幾個雜交水稻品種蠟熟期劍葉光合特性研究

葉子飄，尹建華，陳先茂，安 婷，段世華

(1.井岡山大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，江西 吉安 343009； 2.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 水稻研究所，江西 南昌 330200； 3.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與資源環(huán)境研究所，江西 南昌 330200； 4.井岡山大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，江西 吉安 343009)

水稻(OryzasativaL.)是世界上最重要的糧食作物，是全球近半數(shù)人口的主糧，其產(chǎn)量會直接影響全球糧食供應(yīng)的穩(wěn)定及安全[1]，因此水稻生產(chǎn)在保障全球糧食安全，減少貧困人口和增加農(nóng)村就業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用。根據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)統(tǒng)計，2014年度世界水稻播種面積約16 325萬hm2，總產(chǎn)量約74 096萬t。據(jù)報道，中國的水稻播種面積在世界上排名第二，2017年為3 013萬hm2；產(chǎn)量排名第一，2017年約為20 750萬t。其中雜交水稻面積占總水稻面積約為57%，產(chǎn)量約占65%。由此可知，雜交水稻在我國的糧食生產(chǎn)中占有非常重要的地位。因此，研究雜交水稻的光合生理特性以及產(chǎn)生這些特性的原因顯得尤為重要。

雜交水稻是指選用兩個在遺傳上有一定差異，同時它們的優(yōu)良性狀又能互補的水稻品種，通過有性雜交形成具有雜種優(yōu)勢的F1代雜交種子用于生產(chǎn)。在雜交水稻的生長過程中，光合作用是水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)，也是水稻產(chǎn)物形成的直接來源。已有研究表明，在相同的環(huán)境條件下品種特性是決定水稻光合能力差異的主要原因[2]。

水稻的灌漿結(jié)實期是指稻穗開花后到谷粒成熟的時期，又可分為乳熟期、蠟熟期和完熟期。其中蠟熟期葉片的光合作用對水稻產(chǎn)量的提高至關(guān)重要。已有的研究表明，當(dāng)水稻開始灌漿時，植株上部葉片的光合功能會迅速衰退[3]，雜交水稻產(chǎn)量潛力與其灌漿起始至完熟期光合能力的提高有著密切的關(guān)系，且明顯影響水稻的千粒重和籽粒中碳水化合物的形成與積累[2]；水稻葉片葉綠素含量的多少與光能吸收、激發(fā)能傳遞和電荷分離產(chǎn)生光合電子傳遞等過程密切相關(guān)[4-5]。有研究表明，葉綠素含量正相關(guān)地影響著植物的光合速率[6-11]。然而也有報道，水稻葉片葉綠素含量的多少與其電子傳遞速率和光合速率之間沒有相關(guān)性或呈負(fù)相關(guān)[4-5，12]。有研究認(rèn)為：高葉綠素含量并不是葉片高光合速率的必需條件[5]。與此相反，適當(dāng)降低葉片葉綠素含量，將有助于減少葉片氮素在合成葉綠素過程中的消耗，增加影響光合速率的關(guān)鍵限制性因子的合成(如Rubisco酶等)，最終提高葉片光合速率[5]。但是，關(guān)于為何葉綠素含量降低可以提高水稻的光合能力的分析卻很少，尤其從捕光色素分子的光能吸收特性這個角度分析水稻葉片低葉綠素的光合生理特性的報道較少。

