南粳3908生育后期劍葉PSⅡ熒光日變化特性及葉綠體超微結(jié)構(gòu)觀察

魏曉東， 張亞東， 宋雪梅，， 陳 濤， 朱 鎮(zhèn)， 趙慶勇， 趙 凌， 路 凱， 梁文化， 赫 磊， 黃勝東， 謝寅峰， 王才林

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所/江蘇省優(yōu)質(zhì)水稻工程技術(shù)研究中心/國家水稻改良中心南京分中心，江蘇南京210014；2.南京林業(yè)大學/南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇南京210037)

水稻是中國重要的糧食作物，江蘇省是中國粳稻主產(chǎn)省之一，全省粳稻種植面積達2×106hm2以上，僅次于黑龍江省，占全國粳稻總種植面積的22%左右；粳稻年產(chǎn)量約為1.7×107t，約占全國粳稻總產(chǎn)量的24%，在保障江蘇省乃至中國糧食安全中的地位舉足輕重[1-2]。進入21世紀以來，江蘇省水稻育種目標從高產(chǎn)向優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)變，加上高質(zhì)高效配套栽培新技術(shù)的應(yīng)用，江蘇省水稻品種的產(chǎn)量、抗性和品質(zhì)都有了較大提升，尤其是粳稻品種的食味品質(zhì)得到顯著改良，育成了一批產(chǎn)量潛力大、食味品質(zhì)好的粳稻品種[3-7]。南粳3908是江蘇省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所利用南粳5055的自然變異植株，進行多代農(nóng)藝性狀選擇及食味品質(zhì)、穗頸瘟抗性分子標記輔助篩選技術(shù)，于2013年育成的一個綜合性狀好、產(chǎn)量潛力大、食味品質(zhì)優(yōu)的早熟晚粳稻新品種。南粳3908與南粳5055一樣，直鏈淀粉含量低，制成的米飯口感軟糯，潤滑，富有彈性，冷不回生，食味極佳，該品種大穗大粒，豐產(chǎn)性好，穗頸瘟抗性得到改良。2019、2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織專家對南粳3908百畝方進行了實產(chǎn)驗收，單產(chǎn)都超過11 700 kg/hm2，達到了“超級稻”的產(chǎn)量標準，2021年，南粳3908通過農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的超級稻認定。

水稻產(chǎn)量的形成是水稻葉片通過光合作用固定CO2合成光合產(chǎn)物的結(jié)果。水稻產(chǎn)量的60%～80%來自水稻抽穗后葉片光合作用形成的光合作用產(chǎn)物[8]。葉綠素熒光是決定光合效率的主要因素，研究光合效率有多種方法，其中通過無損檢測植物光合作用的能量吸收、傳遞、耗散和分配是目前研究葉綠素熒光動力學過程最先進的方法，通過葉綠素熒光方法可以診斷光合結(jié)構(gòu)的運轉(zhuǎn)狀況[9]。作物葉綠素熒光參數(shù)在不同品種間的差異歸根結(jié)底是由基因型不同造成的。因此，通過葉綠素熒光分析，可以測定葉片的光合效率，從而為選育、鑒定高光效優(yōu)良品種提供依據(jù)[10]。水稻在灌漿期經(jīng)常遭受高溫強光天氣，而植物在正午強光下會發(fā)生光合午休現(xiàn)象，檢測水稻劍葉1天中不同時段的葉綠素熒光的變化及光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)核心蛋白質(zhì)表達量的變化，能夠準確反映水稻植株光系統(tǒng)的性能特點。而葉綠素熒光動力學特性與葉綠體的超微結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。但是，目前有關(guān)高產(chǎn)粳稻PSⅡ熒光特性及其與葉綠體超微結(jié)構(gòu)關(guān)系的報道不多。因此，本研究以超級稻品種南粳3908及其親本南粳5055和生產(chǎn)上大面積種植的淮稻5號為材料，研究其孕穗期到花后35 d劍葉光合作用及熒光的日變化特性、光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心蛋白質(zhì)CP43、CP47的表達變化及葉綠體結(jié)構(gòu)，解析南粳3908高產(chǎn)的光合生理機制，以期為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻品種的選育提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試品種與試驗設(shè)計

