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。     

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。     

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     

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.     

高产杂交稻品系"两优培九"生育后期的衰老生理特性

杂交稻"两优培九"生育后期剑叶中的叶绿素、蛋白质含量和SOD活性下降速率慢,POD活性较高,丙二醛含量较少.     

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.     

超高产杂交稻两优培九的光合作用、光抑制和C4途径酶特性

比较研究了超高产杂交稻(Oryza sativa L.)两优培九和常规杂交稻汕优63剑叶的光合气体交换、光抑制, 以及其剑叶和稃片中的C₄酶活性. 发现两优培九和汕优63的光饱和同化速率(Asat)与汕优63相差无几, 但是, 其表观量子效率(AQY)、羧化效率(CE)和CO₂同化的量子效率(FCO₂)都远远高于汕优63. 强光条件下, 超高产杂交稻两优培九表现出比汕优63更强的抗光抑制能力, 并且具有较高的以叶黄素循环为量度的非辐射能量耗散. 此外, 两优培九的剑叶和稃片中的C₄途径酶活性均高于汕优63. 这些结果表明, 较高的光能和CO₂利用效率、较强的抗光抑制能力, 以及剑叶和稃片中C₄途径的较高表达可能是超高产杂交稻两优培九高产的重要保证.     

超高产杂交稻在强光胁迫及其恢复进程中的PSⅡ活性和叶黄素循环

研究了两系超高产杂交稻(Oryza sativa L.)"两优培九"和"华安3号"以及多年来大面积推广的三系杂交稻"汕优63"剑叶的PSⅡ活性和叶黄素循环对强光胁迫及其恢复进程的响应.结果表明,在2 000 μmol photons*m-2*s-1的强光胁迫下,3个杂交稻的PSⅡ光化学最大效率(Fv/Fm)、开放的PSⅡ反应中心捕获激发能效率(Fv′/Fm′)和PSⅡ的实际光化学转能效率(ΦPSⅡ)都随着光抑制进程而下降,其中以"汕优63"下降的幅度最大.光抑制过程中,杂交稻叶黄素循环的紫黄素(V)组分迅速下降,与此同时,脱环氧化组分环氧玉米黄素(A)和玉米黄素(Z)迅速积累,而超高产杂交稻"两优培九"和"华安3号"的A和Z的积累速度大大高于"汕优63".伴随A和Z的快速积累,它们的叶黄素循环的脱环氧化状态(DES)迅速上升,并在半小时左右基本达到最大值,其中"两优培九"和"华安3号"DES的上升速率仍然较"汕优63"高.光抑制处理结束后,转移到弱光(70 μmol photons*m-2*s-1)条件下恢复过程中,两个超高产杂交稻的Fv/Fm、Fv′/Fm′和ΦPSⅡ的恢复速率和恢复水平都高于"汕优63".同时,它们的叶黄素循环组分V、A、Z以及DES都逐渐恢复,但"两优培九"和"华安3号"的恢复速率和恢复水平仍然要优于"汕优63".以上结果说明,超高产杂交稻"两优培九"和"华安3号"较对照品种"汕优63"具有更强的抗光抑制及光保护能力,同时在光抑制结束后又能够更迅速地恢复光合功能,较强的抗光抑制能力和较高的恢复能力可能是超高产杂交稻高产的重要生理基础之一.     

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。     

高产杂交稻‘两优培九’剑叶及其叶鞘的光合作用

以高产杂交稻‘两优培九’（LYP9）和杂交稻‘汕优63’（SY63）为研究材料,用HC同位素示踪等技术,研究了剑叶的叶片与叶鞘的光合作用与光合产物向叶鞘的分配。结果表明,‘两优培九’剑叶及其叶鞘的净光合速率的均值均高于‘汕优63’;剑叶叶鞘中部群体内透光率均值、倒二叶叶鞘中部群体内的透光率均值高于‘汕优63’;剑叶及其叶鞘的Rubisco初始羧化活性均值、总羧化活性均值和活化率均值都高于‘汕优63’,其差异大多数时期达显著水平。‘两优培九’叶鞘光合产物的输出比‘汕优63’快,其叶鞘光合产物输送到穗部的量即转化为经济产量的量比‘汕优63’高。‘两优培九’叶鞘的光合产物主要输送到穗等部位,对产量有一定的（约为15％）贡献。     

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 (OryzasativaL .)杂交组合汕优 6 3为对照 ,以中粳 95 16、两系亚种间杂交组合培矮 6 4S/E32、培矮6 4S/ 9311、亚种间三系杂交稻冈优 881和两系杂交组合X0 7S/紫恢 10 0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 95 16 ,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 6 3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     