本研究以水稻恢復(fù)系JR1326與不育系深95A、五豐A和贛香A及兩者配置的雜交組合深95優(yōu)1326、五豐優(yōu)1326和贛香優(yōu)1326為材料，在大田生產(chǎn)條件下，研究了蠟熟期劍葉水稻的凈光合速率、蒸騰速率、水分利用效率、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、光合色素等特性，擬從其光合色素分子的光能吸收能力、葉片光合生理和水分利用效率三個層面上探討這3個水稻品種葉綠素含量、光能利用和水分利用效率的差異性，以期了解葉綠素含量和捕光色素分子對光能的吸收能力、水稻葉片的光合生理特性差異及其變化規(guī)律，旨在為篩選和培育高產(chǎn)、高光合水稻新種質(zhì)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試雜交稻組合深95優(yōu)1326、五豐優(yōu)1326、贛香優(yōu)1326以及恢復(fù)系JR1326，由恢復(fù)系JR1326所配組合均表現(xiàn)為劍葉直挺，較內(nèi)卷，株型緊湊等株葉形態(tài)特征，這種株葉形態(tài)有利于其群體光合的光能吸收。深95A不育系是由國家雜交水稻工程研究中心清華深圳龍崗研究所選育的優(yōu)質(zhì)三系不育系。株型緊湊，莖稈粗，分蘗力中等，易感穗瘟；五豐A是廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所選育的野敗型秈稻優(yōu)質(zhì)三系不育系，株型緊湊，莖稈粗壯，抗倒性強，葉色濃綠，葉片挺直；贛香A是江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所育成的一個野敗秈型優(yōu)質(zhì)三系不育系，具有較高的抗稻瘟病。莖稈粗壯，葉色深綠，成熟期功能葉旺盛，不早衰，落色好。深95優(yōu)1326和五豐優(yōu)1326的生育期皆為117 d，贛香優(yōu)1326的生育期為119 d。

1.2 試驗方法

試驗于2014年在江西井岡山大學(xué)的生物園試驗基地進行。供試雜交水稻材料均在6月9日入水浸泡，6月11日播種于塑料盆中，材料長至4真葉期，于7月5日一次性移栽于大田中。大田管理水平與當(dāng)?shù)厮痉N植水平相當(dāng)，肥力情況略高于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶，田塊肥力為中等水平，大田每667 m2底肥約20 kg復(fù)合肥，第一次追肥為5 kg復(fù)合肥和8 kg尿素，第二次追肥為7 kg尿素，并葉面噴施磷酸二氫鉀50 g。田間長勢達最高苗后進行曬田，抽穗后保持適當(dāng)水分灌漿，后期干濕交替至水稻成熟。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 光合特性參數(shù)的測定

1.3.2 葉綠素含量測定

剪取測定光合所用水稻劍葉葉片，去除中脈，以95%乙醇進行葉片浸提處理。浸提置于黑暗條件下直至葉片顏色完全褪去，使用SPECORD 50分光光度計測定浸提液在645、663、470 nm處的吸光值，并參照Aron[15]的方法計算葉綠素含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用“光合計算軟件”http://photosynthetic.sinaapp.com/calc.html(井岡山大學(xué)數(shù)理學(xué)院)對實驗數(shù)據(jù)進行分析；采用SPSS13.5軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，并利用單因素AVONA法進行顯著性分析。作圖由Origin8.5軟件完成，然后用Adobe Illustrator CS 5進行圖形處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合電子傳遞速率對光的響應(yīng)曲線

圖1為JR1326及3個雜交水稻品種的電子傳遞速率對光的響應(yīng)曲線。由圖1可知，在光強小于400 μmol·m-2·s-1時電子傳遞速率隨光強的增加幾乎線性增加，然后較快地增加到電子傳遞速率最大處，最后，隨光強的增加而下降。這4個水稻品種都發(fā)生了程度不同的光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)動力學(xué)下調(diào)現(xiàn)象[16]，其中深95優(yōu)1326和贛香優(yōu)1326尤為明顯。

由表1可知，五豐優(yōu)1326的初始斜率(αe)最大，贛香優(yōu)1326的最小，且兩者之間存在顯著差異。雖然深95優(yōu)1326的葉綠素含量最小，但其捕光色素分子的本征光能吸收截面(σik)最大、激發(fā)能處于最低激發(fā)態(tài)的最小平均壽命(τmin)最??；五豐優(yōu)1326的葉綠素含量最大，但其捕光色素分子的σik最小、τmin最大。五豐優(yōu)1326和深95優(yōu)1326的最大電子傳遞速率(Jmax)與贛香優(yōu)1326存在顯著差異，但3個雜交水稻品種的飽和光強(PARsat)之間不存在顯著差異(表1)。

圖1 四個水稻品種的電子傳遞速率對光的響應(yīng)曲線Fig.1 Light-response curves of electron transport rates for four rice cultivars

