Overexpression of Setaria italica phosphoenolpyruvate carboxylase gene in rice positively impacts photosynthesis and agronomic traits

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 光合作用 光呼吸 鲁比斯科 转基因水稻 光合效率 C4光合作用 生物 补偿点 植物 羧化 用水效率 转基因 水稻 转基因作物 生物化学 蒸腾作用 基因 催化作用
作者
Deeptirekha Behera,Alaka Swain,Subhasis Karmakar,Manaswini Dash,Padmini Swain,Mirza Jaynul Baig,Kutubuddin A. Molla
出处
期刊:Plant Physiology and Biochemistry [Elsevier]
卷期号:194: 169-181 被引量:18
标识
DOI:10.1016/j.plaphy.2022.11.011
摘要

C4 plants have the inherent capacity to concentrate atmospheric CO2 in the vicinity of RuBisCo, thereby increasing carboxylation, and inhibiting photorespiration. Carbonic anhydrase (CA), the first enzyme of C4 photosynthesis, converts atmospheric CO2 to HCO3-, which is utilized by PEPC to produce C4 acids. Bioengineering of C4 traits into C3 crops is an attractive strategy to increase photosynthesis and water use efficiency. In the present study, we isolated the PEPC gene from the C4 plant Setaria italica and transferred it to C3 rice. Overexpression of SiPEPC resulted in a 2-6-fold increment in PEPC enzyme activity in transgenic lines with respect to non-transformed control. Photosynthetic efficiency was enhanced in transformed plants, which was associated with increased ФPSII, ETR, lower NPQ, and higher chlorophyll accumulation. Water use efficiency was increased by 16-22% in PEPC transgenic rice lines. Increased PEPC activity enhanced quantum yield and carboxylation efficiency of PEPC transgenic lines. Transgenic plants exhibited higher light saturation photosynthesis rate and lower CO2 compensation point, as compared to non-transformed control. An increase in net photosynthesis increased the yield by (23-28.9%) and biomass by (24.1-29%) in transgenic PEPC lines. Altogether, our findings indicate that overexpression of C4-specific SiPEPC enzyme is able to enhance photosynthesis and related parameters in transgenic rice.
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