水稻矮桿多分蘗突變體CA648的光合生理特性分析

劉曉鵬，朱允華，劉 清，史 齊，李合松

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物激素與生長(zhǎng)發(fā)育湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.南華大學(xué) 藥學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，湖南衡陽 421001)

水稻是我國(guó)最重要的糧食作物之一[1]，雜交水稻的推廣應(yīng)用大幅度提高了水稻單位面積產(chǎn)量[2]，超級(jí)稻育種計(jì)劃所確立的理想株型塑造與雜種優(yōu)勢(shì)利用相結(jié)合的技術(shù)路線已取得良好效果[3]，其中培育理想株型品種被認(rèn)為是提高水稻產(chǎn)量途徑中最具潛力的方法之一，相關(guān)科研工作者希望通過水稻品種設(shè)計(jì)培育出“新株型”品種，使其最大限度地提高群體光能利用率，從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)目標(biāo)[4]。

水稻光合能力既受環(huán)境影響，更受品種制約，在相同環(huán)境中不同品種的光合特性存在較大差異[5]。光合作用的相關(guān)產(chǎn)物既是植物自身生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是作物生產(chǎn)力高低的決定性因素。蔗糖除滿足植物體內(nèi)各種生長(zhǎng)組織和再生組織的生長(zhǎng)需求外，還參于纖維素、儲(chǔ)藏物質(zhì)的生物合成，如淀粉、果聚糖、脂類等[6]?？扇苄蕴鞘侵参矬w內(nèi)一種重要的化合物，其含量的高低反映了植物體內(nèi)可利用態(tài)物質(zhì)和能量的供應(yīng)基礎(chǔ)[7]。比較分析不同株型水稻材料生長(zhǎng)發(fā)育過程中光合生理特性的差異，可為新品種選育過程中，考察與光合利用效率相關(guān)的某些生理指標(biāo)提供參考依據(jù)。本研究前期獲得一個(gè)水稻突變體材料CA648，該突變體表型明顯不同于對(duì)照中花11，株高可受不同生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑處理而顯著改變，但其多分蘗特性非常穩(wěn)定[8]。本文對(duì)該突變體及對(duì)照的葉綠素含量、蔗糖含量、光合作用以及相關(guān)酶活性等生理指標(biāo)進(jìn)行比較分析，以期為后續(xù)闡明該突變體相關(guān)基因的生物學(xué)功能提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

粳稻品種中花11(ZH11)，突變體叢矮648(CA648)。其中CA648是由T-DNA插入ZH11基因組引起突變的矮桿多分蘗突變體。

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物激素與生長(zhǎng)發(fā)育湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)室進(jìn)行。供試種子在常溫下浸種72 h后，取發(fā)芽種子播種在鋪滿花園土的陶土盆中育苗。育苗30 d后移栽至盆缽中，單本移植，4次重復(fù)。

1.2.2 分蘗數(shù)測(cè)定 分蘗數(shù)從水稻分蘗期(以2014年7月7日為水稻分蘗期)開始，分別在分蘗期開始后10 d(分蘗前期)、20 d(分蘗盛期)、30 d(分蘗盛期)、40 d(分蘗后期)測(cè)定，共測(cè)4次。每品種測(cè)量9～12個(gè)單株，取平均值。

1.2.3 葉綠素相對(duì)含量測(cè)定 采用Konica Minolta SPAD-502進(jìn)行測(cè)量，每盆測(cè)量10個(gè)水稻葉片，取平均值。

1.2.4 光合作用測(cè)定 按王惠群等[9]的方法稍作修改，在水稻分蘗后期晴朗天氣的上午 10:00～12:00，采用Li-6400便攜式光合作用系統(tǒng)測(cè)定凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率等光合作用參數(shù)，測(cè)定環(huán)境條件為開放式氣路、紅藍(lán)光源、光通量密度1000 μmol·m-2·s-1、相對(duì)濕度70%和溫度20 ℃。選取生長(zhǎng)一致的4盆中各1株的頂下第2完全展開葉進(jìn)行測(cè)定。