試驗材料為江蘇省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所選育的超級稻品種南粳3908，以南粳5055及江蘇省大面積推廣的廣適性水稻品種淮稻5號為對照。南粳5055既是南粳3908的親本，又是江蘇省生產(chǎn)上大面積種植的晚粳稻品種，生育期與南粳3908相同，是2014年原農(nóng)業(yè)部確認的超級稻品種[11]。

本試驗于2020-2021年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所南京試驗基地進行。每年5月18日播種，浸種催芽后用塑料盤育秧，6月18日移栽，按隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)3次重復(fù)，每個小區(qū)共9行，每行20穴，每穴栽2苗，行株距30 cm×13 cm。施純氮270.0 kg/hm2，基肥∶分蘗肥∶穗肥按照4∶3∶3質(zhì)量比施用?；视?25.0 kg/hm2N-P2O5-K2O(質(zhì)量比20∶12∶16)復(fù)合肥，分蘗肥分2次施用，移栽后7 d施112.5 kg/hm2尿素，再過7 d追施75.0 kg/hm2尿素。穗肥分2次施用，在倒4葉剛長出時施225.0 kg/hm2N-P2O5-K2O(質(zhì)量比20∶12∶16)復(fù)合肥，10 d后追施75.0 kg/hm2尿素。在水分管理方面，除了移栽后7 d、孕穗至揚花階段淺水灌溉外，其余時間均采用干濕交替的濕潤灌溉方式。病蟲草害防治方法與生產(chǎn)大田相同。

1.2 測定項目

1.2.1 產(chǎn)量性狀的測定 水稻成熟后，在每個小區(qū)第3行、第7行兩頭第3穴開始各取5穴植株樣品，帶回室內(nèi)自然風干后考種。測定項目包括每穴穗數(shù)、每穗實粒數(shù)、每穗空癟粒數(shù)、結(jié)實率、千粒質(zhì)量和每穴產(chǎn)量。將各小區(qū)稻谷全部收獲后曬干，稱質(zhì)量并測定小區(qū)產(chǎn)量，折算成單位面積產(chǎn)量。

1.2.2 葉片凈光合速率的測定 每個品種的植株在劍葉抽出時掛牌標記，選擇同一天抽出的主莖劍葉，分別在每個品種的孕穗期(開花前7 d)、開花期與花后7 d、14 d、21 d、28 d、35 d晴天的09：00-10：00采用美國Li-6400便攜式光合測定儀測定各品種劍葉上部1/3處的葉片凈光合速率，測定時使用紅藍光源，光量子通量密度為1 000 μmol/(m2·s)，每次隨機測定10張劍葉，每張葉片重復(fù)測定3次。

1.2.3 葉片熒光參數(shù)的測定 光合色素的測定用SPAD儀，每個小區(qū)測定10張劍葉，每張劍葉測定5個不同部位。用Handy-PEA連續(xù)激發(fā)式熒光儀(Hansatech，UK)活體測量并快速得出葉綠素熒光誘導動力學曲線(O-J-I-P熒光誘導曲線)。每個品種分別在孕穗期、開花期與花后7 d、14 d、21 d、28 d、35 d的08：00、12:00、18:00進行葉綠素熒光測定。測定前將葉片暗適應(yīng)20 min，然后暴露在飽和脈沖光下[光照度為3 000 μmol/(m2·s)]，測得熒光曲線。每個重復(fù)測定10次。得到的熒光曲線利用JIP-test進行分析，熒光參數(shù)參照Strasser等[12-13]的方法計算。

1.2.4 蛋白質(zhì)表達的測定 分別于花后21 d和花后35 d 08：00、12:00、18:00取各品種劍葉迅速凍于液氮中，保存于-80 ℃冰箱中用于后續(xù)膜蛋白提取和蛋白質(zhì)免疫印跡試驗。蛋白質(zhì)提取和免疫印跡試驗方法參照文獻[14]。用化學發(fā)光成像儀(Tannon)檢測，用Image J軟件采集信號，重復(fù)測定3次。

