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。     

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。     

不同超级杂交稻组合期剑叶14C-同化物的转运及分配与早衰关系的研究

选取具有不同早衰特性的超级杂交稻组合两优培九、Y两优1号和培两优E32为供试材料,借助14C同位素示踪技术对其不同生育期剑叶14C同化物分配及转化进行了研究。结果表明:随着生育期的推进,剑叶(源)同化物向穗中(库)的转运比例逐渐增加,在供试组合中以两优培九分配效率最高,Y两优1号次之,培两优E32最低;剑叶14C-同化物在供试组合中的转运能力也有类似的趋势,在3个超级杂交稻组合中,以两优培九"源、库、流"的协调性最好,Y两优1号次之,培两优E32最差。     

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（２０     

近地层臭氧浓度升高对杂交稻颖花形成的影响

依托全球唯一的稻田开放式空气中臭氧浓度增高系统平台,以汕优63和两优培九为供试材料,设置大气背景臭氧浓度和高臭氧浓度（比大气背景臭氧浓度高50%）两个浓度水平,研究FACE条件下高O₃浓度对杂交稻颖花形成的影响.结果表明：高O₃浓度使汕优63和两优培九每穗颖花数分别减少28朵和34朵,下降幅度分别为15%和13%.从稻穗构成看,高O₃浓度胁迫下杂交稻每穗颖花数减少主要与每穗2次枝梗颖花数明显减少有关,对每穗1次枝梗颖花数的影响较小,因此高O₃浓度胁迫下水稻每穗1次枝梗颖花数占全穗的比率增加,每穗2次枝梗颖花数占全穗的比率降低.从颖花形成看,高O₃浓度胁迫下杂交稻每穗颖花数下降主要是颖花（特别是2次颖花）的分化受到抑制所致,而颖花的退化数不增反降.上述结果表明,采取相应措施削弱高O₃浓度胁迫对颖花分化的抑制作用可能是近地层高O₃浓度条件下减少杂交稻产量损失的关键.     

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.     

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‰.     

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‰。     

阴雨寡照地区高产水稻的生物学特征研究

以水稻(Oryza sativa Linn.)的常规稻品种‘黄华占’、‘湘早籼45’和‘湘晚籼13’,一般杂交稻品种‘金优402’和‘Ⅱ优838’,超级杂交稻品种‘株两优819’、‘丰源优299’、‘陆两优966’和‘Y两优1号’为实验材料,在2008年和2009年不同产季,对种植于多阴雨的湖南桃源县的不同品种水稻的产量构成因子、群体性状和叶片净光合速率(Pn)差异进行了研究.结果显示:在产量构成因子方面,不同品种水稻的有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒质量和产量均有一定差异,超级杂交稻品种的产量高于一般杂交稻及常规稻品种;其中,产量分别与有效穗数和结实率呈显著正相关(P＜0.05),与每穗粒数呈极显著正相关(P＜0.O1),与千粒质量无显著相关性.在群体性状方面,不同品种水稻的株高、最大茎蘖数、最大叶面积指数(LAI)、生物量及收获指数均有一定差异,但产量分别与株高、最大LAI和生物量呈极显著正相关,与收获指数呈显著正相关,与最大茎蘖数无显著相关性;其中,产量与最大LAI的相关系数最大(0.889).在拔节期和抽穗期,各品种水稻单叶的Pn日变化曲线呈“双峰型”,Pn第1个峰值差异均较小,“午休”阶段以及第2个峰值Pn差异增大,总体上看“午休”阶段常规稻品种的Pn降幅明显大于杂交稻;各品种的Pn日平均值也有明显差异,常规稻品种的Pn日平均值总体上低于杂交稻.研究结果表明:在阴雨寡照的生态条件下超级杂交稻品种的产量高于其他类型水稻品种,其高产机制与叶面积指数的增加有关.     

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。     

高温胁迫下2个超级杂交稻组合耐受性比较

在抽穗开花期对2个超级杂交稻组合'Y两优1号'和'两优培九'进行了高温胁迫处理,比较研究了这2个超级杂交稻组合对高温胁迫的耐受性.实验结果显示,经高温胁迫后,'Y两优1号'和'两优培九'头季稻的花药开裂系数和花粉可染率均显著下降(P<0.05),结实率则分别下降6.07%和54.48%,千粒重分别下降9.03%和9.98%,'两优培九'的各指标降幅均大于'Y两优1号'.经高温胁迫后,'Y两优1号'和'两优培九'头季稻剑叶中的叶绿素含量较各自的对照分别下降1.18%和3.20%,POD和CAT活性均呈先升高后下降再升高的趋势,MDA含量则呈先下降后升高再下降的趋势,'Y两优1号'的POD和CAT活性总体上高于'两优培九'、MDA含量总体上低于'两优培九'.高温胁迫导致'Y两优1号'和'两优培九'再生稻的活芽率、平均芽长以及单茎腋芽数均显著下降,且后者再生稻各指标的降幅大于前者;高温胁迫对'Y两优1号'和'两优培九' 再生稻的再生率和每穗总粒数的影响不明显,但均使再生稻的结实率和千粒重降低,且'两优培九'再生稻的结实率和千粒重与对照差异显著(P<0.05).高温胁迫对'Y两优1号'和'两优培九'头季稻的热害指数分别为0.19和0.56,对再生稻的热害指数分别为0.04和0.13,差异显著(P<0.05).研究结果表明,在抽穗开花期,'Y两优1号'对高温胁迫的耐受性高于'两优培九',且头季稻耐高温有利于再生芽的生长.     

氮对水稻叶蔗糖磷酸合成酶的影响及其与同化物积累和产量的关系

蔗糖磷酸合成酶是植物体内蔗糖合成、碳同化与分配的一个关键调节酶。以3个水稻品种‘两优培九’、‘汕优63’和‘黄华占’为材料,在低氮和高氮处理下分析了水稻幼穗分化至抽穗不同阶段叶片蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase,SPS)的基因表达和活性及其与植株同化物积累和产量形成的关系。研究结果表明,所有SPS基因(Os SPS1、Os SPS2、Os SPS6、Os SPS8和Os SPS11)的相对表达量均随植株生育进程推进而下降;SPS活性的变化趋势与SPS基因表达量一致。与高氮处理相比,低氮处理下SPS基因的相对表达量和SPS活性增加。相关分析表明,SPS基因的相对表达量和SPS活性均与叶片非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrates,NSC)浓度显著正相关,Os SPS1表达和SPS活性状态均与每穗颖花数和籽粒产量显著正相关,Os SPS2、Os SPS6和Os SPS8表达均与结实率和千粒重显著正相关。因此,适当减少氮肥施用有利于提高SPS基因表达和活性,进而增加植株NSC积累和促进产量形成。     

垄作梯式生态稻作对水稻光合生理特性及产量的影响

2011—2012年在湖南长沙以超级杂交稻Y两优1号、杂交稻汕优63和常规稻黄华占为材料进行大田试验,比较了垄作梯式生态稻作(RT)和垄厢生态稻作(B)对水稻产量和光合生理特性的影响.结果表明: 与传统稻作(CK)相比,RT的Y两优1号产量显著提高了28.7%,单位面积有效穗数显著提高16.1%,每穗粒数高6.8%,汕优63和黄华占的RT、B处理产量分别高24.3%和19.7%、12.0%和16.2%.RT的Y两优1号叶面积、抽穗前及抽穗后干物质积累量、总干物质量都高于CK,颖花数/叶面积、实粒数/叶面积、粒重/叶面积分别比CK高8.1%、14.8%和15.8%,光合势比CK高32.2%,而净同化率则比CK低9.3%.