2.2 光合作用對光的響應(yīng)曲線

圖2為JR1326及3個雜交水稻品種的光合作用對光的響應(yīng)曲線。由圖2可知，在光強小于400 μmol·m-2·s-1時碳同化速率隨光強的增加幾乎線性增加，然后緩慢增加到光飽和處，之后隨光強的增加而下降。其中JR1326、深95優(yōu)1326和贛香優(yōu)1326發(fā)生明顯的光抑制，而五豐優(yōu)1326的光抑制現(xiàn)象不明顯。

由表2可知，五豐優(yōu)1326的初始斜率(αp)最大，贛香優(yōu)1326的最小，且兩者之間存在顯著差異。五豐優(yōu)1326的最大凈光合速率(Anmax)最大，贛香優(yōu)1326的Anmax最小，且兩者之間存在顯著差異；贛香優(yōu)1326的飽和光強(Isat)最小，而五豐優(yōu)1326的Isat最大。此外，贛香優(yōu)1326同化一個CO2分子所需要的表觀電子數(shù)最大為5.86個；五豐優(yōu)1326同化一個CO2分子所需要的表觀電子數(shù)最小為4.75個。此外，贛香優(yōu)1326的光補償點(Ic)最大，深95優(yōu)1326的Ic最小。五豐優(yōu)1326和贛香優(yōu)1326的暗呼吸速率(Rd)與深95優(yōu)1326之間存在顯著差異(表2)。

表1三個雜交水稻品種光合電子傳遞速率光響應(yīng)的特征參數(shù)

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

品種Cultivar初始斜率αe/(μmol·μmol-1)最大電子傳遞速率Jmax/(μmol·m-2·s-1)飽和光強PARsat/(μmol·m-2·s-1)葉綠素含量Chl (mg·dm-2)葉綠素a/葉綠素b本征截面sik/(10-21 m2)最小平均壽命tmin/(10-3 s)確定系數(shù)R2深95優(yōu)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 b0.998五豐優(yōu)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贛香優(yōu)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

同列數(shù)值后沒有相同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。下同。

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

圖2 四個水稻品種的光合作用對光的響應(yīng)曲線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處于激發(fā)態(tài)的分子數(shù)對光的響應(yīng)曲線

表2三個水稻品種光合作用光響應(yīng)的特征參數(shù)

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

品種Cultivar初始斜率αp最大凈光合速率Anmax/(μmol·m-2·s-1)飽和光強Isat/(μmol·m-2·s-1)光補償點Ic/(μmol·m-2·s-1)暗呼吸速率Rd/(μmol·m-2·s-1)同化1個CO2需要的表觀電子數(shù) na確定系數(shù)R2深95優(yōu)13260.067±0.005 b23.31±0.96 a1334.40±33.37 ab27.56±0.76 b1.19±0.08 b5.02±0.19 b0.996Shen95You1326五豐優(yōu)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贛香優(yōu)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，在光合作用過程中，處于激發(fā)態(tài)的捕光色素分子一方面要通過熱耗散和熒光的方式退激發(fā)，大多數(shù)激發(fā)能則進行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生光合電子流。處于激發(fā)態(tài)上的捕光色素分子數(shù)以Nk表示。圖4為表示JR1326和3個雜交水稻品種葉片捕光色素分子的Nk對光的響應(yīng)曲線。由圖4可知，Nk隨光強的增加而非線性增大。例如當(dāng)光強為1 800 μmol·m-2·s-1時，深95優(yōu)1326、五豐優(yōu)1326和贛香優(yōu)1326處于激發(fā)態(tài)的捕光色素分子分別約有5.0×1016、6.0×1016和6.4×1016個。在該光強處這3個水稻品種的Nk存在顯著差異。

2.4 葉片瞬時水分利用效率對光的響應(yīng)曲線

圖5為JR1326及3個雜交水稻品種葉片瞬時水分利用效率(WUEinst)對光的響應(yīng)曲線。由圖5可知，JR1326、深95優(yōu)1326和贛香優(yōu)1326的WUEinst隨光強的增加快速增加達到一個最大值，之后隨光強的增加而下降。而五豐優(yōu)1326的WUEinst到達一個平臺期，在較高光強(I>1600 μmol·m-2·s-1)之后WUEinst隨光強的增加而稍微下降。

