基于光合電子流的超級(jí)早稻光合特性研究

賀 俐 羅 輝 賀曉鵬 邊建民 朱昌蘭傅軍如 吳 楊 賀浩華

(1江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)學(xué)院,江西 南昌 330045;2井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,江西 吉安 343009)

水稻(Oryza sativaL.)作為一種重要的糧食作物,為了滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)糧食的需求,其單產(chǎn)的提高刻不容緩,當(dāng)前超級(jí)稻培育是提高產(chǎn)量的重要途徑[1-2]。光合作用是作物生產(chǎn)力高低的關(guān)鍵因素[3],因此,越來(lái)越多科研工作者關(guān)注水稻的光合特性研究,主要集中在不同生態(tài)因子對(duì)水稻光合特性影響[4-7],不同栽培方式對(duì)水稻光合特性的影響[8-9],比較不同水稻品種間的光合特性[10-11]等方面。研究中常見(jiàn)的光合特性生理指標(biāo)有飽和光強(qiáng)(saturation light intensity of photosynthesis rate,Ⅰsat)、凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、PSⅡ有效光量子效率(actual photochemical efficiency in photosystem Ⅱ,ΦPSⅡ)等,很少有關(guān)于光合電子傳遞速率(electron transport rate,ETR)的研究報(bào)道。與光合電子流有關(guān)的研究中,一般用光系統(tǒng)Ⅱ的ETR 來(lái)代表光合電子流的大小,其值越大,表明其形成光合能力越強(qiáng)[12]。近些年,光合ETR與光強(qiáng)之間的關(guān)系及其在植物光合過(guò)程中的作用得到了科研人員的廣泛關(guān)注,并取得了較大進(jìn)展[13-15]。

在超級(jí)稻光合特性研究中,大量試驗(yàn)都是比較不同光合指標(biāo)在品種間的差異或是不同環(huán)境條件下指標(biāo)變化的趨勢(shì)來(lái)研究品種間的光合特性[16]。而植物光合作用原初反應(yīng)過(guò)程中電子傳遞相關(guān)的參數(shù),最大電子傳遞速率(ETRmax)、飽和光強(qiáng)(Saturation light intensity of electron transport rate,PARsat)、初始斜率(αe)等一般通過(guò)光合模型擬合計(jì)算[17]。不同模型擬合效果相差較大,因此參數(shù)的擬合計(jì)算非常關(guān)鍵,模型的選擇直接影響后續(xù)試驗(yàn)的開(kāi)展。目前,植物光合電子流對(duì)光響應(yīng)模型主要分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃桶霗C(jī)理模型兩大類(lèi)[14]。其中,經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕](méi)有考慮到植物光合作用的原初反應(yīng)、電子傳遞等過(guò)程,且不能合理解釋光抑制現(xiàn)象,無(wú)法直接計(jì)算光飽和點(diǎn)[12]。半機(jī)理模型只涉及光能的吸收和激發(fā),未考慮電子的共振傳遞和轉(zhuǎn)化等過(guò)程,同樣不涉及捕光色素分子內(nèi)稟參數(shù)在這些過(guò)程中的作用,無(wú)法計(jì)算ETRmax和PARsat等光合參數(shù)[18-19]。鑒于此,在充分考慮光合作用的原初反應(yīng)過(guò)程和捕光色素分子光能吸收特性的基礎(chǔ)上,Ye等[20-21]建立了一個(gè)光合電子流對(duì)光響應(yīng)的機(jī)理模型。該模型已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可和引用[22-23]。

