉肉細(xì)胞固定CO2，生成草酰乙酸(OAA)，OAA進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為蘋果酸(Mal)，Mal進(jìn)入鞘細(xì)胞脫羧，被位于鞘細(xì)胞內(nèi)的Rubisco羧化，重新進(jìn)入卡爾文循環(huán)[6]。這種CO2的濃縮機(jī)理導(dǎo)致了鞘細(xì)胞內(nèi)高濃度的CO2積累，一方面提高Rubisco的羧化能力，另一方面又大大抑制了Rubisco的加氧活性，降低了光呼吸，從而使C4植物保持高的光合效率。正是因?yàn)镃4植物有CO2濃縮機(jī)制，在高光強(qiáng)、高溫以及高氧分壓等條件下，比C3植物有較高的光合能力[6]。自20世紀(jì)60年代以來，人們一直試圖利用C4光合特性來改進(jìn)C3植物的光合效率。傳統(tǒng)的雜交育種手段至今尚未取得令人滿意的結(jié)果，其雜種F1和F2代的光合效率均比任何一個(gè)親本都低[50]。生物技術(shù)的發(fā)展，為利用基因工程手段培育高光效作物提供了一條行之有效的途徑。

2.5.1 1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)的修飾與改造 植物光合作用過程中最大的限制酶是Rubisco，它的反應(yīng)速度每秒只有2～3次，與一般的酶促反應(yīng)速度(每秒25000次左右)相比，效率極低。Rubisco是一個(gè)雙功能酶，它不僅催化RuBP的羧化反應(yīng)，而且還催化其加氧反應(yīng)。加氧反應(yīng)中除消耗能量外，還損失羧化反應(yīng)中固定的20%～50%的有機(jī)碳[51]。為提高作物中Rubisco同化CO2的效率，許多研究者希望通過改變酶的結(jié)構(gòu)來改變其羧化/加氧的比值，從而提高作物的光合效率，但至今仍未獲得成功。自從Read和Tabita 1994年發(fā)現(xiàn)在硅藻和紅藻中存在的Rubisco具有比高等植物高得多的效率后，Uemura等[52]又發(fā)現(xiàn)了一種嗜熱紅藻的Rubisco羧化效率約是高等植物的2.5～3倍。更高效率的Rubisco在紅藻中的發(fā)現(xiàn)，給修飾改造Rubisco提供了新的動(dòng)力和希望。Whitney等[53]通過質(zhì)體轉(zhuǎn)化的方法將紅藻高效率Rubisco的小亞基編碼基因引入煙草的葉綠體中得到了高效表達(dá)，但是表達(dá)的小亞基卻不能與煙草本身的大亞基組裝成全酶。酶的組裝是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，還有待于進(jìn)行深入研究。

如何提高油茶葉片內(nèi)Rubisco的效率，不管從改善Rubisco的結(jié)構(gòu)還是引入C4植物相關(guān)基因建立C4雙羧酸微循環(huán)，都是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。一方面，從改善Rubisco的結(jié)構(gòu)方面來講，如何使得突變的Rubisco大、小基因編碼的蛋白能夠順利地跨過葉綠體膜，正確地組裝成全酶，并被相關(guān)的修飾和活化酶系所識(shí)別，還有相當(dāng)多的問題有待解決；另一方面，從引入C4植物相關(guān)基因的角度來講，如何合理地解決羧化、葉綠體內(nèi)的脫羧和PEP再生，以及葉綠體膜上相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)器運(yùn)轉(zhuǎn)等系列反應(yīng)的協(xié)調(diào)，使得在單個(gè)C4植物細(xì)胞內(nèi)建立起C4雙羧酸的微循環(huán)來提高光合效率，也是一個(gè)需要認(rèn)真對(duì)待的問題[54]。尚不能僅僅寄希望于一、二個(gè)目的基因修飾改造或高效表達(dá)來提高油茶中Rubisco的效率。

