几个杂交水稻品种蜡熟期剑叶光合特性研究

叶子飘，尹建华，陈先茂，安 婷，段世华

(1.井冈山大学 数理学院，江西 吉安 343009； 2.江西省农业科学院 水稻研究所，江西 南昌 330200； 3.江西省农业科学院 土壤肥料与资源环境研究所，江西 南昌 330200； 4.井冈山大学 生命科学学院，江西 吉安 343009)

水稻(OryzasativaL.)是世界上最重要的粮食作物，是全球近半数人口的主粮，其产量会直接影响全球粮食供应的稳定及安全[1]，因此水稻生产在保障全球粮食安全，减少贫困人口和增加农村就业等方面发挥着重要作用。根据联合国粮食与农业组织(FAO)统计，2014年度世界水稻播种面积约16 325万hm2，总产量约74 096万t。据报道，中国的水稻播种面积在世界上排名第二，2017年为3 013万hm2；产量排名第一，2017年约为20 750万t。其中杂交水稻面积占总水稻面积约为57%，产量约占65%。由此可知，杂交水稻在我国的粮食生产中占有非常重要的地位。因此，研究杂交水稻的光合生理特性以及产生这些特性的原因显得尤为重要。

杂交水稻是指选用两个在遗传上有一定差异，同时它们的优良性状又能互补的水稻品种，通过有性杂交形成具有杂种优势的F1代杂交种子用于生产。在杂交水稻的生长过程中，光合作用是水稻生长发育和产量形成的生理基础，也是水稻产物形成的直接来源。已有研究表明，在相同的环境条件下品种特性是决定水稻光合能力差异的主要原因[2]。

水稻的灌浆结实期是指稻穗开花后到谷粒成熟的时期，又可分为乳熟期、蜡熟期和完熟期。其中蜡熟期叶片的光合作用对水稻产量的提高至关重要。已有的研究表明，当水稻开始灌浆时，植株上部叶片的光合功能会迅速衰退[3]，杂交水稻产量潜力与其灌浆起始至完熟期光合能力的提高有着密切的关系，且明显影响水稻的千粒重和籽粒中碳水化合物的形成与积累[2]；水稻叶片叶绿素含量的多少与光能吸收、激发能传递和电荷分离产生光合电子传递等过程密切相关[4-5]。有研究表明，叶绿素含量正相关地影响着植物的光合速率[6-11]。然而也有报道，水稻叶片叶绿素含量的多少与其电子传递速率和光合速率之间没有相关性或呈负相关[4-5，12]。有研究认为：高叶绿素含量并不是叶片高光合速率的必需条件[5]。与此相反，适当降低叶片叶绿素含量，将有助于减少叶片氮素在合成叶绿素过程中的消耗，增加影响光合速率的关键限制性因子的合成(如Rubisco酶等)，最终提高叶片光合速率[5]。但是，关于为何叶绿素含量降低可以提高水稻的光合能力的分析却很少，尤其从捕光色素分子的光能吸收特性这个角度分析水稻叶片低叶绿素的光合生理特性的报道较少。

本研究以水稻恢复系JR1326与不育系深95A、五丰A和赣香A及两者配置的杂交组合深95优1326、五丰优1326和赣香优1326为材料，在大田生产条件下，研究了蜡熟期剑叶水稻的净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率、叶绿素荧光参数、光合色素等特性，拟从其光合色素分子的光能吸收能力、叶片光合生理和水分利用效率三个层面上探讨这3个水稻品种叶绿素含量、光能利用和水分利用效率的差异性，以期了解叶绿素含量和捕光色素分子对光能的吸收能力、水稻叶片的光合生理特性差异及其变化规律，旨在为筛选和培育高产、高光合水稻新种质提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试杂交稻组合深95优1326、五丰优1326、赣香优1326以及恢复系JR1326，由恢复系JR1326所配组合均表现为剑叶直挺，较内卷，株型紧凑等株叶形态特征，这种株叶形态有利于其群体光合的光能吸收。深95A不育系是由国家杂交水稻工程研究中心清华深圳龙岗研究所选育的优质三系不育系。株型紧凑，茎秆粗，分蘖力中等，易感穗瘟；五丰A是广东省农业科学院水稻研究所选育的野败型籼稻优质三系不育系，株型紧凑，茎秆粗壮，抗倒性强，叶色浓绿，叶片挺直；赣香A是江西省农业科学院水稻研究所育成的一个野败籼型优质三系不育系，具有较高的抗稻瘟病。茎秆粗壮，叶色深绿，成熟期功能叶旺盛，不早衰，落色好。深95优1326和五丰优1326的生育期皆为117 d，赣香优1326的生育期为119 d。

