超高产杂交稻剑叶中C4途径酶活性和稳定碳同位素分异作用的变化

以超高产杂交水稻(Oryza sativa L．)“培矮64S／E32”和多年来大面积推广的杂交稻“汕优63”为材料,研究孕穗后剑叶中C4途径酶和对稳定碳同位素分异作用的变化。结果表明,籽粒灌浆期(移栽后68～75d)的两个品种剑叶中NADP—MDH活性最高,随后下降;超高产杂交水稻“培矮64S／E32”的NADP-MDH的活性明显高于“汕优63”;PEPcase和NADP—ME活性在黄熟期之前的叶片中持续上升。不同生育期的叶片与籽粒的△^13C值相近(19．49‰～19．82‰),在成熟期时较高。超高产水稻“培矮64S／E32”叶片的平均△^13C值比“汕优63”高0．43‰。     

超高产杂交稻剑叶衰老过程中的抗氧化性的变化

与对照种汕优63相比,超高产水稻组合培矮64S/E32的剑叶在生长后期具有更高的抗氧化酶(抗坏血酸过氧化物酶APX和谷胱甘肽还原酶GR)活性和小分子抗氧化剂(抗坏血酸Vc、总Vc、还原型谷胱甘肽GSH和β-胡萝卜素)含量,高的清除有机自由基DPPH·能力,更低的膜脂过氧化产物丙二醛含量。这表明培矮64S/E32剑叶在生长后期有强的抗氧化性,这种强抗氧化性与超高产水稻在结实后期剑叶中较慢的叶绿素和蛋白质降解速度相一致。     

超高产水稻组合‘培矮64S/E32’的耐光氧化特性及其机理

甲基紫精（MV）介导的光氧化导致两个水稻品种‘汕优63’(目前我国大面积推广的杂交水稻)和‘培矮64S/E32’（新培育的超高产杂交水稻）细胞电解质渗漏率都增加,前者增加的量大于后者,显示‘培矮64S/E32’的细胞膜系统受光氧化的伤害小。光氧化条件下,‘培矮64S/E32’仍能维持较高的光合放氧能力（Amax、Φi）、PSⅡ活性（Fv/Fm、ΦPSⅡ）和叶绿素荧光猝灭系数（qP、NPQ）,而且光氧化引起‘培矮64S/E32’这些参数的下降幅度也小。另外,光氧化导致了两个水稻品种抗氧化酶SOD和APX活性增加,‘培矮64S/E32’增加的幅度约为‘汕优63’的3倍。结果表明超高产水稻具有更强的耐光氧化能力。     

超高产水稻组合‘培矮64S/E32’的耐光氧化特性及其机理

甲基紫精(MV)介导的光氧化导致两个水稻品种‘汕优63’(目前我国大面积推广的杂交水稻)和‘培矮64S/E32’(新培育的超高产杂交水稻)细胞电解质渗漏率都增加,前者增加的量大于后者,显示‘培矮64S／E32’的细胞膜系统受光氧化的伤害小。光氧化条件下,‘培矮64S／E32’仍能维持较高的光合放氧能力(Amax,φi)、PSⅡ活性(Fv/Fm、φPSⅡ)和叶绿素荧光猝灭系数(qP、MPQ),而且光氧化引起‘培矮64S／E32’这些参数的下降幅度也小。另外,光氧化导致了两个水稻品种抗氧化酶SOD和APX活性增加,‘培矮64S／E32’增加的幅度约为‘汕优63’的3倍。结果 表明超高产水稻具有更强的耐光氧化能力。     

超高产杂交稻剑叶衰老过程中PSII功能的变化

对田间自然条件下培矮64S/E32和对照汕优63的剑叶衰老过程中PSII光化学效率、光能耗散和叶黄素循环组分的动态变化进行了研究.结果表明,水稻剑叶衰老过程中PSⅡ光化学效率(F/Fm)、PSII量子产量(φPSII)、光化学猝灭系数(qP)和光合速率(Pn)均降低,但非辐射热耗散(NPQ)、叶黄素循环库和中午时的脱环氧化状态则升高.移栽后55-75 d两品种剑叶的φPSII和qP变化相近,此后培矮64S/E32比汕优63下降缓慢.在生育后期的衰老过程中培矮64S/E32剑叶的PSII功能比汕优63下降慢,并具有更高的光能利用效率.     