1.2.5 葉綠體超微結(jié)構(gòu)的觀察 分別于花后21 d、35 d 09：00取各品種劍葉上端1/3處葉片，然后用刀片切成0.1 cm大小的組織，再用4 ℃ 4%戊二醛進行固定抽氣，于4 ℃保存?zhèn)溆?。觀察前用0.1 mol/L磷酸緩沖液浸洗3次，每次15 min。樣品經(jīng)丙酮脫水、樹脂包埋、切片、染色后用透射電子顯微鏡(Hitachi TEM 7650，日本日立高新技術(shù)公司產(chǎn)品)觀察。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2016處理數(shù)據(jù)，用PEA Plus V1.10對熒光參數(shù)進行處理和計算，用SPSS 25.0進行方差分析，用最小顯著性差異法(LSD)進行多重比較，用Excel作圖。

2 結(jié)果與分析

方差分析結(jié)果表明，2020、2021年供試品種的產(chǎn)量和產(chǎn)量性狀、干物質(zhì)質(zhì)量及光合性狀在品種間都有顯著差異，且品種間的變化趨勢一致，年份間和年份與品種間的互作效應(yīng)都不顯著。因此取2年數(shù)據(jù)的平均值進行多重比較分析。

2.1 南粳3908及對照間產(chǎn)量性狀的差異

由表1可知，在穗數(shù)方面，淮稻5號顯著多于南粳3908、南粳5055；在每穗粒數(shù)方面，南粳3908、南粳5055均顯著多于淮稻5號，南粳3908和南粳5055間無顯著差異；結(jié)實率表現(xiàn)出與每穗粒數(shù)相似的趨勢；在千粒質(zhì)量方面，南粳3908顯著高于南粳5055、淮稻5號；在每穴粒質(zhì)量、產(chǎn)量方面，排序均為南粳3908>南粳5055>淮稻5號。

表1 供試品種的產(chǎn)量性狀

從圖1a可以看出，各水稻品種劍葉綠素含量(SPAD值)均在花后7～14 d達到高峰，之后緩慢下降。其中南粳5055的劍葉葉綠素含量在花后均明顯高于南粳3908、淮稻5號，淮稻5號、南粳3908的劍葉葉綠素含量在花后無明顯差異，但在花后35 d，淮稻5號的劍葉葉綠素含量下降得最多，相對最高值下降了18.42%，此時南粳5055的劍葉葉綠素含量相對最高值下降了17.91%，南粳3908的劍葉葉綠素含量下降得最緩慢，在花后35 d劍葉的葉綠素含量僅比最高值下降了15.67%。

由圖1b可以看出，各個水稻品種的凈光合速率大致呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，南粳3908、淮稻5號的劍葉凈光合速率均在花后14 d達到峰值，南粳5055的劍葉凈光合速率在花后7 d達到峰值，3個水稻品種間的凈光合速率峰值無明顯差異。南粳3908在花后14～28 d的劍葉凈光合速率明顯高于南粳5055；除花后14 d外，南粳3908在花后7～28 d的劍葉凈光合速率明顯高于淮稻5號，且南粳3908的劍葉凈光合速率在花后7～28 d一直維持在14 μmol/(m2·s)以上，南粳5055的劍葉凈光合速率在花后7～14 d維持在14 μmol/(m2·s)左右，淮稻5號的劍葉凈光合速率只在花后14 d達到14 μmol/(m2·s)。

a：不同品種劍葉SPAD值；b：不同品種劍葉凈光合速率。圖1 南粳3908及對照品種開花后的SPAD值和劍葉凈光合速率Fig.1 SPAD value and net photosynthetic rate in flag leaves of Nanjing 3908 and the controls after flowering