1.2.5 還原糖、蔗糖含量測(cè)定 還原糖的測(cè)定根據(jù)DNS比色法稍作修改。在分蘗盛期(2014年7月29日)分別取兩種材料的新鮮莖和葉置于研缽中，剪碎，加液氮研磨，磨勻后稱重并倒入容量瓶，加 20 mL 50%乙醇，45 ℃水浴2 h(重復(fù)2次)，離心并過濾收集2次上清，蒸餾水定容至100 mL。其余步驟按郝再彬等[10]的方法進(jìn)行。

蔗糖含量的測(cè)定按照張遲[11]的方法。按上述還原糖測(cè)定的方法測(cè)定樣品的還原糖含量(R1)，取測(cè)完的樣品處理液50 mL，加入5 mL 6 mol·L-1鹽酸，在68～70 ℃水解15 min，冷卻后加2滴甲基紅指示劑，用5 mol·L-1氫氧化鈉溶液中和，定容至100 mL，搖勻后按上述方法測(cè)定還原糖含量(R2)。蔗糖含量的計(jì)算公式為：蔗糖含量X= (2×R2 - R1) × 0.95

1.2.6 過氧化物酶活力測(cè)定 按照張志良[12]的方法進(jìn)行測(cè)定。酶活計(jì)算公式如下：

酶的比活力(0.01ΔA·g-1·min-1)＝(ΔA×D) / (0.01×W×t)

式中，ΔA為反應(yīng)時(shí)間內(nèi)吸光度的變化，t為反應(yīng)時(shí)間(min)，D為稀釋倍數(shù)，W為冷凍干燥樣品重(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 CA648和ZH11分蘗數(shù)比較

從水稻分蘗期(四葉期)開始，分別在分蘗開始后10 d(分蘗前期)、20 d(分蘗盛期)、30 d(分蘗盛期)、40 d(分蘗后期)測(cè)定供試材料的分蘗數(shù)。由表1可知，CA648的分蘗數(shù)在分蘗期間均顯著多于ZH11，CA648的最終分蘗數(shù)可達(dá)20多個(gè)，而對(duì)照ZH11的分蘗數(shù)一般為10個(gè)左右。

表1 CA648與ZH11不同時(shí)期分蘗數(shù)比較Table1 Comparisons of tiller number in different periods between CA648 and ZH11

2.2 CA648和ZH11葉綠素相對(duì)含量比較

從水稻分蘗期(四葉期)開始，分別測(cè)定分蘗開始后10 d(分蘗前期)、20 d(分蘗盛期)、30 d(分蘗盛期)、40 d(分蘗后期)相同葉序上中上部位的葉片SPAD值。結(jié)果表明，隨著生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，CA648與ZH11的葉片SPAD值逐步增大，表明葉綠素相對(duì)含量均有所增加，對(duì)照ZH11的SPAD值在分蘗開始后 10 d(分蘗前期)、40 d(分蘗后期)均顯著高于 CA648(表 2)。

表2 CA648和ZH11葉綠素相對(duì)含量比較Table2 Comparisons of relative chlorophyll content in different periods between CA648 and ZH11

2.3 CA648和ZH11光合特性分析

表3表明，CA648在分蘗前期(10 d)，葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均顯著低于同期的ZH11，而胞間CO2濃度卻顯著高于ZH11；分蘗盛期(20d)，CA648和ZH11植株光合生理指標(biāo)差異不顯著；分蘗盛期(30d)，CA648和ZH11葉片的凈光合速率出現(xiàn)了顯著性差異，其中分蘗后期(40d)，ZH11的凈光合速率比CA648高4.1%，ZH11的氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率都高于CA648。值得注意的是，分蘗中后期CA648分蘗數(shù)增加(表 1)。

表3 CA648與ZH11葉片光合作用及蒸騰作用比較Table3 Comparisons of photosynthesis and transpiration between CA648 and ZH11

2.4 CA648和ZH11葉片的還原糖、蔗糖含量比較

在分蘗盛期后，CA648的分蘗與ZH11存在最大差異(表1)， CA648葉片中的還原糖含量明顯比對(duì)照高；而莖桿中的還原糖含量?jī)烧唛g差異不明顯(圖 1)。CA648葉片中的蔗糖含量低于對(duì)照，約為ZH11的77.5%；而莖桿中的蔗糖含量卻高于對(duì)照，比ZH11高 30.7%(圖1)。