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。     

高光胁迫对水稻籼粳亚种两个品种色素蛋白复合体的影响

以耐光抑制的水稻(Oryza sativa L.)粳亚种品种"武育粳"和对光抑制敏感的籼亚种品种"汕优63"的剑叶为材料,比较研究了高光胁迫对水稻两个亚种光合系统的影响.结果表明,高光胁迫影响激发能在两个光系统之间的分配,抑制激发能向PSⅡ传递.在籼稻中激发峰和发射峰以及相关比值在受到高光胁迫后下降的幅度均比在粳稻中显著.与粳稻相比,高光胁迫几乎使籼稻的PSⅡ捕光色素蛋白复合体的三聚体解体,使其PSⅡ捕光色素蛋白复合体的二聚体、PSⅡ内周天线色素蛋白复合体、PSⅠ捕光色素蛋白复合体以及PSⅠ反应中心叶绿素a蛋白复合体的含量明显降低.高光胁迫导致水稻两亚种的PSⅡ捕光色素蛋白复合物单体含量的增加.类囊体膜多肽分析表明,高光胁迫使属于PSⅡ捕光色素蛋白复合体的27、25 kD蛋白和PSⅠ捕光色素蛋白复合体的21 kD蛋白含量在水稻两亚种中都降低,其中以25 kD蛋白含量降幅最大.在籼稻中高光胁迫使属于PSⅡ内周天线色素蛋白复合体的43 kD和47kD蛋白以及外周23kD蛋白含量明显降低而在粳稻中则影响较小.     

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。     

超高产杂交稻光合特性的研究

比较了超高产杂交稻(Oryza sativa L.)X07S/紫恢100和两优培九与多年来大面积推广的杂交稻汕优63的光合功能和抗光胁迫能力.结果表明,超高产杂交稻X07S/紫恢100和两优培九的净光合速率(Pn)分别比汕优63高9.1%和11.9%,而其蒸腾速率(Tr)分别比汕优63低37.46%和31.42%,此外,其水分利用效率(WUE)分别比汕优63高出74.2%和63.5%;经强光(2 000μmol photons@m-2@s-1)处理2 h之后,X07S/紫恢100和两优培九的光系统Ⅱ光化学量子效率分别上升28.3%和37.0%,荧光光化学猝灭系数分别升高46.2%和18.0%,而汕优63的这两项参数值却变化很小;同时,X07S/紫恢100和两优培九的非光化学猝灭系数均下降50%左右,而汕优63则上升近50%,表明超高产杂交稻较高的光合能力、水分利用效率以及较强的抗光抑制能力可能是其高产的生理基础.     

超级杂交稻两优培九及其亲本低温强光适应特性

以超级杂交稻两优培九(培矮64S/9311)和母本培矮64S(PA64S)以及父本中籼9311为材料,以叶绿素荧光参数和活性氧代谢等指标研究生育后期亲本和后代对低温强光的适应特性。结果显示:低温强光处理后,与父母本相比,两优培九的叶绿素、PSⅡ原初光化学效率(Fv/Fm)和光化学猝灭系数(qP)和实际PSⅡ光能捕获的效率(φPSⅡ)的降低较少,说明在低温强光下,超级杂交稻两优培九吸收的光能较多地转化为化学能;同时两优培九的内源活性氧清除酶系如超氧化物歧化酶和过氧化物酶诱导的活性高,表现耐低温强光的特性,从而能有效清除叶片内的活性氧,因而膜脂过氧化较轻。试验结果表明:在生育后期超级杂交稻两优培九对低温强光适应的特性具有超双亲偏母本的现象。     

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68～75 d)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△1aC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‰.     

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.     

高产杂交稻两优培九旱育秧苗期抗氧化系统活性的研究

以汕优63为对照,研究了旱育条件下两优培九幼苗的体内抗氧化系统的特性。显示两优培九在旱育条件下其体内三大抗氧化酶SOD、POD和CAT活性都较水育条件下高,而体内超氧阴离子含量和MDA含量和水育秧相比却没有大的差异;旱育条件下秧苗叶片内积累的脯氨酸量显著高于水育秧。这不但能提高水稻苗期抗旱能力,同时也为移栽大田后具有明显的生长优势和抗胁迫能力打下了物质基础。另外,发现秧苗培育时间过长也不利于获得高质量的秧苗,时间以30 d左右为宜。和汕优63相比,相同条件下的两优培九幼苗抗氧化系统活性较高,这也可能是两优培九高产的生理基础之一。