2.5.2 通過轉(zhuǎn)C4光合酶基因改善油茶光合作用 C4植物光合作用的關(guān)鍵并不在于它的Kranz解剖結(jié)構(gòu)，而是控制其C4途徑的酶系統(tǒng)[55-56]。隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展，特別是許多與C4光合作用途徑相關(guān)的關(guān)鍵酶—磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(Phosphoenolpyruvate carboxyl-ase， PEPCase )、NADP-蘋果酸(NADP-ME)和PPDK等一系列基因已從玉米、高粱和莧菜等C4植物中被克隆[57-60]，對(duì)這些基因啟動(dòng)子序列的分離、重組、轉(zhuǎn)化及表達(dá)的研究，發(fā)現(xiàn)它們可以在C3植物中驅(qū)動(dòng)外源基因并進(jìn)行組織特異性表達(dá)，采用的C4基因有PEPC蘋果酸脫氫酶基因(mdh)，蘋果酸酶基因(me)和天冬氨酸轉(zhuǎn)移酶基因(aspAT)等，受體植物主要有煙草、馬鈴薯、擬南芥和水稻，這些轉(zhuǎn)化工作使用的C4基因多數(shù)是其cDNA，啟動(dòng)子使用的是CaMV35S啟動(dòng)子或水稻的Cab啟動(dòng)子，只有3例是采用了PEPC和PPDK基因自身的啟動(dòng)子和完整的基因，有關(guān)研究已有綜述報(bào)道[61]。Ku等[62]采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)系統(tǒng)已成功地將玉米C4途徑中促進(jìn)CO2固定的關(guān)鍵酶基因PEPC導(dǎo)入C3植物水稻粳稻品種Kitaake中，并得到相當(dāng)或高于玉米的表達(dá)水平。張方等[63]2003年報(bào)道了高粱的C4型PEPC基因也可在水稻中實(shí)現(xiàn)有效的表達(dá)。陳緒清等[64]2004年又成功地將玉米C4型PEPC基因在小麥中實(shí)現(xiàn)有效表達(dá)。這些C4光合基因成功導(dǎo)入C3植物的研究，使通過分子育種途徑改善C3作物光合作用以提高其光合效率成為可能。

這些工作啟示將常規(guī)育種和基因工程結(jié)合起來將可能是下一次作物綠色革命的技術(shù)特征。如能在現(xiàn)有良好株型和雜種優(yōu)勢(shì)利用的基礎(chǔ)上，組裝高光效的生理性狀，可能是當(dāng)前進(jìn)一步提高油茶產(chǎn)量的一條切實(shí)可行的途徑。以我國(guó)高產(chǎn)油茶品種為骨干受體轉(zhuǎn)育和導(dǎo)入玉米PEPC等基因獲得轉(zhuǎn)基因油茶的材料，研究轉(zhuǎn)PEPC基因油茶可能特有的同化CO2的生理機(jī)制和高光合效率的特性，通過系統(tǒng)選擇，多代培養(yǎng)，選擇穩(wěn)定的高光效高產(chǎn)的油茶材料。這種常規(guī)育種技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的高光效生理育種流程，可為油茶的高產(chǎn)育種開拓一條新的途徑。

3 前景展望

當(dāng)C3植物和C4植物分別處于各自適宜的生長(zhǎng)條件下，C4植物比C3植物高產(chǎn)。同C3植物相比，C4植物具有較高的水分和氮素利用率，這樣可增加其干物質(zhì)產(chǎn)量。大約90%的陸生植物包括主要的糧食作物如水稻、小麥、馬鈴薯等及主要的經(jīng)濟(jì)作物如大豆、甜菜等都屬于C3作物。隨著世界人口的不斷增加及隨之而產(chǎn)生的糧食危機(jī)，利用基因工程手段來提高C3作物的光合作用效率從而提高其生物產(chǎn)量，是一個(gè)亟待解決的問題，也是作物育種學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)。雖然將類似C4的途徑導(dǎo)入C3作物的葉肉細(xì)胞中能否改善C3作物的光合作用依然是一個(gè)有爭(zhēng)議的課題，隨著研究的不斷深入及在水生生物單細(xì)胞中C4途徑的發(fā)現(xiàn)[44]，使得C3作物在脅迫條件(如干旱)下其類似C4的途徑能夠改善C3作物的光合作用成為一種可能;而且，C3作物(如大豆)中存在著有限的C4循環(huán)途徑也表明，通過基因工程技術(shù)提高C3作物中C4途徑酶的表達(dá)能力，是植物高光效育種的一個(gè)新的突破點(diǎn)。

