遮荫对2个水稻品种叶片生理生态学特征的影响

戈长水，应 武，陈惠哲，李金文，俞祥群

(1.浙江省杭州市农业科学研究院，浙江 杭州 310024;2.中国水稻研究所 水稻生物学国家重点实验室，浙江 杭州 310006;3.上海交通大学，上海 200030)

遮荫对2个水稻品种叶片生理生态学特征的影响

戈长水1，应 武1，陈惠哲2，李金文3，俞祥群1

(1.浙江省杭州市农业科学研究院，浙江 杭州 310024;2.中国水稻研究所 水稻生物学国家重点实验室，浙江 杭州 310006;3.上海交通大学，上海 200030)

研究遮荫对甬优9号和秀水63 2个水稻品种叶片形态与光合特征的影响表明，遮荫显著降低了2个水稻品种的叶绿素含量以及叶绿素a与b的比值，同时降低了叶片的厚度，并且显著的降低了最大净光合速率、量子效率、光补偿点和光饱和点，同时也显著降低了叶片的呼吸速率。在遮光情况下，2个品种水稻F0(初始荧光)均较高，但Fm(最大荧光)较低，遮荫使得叶片潜在的最大电子传递速率显著下降，叶绿体电子传递能力减弱，这可能是遮荫导致叶片光能力下降的一个重要原因。

光合速率;叶绿素荧光动力学;水稻

光照是影响作物生长和产量的重要因素。Kobata等［1］发现水稻在部分遮荫的情况下生长状态较好，然而在极度遮荫的情况下产量会有所下降。作物产量受叶片光合能力的影响。在弱的光照下，植物叶片单位面积叶绿素含量会降低，但单位质量叶绿素含量倒会有所提高，同时叶绿素的荧光特性会发生改变，CO2的同化能力也会下降，叶片从形态上也会变薄且拉长，而且植物地上部分干重与地下部分干重的比值会有所提高，这可能是植物为了截获更多的光能而做出的反应［2］。

本研究通过对水稻遮荫后叶片叶绿素荧光参数、光合速率等生理指标的分析，研究不同光照强度对水稻光合能力影响的内在机理，为水稻生产的管理提供科学的依据。

1 材料与方法

1.1 材料与处理

试验于2009年在杭州市农业科学研究院温室大棚内进行。参试水稻品种为甬优9号和秀水63。在人工气候室内育秧，2月10日将带有5张叶片的秧苗移栽入装有均匀土壤的塑料桶中，每桶3丛，每丛2本，每个品种共10桶。2月20日用遮阳网将1/2的水稻进行遮荫处理，遮荫率为65%;另1/2为自然光照。

1.2 测定项目及方法

叶片厚度、比叶重、叶绿素含量的测定。每个品种的每个处理取顶部完全展开的10张叶片，利用位移传感器 (YI-20010A，中国计量学院研发)测量叶片厚度。利用叶面积仪 (ADC，UK)测定叶面积，计算比叶重。利用95%的酒精抽提叶绿素，在665 nm和649 nm波长下测定吸光度，并计算叶绿素含量。

气体交换参数的测定。从2月23日起连续测量顶部完全展开叶的SPAD读数，每个处理共测量15张叶片。3月23日利用用Li-6400便携式光合测定系统 (Li-Cor，Lincoln，NE，USA)测定叶片的净光合速率 (net photosynthetic rate，Pn)，使用开放气路，测定前，叶片在光合作用饱和光强下至少诱导30 min。测定时使用大气CO2浓度，用6400-02B LED红蓝光源控制光强，依次设定光合光量子通量密度 (PPFD) 为 1 200，1 000，800，600，400，200，100，50，25，0 μmol·m－2·s－1，每一光强下至少停留200 s。光响应曲线利用下面公式拟合:

式中:θ为曲线的曲率;I为光强;∂为植物光合作用对光响应曲线在I=0时的斜率，即光响应曲线的初始斜率，也称为初始量子效率;Pmax为最大净光合速率，Rd为暗呼吸［3］。

