摘要: 为了研究不同水稻在抽穗期、灌浆期、乳熟期、蜡熟期光合效能的差异，利用 GFS-3000 便携式光合-荧光测定系统测量处于不同生长时期的四种水稻材料在不同光强梯度以及不同二氧化碳浓度梯度下的光合指标，并分别利用直角双曲线修正模型和 Michaelis-Menten 模型拟合水稻的光响应曲线和二氧化碳响应曲线，依据曲线拟合的相关数据对不同品种水稻在各时期的光合效能进行比较分析，结果表明: 不同水稻在生长后期尤其蜡熟期光合效能下降的幅度具有明显差异. 早衰型品种金 23B 、Y58s 的光合能力随时期变化下降明显快于持绿性水稻品种 R287 和 HD9802s.
关键词: 水稻; 直角双曲线修正模型; Michaelis-Menten 模型; 补偿点; 饱和点; 最大净光合速率
0 引言
水稻为一年生禾本科单子叶植物，须根系，不定根发达，圆锥花絮，自花授粉，原产于中国，是世界主要粮食作物之一，超过 50% 人口以水稻为主食，依靠生物技术手段提高水稻单产是解决全球粮食安全问题的重要方向[1-2]. 按不同分类标准可分为粳稻和籼稻、糯稻和非糯稻、香稻与非香稻等; 并且用途广泛，除颖果可食用外，秸秆等在制肥、生产沼气等方面同样具有广泛用途. 同时，水稻种类繁多，不同种类水稻在抗病、抗衰、抗倒伏、抗逆方面表现各不相同，在光合效能上也不尽相同，光合作用是作物产量积累的重要基础[3-4]，也是植物生长发育的基础，其效率不仅与自身因素如叶绿素含量、叶片厚度和叶片成熟程度密切相关，还与外界环境因子如光强度、二氧化碳浓度、气温、空气相对湿度和土壤含水量相关[5-7]. 光合效能与生育期长短共同决定了水稻的产量. 同一生长条件下不同品种水稻光合效能的差异则主要与该品种水稻对光和二氧化碳的利用能力差异有关. 通过实际测量光合效能相关指标，利用模型拟合光响应曲线和二氧化碳响应曲线并估算出相关光合参数如光补偿点、光饱和点、二氧化碳补偿点、二氧化碳饱和点、光合速率、表观量子效率、暗呼吸速率可以解析不同品种水稻对光和二氧化碳利用能力的差异，了解各品种水稻最适光强和二氧化碳浓度区间. 本文中拟通过对 R287、金 23B、Y58s、 HD9802s 四个水稻品种在抽穗期、灌浆期、乳熟期、蜡熟期的光合效能相关指标进行比较来揭示不同衰老表型水稻在生育期后期的光合效能差异、叶绿素含量差异与衰老表型之间的关系.
1 材料与方法
1. 1 试验地概况试验地位于湖北省孝感市孝南区高潮村水稻田间种植试验基地，自然光照，地属亚热带季风性气候，春季阴晴不定、夏季湿热、秋高气爽、冬季干寒.
1. 2 试验材料 R287、HD9802s、Y58s、金 23B 四种水稻材料，四种不同水稻材料均分两期在孝感试验基地种植，两期之间间隔 14 d，待各材料分别生长至抽穗期、灌浆期、乳熟期、蜡熟期时，随机选取各试验材料 3 兜，将所选材料的剑叶作为具体研究对象测定其对光和二氧化碳的响应曲线. 其中抽穗期材料为处于破口期、幼穗还未完全抽出时的材料，灌浆期为幼穗顶端开始出现灌浆时的材料，乳熟期为幼穗顶端穗粒饱满后三天时的材料，蜡熟期为幼穗顶端穗粒开始黄化时的材料.
1. 3 实验方法
1. 3. 1 光响应曲线的测定 于每天 8: 00 11: 30 进行，将便携式光合作用-荧光测量系统各组件连接完成后测定叶片的净光合速率对光强的响应曲线. 测定光强由弱到强，先开机预热 30 min，然后分别进行零点调零和叶室调零后，统一以叶片上表面向上. 二氧化碳浓度为 380 mL/m3 ，叶室温度设置为28 ℃.光强以 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 为梯度分别测定每组参数下的净光合速率( net photosynthetic rate，Pn ) 、气孔导度( Gs ) 、胞间二氧化碳浓度 ( Ci ) 、每个梯度重复 3 次，3 次之间的净光合速率( Pn ) 差值在 0. 5 以内则开始后续梯度依次测量.