因此，通過不同光合效率油茶親本之間的雜交，特別是通過遠(yuǎn)緣雜交、細(xì)胞融合、葉綠體和基因移植等技術(shù)措施，將C4作物或植物的高光效特性導(dǎo)入油茶，再在其后代中同室篩選或單播篩選，并結(jié)合株型育種進(jìn)行選擇和鑒定，以及將現(xiàn)有高光呼吸的品種改造為低光呼吸的品種，從而提高光合速率，達(dá)到提高油茶產(chǎn)量的目的。隨著這些研究的不斷深入，將為油茶的高產(chǎn)育種開辟一條新的途徑。

[1] 莊瑞林.中國(guó)油茶[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社.1988.

[2] 黎先勝.我國(guó)油茶資源的開發(fā)利用研究[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2005,9(11)：127-129.

[3] 高瑞龍,姚克平,陳鼎源,等．油茶優(yōu)良無性系栽培技術(shù)研究[J].經(jīng)濟(jì)林研究,1996,14(2)：30-34.

[4] 李霞,焦德茂. 轉(zhuǎn)C4光合基因水稻及其在育種中的應(yīng)用[J].分子植物育種,2005, 3(4):550-556.

[5] 侯愛菊,徐德昌.植物高光效基因工程育種[J].中國(guó)生物工程雜志,2005,25(9):19-23.

[6] 王忠.植物生理學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2002.

[7] 熊傳敏.光合作用機(jī)理的研究進(jìn)展[J].中學(xué)生物學(xué),2006,22(1)：7-9.

[8] 陸釗華,徐建民,陳儒香.桉樹無性系苗期光合作用特性研究[J]. 林業(yè)科學(xué)研究，2003,16(5):575-580.

[9] 滿為群,杜維廣,張桂茹,等.高光效大豆幾項(xiàng)光合生理指標(biāo)的研究[J].作物學(xué)報(bào),2003,29 (5):697-700.

[10] 俞新妥,傅瑞樹.不同種源杉木光合性狀的比較研究[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào),1989,9(3)：223-237.

[11] 梁根桃,楊成區(qū),張吉祥,等.油茶葉片某些光合性能的研究[J].浙江林業(yè)科技,1988,8(1)：8-11.

[12] 駱琴婭,漆龍霖,方晰,等.山茶屬植物五個(gè)物種光合作用的研究[J].林業(yè)科學(xué)研究,1993,6(3)：311-315.

[13] 鄒天才,張著林,周洪英, 等.貴州山茶屬五種野生植物的光合特性研究[J].園藝學(xué)報(bào),1994,21(4):366-370.

[14] 黃義松,牛德奎,趙中華,等.3個(gè)油茶優(yōu)良無性系光合作用及生理特性研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(2):209-214.

[15] 趙中華,郭曉敏,李發(fā)凱,等.不同施肥處理對(duì)油茶光合生理特性的影響[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(4):576-581.

[16] 胡哲森,時(shí)忠杰, 許長(zhǎng)欽.亞硫酸氫鈉對(duì)油茶光合機(jī)構(gòu)的生理效應(yīng)研究[J].林業(yè)科學(xué),2001,37(1)：68-71.

[17] 李鐵柱,包梅榮,烏云塔娜.油茶秋水仙素誘導(dǎo)苗光合作用變異研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,29(4):155-160.

[18] 何一明,呂芳德. 不同密度條件下油茶光合作用的研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,15(3):25-27.

[19] 林金科．田間茶樹凈光合速率及其生態(tài)生理因子的日變化[J].福建農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,28(3):294-299.

[20] 莊雪嵐,徐南眉,陳芳．茶樹光合作用的基本變化趨勢(shì)[J].茶葉科學(xué),1964(1):33-37.

[21] 李娟．茶樹光合速率及生理生態(tài)因子的日變化[J].湖南農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),1991(11):567-573.

[22] 陶漢之．茶樹光合日變化研究[J].作物學(xué)報(bào),1991,17(6):444-451.

[23] 林金科,詹梓金,賴明志．鐵觀音茶樹的光合特性[J].茶葉科學(xué),1999,19(1):35-40.