2.2 南粳3908及對照劍葉葉綠素熒光參數(shù)的日變化特性

植物葉片生理環(huán)境的改變會直接影響其光合作用，PSⅡ熒光參數(shù)的變化能夠準確反映葉片的光合生理狀態(tài)。圖2～圖15分別是各水稻品種在孕穗期、花后21 d、花后35 d的劍葉熒光參數(shù)日變化。由圖2可以看出，各水稻品種的暗適應(yīng)最小熒光值(F0)在不同時期的日變化均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在孕穗期，淮稻5號的F0在1 d中的變化最劇烈，12:00測得的劍葉F0較08：00測得的劍葉F0增加了32.5%，其次為南粳5055，12:00測得的劍葉F0較08：00測得的劍葉F0增加了11.3%。測得的南粳3908劍葉F0變化幅度最小，12:00測得的劍葉F0較08：00測得的劍葉F0僅增加了8.3%。在花后21 d、35 d，各品種的劍葉F0間無明顯差異。

Fm值為暗適應(yīng)最大熒光值，各品種的Fm在不同時期的日變化均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，并且隨著生育進程的推進，各品種水稻的劍葉暗適應(yīng)最大熒光值逐漸降低，淮稻5號在孕穗期08：00的劍葉暗適應(yīng)最大熒光值明顯低于其他品種，在花后21 d、35 d，淮稻5號在12:00的劍葉暗適應(yīng)最大熒光值較08：00下降得最多，且明顯低于其他品種。南粳3908、南粳5055的劍葉Fm在各時期間的變化均無明顯差異(圖3)。

Fm：暗適應(yīng)最大熒光值。圖3 南粳3908及對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉的暗適應(yīng)最大熒光值(Fm)的日變化Fig.3 Diurnal variation of dark adaptation maximum fluorescence (Fm) of flag leaves of Nanjing 3908 and the controls from booting stage to 35 days after flowering

比活性參數(shù)是評判作物光合器官對光能吸收、轉(zhuǎn)化和耗散等狀況的重要指標。由圖4可以看出，不同水稻品種單位反應(yīng)中心吸收的光能(ABS/RC值)在生育后期有升高的趨勢，且在不同時期的日變化值均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，淮稻5號在各個時期12:00的ABS/RC值明顯高于其他品種，淮稻5號的ABS/RC值在孕穗期變化最劇烈，該時期南粳5055ABS/RC值的變化次之，南粳3908ABS/RC值的變化幅度最小。

ABS/RC:單位反應(yīng)中心吸收的光能。圖4 南粳3908及對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉單位反應(yīng)中心吸收的光能(ABS/RC)的日變化Fig.4 Diurnal variation of light energy absorbed by unit reaction center (ABS/RC) of flag leaves of Nanjing 3908 and the controls from booting stage to 35 days after flowering

由圖5可知，PSⅡ系統(tǒng)中單位反應(yīng)中心捕獲的光能(TR0/RC值)與ABS/RC值的變化趨勢相同，在生育后期升高，淮稻5號TR0/RC值與ABS/RC值在各時期的日變化最劇烈，尤其在孕穗期12:00的升高幅度最大，南粳5055次之，南粳3908的變化幅度最小。在花后21 d、35 d，淮稻5號在08:00、12:00的TR0/RC值明顯高于其他品種，南粳5055和南粳3908間無明顯差異。

由圖6可知，單位反應(yīng)中心用于電子傳遞的能量(ET0/RC值)在水稻生育后期有降低趨勢，孕穗期淮稻5號的ET0/RC值在1 d中呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，其他品種無明顯變化。在花后21 d、35 d，各水稻品種ET0/RC值的日變化均呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，其中淮稻5號在這2個時期的12:00下降得最多，在花后21 d、35 d的12:00，ET0/RC值分別較08:00下降了32.3%、32.5%。

由圖7可知，各水稻品種單位反應(yīng)中心熱耗散的能量(DI0/RC值)在生育后期有增加趨勢，8:00-18:00的DI0/RC值呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，其中淮稻5號在各時期8:00-18:00的DI0/RC值變化程度最劇烈。在孕穗期12：00，淮稻5號的DI0/RC值較08：00升高了1.21倍，南粳5055的DI0/RC值較08：00升高了58.4%，南粳3908的DI0/RC值較08：00升高了26.9%，3個水稻品種12：00的DI0/RC值差異明顯。在花后21 d、35 d的12：00，淮稻5號的DI0/RC值明顯高于其他品種，南粳5055、南粳3908的DI0/RC值之間無明顯差異。

