水稻（Oryza sativa L.）是当今世界最重要的粮食作物之一,全球半数以上人口以稻米作为主食。作物产量形成的物质基础来源于光合作用,利用C4型光合碳固定通路相关基因提高水稻光合作用效率,对保证粮食安全具有重大的理论和实际意义。利用创制的相关转基因材料,本文对转ZmPEPC+ZmPPDK双基因水稻（KC）、转TlPDRP单基因水稻（P）、ZmPEPC+ZmPPDK/TlPDRP三基因聚合水稻材料（PKC）和野生型对照（WT）的光合生理、转录组和蛋白组进行了比较研究,获得了以下结果:1.利用RACE-PCR方法克隆了 C4植物南荻基因组中的TlPDRP基因,该基因编码丙酮酸磷酸二激酶调节蛋白,该蛋白在氨基酸序列特征上与ZmPDRP1同源性最高。构建了 TlPDRP基因的双元表达载体,并利用农杆菌介导法成功转化了湘恢299水稻材料,随后筛选得到了转TlPDRP基因的纯合水稻株系。TlPDRP基因在水稻中稳定遗传;Southern Blot检测得到4个单插入转化株系。与PPDK相同,TlPDRP蛋白亚细胞定位于水稻细胞的叶绿体。2.通过有性杂交成功创制ZmPEPC+ZmPPDK/TlPDRP三基因聚合水稻材料。构建ZmPPDK及TlPDRP蛋白原核表达载体并成功进行了目的蛋白的诱导表达和纯化。利用该纯化蛋白免疫兔子获得的抗体进行Western Blot实验,结果表明ZmPEPC、ZmPPDK及TlPDRP蛋白在水稻中成功表达。PKC水稻株系与KC水稻相比,ZmPPDK蛋白磷酸化水平降低37.6%,PPDK酶活性升高32.4%,PEPC酶活性无明显变化。在农艺性状上,与WT相比,KC结实率增加6.3%;PKC千粒重增加,株高增高,生物量增加;KC及PKC穗粒数分别增加14.5%和12.5%,小区产量分别增加4.4%和5.8%。3.KC叶片的叶绿素含量相对于WT增加6.23%。与之成正比的是,在分蘖盛期和齐穗期,KC光合作用速率分别达到35.70及34.59,其次为PKC与P,最小的是WT。对水稻叶片的A-Q及A-Ci曲线拟合表明,PKC水稻材料叶片对初始光量子的吸收效率最高,在水稻从较低光照转变为较高光照时,有更快的响应速率;与之相反,KC材料对光照的响应速率更慢,但KC光补偿点和暗呼吸速率最低,最大净光合速率最高,最大电子传递速率、初始羧化效率和最大羧化速率均显著高于其他水稻材料;另外,P光饱和点最大;P及PKC材料CO2补偿点最低而CO2饱和点最高。对光合作用相关基因的定量表明,P和PKC材料中OsSIZ1、EP3与ARG1表达量降低,OsNSUN2表达量升高;KC水稻中OsSLAC1与CS3表达量略微升高;PKC水稻中NRR基因表达量升高较为明显。4.利用高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS）对C4循环途径、光呼吸循环途径、卡尔文循环、三羧酸循环、糖代谢及能量代谢等过程可能有关的关键代谢物在水稻叶片中的含量测定表明,P及PKC材料中PEP含量显著增加,说明其再生速率加快;ZmPEPC、ZmPPDK、TlPDRP三基因同时存在的情况下,水稻在光合碳同化和氮同化之间达到了更好的平衡;卡尔文循环多数关键代谢物含量增加,推测卡尔文循环速率加快;另外,三羧酸循环代谢物中,转C4基因水稻α-KG含量皆显著高于WT;PKC材料中NAD、NADH、ADP及ATP含量增加。5.对水稻叶片进行了转录组学及蛋白质组学的比较研究。与WT相比,PKC差异表达基因最多,P次之,KC水稻材料最少。三种转C4基因水稻都有超过50%的差异表达基因与催化活性分子功能相关,KEGG代谢通路在光合作用碳同化及丙酮酸代谢均有显著富集;携带TlPDRP基因的P及PKC水稻差异基因在功能和通路中于光合作用代谢有显著富集。蛋白质组学分析表明转C4基因水稻与WT差异表达蛋白数远小于差异基因,差异蛋白多数定位于细胞叶绿体;KC和PKC水稻与WT差异蛋白的KEGG代谢通路同样在光合作用碳同化及丙酮酸代谢途径显著富集。此外,对部分差异基因的表达验证暗示TlPDRP基因有助于减弱KC水稻的光呼吸作用。