[24] 林金科,賴明志．影響茶樹葉片凈光合速率的生態(tài)生理因子的初步分析[J].作物學(xué)報(bào),2000,26(1):110-115.

[25] 駱耀平,吳姍,康孟利．二年生嫁接茶樹的冬季光合特性與抗寒性[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版,2002,28(4):397-400.

[26] 金潔,駱耀平,任明興,等.嫁接茶樹光合特性研究[J].茶葉,2003,29(2):86-88.

[27] 施嘉瑤,謝序賓,唐茜．茶葉光合作用的強(qiáng)度再探[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1988,6(1):9-14.

[28] 施嘉璠.茶樹的光合作用研究概況[J].福建茶葉,1998(3):2-4.

[29] 李培夫.農(nóng)作物高光效育種技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].種子科技,2006(6):41-44.

[30] 李萬云,李韜.農(nóng)作物現(xiàn)代育種新技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2005,21(12):166-169.

[31] 婁成后.作物產(chǎn)量形成的生理學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2000.

[32] Pauline Stenberg.Shoot structure and photosynthetic efficiency along the lightgradient in a Scots pine canopy [J].Tree Physiology,2001,21:805-814.

[33] 楊振偉.蘋果生長(zhǎng)環(huán)境與優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)調(diào)控技術(shù)[M].北京：氣象出版社,1996.

[34] Okie W R.Breeding Peach For Narrow Leaf Width Proceedings of the 5th international peach symposium [J].Acta Horticulturae,2002,8:592.

[35] Horst G L,Nelson C J,Asay K H. Relationship of leaf elongation to forage yieldof tall fescue genotypes[J].Crop Sci.1978,18:715-719.

[36] 黃錦文,梁義元.新株型水稻與雜交稻結(jié)實(shí)期的光合特性與產(chǎn)量[J].福建農(nóng)林大學(xué)報(bào),2002,31(4):423-426.

[37] 任建宏,路海東,馬國(guó)勝，等.玉米不同株型耐密性的群體生理指標(biāo)研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2002,13(1):55-59.

[38] 楊克軍,李明,李振華，等.群體結(jié)構(gòu)對(duì)緊湊型玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量影響的研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2003,15(3):29-32.

[39] 王慶成,劉開昌,張秀清.玉米的群體光合作用[J].玉米科學(xué),2001,36(4):25-30.

[40] 杜維廣．大豆高光效育種[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2007：43-51.

[41] 張桂茹,杜維廣,滿為群，等.不同光合特性大豆葉的比例解剖研究[J].植物學(xué)通報(bào),2002,19(2):208-214.

[42] 段美娟,唐海燕,袁定陽. 水稻關(guān)鍵光合功能因子及高光效育種途徑芻議[J]. 雜交水稻,2008,23(4):1-3.

[43] 鄭廣華.植物栽培生理[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社,1982.

[44] Leegood R C. C4Photosynthesis principles of CO2on centration and prospects for its introduction into C3plants[J].Journal of Experimental Botany, 2002, 53: 581-590.

[45] 屠曾平,林秀珍, 蔡惟涓, 等. 水稻高光效育種的再探索[J].植物學(xué)報(bào),1995,37(8):641-651.

[46] Yeo M E, Yeo A R, Flowers T J. Photosynthesis andphotorespiration in the genus Oryza[J].Journal of Experim-ent Botany,1994, 45: 553-560.

[47] Zhao M.Selecting and characterizing high-photosynthesisPlantsofOsativarufipogon progenies Rice Science for a Better World, 4th Conference of the Asian Crop Science Association(ACSA)[M]. Manila, Philippine，2001.

[48] 趙秀琴, 趙明,肖俊濤, 等. 栽野稻遠(yuǎn)緣雜交高光效后代及其親本葉片的氣孔特性[J].作物學(xué)報(bào),2003,29(2):216-221.

[49] 李方,傅承新,夏宜平,等.山茶亞屬品種黃海內(nèi)寶珠的初步分類[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版,2001,27(5): 551-555.

[50] 李衛(wèi)華,郝乃斌,戈巧英,等. C3植物中C4途經(jīng)的研究進(jìn)展[J].植物學(xué)通報(bào), 1999, 16(2): 97-106.