1.2 试验方法

试验于2014年在江西井冈山大学的生物园试验基地进行。供试杂交水稻材料均在6月9日入水浸泡，6月11日播种于塑料盆中，材料长至4真叶期，于7月5日一次性移栽于大田中。大田管理水平与当地水稻种植水平相当，肥力情况略高于当地农户，田块肥力为中等水平，大田每667 m2底肥约20 kg复合肥，第一次追肥为5 kg复合肥和8 kg尿素，第二次追肥为7 kg尿素，并叶面喷施磷酸二氢钾50 g。田间长势达最高苗后进行晒田，抽穗后保持适当水分灌浆，后期干湿交替至水稻成熟。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 光合特性参数的测定

1.3.2 叶绿素含量测定

剪取测定光合所用水稻剑叶叶片，去除中脉，以95%乙醇进行叶片浸提处理。浸提置于黑暗条件下直至叶片颜色完全褪去，使用SPECORD 50分光光度计测定浸提液在645、663、470 nm处的吸光值，并参照Aron[15]的方法计算叶绿素含量。

1.4 数据处理

采用“光合计算软件”http://photosynthetic.sinaapp.com/calc.html(井冈山大学数理学院)对实验数据进行分析；采用SPSS13.5软件对数据进行统计学分析，并利用单因素AVONA法进行显著性分析。作图由Origin8.5软件完成，然后用Adobe Illustrator CS 5进行图形处理。

2 结果与分析

2.1 光合电子传递速率对光的响应曲线

图1为JR1326及3个杂交水稻品种的电子传递速率对光的响应曲线。由图1可知，在光强小于400 μmol·m-2·s-1时电子传递速率随光强的增加几乎线性增加，然后较快地增加到电子传递速率最大处，最后，随光强的增加而下降。这4个水稻品种都发生了程度不同的光系统Ⅱ(PSⅡ)动力学下调现象[16]，其中深95优1326和赣香优1326尤为明显。

由表1可知，五丰优1326的初始斜率(αe)最大，赣香优1326的最小，且两者之间存在显著差异。虽然深95优1326的叶绿素含量最小，但其捕光色素分子的本征光能吸收截面(σik)最大、激发能处于最低激发态的最小平均寿命(τmin)最小；五丰优1326的叶绿素含量最大，但其捕光色素分子的σik最小、τmin最大。五丰优1326和深95优1326的最大电子传递速率(Jmax)与赣香优1326存在显著差异，但3个杂交水稻品种的饱和光强(PARsat)之间不存在显著差异(表1)。

图1 四个水稻品种的电子传递速率对光的响应曲线Fig.1 Light-response curves of electron transport rates for four rice cultivars

2.2 光合作用对光的响应曲线

图2为JR1326及3个杂交水稻品种的光合作用对光的响应曲线。由图2可知，在光强小于400 μmol·m-2·s-1时碳同化速率随光强的增加几乎线性增加，然后缓慢增加到光饱和处，之后随光强的增加而下降。其中JR1326、深95优1326和赣香优1326发生明显的光抑制，而五丰优1326的光抑制现象不明显。