圖1 CA648與ZH11的還原糖、蔗糖含量比較Fig.1 Comparisons of the content of reducing sugar and sucrose between CA648 and ZH11

2.5 CA648和ZH11過氧化物酶活力比較

圖2表明，進(jìn)入分蘗期后CA648與ZH11葉片中過氧化物酶活性發(fā)生變化，CA648呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。在7～14 d期間，CA648葉片中的過氧化物酶活力明顯高于ZH11，在分蘗期后14 d時(shí)，CA648過氧化物酶活力比ZH11高73.0%；14 d后活性開始下降，在21 d時(shí)其活性與ZH11無差異。ZH11葉片的酶活性變化在不同時(shí)期變化較小，變化趨勢(shì)是先下降、然后增加再緩慢下降，在28 d時(shí)活力最高(157.9 0.01ΔA·g-1·min-1)，在 28 d、35 d時(shí)葉片的過氧化物酶活力略高于CA648。

圖2可知CA648與ZH11莖桿中的過氧化物酶活性變化趨勢(shì)都是先上升后下降，且CA648莖桿中的過氧化物酶活力均高于ZH11，在14 d時(shí)，兩者差異達(dá)到了16.8%。

圖2 CA648和ZH11過氧化物酶的比活力比較Fig.2 Comparisons of peroxidase activity between CA648 and ZH11

3 討論

水稻株型對(duì)產(chǎn)量具有重要影響。水稻育種專家希望通過改良穗、葉、根等農(nóng)藝性狀來獲得“理想株型”，以盡可能提高群體的光能利用率和干物質(zhì)生產(chǎn)能力[13]。本研究的突變體CA648具有矮化、多分蘗特性，其表型在苗期與對(duì)照ZH11無差異，進(jìn)入分蘗期后株高明顯低于野生型植株，而分蘗數(shù)目明顯多于野生型植株[8]。至成熟期時(shí)，CA648的不同單株均可形成20多個(gè)有效分蘗，而ZH11的有效分蘗數(shù)目一般為10個(gè)(表1)。

研究表明，引起植物葉片光合效率降低的主要因素包括氣孔部分關(guān)閉和葉肉細(xì)胞光合活性下降，前者使細(xì)胞間隙CO2濃度降低，后者則使其增高[14]。光合特性比較結(jié)果顯示，突變體CA648在分蘗初期氣孔導(dǎo)度顯著小于ZH11，且凈光合速率也低于ZH11，而胞間CO2濃度卻顯著高于ZH11。其原因除了與CA648葉綠素含量相對(duì)較低有關(guān)外，還可能與CA648的多分蘗特性有關(guān)。CA648比ZH11形成更多的分蘗，較多的分蘗可導(dǎo)致單位面積內(nèi)分蘗及葉片相互遮擋而影響光合特性。

過氧化物酶在植物生長(zhǎng)發(fā)育中起著十分重要的作用，可以降解植物體內(nèi)IAA，而IAA可以促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)，從而影響莖的生長(zhǎng)，因此莖中過氧化物酶活性增高可能引起植株矮化[15]。CA648葉片中的過氧化物酶活力在分蘗前期與分蘗盛期均高于ZH11，而莖中的過氧化物酶活力在整個(gè)分蘗期均高于ZH11。過氧化物酶可降解IAA，而IAA/CTK比值是植物維持頂端優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵因素[16]。因此，CA648葉片及莖桿中較高的過氧化物酶活性可導(dǎo)致IAA含量發(fā)生改變，進(jìn)而影響IAA/CTK比值，該結(jié)果與已報(bào)道的CA648、ZH11兩者間植物激素存在顯著差異的結(jié)果一致[8]，推測(cè)較高的過氧化物酶活力可能與CA648矮化多分蘗特性之間存在一定的相關(guān)性。

CA648和ZH11相關(guān)光合產(chǎn)物比較分析表明，在分蘗盛期CA648的葉片、莖桿中的還原糖、蔗糖含量均與ZH11存在差異。其原因可能是CA648需要分配更多的光合產(chǎn)物用于分蘗，也可能是光合效率降低導(dǎo)致光合產(chǎn)物減少而造成的結(jié)果，有待進(jìn)一步研究。

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