TR0/RC：單位反應(yīng)中心捕獲的光能。圖5 南粳3908及對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉PSⅡ系統(tǒng)中單位反應(yīng)中心捕獲的光能(TR0/RC)的日變化Fig.5 Diurnal variation of light energy captured by unit reaction center (TR0/RC) of flag leaves of Nanjing 3908 and the controls in PSⅡ system from booting stage to 35 days after flowering

ET0/RC：單位反應(yīng)中心用于電子傳遞的能量。圖6 南粳3908及對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉單位反應(yīng)中心用于電子傳遞的能量(ET0/RC)的日變化Fig.6 Changes of energy used for electron transport captured by unit reaction center (ET0/RC) of flag leaves of Nanjing 3908 and the controls from booting stage to 35 days after flowering

DI0/RC：單位反應(yīng)中心熱耗散的能量。圖7 南粳3908及對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉單位反應(yīng)中心熱耗散的能量(DI0/RC)的日變化Fig.7 Diurnal variation of energy dissipated per reaction center (DI0/RC) of flag leaves of Nanjing 3908 and the controls from booting stage to 35 days after flowering

由圖8可知，各水稻品種單位截面吸收的光能(ABS/CSm值)隨著生育進程的推進有降低的趨勢，各時期、各品種的日變化大部分呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。除孕穗期外，淮稻5號在各時期12：00的ABS/CSm值較08：00下降得最多，南粳5055和南粳3908各時期12：00的ABS/CSm值無明顯差異。

ABS/CSm：單位截面吸收的光能。圖8 南粳3908及對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉單位截面吸收的光能(ABS/CSm)的日變化Fig.8 Diurnal variation of light energy absorbed by unit cross section (ABS/CSm) of flag leaves of Nanjing 3908 and the controls from booting stage to 35 days after flowering

由圖8、圖9可知，單位截面捕獲的光能(TR0/CSm值)與單位截面吸收的光能變化趨勢一致，各水稻品種的TR0/CSm值在不同時期的日變化呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，淮稻5號在各個時期12:00的TR0/CSm值較08:00降低得最多，各時期12：00南粳5055和南粳3908間的TR0/CSm無明顯差異。

TR0/CSm：單位截面捕獲的光能。圖9 南粳3908及對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉單位截面捕獲的光能(TR0/CSm)的日變化Fig.9 Diurnal variation of light energy captured by unit cross section (TR0/CSm) of flag leaves of Nanjing 3908 and the controls from booting stage to 35 days after flowering

由圖10可知，各水稻品種單位截面用于電子傳遞的能量(ET0/CSm值)隨著水稻生育進程的推進而逐漸降低，且在08：00-18：00呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，淮稻5號在各個時期12:00 的ET0/CSm值最低，與其他品種間差異明顯，且在花后21 d、35 d18:00的ET0/CSm值明顯低于其他品種，在孕穗期和花后21 d 08:00的ET0/CSm值明顯低于其他品種。在各個時期，南粳5055和南粳3908的ET0/CSm值間無明顯差異。

由圖11可知，各水稻品種單位截面用于熱耗散的能量(DI0/CSm值)在各時期均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，不同水稻品種間的DI0/CSm值在孕穗期08：00-12：00差異明顯，其他時期無明顯差異，孕穗期淮稻5號的DI0/CSm值在12:00增加得最多，南粳5055次之，南粳3908增加得最少，三者間差異明顯。

φE0表示用于電子傳遞的量子產(chǎn)額，由圖12可知，各水稻品種的φE0在花后35 d有所降低，各時期的φE0在08：00-18：00均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，其中淮稻5號在各個時期12:00的φE0均小于其他品種，在花后21 d 08：00-18：00的φE0都小于其他品種，各時期南粳5055和南粳9108的φE0無明顯差異。

M0表示OJIP熒光曲線誘導的初始斜率，由圖13可知，各水稻品種在不同時期的M0有所不同，花后21 d的M0最低，花后35 d的M0最高。各水稻品種的M0在不同時期的日變化基本呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，其中淮稻5號在各時期12:00的M0明顯高于其他品種；在孕穗期和花后35 d，淮稻5號的M0在08：00-18：00均高于其他品種，南粳5055和南粳3908的M0在各時期、各時間段無明顯差異。