超级杂交水稻谷粒产量与叶光合速率的关系

在2000～2005年期间,通过测定几种超级杂交水稻与普通杂交水稻‘汕优63’的产量构成和叶片光合作用探讨了谷粒产量与光合作用的关系。结果表明:(1)4种超级杂交水稻‘培矮64S/E32’、‘P88S/O293’、‘金23A/611’和‘GD-lS/ RB207’的产量水平显著高于‘汕优63’,是对照的108%～120%。(2)与‘汕优63’相比,这些超级杂交水稻的株型好,上层叶片直立,穗大即每穗粒数多,是对照的125%～177%。(3)与‘汕优63’相比,这些组合第二叶的净光合速率显著提高,但第一叶即剑叶的未必都较高。(4)去半叶处理降低了‘GD-1S/RB207’的结实率,而去半穗处理显著提高了结实率。因此,这些超级杂交水稻的高产原因在于穗大、株型好以及群体光能利用效率高。增加单叶特别是剑叶的光合能力是克服谷粒产量的光合产物源限制和在未来的超级杂交水稻育种中实现产量潜力新突破的关键。     

超高产水稻剑叶衰老过程中PSⅡ激发压与 Rubisco大、小亚基含量的相关性

研究了大田生长条件下两系超高产杂交水稻(Oryza sati va L.)"两优培九"和我国大面积推广的三系杂交水稻"汕优63"从灌浆期到收获期剑叶PSⅡ光化学特性和Rubjsco大、小亚基含量的变化.结果表明:可溶性蛋白质和叶绿素含量随剑叶生长时间的延长先缓慢下降,后期有一个快速降解的过程,"汕优63"降解的速率高于"两优培九";Fv/Fm和qP都呈下降的趋势,qN则是先降然后上升.激发压(1 qP)在前期的变化较为平稳,后期则急剧增加,"汕优63"较"两优培九"增加快.Rubi Sco大、小亚基的含量与叶绿素、可溶性蛋白含量一样在前期下降比较慢,后期也有一个快速降解的过程,"汕优63"比"两优培九"降解快.激发压的增加与Rubisco大、小亚基的降解呈显著的线性相关性.我们推测PSⅡ激发压的急剧增加可能诱发了水稻剑叶的快速衰老过程."两优培九"高产的重要生理原因之,可能是它比"汕优63"有更强的光合能力并能维持更持久和较高的光合功能期.     

超高产水稻剑叶的高效光合特性

以多年来大面积推广的杂交水稻汕优63为对照。研究了超高产杂交水稻两优培九的光合生理特性。结果表明：在生殖生长期两优培九剑叶具有较高的叶绿素含量,Fv/Fo,Fv/Fm,qP,φi和Rubisco含量,表明它有相对较高的光能吸收,转化和利用的能力;且两优培九的qN较汕优63大,1-qP/qN比它小,说明它比对照品种更耐光抑制;两个品种在剑叶衰老过程中都发生了光碳失衡,但两优培九光碳失衡状态较轻;这些可能是超高产水稻两优培九高产的重要原因。     