1. 3. 2 二氧化碳响应曲线的测定 于每天 8: 00 11: 30 进行，将便携式光合-荧光测量系统连接完成后预热 30 min，然后分别进行零点调零和叶室调零，设置叶室温度为 28 ℃，光强设置为 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 为梯度由高到低进行梯度测量，相邻梯度间进行一次零点调零，每个梯度测量 3 次重复，分别测定每组参数下的净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度，3 次之间的净光合速率差值在 0. 5 以内则开始后续梯度的测量.
1. 3. 3 光响应曲线拟合模型 光响应曲线是一个分段函数模型，在光强低于 200 μmol·m - 2 ·s - 1 时，Pn 随光强的增强而增大，二者之间符合线性关系. 在光强高于 200 μmol·m - 2 ·s - 1 时，常见光响应曲线拟合模型包括直角双曲线模型、非直角双曲线模型、直角双曲线模型修正模型和指数模型. 由于直角双曲线模型、非直角双曲线模型和指数模型都是一条没有极值的渐进线，只有直角双曲线修正模型是一条有极值的线[8]，可以较好地拟合高光强下 Pn随光强增强而下降的过程. 可以直接依据拟合的方程求出光饱和点，依据另外三种模型求解的光饱和点，最大净光合速率与实测值有较大偏离，直角双曲线修正模型各项参数与实测值具有较好的吻合性[9-11]. 因此选用直角双曲线修正模型来拟合光响应曲线.
1. 3. 4 二氧化碳响应曲线拟合模型 二氧化碳响应曲线也是一个分段函数，在二氧化碳浓度低于 200 mL /m3 时，Pn随二氧化碳浓度升高而增大，二者之间同样符合线性关系. 当二氧化碳浓度高于 200 mL / m3 时，经典拟合模型有直角双曲线模型、非直角双曲线模型、直角双曲线模型修正模型、指数模型和 Michaelis-Menten 模型. 仅直角双曲线修正模型是有极值的，其余模型均无极值，但是由于在二氧化碳响应曲线的拟合中 Michaelis-Menten 模型应用更为广泛，在本试验的数据分析过程中对二氧化碳响应数据进行拟合时，Michaelis-Menten 模型决定系数( R2 ) 最大，R2 越大证明拟合效果越好，因此本试验采用 Michaelis-Menten 模型对二氧化碳响应曲线进行拟合.
1. 3. 5 叶绿素浸提 配制丙酮∶ 乙醇( 1∶ 1) 混合液，将新鲜叶片用直径 10 mm 打孔器打孔，每个水稻品种三个实验重复，每个重复均用 25 mL 浸提液浸提 0. 15 g 叶片，室温遮光浸提 22 h，然后将浸提液在 645 nm 和 663 nm 下测定吸光度.
1. 3. 6 数据处理 数据用 Excel 软件进行初步处理，用 STATISTICA 软件进行拟合，用 Sigma Plot 9. 0 绘图.
2 结果与分析
2. 1 光响应曲线的拟合及比较分析 依据直角双曲线修正模型的分段函数模型，当光强低于 200 μmol·m - 2 ·s - 1 时，水稻净光合速率( Pn ) 与光强( I) 之间的关系可以用函数关系式表述为 Pn = Q × I - Rday，当光强高于 200 μmol·m - 2 ·s - 1 时，Pn 与光强之间的关系可以表述为 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 均为系数，Rday为暗呼吸速率，Pnmax为最大净光合速率. 以 R287 蜡熟期材料为例，用直角双曲线模型修正模型拟合实际测量的对应各个光强下的最大净光合数据可以得到如图 1 的拟合结果，由决定系数( R2 ) 值为 0. 990 8 可以看到拟合优度高，拟合结果符合预期，比较四个品种在四个不同时期的拟合数据如表 1 2 可以看出，同一品种材料的光补偿点从抽穗期、灌浆期、乳熟期到蜡熟期依次升高，而光饱和点和最大净光合速率随之逐渐降低，由此可以说明虽然四种水稻的光合效能指标随生长时期变化而变化的趋势一致，但不同品种之间变化幅度的差异则反映了四种材料随时期的变化而衰老的速度不同，在抽穗期和灌浆期，R287 和金 23B 最大净光合速率相对较高，而 HD9802s 和 Y58s 的最大净光合速率都相对较低，同时，HD9802s 的补偿点较另外 3 个品种偏高，而光饱和点偏低，表明 HD9802s 在抽穗期和灌浆期对低强度和高强度光照的利用能力要差一些. 而进入乳熟期后，金 23B 和 R287 的最大净光合速率下降幅度明显高于 Y58s 和 HD9802s，四种材料的最大净光合速率之间差异明显缩小. 进入蜡熟期后，Y58s 和金 23B 最大净光合速率则明显大幅度下降，绝对数值明显低于 HD9802s 和 R287，衰老速度明显快于后两种材料. 尤其 HD9802s 在蜡熟期各项光合效能指标几乎没有大幅度的变化，同时表现出叶青籽黄的明显现象，说明 HD9802s 具有明显的迟衰现象，R287 的迟衰现象则较 HD9802s 差一些，但相对金 23B 而言效果仍然比较明显.