植物葉片捕光色素分子對(duì)光能的吸收、傳遞以及電荷分離等過(guò)程與光合作用的原初反應(yīng)密切相關(guān)[24-25]。在正常環(huán)境下植物的光合作用是由植物本身的內(nèi)稟特性所決定的[26],如捕光色素分子的數(shù)量、光能吸收截面和光能退激發(fā)速率等因素[27]。原初反應(yīng)過(guò)程中形成的光合電子流是植物光合能力形成的重要基礎(chǔ),然而植物葉片中的哪些內(nèi)稟特性會(huì)對(duì)ETR 產(chǎn)生影響并進(jìn)一步影響其光合能力鮮有報(bào)道。因此,本研究從光合電子流對(duì)光響應(yīng)的機(jī)理模型出發(fā)[20-21],測(cè)定并推算光合電子流相關(guān)特征參數(shù)及捕光色素物理參數(shù),研究相同環(huán)境條件下超級(jí)早稻的光合特性,探索超級(jí)早稻葉片的ETR 對(duì)光響應(yīng)的變化規(guī)律,揭示光合電子流與光強(qiáng)、超級(jí)稻捕光色素分子物理特性之間的關(guān)系,旨在為超級(jí)早稻的光合作用機(jī)理研究提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

本研究于2016 年3-7 月在江西省吉安市青原區(qū)雷家村(27°11′N(xiāo),115°02′E)成片的雙季稻水稻生產(chǎn)田內(nèi)進(jìn)行。年平均氣溫17.7℃,全年≥10.0℃活動(dòng)積溫為5 500 ～5 800℃;全年≥10.0℃積溫天數(shù)250 ～300 d;年平均降雨量1 487 mm;年日照時(shí)數(shù)平均為1 814 h。土壤理化性質(zhì)為:pH 值5.61、有機(jī)質(zhì)2.49 g·kg-1、全氮1.07 g·kg-1、堿解氮141.28 mg·kg-1、速效鉀67.12 mg·kg-1、有效磷14.86 mg·kg-1。供試材料分別為淦鑫203、金優(yōu)458、株兩優(yōu)819、春光1 號(hào)、榮優(yōu)9 號(hào)、榮優(yōu)286、03 優(yōu)66;對(duì)照:金優(yōu)402,均由江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)早稻在土壤肥力相同的同一試驗(yàn)田栽培,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),小區(qū)面積為16 m2,3 次重復(fù)。大田育秧,3 月24 日播種,4 月24 日移栽,行株距為26.4 cm×15 cm,基本苗2 株/穴。施純N 180 kg·hm-2,P2O5105 kg·hm-2,K2O 180 kg·hm-2。氮肥施用比例為基肥∶分孽肥∶穗肥=4∶3∶3;磷肥全部作為基肥;鉀肥施用比例為基肥∶分孽肥∶穗肥=4∶3∶3?；试谝圃郧? d 使用,在移栽后5～7 d 施用分孽肥,在倒三葉露尖時(shí)施用穗肥,其他大田管理措施按照高產(chǎn)農(nóng)田要求進(jìn)行。于6 月26 日起連續(xù)3 d 晴天進(jìn)行光響應(yīng)曲線的測(cè)定,早稻處于灌漿期,隨機(jī)選取3 株長(zhǎng)勢(shì)相當(dāng)?shù)慕】抵仓?每株選擇3 張劍葉進(jìn)行測(cè)量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 光合電子流對(duì)光響應(yīng)數(shù)據(jù)的測(cè)定 在晴天上午8:00-12:00,利用LI-6400-40B 便攜式光合儀(Li-Cor INC,美國(guó))自帶光源,設(shè)自動(dòng)測(cè)量程序進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量,利用CO2鋼瓶控制CO2泵流速為500 mmol·s-1,濃度為390±2 μmol·mol-1,相對(duì)濕度控制在50%～70%,葉室溫度設(shè)定為35±1℃。光合有效輻射梯度設(shè)置為:2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50 和0 μmol·m-2·s-1,每隔180 s 記錄一個(gè)點(diǎn),測(cè)定葉片在不同光強(qiáng)下ETR 等光合參數(shù)。利用Ye 等[20-21]的機(jī)理模型對(duì)光合電子流響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合,計(jì)算ETRmax、PARsat、αe等。

