杂交水稻剑叶衰老过程中叶绿素荧光特性研究

鄢圣敏+胡运高+杨国涛+张玲+范存留+易军

摘要：以杂交水稻组合为试材，研究杂交水稻剑叶衰老过程中叶绿素含量及叶绿素荧光参数的变化规律。结果表明，不同品种剑叶衰老过程中叶绿素含量、PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）、PSⅡ潜在光化学活性（Fv/Fo）、PSⅡ实际光化学量子产量（Yield）、PSⅡ表观光合电子传递速率（ETR）等值存在明显差异，这些值的变化大致呈单峰曲线。相关性分析结果表明，Fv/Fm、Fv/Fo、Yield、ETR与叶绿素含量呈显著或极显著正相关；冈优725的Fv/Fm、Fv/Fo、Yield、ETR值高于B6优4761和B2优768，说明冈优725在剑叶衰老过程中能保持较好的光合生理功能。

关键词：杂交水稻；剑叶衰老；叶绿素荧光；叶绿素含量

中图分类号： S511.01文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）02-0049-03

收稿日期：2013-06-17

基金项目：国家科技支撑计划（编号：12zgc007）；四川省科技项目（编号：12zs2107）。

作者简介：鄢圣敏（1989—），男，湖北天门人，硕士，主要从事稻米品质育种。E-mail：yan_shengmin@126.com。

通信作者：胡运高，研究员，硕士生导师，主要从事水稻遗传育种工作。E-mail：swust.rri@163.com。水稻是我国重要的粮食作物，水稻开花后剑叶的光合作用为籽粒积累了大量糖类[1]。与其他叶片相比，剑叶不仅分化最晚，而且受光优越，功能期较长[2]。开花后，水稻进入灌浆期的同时也进入了衰老阶段。水稻叶片衰老是一个高度有序的生理生化代谢过程[3]，这一过程被认为是器官发育所经历的最后时期[4]，生物学意义重大。在生产实际中，水稻叶片的早衰造成后期叶片光合作用不足，使干物质的积累受到限制，引起灌浆不充实，导致结实率偏低[5]，影响最终的产量，一些有潜力的品种（组合）由于后期早衰严重，影响了推广应用。

叶绿素荧光参数与一些“表观性”气体交换指标相比，更能反映出植物“内在性”的特点[6]。植物叶绿素荧光分析技术在研究植物叶片的光合特性中得到应用，且多侧重于环境胁迫对植物叶片叶绿素荧光参数影响的研究。本研究采用Dual-PAM-100型便携式调制荧光仪，对四川省绵阳地区3个杂交水稻品种剑叶衰老过程中叶绿素荧光参数变化及其物质基础——叶绿素含量变化规律进行研究，为进一步研究水稻衰老机理积累资料，也为水稻的培育和栽培工作提供一定的理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料及处理

试验于2012年在西南科技大学农园试验基地进行。试验田前作空闲，土质沙壤，肥力中上。供试杂交水稻品种：冈优725、B6优4761、B2优768，均由西南科技大学水稻研究所提供。试验采用随机区组设计，小区行长10 m，5行/区，3次重复。试验材料于4月3日播种，5月8日移栽，在剑叶全展开始（8月1日），每小区选取有代表性的植株5株，于上午10：00在田间采回新鲜的叶片放于冰盒中带回实验室测定各项数据，每隔6 d取1次样，直至水稻剑叶枯死为止（9月12日）。

1.2测定项目与方法

1.2.1叶绿素含量的测定取新鲜叶片，用95%乙醇作浸提液提取色素，用7200型分光光度计分别测定665、649、470 nm 处吸光度，用Arnon法修正公式计算叶绿素a含量（mg/g）和叶绿素b含量（mg/g）[7]。