自然条件下不同高产稻生育后期剑叶叶绿素荧光和膜脂过氧化的表现

以籼型(Oryza sativa L.)杂交组合汕优63为对照,以中粳9516、两系亚种间杂交组合培矮64S/E32、培矮64S/9311、亚种间三系杂交稻冈优881和两系杂交组合X07S/紫恢100为材料,研究其在生育后期(抽穗-成熟)自然条件下剑叶的叶绿素衰减、CO2交换、叶绿素荧光参数和膜脂过氧化表现.结果表明: 水稻在生育后期伴随叶绿素衰减,其叶内的原初光化学效率Fv/Fm、PSⅡ非环式电子传递效率ΦPSⅡ、电子流传递速率ETR都有相应地下降,这种光能转化的障碍使多余的光能传递给PSⅡ的还原侧,产生O(-)/(*)2累积,发生膜脂过氧化和MDA的积累,引起光合色素及光合膜的破坏,发生光氧化早衰.这种现象在品种间有明显差异,耐光氧化的粳稻9516,其叶内的 Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR、qP下降较少,具有较稳定的光能转化能力,不易早衰,具有较高的结实率;而对光氧化敏感的籼稻汕优63其叶内的Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR,光化学猝灭参数qP下降较多,易发生膜脂过氧化,导致叶片早衰,影响水稻灌浆结实和产量;而二系的和三系的杂交稻的耐光氧化特性和早衰表现居于中间.从水稻超高产育种的角度出发,在目前株型良好的基础上,兼顾杂种优势和防止早衰两方面考虑,在母本中利用粳型或带有粳型基因的不育系是育种上一个值得重视的策略.     

超高产水稻剑叶衰老过程中PSⅡ激发压与Rubisco大、小亚基含量的相关性

研究了大田生长条件下两系超高产杂交水稻(Oryza sativa L.)“两优培九”和我国大面积推广的三系杂交水稻“汕优63”从灌浆期到收获期剑叶PSⅡ光化学特性和Rubisco大、小亚基含量的变化。结果表明：可溶性蛋白质和叶绿素含量随剑叶生长时间的延长先缓慢下降,后期有一个快速降解的过程,“汕优63”降解的速率高于“两优培九”;Fv/Fm和qP都呈下降的趋势,qN则是先降然后上升。激发压(1-qP)在前期的变化较为平稳,后期则急剧增加,“汕优63”较“两优培九”增加快。Rubisco大、小亚基的含量与叶绿素、可溶性蛋白含量一样在前期下降比较慢,后期也有一个快速降解的过程,“汕优63”比“两优培九”降解快。激发压的增加与Rubisco大、小亚基的降解呈显著的线性相关性。我们推测PSⅡ激发压的急剧增加可能诱发了水稻剑叶的快速衰老过程。“两优培九”高产的重要生理原因之一,可能是它比“汕优63”有更强的光合能力并能维持更持久和较高的光合功能期。     

水稻抽穗后剑叶衰老过程中光合关键酶的基因表达

协优 930 8、培矮 6 4s/ 9311和汕优 6 3三个超级高产水稻品种抽穗后 ,剑叶中光合速率减小、叶绿素含量下降、SOD活力降低和MDA含量上升的幅度不同 ,显示它们开花结实过程中叶片衰老的速度不同 ,以汕优 6 3衰老最快 ,协优 930 8最慢 ,培矮 6 4s/ 9311居中。Northern杂交和免疫定量研究表明 ,汕优 6 3和培矮6 4s/ 9311剑叶rbcS(Rubisco小亚基基因 )和rca(Ru bisco活化酶基因 )mRNA的表达随抽穗后天数的增加而下降 ,而协优 930 8在抽穗后第 10天才开始下降 ;Rubisco和Rubisco活化酶蛋白含量的下降趋势与rbcS和rcamRNA的变化趋势相似。因此 ,水稻抽穗后剑叶衰老过程中光合能力的下降与光合关键酶基因(rbcS和rca)表达下降密切相关     

Photosynthetic light and CO2 utilization and C4 traits of two novel super-rice hybrids