叶绿素荧光参数的测定。利用配置大探头的调制荧光成像系统MAX-IMAGING-PAM(WALZ，德国)测量全叶片叶绿素荧光动力学。该系统提供调制测量光、光化光和饱和脉冲。测量光频率为1 Hz，强度为 0.5 μmol·m－2·s－1。光化光强为 185 μmol·m－2·s－1，持续时间 10 min。饱和脉冲强度为 2 800 μmol·m－2·s－1，持续时间为 0.8 s。信号用640×480像素的数码相机CCD记录。测量的主要参数，F0为初始荧光，Fm为最大荧光产量。F0’为作用光关闭时的原初荧光产量。Fm’为作用光打开时的最大荧光产量。Fo’/Fm’为有效光化学量子产量，它反映开放的PSⅡ反应中心原初光能捕获效率。Yield(II)为实际光化学量子产量，它反映PSII反应中心在部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率，叶片不经过暗适应在光下直接测定，以 (Fm’ －F) /Fm’表示。qP为光化学淬灭系数，以 (Fm’ －F) /(Fm’ －Fo’)表示。NPQ为非光化学淬灭，以 NPQ=Fm/Fm’－1或qN=1－ (Fm’ －Fo’) /(Fm－Fo) =1－Fv’/Fv表示。ETR为相对电子传递速率(electron transport rate)，ETR =ΦPSII·PPFD ×0.5×0.84，其中0.5是假设吸收的光被2个光系统均分得到的参数，0.84是吸光系数。

ETR随PPFD的变化图即为光响应曲线。即使光化光的持续时间短至10 s，也可得出典型的光响应曲线，并被称为快速光曲线 (rapid light curve，RLC)。为了测定不同光照梯度下生长的叶片的RLC，设置光照梯度为 0，20，55，110，185，280，395，460，541，602，700，800 和 925 μmol·m－2·s－1，时间间隔为 10 s。为对 RLC 进行量化描述，根据Plaat等的方程进行曲线拟合:

式中:P是相对电子传递速率;Pm是潜在的最大光合速率;a为初始斜率，反映了光能的利用效率;β为光抑制参数，是高光强下下降部分的斜率［4］。

1.3 数据分析

叶片生理生态学数据利用SPSS16.0进行单因素的方差分析，用Duncan’s-test统计分析法进行显著性测验。曲线拟合采用SPSS里的Nonlinear模块进行。

2 结果与分析

2.1 叶片SPAD读数、叶绿素含量和形态特征

遮荫对2个水稻品种叶片产生了显著影响。水稻是喜阳植物，它对光照条件要求较高。遮荫显著降低了2个水稻品种叶片 SPAD的读数 (图1)。在遮荫的情况下，叶色变浅，叶片的厚度变薄，比叶重下降。

图1 遮荫、不遮荫甬优9号 (A)和秀水63(B)叶片SPAD值的动态变化

同时叶绿素含量显著下降，叶绿素a/b下降，有利于吸收低光环境下漫射光中的蓝紫光，这些变化是叶片为了适应不同的光照环境 (表1)。遮荫还降低了2个水稻品种的分蘖数，同时降低了水稻的高度。可见遮荫处理显著降低了水稻的生产能力。甬优9号在遮荫情况下SPAD值下降较小，随着时间的推移，遮荫处理的秀水63与未遮荫的相比叶片SPAD读数的差异越来越大，然而甬优9号叶片SPAD却越来越小，同秀水63相比，甬优9号较为耐阴。

表1 不遮荫、遮荫甬优9号和秀水63的比叶重、叶片厚度、叶绿素含量及叶绿素a/b

2.2 叶片光合特征

遮荫使得2个水稻品种的最大净光合均显著下降 (表2)。遮荫情况下甬优9号的气孔导度没有显著变化，表明甬优9号气孔导度对遮荫有一定的补偿作用。但是秀水63的气孔导度却显著下降。同样，遮荫对甬优9号胞间CO2和蒸腾速率没有显著影响，但却显著降低了秀水63胞间CO2浓度和蒸腾速度。这可能是遮荫促使秀水63的气孔导度显著下降，由于气孔导度与胞间CO2浓度和蒸腾速率密切相关，蒸腾速率的下降，会导致胞间CO2浓度和蒸腾速度的下降，从而可能导致了最大净光合的下降。

表2 不遮荫、遮荫甬优9号和秀水63的叶片光合交换特征

遮荫和不遮荫情况下2个水稻品种的叶片光响应曲线见图2。Pn公式较好的拟合了光响应曲线(R2＞0.95，P＜0.001)。遮荫显著地降低了最大净光合速率，量子效率，光补偿点和光饱和点，表明遮荫降低了水稻的光合能力 (图2)。遮荫也显著降低了叶片的呼吸速率，这是水稻为了适应弱的光照，大幅度的降低了呼吸消耗，以尽可能的增加对有限光能的利用。实际上，遮光时Pn的降低是光照强度、叶绿素含量、气孔因素和光系统光能分配自我调节等共同作用的结果。遮光后叶片光补偿点和光饱和点降低，表明遮光处理叶片光合机构的暗反应效率下降，对光能的需求减少［5］。