1.3.2 捕光色素分子內(nèi)稟參數(shù)的計(jì)算 捕光色素分子的有效光能吸收截面(effetive light absorption crosssection,σ′ik)、本征光能吸收截面(eign-absorption cross-section,σik)、捕光色素分子數(shù)(number of lightcatching pigment molecules,No)處于最低激發(fā)態(tài)的捕光色素分子數(shù)(light-harvesting pigment molecules,Nk)、捕光色素分子處于最低激發(fā)態(tài)的最小平均壽命(the shorter minimum overage lifetime,τmin)的計(jì)算參照Ye 等[20-21]的方法。

1.3.3 葉綠素含量的測(cè)定 參照Arnon[28]的方法并加以改進(jìn)。用打孔器(直徑5 mm)避開(kāi)葉脈打15 個(gè)圓片,剪碎后置于離心管內(nèi),加入5 mL 80%丙酮,在黑暗處浸提24 h,用UV-2550 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(日本島津)分別測(cè)定470、645、652、663 nm 波長(zhǎng)處的吸光度值,并根據(jù)吸光度值計(jì)算單位面積的葉綠素含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用“光合計(jì)算軟件”(http:/ /photosynthetic.sinaapp.com/calc.html)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用SPSS 22.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,OriginPro 8.5 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合電子傳遞速率(ETR)對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)曲線

由圖1 可知,Ye 等[20-21]建立的光合電子流對(duì)光響應(yīng)的機(jī)理模型很好地?cái)M合了不同光強(qiáng)下水稻葉片的ETR-Ⅰ曲線,所有早稻品種的葉片在光強(qiáng)低于400 μmol·m-2·s-1時(shí),ETR 隨光強(qiáng)的增加幾乎直線增加,超級(jí)早稻與CK 的ETR 無(wú)顯著差異(P＜0.05);在光照強(qiáng)度400～1 600 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi),隨著光強(qiáng)的增強(qiáng),所有水稻品種的ETR 快速升高,超級(jí)早稻的ETR顯著高于CK(P＜0.05)。當(dāng)升至設(shè)置的最大光強(qiáng)(2 000 μmol·m-2·s-1)時(shí),所有水稻品種的ETR 均表現(xiàn)出下降趨勢(shì),出現(xiàn)PSⅡ的動(dòng)力學(xué)下調(diào)現(xiàn)象[29]。與CK 相比,超級(jí)早稻保持著較高的ETR,具有更強(qiáng)的光合能力。

由表1 可知,ETRmax和PARsat的擬合值與實(shí)測(cè)值非常接近,R2超過(guò)0.999。CK 的初始斜率αe最大,為0.351 μmol·μmol-1,顯著高于其他超級(jí)早稻品種,說(shuō)明其把光能轉(zhuǎn)化為電子流的能力最強(qiáng),但所有超級(jí)早稻品種的ETRmax均顯著高于CK,其中春光1 號(hào)的ETRmax最大,為228.45 μmol·m-2·s-1。CK 的PARsat最小,株兩優(yōu)819 的PARsat與CK 無(wú)顯著差異,其他超級(jí)早稻品種的PARsat均顯著高于CK,淦鑫203 的PARsat最大,為1 659.12 μmol·m-2·s-1。

圖1 超級(jí)早稻葉片的ETR 對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)曲線Fig.1 Light response curves of electron transport rate for leaves of super early rice

表1 超級(jí)早稻光合參數(shù)的測(cè)量值與擬合值Table 1 Measured and fitted values of photosynthetic parameters for super early rice