Characteristics of photosynthetic light and CO2 use efficiency from seedling to heading stage, and C4 pathway enzyme activities in both flag leaves and lemma were compared between two newly developed super-rice hybrids (Oryza sativa L.), Liangyoupeijiu and Hua-an 3, and a traditional rice hybrid, Shanyou 63. At seedling and tillering stages, Liangyoupeijiu and Hua-an 3 had higher net photosynthetic rates (Pn) and light saturated assimilation rates (Asat) than did Shanyou 63, at both normal (360 micromol mol(-1)) and doubled (720 micromol mol(-1)) CO2 concentrations. At the heading stage, the flag leaves of all three rice hybrids had similar Pn and Asat. However, the two super-rice hybrids had higher apparent quantum yield (AQY) and carboxylation efficiency (CE) during all three typical developmental stages, and higher quantum yield of CO2 fixation (PhiCO2) at the tillering and heading stages. In addition, Liangyoupeijiu showed significantly higher activities of the C(4) pathway enzymes in both flag leaves and lemmas than did Shanyou 63. As a result, flag leaves of the two super-rice hybrids had higher Pn at morning, noontime and late afternoon during the daily cycle. Since most of the grain yield of rice comes from the photosynthesis of flag leaves, the similar Asat and much higher AQY, CE and PhiCO2 at heading stage of the two super-rice hybrids indicates that higher photosynthetic efficiency rather than higher photosynthetic capacity may be the primary factor contributing to their higher grain yields.     

超高产杂交稻不同生育期的光合色素含量、净光合速率和水分利用效率

 较为系统地研究了两个超高产杂交稻‘两优培九’、‘华安3号’和多年来大面积推广的常规杂交稻‘汕优63’不同生育期的光合色素含量、净光合速率和水分利用效率。结果表明,在苗期,3个杂交稻的单位叶面积的叶绿素（Chl）含量差别不大,类胡萝卜素（Car）的含量以‘汕优63’为最高。然而,随着发育阶段的推进,到分蘖期,尤其是抽穗期剑叶的单位叶面积Chl和Car含量,两个超高产杂交稻高于‘汕优63’。从苗期到抽穗期,超高产杂交稻‘两优培九’和‘华安3号’的净光合速率（Pn）都比‘汕优63’高,而在苗期的午间强光条件下和分蘖期的早晨以及抽穗期的早晚相对弱光条件下其Pn的差别尤为显著。在苗期,‘汕优63’的水分利用效率（WUE）略高于‘两优培九’和‘华安3号’;到分蘖期和抽穗期,在上午10时之前和下午14时以后的时间段,则是两个超高产杂交稻明显高于‘汕优63’。这些结果说明,超高产杂交稻‘两优培九’和‘华安3号’不仅有较高的Pn和较强的抗光抑制能力,而且还能充分利用早晨和傍晚较弱的光强进行光合作用,这些是它们之所以高产的重要生理基础。此外,超高产杂交稻在生长发育的中后期（分蘖期和抽穗期）具有较高的WUE,有利于节约农业用水。     

高温下杂交稻培矮64S／E32与其亲本的光合和抗逆参数的比较

超级稻培矮64S／E32(F1)及其亲本(父本‘E32’和母本‘培矮64S’)的剑叶在不同温度(28、35、40℃ 和45℃)恒温水浴中保温1 h,随着处理温度的升高,F1除了较其亲本有更稳定的光合色素Chl外,还有明显 增加的Car／Chl,相对高的热稳蛋白含量,高而且稳定的总的抗氧化能力。F1在高温下也有较亲本高的光合 能力。高温下,线性电子传递过程比光化学过程对温度更敏感,F1有比亲本更敏感的调节机制,Pn下降比 ΦPSⅡ、Fv／Fm下降快说明光合限制步骤可能主要是位于光合碳同化而不是光化学和光合电子传递过程。     

Characterization of photosynthesis, photoinhibition and the activities of C4 pathway enzymes in a superhigh-yield rice, Liangyoupeijiu

