發布時間：2019-12-05所屬分類：園林工程師瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 為了研究不同水稻在抽穗期、灌漿期、乳熟期、蠟熟期光合效能的差異，利用 GFS-3000 便攜式光合-熒光測定系統測量處于不同生長時期的四種水稻材料在不同光強梯度以及不同二氧化碳濃度梯度下的光合指標，并分別利用直角雙曲線修正模型和 Michaelis-Mente
摘要: 為了研究不同水稻在抽穗期、灌漿期、乳熟期、蠟熟期光合效能的差異，利用 GFS-3000 便攜式光合-熒光測定系統測量處于不同生長時期的四種水稻材料在不同光強梯度以及不同二氧化碳濃度梯度下的光合指標，并分別利用直角雙曲線修正模型和 Michaelis-Menten 模型擬合水稻的光響應曲線和二氧化碳響應曲線，依據曲線擬合的相關數據對不同品種水稻在各時期的光合效能進行比較分析，結果表明: 不同水稻在生長后期尤其蠟熟期光合效能下降的幅度具有明顯差異. 早衰型品種金 23B 、Y58s 的光合能力隨時期變化下降明顯快于持綠性水稻品種 R287 和 HD9802s.
關鍵詞: 水稻; 直角雙曲線修正模型; Michaelis-Menten 模型; 補償點; 飽和點; 最大凈光合速率
0 引言
水稻為一年生禾本科單子葉植物，須根系，不定根發達，圓錐花絮，自花授粉，原產于中國，是世界主要糧食作物之一，超過 50% 人口以水稻為主食，依靠生物技術手段提高水稻單產是解決全球糧食安全問題的重要方向[1-2]. 按不同分類標準可分為粳稻和秈稻、糯稻和非糯稻、香稻與非香稻等; 并且用途廣泛，除穎果可食用外，秸稈等在制肥、生產沼氣等方面同樣具有廣泛用途. 同時，水稻種類繁多，不同種類水稻在抗病、抗衰、抗倒伏、抗逆方面表現各不相同，在光合效能上也不盡相同，光合作用是作物產量積累的重要基礎[3-4]，也是植物生長發育的基礎，其效率不僅與自身因素如葉綠素含量、葉片厚度和葉片成熟程度密切相關，還與外界環境因子如光強度、二氧化碳濃度、氣溫、空氣相對濕度和土壤含水量相關[5-7]. 光合效能與生育期長短共同決定了水稻的產量. 同一生長條件下不同品種水稻光合效能的差異則主要與該品種水稻對光和二氧化碳的利用能力差異有關. 通過實際測量光合效能相關指標，利用模型擬合光響應曲線和二氧化碳響應曲線并估算出相關光合參數如光補償點、光飽和點、二氧化碳補償點、二氧化碳飽和點、光合速率、表觀量子效率、暗呼吸速率可以解析不同品種水稻對光和二氧化碳利用能力的差異，了解各品種水稻最適光強和二氧化碳濃度區間. 本文中擬通過對 R287、金 23B、Y58s、 HD9802s 四個水稻品種在抽穗期、灌漿期、乳熟期、蠟熟期的光合效能相關指標進行比較來揭示不同衰老表型水稻在生育期后期的光合效能差異、葉綠素含量差異與衰老表型之間的關系.
1 材料與方法
1. 1 試驗地概況試驗地位于湖北省孝感市孝南區高潮村水稻田間種植試驗基地，自然光照，地屬亞熱帶季風性氣候，春季陰晴不定、夏季濕熱、秋高氣爽、冬季干寒.
1. 2 試驗材料 R287、HD9802s、Y58s、金 23B 四種水稻材料，四種不同水稻材料均分兩期在孝感試驗基地種植，兩期之間間隔 14 d，待各材料分別生長至抽穗期、灌漿期、乳熟期、蠟熟期時，隨機選取各試驗材料 3 兜，將所選材料的劍葉作為具體研究對象測定其對光和二氧化碳的響應曲線. 其中抽穗期材料為處于破口期、幼穗還未完全抽出時的材料，灌漿期為幼穗頂端開始出現灌漿時的材料，乳熟期為幼穗頂端穗粒飽滿后三天時的材料，蠟熟期為幼穗頂端穗粒開始黃化時的材料.
1. 3 實驗方法
1. 3. 1 光響應曲線的測定 于每天 8: 00 11: 30 進行，將便攜式光合作用-熒光測量系統各組件連接完成后測定葉片的凈光合速率對光強的響應曲線. 測定光強由弱到強，先開機預熱 30 min，然后分別進行零點調零和葉室調零后，統一以葉片上表面向上. 二氧化碳濃度為 380 mL/m3 ，葉室溫度設置為28 ℃.光強以 50、100、150、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 μmol·m - 2 ·s - 1 為梯度分別測定每組參數下的凈光合速率( net photosynthetic rate，Pn ) 、氣孔導度( Gs ) 、胞間二氧化碳濃度 ( Ci ) 、每個梯度重復 3 次，3 次之間的凈光合速率( Pn ) 差值在 0. 5 以內則開始后續梯度依次測量.