1.2.2叶绿素荧光参数测定利用德国Walz公司调制荧光仪Dual-PAM-100在室温下测定叶绿素荧光诱导动力学曲线和快速光响应曲线。叶片暗适应20 min后，先照射 12 μmol/（m2·s） 测量光测定初始荧光Fo，饱和脉冲 10 000 μmol/（m2·s） 持续时间600 ms诱导Fm，光化光强度为168 μmol/（m2·s）。每个测定设置3个重复。叶绿素荧光参数的计算参考唐运来的计算方法[8]。

1.3数据分析

采用Excel 2003、SPSS 17.0进行数据整理及分析。

2结果与分析

2.1杂交水稻剑叶衰老过程中叶绿素含量的变化

叶片生育后期叶绿素含量的高低是反映叶片光合性能和衰老程度的重要标志[8]。从图1可以看出，3个品种叶绿素含量变化呈现出单峰曲线，峰值均出现在剑叶全展后6 d，分别为3.46、2.97、3.00 mg/g，叶绿素含量由高到低排序为冈优725>B2优768>B6优4761；剑叶全展后6 d，3个品种剑叶叶绿素含量均开始降低，冈优725叶绿素含量下降幅度较大，B2优768和B6优4761叶绿素含量在下降过程中出现一个短暂稳定的时期；剑叶全展后42 d，3个品种叶绿素含量均降至最低值。3个品种剑叶全展前期（0～12 d）叶绿素含量较高，表明植株能捕获更多的光能，为其光合作用的进行奠定了基础，这一时期冈优725叶绿素含量显著高于另外2个品种。

2.2杂交水稻剑叶衰老过程中叶绿素荧光参数的变化

2.2.1剑叶衰老过程中初始荧光（Fo）、PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）和潜在光化学活性（Fv/Fo）的变化Fo是光系统

Ⅱ（PSⅡ）反应中心处于完全开放时的最低荧光产量[9]，与叶绿素的含量有关。由图2可以看出，3个水稻品种剑叶全展后Fo呈不断上升的趋势，反映出水稻剑叶衰老过程中PSⅡ反应中心不断失活，相比图1而言，Fo的上升掩盖了叶片中叶绿素含量的下降；剑叶衰老过程中，冈优725叶片Fo值明显低于其他2个品种，说明其PSⅡ反应中心损伤程度相对低于B6优4761和B2优768。

可变荧光与最大荧光的比值Fv/Fm反映了PSⅡ的最大光能转化效率，Fv/Fm越高证明植物受到光抑制的程度越低；在正常光照条件下，Fv/Fm一般稳定在0.83左右[10]。由图3可知，在剑叶全展后24 d之内，3个品种的Fv/Fm值呈现出波动下降的的趋势，但均高于0.75，显示出这段时期3个水稻品种PSⅡ系统光能转换效率处于正常水平；剑叶全展后 18 d 内，冈优725 Fv/Fm维持着较高的水平；剑叶全展24 d以后，B6优4761和B2优768的Fv/Fm值迅速下降至最低点，而冈优725的Fv/Fm值下降较为缓慢，说明冈优725的能量转换机构损伤较为缓慢。Fv/Fo可代表PSⅡ潜在活性，与有活性的PSⅡ反应中心数量成正比[11]。由图3、图4可知，Fv/Fo值与Fv/Fm值的变化具有一致性。

2.2.2剑叶衰老过程中PSⅡ实际光化学量子产量（Yield）和表观光合电子传递速率（ETR）的变化实际光化学量子产量（Yield）反映 PSⅡ反应中心的开放程度，常用来表示植物光合作用电子传递的量子产额，可作为植物叶片光合电子传递速率快慢的相对指标[12]。由图5可知，冈优725和B6优4761的Yield值经历了“升—降—升—降”的过程，在剑叶全展后 6 d 和18 d达到峰值，B2优768的Yield值则只经历了“升—降”的过程，在18 d达到峰值；剑叶全展后18 d以后，各品种的Yield值迅速降至最低值；在剑叶全展后24 d内，冈优725的Yield平均值显著高于其他2个品种，表明冈优725在剑叶衰老过程中还能维持较高的光能转化效率，有利于促进碳同化的高效转运。