2.2 光合葉綠素含量及捕光色素分子內(nèi)稟特性的比較

由表2 可知,不同早稻品種間的葉綠素含量存在著差異,其中CK 的葉綠素含量最高,為702.36 mg·m-2,淦鑫203 的葉綠素含量最低,為558.07 mg·m-2,除春光1 號(hào)外,其他超級(jí)早稻的葉綠素含量均顯著低于CK。除了ETRmax和PARsat等光合參數(shù),通過(guò)光合電子流對(duì)光響應(yīng)機(jī)理模型還可估算捕光色素分子的一些物理參數(shù),如N0、τmin、σik等,超級(jí)早稻葉片中N0的變化情況和葉綠素相似,除超級(jí)早稻春光1 號(hào)外,其他超級(jí)早稻的No均顯著低于CK。CK 的葉綠素含量最高,但其捕光色素分子的σik最小,為1.81×10-21m2,淦鑫203 的葉綠素含量最低,但其捕光色素分子的σik最大,為2.32×10-21m2,春光1 號(hào)的σik與CK 相比無(wú)顯著差異,其他超級(jí)早稻品種的σik顯著高于CK。CK 的τmin最長(zhǎng),為132.95 ms,顯著高于其他超級(jí)早稻品種。

表2 超級(jí)早稻葉片的葉綠素含量和捕光色素分子物理參數(shù)Table 2 Chlorophyll content and physical parameters of light-harvesting pigment molecules for super early rice

2.3 不同光照強(qiáng)度下的捕光色素分子有效光能吸收截面

光能吸收截面能反映植物捕光色素分子對(duì)光能吸收能力的強(qiáng)弱,捕光色素分子的σ′ik則表示其在不同光強(qiáng)下捕獲光子能力的大小[20-21]。由圖2 可知,各早稻品種的σ′ik隨光強(qiáng)的增加呈非線性下降,但各早稻品種σ′ik的下降速度有所不同,其中淦鑫203 和株兩優(yōu)819 的σ′ik下降速度較慢且非常接近,CK 的σ′ik下降最快,σ′ik減少得越慢,越有利于光能的吸收和利用,上述結(jié)果表明,與CK 相比,超級(jí)早稻在不同光強(qiáng)下仍然保持著較大的σ′ik,特別是在高光強(qiáng)區(qū)域,淦鑫203的σ′ik最大,超級(jí)早稻品種的σ′ik均高于CK,說(shuō)明超級(jí)早稻品種在強(qiáng)光下仍然保持著較強(qiáng)的光吸收能力。

圖2 超級(jí)早稻的有效光能吸收截面對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)曲線Fig.2 Light response of curves of theeffective light absorption cross-section versus PAR for super early rice

2.4 處于最低激發(fā)態(tài)的捕光色素分子數(shù)對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)曲線

隨光強(qiáng)的不斷增加,所有早稻品種的Nk均呈非線性增加的趨勢(shì),一旦處于激發(fā)態(tài)的捕光色素分子不能及時(shí)回到基態(tài),這些激發(fā)態(tài)的捕光色素分子將對(duì)植物的光合器官產(chǎn)生傷害,從而影響植物光能的吸收和利用[30-31]。由圖3 可知,隨著光強(qiáng)增加,CK 的Nk上升最快,淦鑫203 的Nk上升最慢。在不同光強(qiáng)下,各超級(jí)早稻品種與CK 相比均保持著較低水平的Nk,表明超級(jí)早稻品種中有較多的捕光色素分子處于基態(tài),有利于其吸收光能。在高光強(qiáng)處,超級(jí)早稻的Nk均小于CK,表明超級(jí)早稻在高光強(qiáng)時(shí)的光吸收能力較CK 強(qiáng)。

圖3 超級(jí)早稻的有處于最低激發(fā)態(tài)的捕光色素分子對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)曲線Fig.3 Light response of curves of photosyntheticpigment numbers in the lowest excited state versus PAR for super early rice