ET0/CSm：單位截面用于電子傳遞的能量。圖10 南粳3908及對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉單位截面用于電子傳遞的能量(ET0/CSm)的日變化Fig.10 Diurnal variation of energy used for electron transport per unit cross section (ET0/CSm) of flag leaves of Nanjing 3908 and the controls from booting stage to 35 days after flowering

DI0/CSm：單位截面用于熱耗散的能量。圖11 南粳3908及對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉單位截面用于熱耗散的能量(DI0/CSm)的日變化Fig.11 Diurnal variation of energy used for heat dissipation per unit cross section (DI0/CSm) of flag leaves of Nanjing 3908 and the controls from booting stage to 35 days after flowering

φE0：用于電子傳遞的量子產(chǎn)額(當t=0時)。圖12 南粳3908及對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉用于電子傳遞的量子產(chǎn)額(當t=0時)(φE0)的日變化Fig.12 Diurnal variation of quantum yield (t=0) for electron transport (φE0) in flag leaves of Nanjing 3908 and the controls from booting stage to 35 days after flowering

M0：OJIP熒光曲線誘導的初始斜率。圖13 南粳3908及對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉OJIP熒光曲線誘導的初始斜率(M0)的日變化Fig.13 Diurnal variation of initial slope induced by OJIP fluorescence curve (M0) in flag leaves of Nanjing 3908 and the controls from booting stage to 35 days after flowering

Sm表示PQ庫的大小，由圖14可知，在不同時期，各水稻品種的Sm日變化值呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，其中淮稻5號的Sm在孕穗期12:00下降得最多，與其他品種間差異明顯，且其花后21 dSm的日變化均小于其他品種，各品種的Sm在不同時期間差異不大。

PIabs表示PSⅡ光能吸收的光合性能指數(shù)，各水稻品種在花后35 d的光合性能指數(shù)較早期有所降低，淮稻5號在各時期12:00的PIabs均明顯低于其他品種，南粳3908、南粳5055在各時期的PIabs無明顯差異(圖15)。

Sm：標準化后的J-P相和直線F=Fm之間的面積。圖14 南粳3908及對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉標準化后的J-P相和直線F=Fm之間面積(Sm)的日變化Fig.14 Diurnal variation of area between normalized J-P phase and straight line F=Fm (Sm) of flag leaves of Nanjing 3908 and the controls from booting stage to 35 days after flowering

PIabs：PSⅡ光能吸收的光合性能指數(shù)。圖15 南粳3908及其對照品種從孕穗期到開花后35 d劍葉PSⅡ光能吸收的光合性能指數(shù)(PIabs)的變化Fig.15 Changes of photosynthetic performance index of PSⅡ light energy absorption (PIabs) in flag leaves of Nanjing 3908 and the controls from booting stage to 35 days after flowering

2.3 南粳3908及對照劍葉光合相關(guān)蛋白質(zhì)表達的日變化特性

針對上述日變化的生理特性，對南粳3908、南粳5055、淮稻5號在花后21 d、35 d 08:00、12:00、18:00的光合相關(guān)蛋白質(zhì)CP43、CP47的表達情況進行檢測。結(jié)果表明，各水稻品種劍葉CP43、CP47蛋白的表達量都隨葉片衰老表現(xiàn)出降低趨勢，花后35 d的表達量低于花后21 d。光合相關(guān)蛋白質(zhì)CP43、CP47在12:00的表達量較上午有降低趨勢，但各品種的表現(xiàn)不一樣。在花后21 d的08:00，各水稻品種CP43、CP47蛋白的表達量不盡相同，南粳3908中CP43、CP47蛋白的表達量明顯高于南粳5055、淮稻5號；在12:00，各水稻品種CP43、CP47蛋白的表達量降低；在18:00，南粳3908 CP43、CP47蛋白的表達量明顯高于其他品種。在花后35 d，南粳3908在08:00、18:00CP43、CP47蛋白的表達量明顯高于其他品種，CP47蛋白在12：00的表達量和其他時間相比差異不大，可能由于此時期的正午溫度和光照較花后21 d有所降低(圖16)。

a：不同水稻品種劍葉CP43蛋白在花后21 d、花后35 d 08:00、12:00、18:00的相對表達量；b：不同水稻品種劍葉CP47蛋白在花后21 d、35 d 08:00、12:00、18:00的相對表達量。圖16 南粳3908及對照品種開花后21 d、35 d劍葉CP43、CP47蛋白的相對表達量Fig.16 Relative expression levels of CP43 and CP47 in flag leaves of Nanjing 3908 and the controls at 21 d and 35 d after flowering