ETR值的大小反映PSⅡ实际表观电子传递速率的高低。从图6可知，各品种水稻的ETR值在剑叶全展后有一个明显的上升，均在剑叶全展后6 d达到最大值，冈优725、B6优4761、B2优768分别为72.02、64.25、51.58，然后呈现出一个随叶片衰老加剧ETR值逐渐下降的状况。剑叶全展后18 d内，冈优725的ETR值显著高于其他2个品种；18 d后，各品种ETR值逐渐下降，无显著差异。这说明在衰老前期冈优725剑叶ETR值高，反映光合作用所需的高能电子经过电子传递链高效地进行着传递，促进光化学反应的快速进行。

2.3杂交水稻剑叶衰老过程中叶绿素含量变化与叶绿素荧光参数变化的相关性分析

伴随水稻叶片的衰老，叶绿素含量呈短暂上升后持续下降的趋势，引起叶绿素各荧光参数也发生明显变化，分别对冈优725、B6优4761、B2优768 3个水稻品种剑叶衰老过程中叶绿素含量变化和各荧光参数变化作相关性分析，由表1可见，试验水稻品种剑叶衰老过程中叶绿素含量变化与荧光参数Fv/Fo、Fv/Fm、Yield和ETR的变化呈显著或极显著正相关

3小结与讨论

叶绿素是植物光合作用的基础，叶绿素含量的变化对植物光合作用有重要的影响，其含量的下降，会影响总叶绿素的荧光水平[13]；而叶绿素荧光参数与光合作用中的各种反应密切相关，包含许多光合作用信息，它们的变化可反映出逆境对光合作用某些过程的影响。通过对不同水稻品种剑叶衰老过程中叶片叶绿素荧光动力学参数进行研究，揭示了水稻自然衰老过程叶片的“内在”变化，研究结果表明，不同水稻品种叶绿素含量及叶绿素荧光参数存在明显差异，与在萝卜、竹、绿豆、小麦上的研究结论[14-17]相一致，表明水稻剑叶的光合特性确实受到遗传基因的影响。

参试杂交稻品种冈优725、B6优4761、B2优768的Fv/Fm、Fv/Fo、Yield和ETR在剑叶衰老过程中呈逐渐减小的趋势，只在剑叶全展的前期和中期有小范围的波动，不同品种之间这些指标的差异较为明显。相关性分析结果表明，除Fo外，叶绿素荧光参数变化与叶绿素含量变化均达到了显著或极显著正相关，说明水稻叶绿素荧光光能活性的高低可能与叶绿素含量密切相关。

在荧光参数中，Fv/Fm、Fv/Fo、Yield和ETR值被公认为是叶片光合效率的重要依据[18]。3个供试品种中，冈优725的Fv/Fm、Fv/Fo、Yield和ETR值相对最高，维持的时间也相对较长，表明冈优725在剑叶衰老过程中叶片能保持较好的光合性能；B2优768和B6优4761随着叶片的衰老，光合能力丧失较快。前人研究结果表明，ETR值越高，形成的活跃化学能就越多，可以为暗反应的光合碳同化积累更多所需的能量[19-20]。在剑叶衰老的前半程，冈优725的ETR饱和点（ETR值为72.03）始终显著高于其他2个品种，光化学反应启动最快，显示出了其良好的光合生理性能及耐光抑制能力。

郭连旺等研究表明，Fo与与叶绿素浓度有关，叶绿素含量下降，Fo降低，PSⅡ反应中心失活或损伤，又使Fo升高，Fo变化的方向取决于主要作用的因素[21]。本试验参试的水稻品种，剑叶衰老过程中Fo与叶绿素含量变化呈负相关，且相关系数不大，这可能与光合作用中光能吸收的复杂性有很大的关系，尚待进一步研究。

参考文献：

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[5]曾富华，罗泽民. 赤霉素对杂交水稻生育后期剑叶中活性氧清除剂的影响[J]. 作物学报，1994，20（3）：347-351.