3 討論

植物的光合能力與原初反應(yīng)過(guò)程中光合電子流的形成密不可分,光合電子流不僅是光合能力形成的基礎(chǔ),還是光合碳同化過(guò)程中的能量源泉[14]。原初反應(yīng)過(guò)程中捕光色素分子的內(nèi)稟特性不僅決定了光能的吸收與傳遞,也將影響到其后激發(fā)能的分配[32]。植物葉片的光合特性與捕光色素分子光能的吸收、傳遞和電荷分離等過(guò)程密切相關(guān)[27]。本研究運(yùn)用光合電子流對(duì)光響應(yīng)的機(jī)理模型從ETR 和捕光色素分子內(nèi)稟特性?xún)蓚€(gè)角度對(duì)超級(jí)早稻葉片的光合特性差異進(jìn)行了探討。結(jié)果表明,不同光強(qiáng)下盒超級(jí)早稻葉片ETR 對(duì)光的響應(yīng)曲線相類(lèi)似,在低光強(qiáng)處,隨著光強(qiáng)的增加超級(jí)早稻葉片ETR 快速增加,ETR 達(dá)到最大值后隨著光強(qiáng)的增加而緩慢下降,存在非常明顯的PSⅡ動(dòng)力學(xué)下調(diào)[29],這與捕光色素分子的σ′ik隨光強(qiáng)增加而下降有關(guān)[12]。本研究運(yùn)用的光合電子流對(duì)光響應(yīng)的機(jī)理模型很好地?cái)M合了超級(jí)早稻葉片的光合電子流對(duì)光的響應(yīng)曲線,具有極值,存在拐點(diǎn),可以準(zhǔn)確地得到ETRmax和PARsat。本研究結(jié)果顯示ETRmax和PARsat的擬合值與實(shí)測(cè)值非常接近,這與前人研究結(jié)論一致[33-35]。

通過(guò)測(cè)定和推算與光合作用相關(guān)的一些參數(shù),可以反映植物對(duì)光的捕獲和利用能力。植物的ETR 與1,5-二磷酸核酮糖(Ribulose bisphosphate,RuBp)的再生能力密切相關(guān),較低的ETR 會(huì)限制植物體內(nèi)NADPH 的生成與光合磷酸化,進(jìn)而限制植物的最大羧化效率(maximum carboxylation rate,Vcmax)[36],最終降低其光合能力。王強(qiáng)等[37]對(duì)瀕危植物長(zhǎng)葉榧進(jìn)行光合生理生態(tài)研究發(fā)現(xiàn),夏季長(zhǎng)葉榧較強(qiáng)的光合作用與其具有較高的ETRmax有關(guān)。本研究結(jié)果表示,超級(jí)早稻保持著較高的ETR,其ETRmax顯著高于CK,具有更強(qiáng)的光合能力。PARsat反映了植物對(duì)不同光強(qiáng)的利用能力和適應(yīng)性。葉子飄等[38]對(duì)不同草本植物光合特性差異進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)大狼把草的PARsat顯著高于山萵苣,且具有更高的ETRmax,其光適應(yīng)能力更強(qiáng)。本研究發(fā)現(xiàn),超級(jí)早稻品種的PARsat顯著高于CK,表明超級(jí)早稻具有更強(qiáng)的光合適應(yīng)能力。

植物葉片的葉綠素含量與其光合能力密切相關(guān)。植物葉片的ETRmax和PARsat不僅與葉綠素含量有關(guān),還與捕光色素分子的內(nèi)稟特性有關(guān)[26,38]。本研究中,超級(jí)早稻的葉綠素含量均低于CK,但其ETRmax和PARsat均高于CK,這可能與超級(jí)早稻具有較大的σik和較短的τmin有關(guān)。σik能反映植物捕光色素分子的潛在光能吸收能力,σik越大,捕光色素分子吸收光子的能力越強(qiáng),植物吸收光能的能力越強(qiáng)[32]。τmin值越小,激子越容易退激發(fā)到穩(wěn)定的基態(tài),越有利于能量傳遞到光化學(xué)反應(yīng)中心,ETR 就越大[17]。因此,單純地認(rèn)為葉綠素含量越多,ETRmax和PARsat就越大,植物光能吸收和利用能力就越強(qiáng)具有片面性,還要考慮植物捕光色素分子的σik、τmin等內(nèi)稟參數(shù)的影響。

