C4植物具有比C3植物更高的光合效率和同化效率，因此C4植物一般具有更高的生物产量和经济产量。水稻是世界上最重要的粮食作物，是一种典型的C3植物。本文通过OsRBCS在水稻叶片维管束鞘细胞中的异位表达，模拟C4植物RuBisCO的定位和功能，以期提高水稻产量。同时，通过amiRNA干扰OsRBCS基因的表达水平，从而降低光合效率来模拟C4植物的进化压力，以期获得类似C4植物叶片形态结构的转基因水稻。　　 本研究首先从水稻中分离到了磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶基因OsPck1启动子，由该启动子与GUS构成的嵌合基因表达载体进行水稻转化。GUS组织化学染色表明，该启动子具有维管束鞘细胞和维管束组织表达的特异性。利用OsPck1启动子构建了驱动OsRBCS2在叶片维管柬鞘细胞中特异表达的植物表达载体，并将其转化水稻，获得了OsRBCS异位表达转基因水稻。同时，本研究还设计并合成靶向OsRBCS基因家族的microRNA序列，利用该基因家族成员之一OsRBCS2的启动子构建外源性microRNA的表达载体，并获得了amiRNA转基因水稻植株。　　 异位表达转基因水稻表现出株高增加、茎秆增粗、叶面积系数增加、叶片与茎秆间的夹角变小及无效分蘖减少的良好株型；同时，还表现出光合效率提高和产量大幅度的增加。对产量构成因子进一步分析表明，主要是由于单穗实粒数增多和有效分蘖数增加引起的。amiRNA转基因水稻表现出植株矮化、叶片黄化、生长发育迟缓和晚花的表型。amiRNA转基因水稻的光合效率也大幅度降低，对叶片形态结构的显微观察表明，当转基因水稻的光合效率降低至对照的50％时，叶片出现Kranz结构的某些特征，表现为叶肉细胞数减少、维管束组织间距缩小、维管束鞘细胞体积增大和维管束鞘细胞中叶绿体含量增加。　　 通过PCR、Southern Blot对转化植株及其后代植株的检测表明，目的基因已导入转化植株，并整合到其基因组中，且能够稳定遗传。通过qPCR分析转基因水稻目的基因的表达水平与表型的关联性，结果表明表型的改变程度与转基因的转录水平有关。转基因水稻后代的遗传学分析表明，转基因植株的表型是由转基因本身引起的，且表型与转基因紧密连锁。并通过遗传学的方法获得了转基因水稻纯合株系及其分离出来的纯隐性对照株系。其中amiRNA转基因水稻纯合株系和杂合株系的表型稍有区别，主要表现为纯合株系的植株矮化程度更强，叶片黄化程度增加，开花时间更为推迟。qPCR检测表明异位表达转基因纯系水稻中目的基因OsRBCS2的表达水平约为对照的2.3～3.0倍，Western blot结果表明RuBisCO蛋白含量增加到对照的1.56倍左右。Small RNA Blot检测发现amiRNA转基因水稻中amiRNA正确生成，qPCR结果表明OsRBCS基因家族各成员的表达水平降低至纯隐性对照植株中对应基因表达水平的2‰25％左右，Western blot进一步表明纯系水稻中RuBisCO蛋白含量显著降低至对照的51％。　　 同时利用qPCR检测了amiRNA转基因水稻纯合株系中转基因对部分代谢途径下游基因表达水平的影响，结果表明转基因水稻中光合作用碳固定途径中关键酶基因的转录水平均有不同程度的降低，暗示着碳固定途径活性的降低。同时叶绿素合成途径的相关酶基因表达量也有不同程度的减少，暗示着叶绿素合成受阻。以上结果表明，转基因表达水平的改变已经较明显的影响了某些代谢途径中下游基因的表达量，这暗示着转基因会对更广泛基因的转录水平产生作用，因此有必要对转基因植株的表达谱进行分析。　　 利用基因数字表达谱技术对转基因纯系水稻及其纯隐性对照植株进行了表达谱分析。生物信息学分析表明，异位表达转基因水稻及其纯隐性对照植株共筛选出324个差异表达基因(DGs)，其中上调基因占24.8％(80)，下调基因占75.2％(244)。amiRNA转基因纯系水稻与纯隐性对照株系共筛选出3，266个DGs，其中上调表达占45.9％(1，501)，下调基因占54.1％(1，765)。其中异位表达转基因水稻和amiRNA转基因水稻共有157个DGs，具有相同表达趋势的DGs共有99个(63.06％)，具有相反表达趋势的DGs有58个(36.94％)。　　 对异位表达转基因水稻中DGs的功能类分析表明DGs主要集中在能量代谢、碳水化合物代谢和环境适应性三大功能类中。利用KEGG数据库进一步对DGs所富集的代谢途径分析，表明DGs在碳固定途径中极显著富集，在光合作用光反应系统中显著富集，且光合作用的两个途径中富集基因的表达趋势基本上都为上调表达，表明该光合途径代谢活性的增强。对基因间表达调控网络的进一步挖掘，转基因水稻中存在着以核编码的RNA聚合酶为中心的调控网络，该网络表明转基因水稻中光系统的发育得到了促进。同时淀粉合成途径中关键酶基因的转录水平呈现较大幅度的上调表达，暗示着碳同化效率的增加。实验结果表明转基因水稻光合效率和产量都有较大幅度的提高，这一结果验证了转基因对涉及光合作用途径中差异表达基因变化的分析。　　 amiRNA转基因水稻中DGs在碳固定途径和卟啉和叶绿素代谢途径中极显著富集，但DGs的变化趋势基本上都呈下调表达，暗示着光合效率和碳同化效率的降低。实验结果表明光合效率降低至对照的50％，同时产量大幅下降，这一结果也验证了amiRNA转基因水稻中OsRBCS的抑制表达对基因调控网络变化的分析。另外，对DGs在生理过程层面上GO分析表明，多数的差异表达基因显著富集在细胞循环、细胞间信息传递、叶绿体mRNA的加工及细胞壁合成途径中，以上途径差异表达基因的变化可能与所形成的某些Kranz结构特征的分子机制相关。　　 综上所述，本研究通过OsRBCS基因表达模式的改变达到了预期目标。异位表达增加了水稻产量，为模拟C4植物叶片显微结构中不同细胞分区的酶的功能在C3植物中的作用提供了一定的参考价值。本研究为C3植物到C4植物的改变提供了一种尝试，对其他重要C3作物的改造具有一定的借鉴意义。