2.4 南粳3908及對照劍葉葉綠體超微結(jié)構(gòu)的差異

葉綠體結(jié)構(gòu)的完整和有序是植物進行光合作用的前提。利用透射電鏡對3個水稻品種花后21 d、35 d劍葉的葉綠體結(jié)構(gòu)進行觀察。從圖17可以看出，隨著葉片衰老，各個水稻品種的葉綠體結(jié)構(gòu)明顯衰敗，花后21 d，各個水稻品種葉綠體呈紡錘形或橢圓形，形態(tài)規(guī)則，類囊體基粒片層排列整齊，垛疊緊密，其中南粳3908的葉綠體類囊體基粒片層垛疊數(shù)多于南粳5055，淮稻5號基粒片層稍有模糊。在花后35 d，各個水稻品種的葉綠體形狀相對不規(guī)則，類囊體結(jié)構(gòu)開始變得松散，嗜鋨顆粒增多、增大，從圖17還可以看出，南粳3908葉綠體中的嗜鋨顆粒較其他品種少，淮稻5號葉綠體中的嗜鋨顆粒數(shù)最多，南粳3908葉綠體的內(nèi)膜結(jié)構(gòu)相對清晰，而南粳5055、淮稻5號葉綠體的內(nèi)膜結(jié)構(gòu)相對模糊不清，基粒和基質(zhì)片層開始消融。

3 討論

作物干物質(zhì)的積累大都來自葉片的光合作用，光系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)是干物質(zhì)積累的前提。稻谷產(chǎn)量的40%～60%來自劍葉的光合作用，而PSⅡ是光系統(tǒng)中重要的光能轉(zhuǎn)化單位，其功能的好壞決定了水稻的光合性能，進而影響稻谷產(chǎn)量。葉綠素相對含量對光合作用有直接影響，一般呈正相關(guān)關(guān)系[15]。在本試驗中，南粳3908的劍葉SPAD值與淮稻5號相當，低于南粳5055，但在凈光合速率、產(chǎn)量上有明顯優(yōu)勢，說明葉綠素含量不是光合速率的決定因素，光合色素的重要功能是光能轉(zhuǎn)化，光系統(tǒng)的性能不僅與色素含量相關(guān)，還與光合反應(yīng)中心的效率有關(guān)[16]。從葉綠素熒光動力學的數(shù)據(jù)可以看出，南粳3908 PSⅡ的光化學效率與南粳5055相差不大，但明顯優(yōu)于淮稻5號。在孕穗期各水稻品種熒光參數(shù)的日變化幅度較大，在不同時期各個水稻品種的熒光參數(shù)在12:00的差異較大，其中淮稻5號的變化幅度較大。反應(yīng)中心失活會導致F0升高，而失活反應(yīng)中心的增加會導致ABS/RC值、TR0/RC值、ET0/RC值升高，從結(jié)果上看，孕穗期淮稻5號在12:00的PSⅡ失活反應(yīng)中心數(shù)最多，而南粳3908、南粳5055的PSⅡ反應(yīng)中心相對穩(wěn)定[17]。在熱耗散方面，淮稻5號在12:00 PSⅡ熱耗散的能量明顯增加，南粳3908熱耗散能量增加的幅度最小，說明南粳3908 PSⅡ具有良好的性能，能夠充分利用光能、轉(zhuǎn)化光能[18]。

a:南粳3908 花后21 d；b:南粳5055花后21 d；c:淮稻 5號花后21 d；d:南粳 3908花后35 d；e:南粳 5055花后35 d；f:淮稻5號花后35 d。G：基粒類囊體；ST：基質(zhì)類囊體；O：噬鋨滴。圖17 南粳3908及對照品種花后21 d、35 d劍葉葉綠體的超微結(jié)構(gòu)Fig.17 Chloroplast ultrastructure in flag leaves of Nanjing3908 and the controls at 21 d and 35 d after flowering