植物的光能吸收截面與其所處環(huán)境密切相關(guān)[19]。捕光色素分子的σ′ik表示捕光色素分子在不同光強(qiáng)下的實(shí)際光能吸收能力[21]。σ′ik隨光強(qiáng)的增加而下降,不同植物的σ′ik對(duì)光的響應(yīng)是不同[26,39]。本研究中,超級(jí)早稻的捕光色素分子的σ′ik隨光強(qiáng)的增加下降速度較緩慢,而CK 的捕光色素分子的σ′ik隨光強(qiáng)的增加下降速度較快,表明超級(jí)早稻的捕光色素分子在光強(qiáng)較弱時(shí)的光能吸收能力較強(qiáng),而CK 的捕光色素分子光能吸收能力較弱,在高光強(qiáng)區(qū)域,超級(jí)早稻可以吸收更多的光子使光系統(tǒng)Ⅱ產(chǎn)生電荷分離,其ETR 高于CK。捕光色素分子吸收光能后,從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。處于高能態(tài)的捕光色素分子將通過(guò)共振傳遞的方式將大部分能量傳遞到光反應(yīng)中心,使PSⅡ發(fā)生電離,產(chǎn)生光合電子流,剩余的能量則通過(guò)熒光退激發(fā)和熱耗散消耗掉[27,40-41]。三種退激發(fā)方式間存在著競(jìng)爭(zhēng),如果過(guò)多的捕光色素分子處于激發(fā)態(tài)且不能及時(shí)回到基態(tài),過(guò)多的捕光色素分子且處于激發(fā)態(tài)容易產(chǎn)生大量活性氧,與水作用形成H2O2,最終破壞光合結(jié)構(gòu),且處于基態(tài)的捕光色素分子數(shù)驟減,植物的光能吸收和電子傳遞受到阻礙,嚴(yán)重影響光合電子流的產(chǎn)生和后續(xù)的碳同化作用[40,42],從而對(duì)植物產(chǎn)生傷害。本研究結(jié)果表明,在不同光強(qiáng)下,各超級(jí)早稻品種的Nk均低于CK,表明超級(jí)早稻品種具有較多的捕光色素分子處于基態(tài),有利于其光合電子流的產(chǎn)生和光合作用的進(jìn)行。這可能與超級(jí)早稻的τmin均小于CK 有關(guān),τmin越小,處于基態(tài)的捕光色素分子越多,越有利于光能的吸收和利用。

4 結(jié)論

本研究以超級(jí)早稻為試驗(yàn)材料,通過(guò)測(cè)定不同光強(qiáng)下超級(jí)稻的ETR 等光合參數(shù),首次利用光合電子流對(duì)光響應(yīng)模型擬合了超級(jí)早稻的光合電子流光響應(yīng)的曲線并對(duì)品種間光合特性參數(shù)的差異進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,超級(jí)早稻相比CK 具有較好的光合特性,表現(xiàn)出ETRmax大,PARsat高的特性。水稻對(duì)光的捕獲和利用能力是影響其光合作用的一個(gè)決定性因素,水稻捕光色素分子的內(nèi)稟特性與光合特性密切相關(guān)。此外,捕光色素分子的σ′ik和處于激發(fā)態(tài)的捕光色素分子對(duì)光響應(yīng)曲線的差異也有可能影響它們的光合特性。本研究?jī)H從光合電子流的角度對(duì)超級(jí)稻的光合特性進(jìn)行了分析,今后還可以從凈光合速率對(duì)光響應(yīng)、光能利用效率、光化學(xué)量子效率等角度對(duì)其進(jìn)行全面的分析。