1. 3. 2 二氧化碳響應曲線的測定 于每天 8: 00 11: 30 進行，將便攜式光合-熒光測量系統連接完成后預熱 30 min，然后分別進行零點調零和葉室調零，設置葉室溫度為 28 ℃，光強設置為 2 000 μmol·m - 2 ·s - 1 ，二氧化碳以 1 200、1 000、900、800、600、500、400、300、200、150、100、50 mL /m3 為梯度由高到低進行梯度測量，相鄰梯度間進行一次零點調零，每個梯度測量 3 次重復，分別測定每組參數下的凈光合速率、氣孔導度、胞間二氧化碳濃度，3 次之間的凈光合速率差值在 0. 5 以內則開始后續梯度的測量.
1. 3. 3 光響應曲線擬合模型 光響應曲線是一個分段函數模型，在光強低于 200 μmol·m - 2 ·s - 1 時，Pn 隨光強的增強而增大，二者之間符合線性關系. 在光強高于 200 μmol·m - 2 ·s - 1 時，常見光響應曲線擬合模型包括直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、直角雙曲線模型修正模型和指數模型. 由于直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和指數模型都是一條沒有極值的漸進線，只有直角雙曲線修正模型是一條有極值的線[8]，可以較好地擬合高光強下 Pn隨光強增強而下降的過程. 可以直接依據擬合的方程求出光飽和點，依據另外三種模型求解的光飽和點，最大凈光合速率與實測值有較大偏離，直角雙曲線修正模型各項參數與實測值具有較好的吻合性[9-11]. 因此選用直角雙曲線修正模型來擬合光響應曲線.
1. 3. 4 二氧化碳響應曲線擬合模型 二氧化碳響應曲線也是一個分段函數，在二氧化碳濃度低于 200 mL /m3 時，Pn隨二氧化碳濃度升高而增大，二者之間同樣符合線性關系. 當二氧化碳濃度高于 200 mL / m3 時，經典擬合模型有直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、直角雙曲線模型修正模型、指數模型和 Michaelis-Menten 模型. 僅直角雙曲線修正模型是有極值的，其余模型均無極值，但是由于在二氧化碳響應曲線的擬合中 Michaelis-Menten 模型應用更為廣泛，在本試驗的數據分析過程中對二氧化碳響應數據進行擬合時，Michaelis-Menten 模型決定系數( R2 ) 最大，R2 越大證明擬合效果越好，因此本試驗采用 Michaelis-Menten 模型對二氧化碳響應曲線進行擬合.
1. 3. 5 葉綠素浸提 配制丙酮∶ 乙醇( 1∶ 1) 混合液，將新鮮葉片用直徑 10 mm 打孔器打孔，每個水稻品種三個實驗重復，每個重復均用 25 mL 浸提液浸提 0. 15 g 葉片，室溫遮光浸提 22 h，然后將浸提液在 645 nm 和 663 nm 下測定吸光度.
1. 3. 6 數據處理 數據用 Excel 軟件進行初步處理，用 STATISTICA 軟件進行擬合，用 Sigma Plot 9. 0 繪圖.