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2.2.2剑叶衰老过程中PSⅡ实际光化学量子产量（Yield）和表观光合电子传递速率（ETR）的变化实际光化学量子产量（Yield）反映 PSⅡ反应中心的开放程度，常用来表示植物光合作用电子传递的量子产额，可作为植物叶片光合电子传递速率快慢的相对指标[12]。由图5可知，冈优725和B6优4761的Yield值经历了“升—降—升—降”的过程，在剑叶全展后 6 d 和18 d达到峰值，B2优768的Yield值则只经历了“升—降”的过程，在18 d达到峰值；剑叶全展后18 d以后，各品种的Yield值迅速降至最低值；在剑叶全展后24 d内，冈优725的Yield平均值显著高于其他2个品种，表明冈优725在剑叶衰老过程中还能维持较高的光能转化效率，有利于促进碳同化的高效转运。

ETR值的大小反映PSⅡ实际表观电子传递速率的高低。从图6可知，各品种水稻的ETR值在剑叶全展后有一个明显的上升，均在剑叶全展后6 d达到最大值，冈优725、B6优4761、B2优768分别为72.02、64.25、51.58，然后呈现出一个随叶片衰老加剧ETR值逐渐下降的状况。剑叶全展后18 d内，冈优725的ETR值显著高于其他2个品种；18 d后，各品种ETR值逐渐下降，无显著差异。这说明在衰老前期冈优725剑叶ETR值高，反映光合作用所需的高能电子经过电子传递链高效地进行着传递，促进光化学反应的快速进行。

2.3杂交水稻剑叶衰老过程中叶绿素含量变化与叶绿素荧光参数变化的相关性分析

伴随水稻叶片的衰老，叶绿素含量呈短暂上升后持续下降的趋势，引起叶绿素各荧光参数也发生明显变化，分别对冈优725、B6优4761、B2优768 3个水稻品种剑叶衰老过程中叶绿素含量变化和各荧光参数变化作相关性分析，由表1可见，试验水稻品种剑叶衰老过程中叶绿素含量变化与荧光参数Fv/Fo、Fv/Fm、Yield和ETR的变化呈显著或极显著正相关

3小结与讨论

叶绿素是植物光合作用的基础，叶绿素含量的变化对植物光合作用有重要的影响，其含量的下降，会影响总叶绿素的荧光水平[13]；而叶绿素荧光参数与光合作用中的各种反应密切相关，包含许多光合作用信息，它们的变化可反映出逆境对光合作用某些过程的影响。通过对不同水稻品种剑叶衰老过程中叶片叶绿素荧光动力学参数进行研究，揭示了水稻自然衰老过程叶片的“内在”变化，研究结果表明，不同水稻品种叶绿素含量及叶绿素荧光参数存在明显差异，与在萝卜、竹、绿豆、小麦上的研究结论[14-17]相一致，表明水稻剑叶的光合特性确实受到遗传基因的影响。

参试杂交稻品种冈优725、B6优4761、B2优768的Fv/Fm、Fv/Fo、Yield和ETR在剑叶衰老过程中呈逐渐减小的趋势，只在剑叶全展的前期和中期有小范围的波动，不同品种之间这些指标的差异较为明显。相关性分析结果表明，除Fo外，叶绿素荧光参数变化与叶绿素含量变化均达到了显著或极显著正相关，说明水稻叶绿素荧光光能活性的高低可能与叶绿素含量密切相关。