期刊推荐：《中国水稻科学》(双月刊)创刊于1986年，是由中国水稻研究所主办的学术性季刊。主要报道以水稻为研究对象的未经发表的原始论文。所设栏目包括研究报告、研究简报、研究快报、研究简讯、实验技术、学术专论、文献综述等。反映了水稻科学研究的最新进展，在推动水稻科研的国际间学术交流中起到了积极的作用。
2. 2 二氧化碳响应曲线的拟合及比较分析 依据 Michaelis-Menten 模型的分段函数模型，在二氧化碳浓度低于 200 mL /m3 时，净光合速率与二氧化碳浓度之间的关系可以用函数关系式表述为 Pn = α × CCO2 - Rp，当二氧化碳浓度高于 200 mL /m3 时，净光合速率( Pn ) 与二氧化碳浓度之间的关系可以用函数表述为 Pn = Pnmax × CCO2 /( CCO2 + k) - Rp，其中 α: 羧化效率，Rp : 光呼吸速率，k 为系数. 4 种材料的拟合效果与实图 2 R287 蜡黄期二氧化碳响应曲线拟合测值吻合情况较好，拟合优度系数较高，拟合结果符合预期，以 R287 蜡熟期为例，拟合效果如图 2，拟合曲线与实测值高度吻合. 四个品种各时期的拟合数据见表 3 和表 4，由拟合优度检验系数 ( R2 ) 可以看出拟合效果较好，各品种各时期的拟合效果均与实测值吻合度较好，四个品种的水稻材料从抽穗期、灌浆期到乳熟期和蜡熟期，二氧化碳补偿点呈现不同程度的上升，而饱和点和最大净光合速率则呈现不同程度的下降.在抽穗期，金 23B 和 R287 最大净光合速率高于 Y58s 和 HD9802s，二氧化碳补偿点介于后两者之间，表明对低浓度二氧化碳利用能力，HD9802s 最强，Y58s 最差，而二氧化碳饱和点差异则反映在抽穗期对高浓度二氧化碳利用能力，HD9802s 最强，金23B 最差. 在灌浆期，四个品种的各项指标变化较为稳定，最大净光合速率差异较小，二氧化碳补偿点和二氧化碳饱和点的差异保持稳定. 在乳熟期，金 23B 和 R287 的最大净光合速率下降幅度明显较 HD9802s 和 Y58s 大. 在蜡熟期，金 23B 的最大净光合速率仍然大幅下降，Y58s 也大幅下降，而 R287 下降幅度则小一些，HD9802s 下降幅度最小. 绝对数值上金 23B 和 Y58s 最大净光合速率明显低于 HD9802s 和 R287. 金 23B 在 4 个时期中随时期变化，最大净光合速率变化幅度最大，持续大幅度下降.早衰现象最为明显，而 HD9802s 在四个时期最大净光合速率最为稳定，同时呈现出叶青籽黄现象，迟衰现象最明显.
2. 3 不同品种水稻蜡熟期叶绿素含量比较分析 将不同浸提液在 645 nm 和 663 nm 下测定吸光度后经过公式计算，结果如表 5. 在蜡熟期，R287 和 HD9802s 的叶绿素 a、叶绿素 b 含量均高于对照的早衰性水稻品种金 23B 和 Y58s. 上述实验结果进一步证明不同衰老表型水稻在蜡熟期其叶绿素含量与光合效能均存在较大差异.