2 結果與分析
2. 1 光響應曲線的擬合及比較分析 依據直角雙曲線修正模型的分段函數模型，當光強低于 200 μmol·m - 2 ·s - 1 時，水稻凈光合速率( Pn ) 與光強( I) 之間的關系可以用函數關系式表述為 Pn = Q × I - Rday，當光強高于 200 μmol·m - 2 ·s - 1 時，Pn 與光強之間的關系可以表述為 Pn = α × I × ( 1 - β × I) /( 1 + γ × I) - Rday，Pnmax = α ×{ [sqrt( β + γ) - sqrt( β) ]/γ} 2 - Rday，其中 α、β、γ 均為系數，Rday為暗呼吸速率，Pnmax為最大凈光合速率. 以 R287 蠟熟期材料為例，用直角雙曲線模型修正模型擬合實際測量的對應各個光強下的最大凈光合數據可以得到如圖 1 的擬合結果，由決定系數( R2 ) 值為 0. 990 8 可以看到擬合優度高，擬合結果符合預期，比較四個品種在四個不同時期的擬合數據如表 1 2 可以看出，同一品種材料的光補償點從抽穗期、灌漿期、乳熟期到蠟熟期依次升高，而光飽和點和最大凈光合速率隨之逐漸降低，由此可以說明雖然四種水稻的光合效能指標隨生長時期變化而變化的趨勢一致，但不同品種之間變化幅度的差異則反映了四種材料隨時期的變化而衰老的速度不同，在抽穗期和灌漿期，R287 和金 23B 最大凈光合速率相對較高，而 HD9802s 和 Y58s 的最大凈光合速率都相對較低，同時，HD9802s 的補償點較另外 3 個品種偏高，而光飽和點偏低，表明 HD9802s 在抽穗期和灌漿期對低強度和高強度光照的利用能力要差一些. 而進入乳熟期后，金 23B 和 R287 的最大凈光合速率下降幅度明顯高于 Y58s 和 HD9802s，四種材料的最大凈光合速率之間差異明顯縮小. 進入蠟熟期后，Y58s 和金 23B 最大凈光合速率則明顯大幅度下降，絕對數值明顯低于 HD9802s 和 R287，衰老速度明顯快于后兩種材料. 尤其 HD9802s 在蠟熟期各項光合效能指標幾乎沒有大幅度的變化，同時表現出葉青籽黃的明顯現象，說明 HD9802s 具有明顯的遲衰現象，R287 的遲衰現象則較 HD9802s 差一些，但相對金 23B 而言效果仍然比較明顯.
期刊推薦：《中國水稻科學》(雙月刊)創刊于1986年，是由中國水稻研究所主辦的學術性季刊。主要報道以水稻為研究對象的未經發表的原始論文。所設欄目包括研究報告、研究簡報、研究快報、研究簡訊、實驗技術、學術專論、文獻綜述等。反映了水稻科學研究的最新進展，在推動水稻科研的國際間學術交流中起到了積極的作用。
2. 2 二氧化碳響應曲線的擬合及比較分析 依據 Michaelis-Menten 模型的分段函數模型，在二氧化碳濃度低于 200 mL /m3 時，凈光合速率與二氧化碳濃度之間的關系可以用函數關系式表述為 Pn = α × CCO2 - Rp，當二氧化碳濃度高于 200 mL /m3 時，凈光合速率( Pn ) 與二氧化碳濃度之間的關系可以用函數表述為 Pn = Pnmax × CCO2 /( CCO2 + k) - Rp，其中 α: 羧化效率，Rp : 光呼吸速率，k 為系數. 4 種材料的擬合效果與實圖 2 R287 蠟黃期二氧化碳響應曲線擬合測值吻合情況較好，擬合優度系數較高，擬合結果符合預期，以 R287 蠟熟期為例，擬合效果如圖 2，擬合曲線與實測值高度吻合. 四個品種各時期的擬合數據見表 3 和表 4，由擬合優度檢驗系數 ( R2 ) 可以看出擬合效果較好，各品種各時期的擬合效果均與實測值吻合度較好，四個品種的水稻材料從抽穗期、灌漿期到乳熟期和蠟熟期，二氧化碳補償點呈現不同程度的上升，而飽和點和最大凈光合速率則呈現不同程度的下降.在抽穗期，金 23B 和 R287 最大凈光合速率高于 Y58s 和 HD9802s，二氧化碳補償點介于后兩者之間，表明對低濃度二氧化碳利用能力，HD9802s 最強，Y58s 最差，而二氧化碳飽和點差異則反映在抽穗期對高濃度二氧化碳利用能力，HD9802s 最強，金23B 最差. 在灌漿期，四個品種的各項指標變化較為穩定，最大凈光合速率差異較小，二氧化碳補償點和二氧化碳飽和點的差異保持穩定. 在乳熟期，金 23B 和 R287 的最大凈光合速率下降幅度明顯較 HD9802s 和 Y58s 大. 在蠟熟期，金 23B 的最大凈光合速率仍然大幅下降，Y58s 也大幅下降，而 R287 下降幅度則小一些，HD9802s 下降幅度最小. 絕對數值上金 23B 和 Y58s 最大凈光合速率明顯低于 HD9802s 和 R287. 金 23B 在 4 個時期中隨時期變化，最大凈光合速率變化幅度最大，持續大幅度下降.早衰現象最為明顯，而 HD9802s 在四個時期最大凈光合速率最為穩定，同時呈現出葉青籽黃現象，遲衰現象最明顯.
2. 3 不同品種水稻蠟熟期葉綠素含量比較分析 將不同浸提液在 645 nm 和 663 nm 下測定吸光度后經過公式計算，結果如表 5. 在蠟熟期，R287 和 HD9802s 的葉綠素 a、葉綠素 b 含量均高于對照的早衰性水稻品種金 23B 和 Y58s. 上述實驗結果進一步證明不同衰老表型水稻在蠟熟期其葉綠素含量與光合效能均存在較大差異.
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