[51] 李陽生,李達(dá)模,朱英國(guó).水稻超高產(chǎn)育種的分子生物學(xué)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究, 2001, 22(5): 283-288.

[52] Uemura K, Miyachi S. Ribulose 1, 5-bisphosphate carboxylase/oxygenase from thermalphilic red algae with a strong specificity for CO2fixation[J]. Biochem Biophys Re Comm, 1997, 233 (2):568-571.

[53] Whitney S M, Baldet P, Hudson G S, et al.Form I rubiscosfrom non-green algae are expressed abundantly but not assembled in tobacco chloroplasts[J].Plant Journal, 2001, 26 (5): 535-547.

[54] 陳根云.高光效作物基因工程中的幾個(gè)問題[J].植物生理學(xué)通訊,2002,38(6):541-544.

[55] Osmond C B. Physiological pro-gress in plant ecology[M].New York:Spring-er-Verlag, 1980: 66-110.

[56] 滕勝,錢前,黃大年. C4光合途徑的分子生物學(xué)和基因工程研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào), 2001, 9(2): 198-201.

[57] Ishimaru K, Ohkawa Y, Ishige T, et al.Elevated pyruvate, orthophosphate dikinase (PPDK) activity alters carbon mentabolism in C3transgenic potatoes with a C4maize PPDK gene [J].Physiologia Plantarum, 1998, 103: 340 -346.

[58] Fukayama H, Tsuchida H, Agarie S, et al.Significant accumulation of C4-specie pyruvate or -thophosphate dikinase in a C3plant rice[J].Plant Physiol, 2001, 127: 1136-1146.

[59] Tsuchida H, Tamai T, Fukayama H, et al.High level expression of C4-specic NADP-malic enzyme in leaves and impairment of photoautotrophic growth of a C3plant rice[J].Plant Cell Physiol, 2001, 42: 138 -145.

[60] Matsuoka M, Furbank R, Fukayama H, et al.Molecular engineering of C4 photosynthesis [J].Annu Rev Plant Physiol Plant MolBiol, 2001, 52: 297 -314.

[61] Matsuaka M,Furbank RT,Fukayama H,et al.Molecu-lar engineering of C4photosynthesis Annu Rev Plant Physiol [J].Plant Mol Biol,2001,52:297-314.

[62] Ku S B, Agrie S, Nomura M, et al. High level expression of maize phosphoenolpyruvate carboxylase in transgenic rice plants[J].Nat Biotech,1999, 17: 76-80.

[63] 張方,遲偉,金成哲,等.高粱C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因的分子克隆及其轉(zhuǎn)基因水稻的培育[J].科學(xué)通報(bào),2003, 48(14): 1542-1546.

[64] 陳緒清,張曉東,梁榮奇,等.玉米C4型pepc基因的分子克隆及其在小麥的轉(zhuǎn)基因研究[J].科學(xué)通報(bào), 2004, 49(19): 1976-1982.

ResearchprogressonphotosyntheticcharacteristicsofCamelliaoleiferaandtheprospectofitshighphotosyntheticefficiencybreeding

CHEN Longsheng1,2, CHEN Yongzhong1,2, PENG Shaofeng1,2

(1.Hunan Forestry Academy, Changsha 410004, China; 2.CamelliaoleiferaResearch and Development Centre of State Forestry Administration, Changsha 410004, China)

Based on the research progress on photosynthetic characteristics ofCamelliaoleiferaand otherCamelliaplants, the main way and prospect of high photosynthetic efficiency breeding ofCamelliaoleiferawere discussed from the aspects of plant type breeding, physiological and biochemical type breeding, cross breeding and gene breeding with high photosynthetic efficiency.

Camelliaoleifera; photosynthetic characteristics; high photosynthetic efficiency breeding

2010-03-25

2010-04-10

國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目(2009BADB1B04)；國(guó)家林業(yè)局公益類行業(yè)專項(xiàng)(200804044)。

陳隆升(1983-)，男，福建省泉州市人，實(shí)習(xí)研究員，主要從事油茶培育技術(shù)研究。

S 794.4.01; S 794.4.04

A

1003-5710(2010)03-0033-07

(責(zé)任編輯：唐效蓉)