此外，由表3數(shù)據(jù)可知，深95優(yōu)1326的最大瞬時水分利用效率(WUEinst-max)的值最高，五豐優(yōu)1326最小，且它們之間存在顯著差異；贛香優(yōu)1326介于兩者之間。與WUEinst-max相對應(yīng)的飽和光強(PARinst-sat)則表現(xiàn)為深95優(yōu)1326最小，其他2個水稻品種PARinst-sat的值非常接近，且不存在顯著差異。

3 結(jié)論與討論

當(dāng)太陽光照射植物葉片時，葉綠素吸收光能使得捕光色素分子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)能傳遞至光反應(yīng)中心，在放氧復(fù)合體中通過裂解水分子產(chǎn)生氧氣和電子，其中電子依次經(jīng)過PSⅡ、Cytb6f和PSⅠ，最后傳遞給煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(nicotinamide adeninedinucleotide phosphate，NADP)形成NADPH。在此過程中產(chǎn)生的跨膜質(zhì)子梯度驅(qū)動ATP合酶，形成ATP。由此可知，光合電子流或電子傳遞速率的大小以及隨后產(chǎn)生的質(zhì)子梯度分別影響著NADPH和ATP的形成[17-19]。因此，葉綠素含量在植物的光合作用中有著重要的作用，它是光合作用光能吸收的基礎(chǔ)。已有研究表明：凈光合速率或作物產(chǎn)量正比于水稻劍葉的葉綠素含量[6-9]。但在本研究中，在恢復(fù)系JR1326的雜交F1代中，五豐優(yōu)1326的葉綠素含量最高，深95優(yōu)1326的葉綠素含量最低，且兩個品種之間存在顯著差異，然而深95優(yōu)1326和五豐優(yōu)1326這2個雜交水稻的Jmax以及Anmax幾乎相同(表1和表2)。

圖3 四個水稻品種捕光色素分子的有效光能吸收截面對光的響應(yīng)曲線Fig.3 Light-response curves of effective absorption cross-section of light-harvesting pigments for four rice cultivars

圖4 四個水稻品種處于激發(fā)態(tài)的捕光色素分子數(shù)對光的響應(yīng)曲線Fig.4 Light-response curves of light-harvesting pigments in the excited state for four rice cultivars

圖5 四個水稻品種的瞬時水分利用效率對光的響應(yīng)曲線Fig.5 Light-response curves of instantaneous water-use efficiency for four rice cultivars

表3三個水稻品種瞬時水分利用效率光響應(yīng)的特征參數(shù)(平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤差)

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

品種Cultivar初始斜率αinst最大瞬時水分利用效率WUEinst-max/(μmol·mmol-1)飽和光強PARinst-sat/(μmol·m-2·s-1)確定系數(shù)R2深95優(yōu)1326 Shen95You13260.451±0.098 b5.17±0.33 a357.05±18.58 b0.985五豐優(yōu)1326 Wufengyou13261.193±0.054 a3.83±0.12 c486.55±32.38 a0.978贛香優(yōu)1326 Ganxiangyou13260.285±0.011 c4.43±0.13 b491.52±59.28 a0.976

本研究結(jié)果表明：水稻品種的光合能力不僅與葉綠素含量有關(guān)，還與本征光能吸收截面、處于最低激發(fā)態(tài)的最小平均壽命有關(guān)。這些因素的共同作用決定了水稻的最大電子傳遞速率和最大凈光合速率。這個結(jié)果進一步揭示出水稻的最大電子傳遞速率和最大凈光合速率不僅與葉綠素含量有關(guān)，還與捕光色素分子的光能吸收特性、激子的退激發(fā)過程和同化1個CO2所需要的表觀電子數(shù)等因素有直接的關(guān)系。因此，選育的水稻品種應(yīng)該具有高的本征光能吸收截面、短的處于最低激發(fā)態(tài)的最小平均壽命和較高的葉綠素含量等特性。