在荧光参数中，Fv/Fm、Fv/Fo、Yield和ETR值被公认为是叶片光合效率的重要依据[18]。3个供试品种中，冈优725的Fv/Fm、Fv/Fo、Yield和ETR值相对最高，维持的时间也相对较长，表明冈优725在剑叶衰老过程中叶片能保持较好的光合性能；B2优768和B6优4761随着叶片的衰老，光合能力丧失较快。前人研究结果表明，ETR值越高，形成的活跃化学能就越多，可以为暗反应的光合碳同化积累更多所需的能量[19-20]。在剑叶衰老的前半程，冈优725的ETR饱和点（ETR值为72.03）始终显著高于其他2个品种，光化学反应启动最快，显示出了其良好的光合生理性能及耐光抑制能力。

郭连旺等研究表明，Fo与与叶绿素浓度有关，叶绿素含量下降，Fo降低，PSⅡ反应中心失活或损伤，又使Fo升高，Fo变化的方向取决于主要作用的因素[21]。本试验参试的水稻品种，剑叶衰老过程中Fo与叶绿素含量变化呈负相关，且相关系数不大，这可能与光合作用中光能吸收的复杂性有很大的关系，尚待进一步研究。

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[9]付国占，李潮海，王俊忠，等. 残茬覆盖与耕作方式对夏玉米叶片衰老代谢和籽粒产量的影响[J]. 西北植物学报，2005，25（1）：155-160.

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[11]杜亮亮，金爱武，胡元斌，等. 5种箬竹属竹种叶绿素荧光特性的比较[J]. 世界竹藤通讯，2009，7（2）：17-21.

[12]林晗，陈辉，吴承祯，等. 千年桐种源间叶绿素荧光特性的比较[J]. 福建农林大学学报：自然科学版，2012，41（1）：34-39.

[13]DeEll J R，van Kooten O，Prange R K，et al. Application of chlorophyll fluorescence techniques in postharvest physiology[J]. Hortic Rev，1999，23：69-107.

[14]王玲平，毛伟海，胡天华，等. 萝卜叶片衰老过程中光合性能变化研究[J]. 华北农学报，2007，22（增刊）：36-39.

[15]郑蓉，黄耀华，连巧霞，等. 刚竹属13个竹种叶绿素荧光特性比较[J]. 江西农业大学学报，2008，30（2）：263-267.

[16]高小丽，高金锋，冯佰利，等. 不同绿豆品种生育后期叶片衰老的研究[J]. 西北植物学报，2007，27（5）：947-953.

[17]梁赟. 持绿型小麦开花后旗叶的生化、光合及叶绿素荧光特性的研究[D]. 雅安：四川农业大学，2009：28-33.

[18]时燕，黄耀华，郭小勤，等. 4个紫竹栽培类型叶绿素荧光特性的比较[J]. 江西农业大学学报，2009，31（3）：397-401.

[19]贺立红，贺立静，梁红. 银杏不同品种叶绿素荧光参数的比较[J]. 华南农业大学学报，2006，27（4）：43-46.

[20]任士福，史宝胜，王志彦，等. 果用型银杏品种叶绿素荧光特性的研究[J]. 河北农业大学学报，2002，25（2）：38-41.

[21]郭连旺，沈允钢. 高等植物光合机构避免强光破坏的保护机制[J]. 植物生理学通讯，1996，32（1）：1-8.

2.2.2剑叶衰老过程中PSⅡ实际光化学量子产量（Yield）和表观光合电子传递速率（ETR）的变化实际光化学量子产量（Yield）反映 PSⅡ反应中心的开放程度，常用来表示植物光合作用电子传递的量子产额，可作为植物叶片光合电子传递速率快慢的相对指标[12]。由图5可知，冈优725和B6优4761的Yield值经历了“升—降—升—降”的过程，在剑叶全展后 6 d 和18 d达到峰值，B2优768的Yield值则只经历了“升—降”的过程，在18 d达到峰值；剑叶全展后18 d以后，各品种的Yield值迅速降至最低值；在剑叶全展后24 d内，冈优725的Yield平均值显著高于其他2个品种，表明冈优725在剑叶衰老过程中还能维持较高的光能转化效率，有利于促进碳同化的高效转运。