由表2可知，五丰优1326的初始斜率(αp)最大，赣香优1326的最小，且两者之间存在显著差异。五丰优1326的最大净光合速率(Anmax)最大，赣香优1326的Anmax最小，且两者之间存在显著差异；赣香优1326的饱和光强(Isat)最小，而五丰优1326的Isat最大。此外，赣香优1326同化一个CO2分子所需要的表观电子数最大为5.86个；五丰优1326同化一个CO2分子所需要的表观电子数最小为4.75个。此外，赣香优1326的光补偿点(Ic)最大，深95优1326的Ic最小。五丰优1326和赣香优1326的暗呼吸速率(Rd)与深95优1326之间存在显著差异(表2)。

表1三个杂交水稻品种光合电子传递速率光响应的特征参数

Table1Characteristic parameters of light-response of electron transport rates for three rice cultivars

品种Cultivar初始斜率αe/(μmol·μmol-1)最大电子传递速率Jmax/(μmol·m-2·s-1)饱和光强PARsat/(μmol·m-2·s-1)叶绿素含量Chl (mg·dm-2)叶绿素a/叶绿素b本征截面sik/(10-21 m2)最小平均寿命tmin/(10-3 s)确定系数R2深95优1326Shen95You13260.308±0.017 a116.99±6.97 a1155.84±16.41 a4.58±0.34 b2.80±0.54 a2.69±0.27 a1.41±0.21 b0.998五丰优1326Wufengyou13260.321±0.003 a115.63±2.16 a1181.05±11.32 a6.11±0.31 a2.23±0.07 a2.09±0.10 b1.62±0.03 a0.999赣香优1326Ganxiangyou13260.281±0.005 b102.48±0.58 b1076.22±13.55 a5.23±0.25 ab2.37±0.02 a2.13±0.09 b1.43±0.04 b0.989

同列数值后没有相同小写字母表示在0.05水平差异显著。下同。

Different letters within the same column indicated statistical significance atP<0.05 for the same photosynthetic physiological parameters. The same as below.

图2 四个水稻品种的光合作用对光的响应曲线Fig.2 Light-response curves of photosynthesis for four rice cultivars

2.3 捕光色素分子的有效光能吸收截面和处于激发态的分子数对光的响应曲线

表2三个水稻品种光合作用光响应的特征参数

Table2Characteristic parameters of light-response of photosynthesis for three rice cultivars

品种Cultivar初始斜率αp最大净光合速率Anmax/(μmol·m-2·s-1)饱和光强Isat/(μmol·m-2·s-1)光补偿点Ic/(μmol·m-2·s-1)暗呼吸速率Rd/(μmol·m-2·s-1)同化1个CO2需要的表观电子数 na确定系数R2深95优13260.067±0.005 b23.31±0.96 a1334.40±33.37 ab27.56±0.76 b1.19±0.08 b5.02±0.19 b0.996Shen95You1326五丰优13260.081±0.003 a24.36±0.59 a1435.28±31.70 a29.73±1.74 b2.33±0.25 a4.75±0.12 b0.987Wufengyou1326赣香优13260.064±0.003 b17.50±0.47 b1233.53±40.20 ab40.76±2.90 a2.32±0.06 a5.86±0.11 a0.987Ganxiangyou1326

另一方面，在光合作用过程中，处于激发态的捕光色素分子一方面要通过热耗散和荧光的方式退激发，大多数激发能则进行光化学反应，产生光合电子流。处于激发态上的捕光色素分子数以Nk表示。图4为表示JR1326和3个杂交水稻品种叶片捕光色素分子的Nk对光的响应曲线。由图4可知，Nk随光强的增加而非线性增大。例如当光强为1 800 μmol·m-2·s-1时，深95优1326、五丰优1326和赣香优1326处于激发态的捕光色素分子分别约有5.0×1016、6.0×1016和6.4×1016个。在该光强处这3个水稻品种的Nk存在显著差异。