Characteristics of photosynthetic gas exchange, photoinhibition and C4 pathway enzyme activities in both flag leaves and lemma were compared between a superhigh-yield rice (Oryza sativa L.) hybrid, Liangyoupeijiu and a traditional rice hybrid, Shanyou63. Liangyoupeijiu had a similar light saturated assimilation rate (Asat) to Shanyou63, but a much higher apparent quantum yield (AQY), carboxylation efficiency (CE) and quantum yield of CO2 fixation (φCO2). Liangyoupeijiu also showed a higher resistance to photoinhibition and higher non-radiative energy dissipation associated with the xanthophyll cycle than Shanyou63 when subjected to strong light. In addition, Liangyoupeijiu had higher activities of the C4 pathway enzymes in both flag leaves and lemmas than Shanyou63. These results indicate that higher light and CO2 use efficiency, higher resistance to photoinhibition and C4 pathway in both flag leaf and lemma may contribute to the higher yield of the superhigh-yield rice hybrid, Liangyoupeijiu.     

褐飞虱侵害后不同水稻品种根及叶片脱落酸含量的变化

为了解褐飞虱Nilaparvata lugens （Stål）侵害后水稻耐虫性与植物体内源激素关系,应用酶联免疫吸附法（enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA）研究褐飞虱若虫侵害分蘖期超级培矮64S/E32和TN1,灌浆期协优963和TN1后根及叶片脱落酸（abscisic acid, ABA）含量变化.结果表明：褐飞虱侵害分蘖期超级培矮64S/E32和TN1后3 d,叶片ABA含量显著上升,ABA含量根冠比（根ABA/叶片ABA）显著下降;侵害后6 d,超级培矮64S/E32叶片ABA含量显著下降,根冠比显著上升;但TN1叶片ABA含量在褐飞虱侵害后3 d和6 d显著上升,根冠比显著下降.褐飞虱侵害灌浆期协优963与分蘖期超级培矮64S/E32变化一致,TN1在褐飞虱侵害后3 d叶片ABA含量显著上升,根冠比显著下降;侵害后6 d,叶片ABA含量、ABA含量根冠比均显著上升.由ABA含量变化百分比可见,分蘖期ABA含量变化幅度较灌浆期大;耐虫品种变化幅度较感虫品种大,持续期较感虫品种短;叶片变化幅度较根部大.褐飞虱侵害后,两种不同生育期两种抗性不同的水稻品种比较,耐虫品种叶片ABA含量先上升（3 d）后下降（6 d）,ABA含量根冠比先下降（3 d）后上升（6 d）;感虫品种叶片ABA含量持续上升（3 d和6 d）,分蘖期ABA含量根冠比持续下降（3 d和6 d）,灌浆期ABA含量根冠比先下降（3 d）后上升（6 d）;耐、感虫水稻品种根部变化规律不明显.这些差别表明不同水稻（耐虫和感虫）品种受褐飞虱侵害后体内ABA含量变化规律不同.本研究结果对深入阐明水稻耐虫品种的机制具有重要参考价值.     

在光氧化条件下不同类型高产稻的叶绿素荧光特性和膜脂过氧化特点

用不同类型高产稻(Oryza sativa L.)粳稻9516、具有粳型成分的两系法亚种间杂交稻培矮64/E32、两优培九(培矮64/9311)和籼型杂交稻X07S/紫恢100、冈优881、汕优63为材料,研究了孕穗期叶片在光氧化条件下的叶绿素荧光特性和膜脂过氧化表现.光氧化处理后,与籼型杂交稻比较,粳稻和具有粳型组分的亚种间杂交稻的PSⅡ原初光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ的线性电子传递的量子效率(ΦPSⅡ)和光化学猝灭系数(qP)下降的较少;超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)诱导的活性较高,活性氧 (O(-)/()2、H2O2)和丙二醛(MDA)的产生积累较少,叶绿素和蛋白质含量下降较少,表现出耐光氧化特性,这与在自然条件下生育后期叶绿素含量变化相一致.相关分析表明它们的耐光氧化特性与结实率密切相关,说明耐光氧化品种抗早衰,有利籽粒充实.这些结果启示我们:从超高产育种出发,兼顾杂种优势利用和抗早衰两方面考虑,在母本不育系中引入粳型成分是一个值得重视的育种策略.