ETR值的大小反映PSⅡ实际表观电子传递速率的高低。从图6可知，各品种水稻的ETR值在剑叶全展后有一个明显的上升，均在剑叶全展后6 d达到最大值，冈优725、B6优4761、B2优768分别为72.02、64.25、51.58，然后呈现出一个随叶片衰老加剧ETR值逐渐下降的状况。剑叶全展后18 d内，冈优725的ETR值显著高于其他2个品种；18 d后，各品种ETR值逐渐下降，无显著差异。这说明在衰老前期冈优725剑叶ETR值高，反映光合作用所需的高能电子经过电子传递链高效地进行着传递，促进光化学反应的快速进行。

2.3杂交水稻剑叶衰老过程中叶绿素含量变化与叶绿素荧光参数变化的相关性分析

伴随水稻叶片的衰老，叶绿素含量呈短暂上升后持续下降的趋势，引起叶绿素各荧光参数也发生明显变化，分别对冈优725、B6优4761、B2优768 3个水稻品种剑叶衰老过程中叶绿素含量变化和各荧光参数变化作相关性分析，由表1可见，试验水稻品种剑叶衰老过程中叶绿素含量变化与荧光参数Fv/Fo、Fv/Fm、Yield和ETR的变化呈显著或极显著正相关

3小结与讨论

叶绿素是植物光合作用的基础，叶绿素含量的变化对植物光合作用有重要的影响，其含量的下降，会影响总叶绿素的荧光水平[13]；而叶绿素荧光参数与光合作用中的各种反应密切相关，包含许多光合作用信息，它们的变化可反映出逆境对光合作用某些过程的影响。通过对不同水稻品种剑叶衰老过程中叶片叶绿素荧光动力学参数进行研究，揭示了水稻自然衰老过程叶片的“内在”变化，研究结果表明，不同水稻品种叶绿素含量及叶绿素荧光参数存在明显差异，与在萝卜、竹、绿豆、小麦上的研究结论[14-17]相一致，表明水稻剑叶的光合特性确实受到遗传基因的影响。

参试杂交稻品种冈优725、B6优4761、B2优768的Fv/Fm、Fv/Fo、Yield和ETR在剑叶衰老过程中呈逐渐减小的趋势，只在剑叶全展的前期和中期有小范围的波动，不同品种之间这些指标的差异较为明显。相关性分析结果表明，除Fo外，叶绿素荧光参数变化与叶绿素含量变化均达到了显著或极显著正相关，说明水稻叶绿素荧光光能活性的高低可能与叶绿素含量密切相关。

在荧光参数中，Fv/Fm、Fv/Fo、Yield和ETR值被公认为是叶片光合效率的重要依据[18]。3个供试品种中，冈优725的Fv/Fm、Fv/Fo、Yield和ETR值相对最高，维持的时间也相对较长，表明冈优725在剑叶衰老过程中叶片能保持较好的光合性能；B2优768和B6优4761随着叶片的衰老，光合能力丧失较快。前人研究结果表明，ETR值越高，形成的活跃化学能就越多，可以为暗反应的光合碳同化积累更多所需的能量[19-20]。在剑叶衰老的前半程，冈优725的ETR饱和点（ETR值为72.03）始终显著高于其他2个品种，光化学反应启动最快，显示出了其良好的光合生理性能及耐光抑制能力。

郭连旺等研究表明，Fo与与叶绿素浓度有关，叶绿素含量下降，Fo降低，PSⅡ反应中心失活或损伤，又使Fo升高，Fo变化的方向取决于主要作用的因素[21]。本试验参试的水稻品种，剑叶衰老过程中Fo与叶绿素含量变化呈负相关，且相关系数不大，这可能与光合作用中光能吸收的复杂性有很大的关系，尚待进一步研究。

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