2.4 叶片瞬时水分利用效率对光的响应曲线

图5为JR1326及3个杂交水稻品种叶片瞬时水分利用效率(WUEinst)对光的响应曲线。由图5可知，JR1326、深95优1326和赣香优1326的WUEinst随光强的增加快速增加达到一个最大值，之后随光强的增加而下降。而五丰优1326的WUEinst到达一个平台期，在较高光强(I>1600 μmol·m-2·s-1)之后WUEinst随光强的增加而稍微下降。

此外，由表3数据可知，深95优1326的最大瞬时水分利用效率(WUEinst-max)的值最高，五丰优1326最小，且它们之间存在显著差异；赣香优1326介于两者之间。与WUEinst-max相对应的饱和光强(PARinst-sat)则表现为深95优1326最小，其他2个水稻品种PARinst-sat的值非常接近，且不存在显著差异。

3 结论与讨论

当太阳光照射植物叶片时，叶绿素吸收光能使得捕光色素分子从基态跃迁到激发态，激发能传递至光反应中心，在放氧复合体中通过裂解水分子产生氧气和电子，其中电子依次经过PSⅡ、Cytb6f和PSⅠ，最后传递给烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(nicotinamide adeninedinucleotide phosphate，NADP)形成NADPH。在此过程中产生的跨膜质子梯度驱动ATP合酶，形成ATP。由此可知，光合电子流或电子传递速率的大小以及随后产生的质子梯度分别影响着NADPH和ATP的形成[17-19]。因此，叶绿素含量在植物的光合作用中有着重要的作用，它是光合作用光能吸收的基础。已有研究表明：净光合速率或作物产量正比于水稻剑叶的叶绿素含量[6-9]。但在本研究中，在恢复系JR1326的杂交F1代中，五丰优1326的叶绿素含量最高，深95优1326的叶绿素含量最低，且两个品种之间存在显著差异，然而深95优1326和五丰优1326这2个杂交水稻的Jmax以及Anmax几乎相同(表1和表2)。

图3 四个水稻品种捕光色素分子的有效光能吸收截面对光的响应曲线Fig.3 Light-response curves of effective absorption cross-section of light-harvesting pigments for four rice cultivars

图4 四个水稻品种处于激发态的捕光色素分子数对光的响应曲线Fig.4 Light-response curves of light-harvesting pigments in the excited state for four rice cultivars

图5 四个水稻品种的瞬时水分利用效率对光的响应曲线Fig.5 Light-response curves of instantaneous water-use efficiency for four rice cultivars

表3三个水稻品种瞬时水分利用效率光响应的特征参数(平均数±标准误差)

Table3Characteristic parameters of light-response of instantaneous water-use efficiency for three rice cultivars

品种Cultivar初始斜率αinst最大瞬时水分利用效率WUEinst-max/(μmol·mmol-1)饱和光强PARinst-sat/(μmol·m-2·s-1)确定系数R2深95优1326 Shen95You13260.451±0.098 b5.17±0.33 a357.05±18.58 b0.985五丰优1326 Wufengyou13261.193±0.054 a3.83±0.12 c486.55±32.38 a0.978赣香优1326 Ganxiangyou13260.285±0.011 c4.43±0.13 b491.52±59.28 a0.976

本研究结果表明：水稻品种的光合能力不仅与叶绿素含量有关，还与本征光能吸收截面、处于最低激发态的最小平均寿命有关。这些因素的共同作用决定了水稻的最大电子传递速率和最大净光合速率。这个结果进一步揭示出水稻的最大电子传递速率和最大净光合速率不仅与叶绿素含量有关，还与捕光色素分子的光能吸收特性、激子的退激发过程和同化1个CO2所需要的表观电子数等因素有直接的关系。因此，选育的水稻品种应该具有高的本征光能吸收截面、短的处于最低激发态的最小平均寿命和较高的叶绿素含量等特性。