隨著葉片的衰老，各個水稻品種的Fm降低，通常最大熒光值的降低與放氧復(fù)合體失活有關(guān)，而淮稻5號在12：00的Fm較其他品種下降得多，說明其放氧復(fù)合體損傷得較多[19]。從單位截面數(shù)據(jù)來看，南粳3908、南粳5055單位面積吸收、捕獲和用于電子傳遞的光能受光抑制的影響較小，與其他水稻品種相比，淮稻5號在12：00各參數(shù)下降得較多，說明單個反應(yīng)中心的效率影響了單位面積的光能轉(zhuǎn)化效率。φE0、M0、Sm通常表示PSⅡ受體側(cè)的功能，南粳3908、南粳5055的φE0在12：00與08：00相比呈降低的趨勢，但總體上高于淮稻5號，Sm的降低在一定程度上是由電子傳遞受阻造成的，中午強光高溫導致各水稻品種的Sm降低，18:00則又升高。反應(yīng)中心關(guān)閉會導致M0升高，從結(jié)果可看出，淮稻5號的M0在12：00上升得較多[17，19]。綜合來看，各個水稻品種PSⅡ在中午均會發(fā)生一定程度的光抑制，反應(yīng)中心存在一定程度的可逆失活，在此過程中，淮稻5號各個參數(shù)的變動幅度最大，其中孕穗期的變化幅度高于其他時期，南粳3908、南粳5055劍葉PSⅡ供體側(cè)與反應(yīng)中心、受體側(cè)電子傳遞的性能優(yōu)于淮稻5號，最終表現(xiàn)為光合性能指數(shù)(PIabs)顯著高于淮稻5號。

光合蛋白是光合機構(gòu)行使具體功能的重要物質(zhì)，當發(fā)生光抑制時，光合蛋白也會發(fā)生不同程度的降解[20-22]。從研究結(jié)果來看，南粳3908的光合蛋白表達量高于南粳5055、淮稻5號，中午的強光高溫會在一定程度上降低光合蛋白的表達量，因此午間各品種的光合蛋白表達量差異不大，各個水稻品種的光合蛋白表達都有“光合午休”現(xiàn)象。而南粳3908光合蛋白的表達量在18:00的恢復(fù)能力強于其他品種，這在一定程度上說明南粳3908光合蛋白的調(diào)節(jié)能力優(yōu)于其他品種，能在一定程度上適應(yīng)環(huán)境的變化，保持較高的光能轉(zhuǎn)化能力。葉綠體功能和狀態(tài)影響作物的光合作用。從葉綠體超微結(jié)構(gòu)可以看出，南粳3908光合膜結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于其他品種，光合膜垛疊程度高的品種的光合性能優(yōu)于光合膜垛疊程度低的品種，嗜鋨顆粒數(shù)目少的品種膜結(jié)構(gòu)的過氧化程度較輕，其自身抗氧化能力優(yōu)于其他品種，南粳3908的葉綠體衰敗緩慢，基粒類囊體垛疊程度高，類囊體數(shù)目多，嗜鋨顆粒數(shù)目少，這些結(jié)構(gòu)特點保證了光合系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)，為光能轉(zhuǎn)化提供了優(yōu)良的載體，穩(wěn)定的光合蛋白也能夠減少光損傷和脂質(zhì)過氧化[23-24]。

從本研究結(jié)果可以看出，南粳3908穩(wěn)定高產(chǎn)的光合因素主要是光合速率高，PSⅡ供體側(cè)、反應(yīng)中心、受體側(cè)受光合午休現(xiàn)象的影響較小，光合蛋白穩(wěn)定，葉綠體衰敗緩慢，膜脂過氧化程度輕，光合系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)，能夠為籽粒灌漿提供充足的光合產(chǎn)物。