图2 不遮荫、遮荫甬优9号 (A)与秀水63(B)的光响应曲线

2.3 叶绿素荧光参数

遮荫对叶片的叶绿素荧光产生了显著的影响(图3和表3)。

初始荧光强度 (Fo)是指水稻叶片光适应后，PSII反应中心都开放时的荧光强度，其值大小主要与激发光的强度及叶绿素含量有关。在遮光情况下，2个水稻品种的F0均较高 (图3中 A)，这同牟会荣等的研究结果类似［6］。遮荫降低了2个水稻品种的 Fm和 Fm/Fv(图3中 B，C)。Fv/Fm值反映了经充分暗适应的水稻叶片PSⅡ的最大光化学效率，其变化是由非光化学淬灭效率变化引起的，常用于度量植物叶片PSⅡ原初光能转换效率及PSⅡ潜在活性。Fv/Fm值下降表明遮荫降低了水稻叶片最大光化学效率。说明光强过弱使PSII原初光能转化效率下降，抑制了2个水稻品种光合作用的原初反应，进而影响光合作用整个过程。Fm是已经暗适应的光合机构全部PSⅡ反应中心处于完全关闭时的荧光产量。遮荫降低了 Fm(图3中C)。Fm可反映通过PSⅡ的电子传递情况，说明遮荫对PSII的电子传递产生影响。

图3 遮荫、不遮荫甬优9号和秀水63的F0(A)，Fv/Fm(B)和Fm(C)

表3 遮荫、不遮荫甬优9号和秀水63的光响应曲线拟合结果

2.4 快速光曲线

通过快速光曲线不仅能够判断当前状态下植物的光合作用能力，而且能够评估环境中较为广泛的光强度对植物潜在的光合作用能力的影响。图4是不同光强下水稻叶片的 ETR。遮荫对快速光曲线的初始斜率并没有显著的影响，说明遮荫并没有对水稻捕光系统造成显著影响。不同情况下光抑制系数均非常小 (表4)，可见在2种情况下均没有明显的光抑制发生。然而遮荫的情况下，潜在的最大电子传递速率显著下降，这说明遮荫情况下电子传递能力减弱，这可能是导致叶片光合能力下降的一个重要原因。

图4 遮荫、不遮荫甬优9号 (A)和秀水63(B)的快速光曲线

表4 遮荫和不遮荫甬优9号和秀水63的快速光曲线拟合结果

2.5 ΦPSII、qP、NPQ

ΦPSII不仅与碳同化有关，也与光呼吸及依赖O2的电子流有关，代表线性电子传递的量子效率［7］。遮荫显著降低了2个水稻品种叶片的ΦPSII(图5中 A，D)，这可能也是促使 ETR降低的原因。qP是表示总PSII反应中心中开放的反应中心所占比例的指标。qP愈大，PSⅡ的电子传递活性愈大［8］。遮荫使得2个水稻品种的 qP降低，而且随着PPFD的增加，遮荫和不遮荫情况下qP的差异越来越大 (图5中B，E)，证明遮荫使得从PSⅡ氧化侧向PSⅡ反应中心的电子流动受到抑制。NPQ(非光化学淬灭)反映的是PSII天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分。当PSII反应中心天线色素吸收了过量的光能时，如不能及时地耗散将对光合机构造成失活或破坏，所以非光化学淬灭是一种自我保护机制，对光合机构起一定的保护作用［9］。光照条件下生长的2个水稻品种叶片非光化学耗散水平都随着光强的增加而升高，但当PPFD在200 μmol·m－2·s－1以上时，遮荫叶片的 NPQ显著低于自然光下生长的叶片，且差异逐渐增加。其生理学机理需要深入的研究。

图5 遮荫、不遮荫甬优9号 (A，B，C)和秀水63(D，E，F)的ΦPSII，qP，NPQ对PPFD的响应

3 小结与讨论

遮荫显著降低了2个水稻品种的叶绿素含量以及叶绿素a与b的比值，同时降低了叶片的厚度，并且显著的降低了最大净光合速率、量子效率、光补偿点和光饱和点，同时也显著降低了叶片的呼吸速率。这些可能是叶片为了适应不同的光照环境做出的调整。

遮荫的情况下，叶片最大净光合下降，叶片潜在的最大电子传递速率显著下降，这说明遮荫使叶绿体电子传递能力减弱，这可能是遮荫导致叶片光能力下降的一个重要原因。

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S 511

A

0528-9017(2012)07-0927-05

文献著录格式:戈长水，应武，陈惠哲，等.遮荫对2个水稻品种叶片生理生态学特征的影响［J］.浙江农业科学，2012(7):927－931，935.

2012-03-12

杭州市科技发展计划项目 (20110634M23)

戈长水 (1956－)，男，浙江杭州人，农艺师，从事水稻育种与栽培工作。E-mail:hzyingwu@163.com。

(责任编辑:张才德)