全 文 ：超级杂交稻两优培九及其亲本的光氧化特性 3
王荣富 3 3 　张云华　钱立生　于江龙
(安徽农业大学生命科学学院 ,合肥 230036)
【摘要】　通过比较超级杂交稻两优培九和其亲本的光能利用与活性氧代谢的差异 ,为培育耐光氧化的杂
交稻提供选亲配组的生理依据. 使用 TPS2光合仪和 FMS2 荧光仪 ( Hansatech ,U K)分别测定了人工光氧化
处理后水稻叶片的光合速率与叶绿素荧光 ,同时测定了叶绿素、蛋白质和丙二醛的含量 ,以及超氧化物歧
化酶和过氧化物酶的活性. 结果表明 ,两优培九的光合速率低于母本 2. 4 % ,高于父本 23 % ;光氧化处理 8
d 后 ,与母本相比 ,两优培九的叶绿素、蛋白质、原初光化学效率、超氧化物歧化酶和过氧化物酶分别高于
母本 33 %、15 %、30 %、32 %和 100 % ;光化学猝灭系数和丙二醛分别低于母本 9 %和 50 % ,与父本相比 ,则
差异不大. 超级杂交稻两优培九在光氧化条件下光能利用率较高 ,在耐光氧化特性上具有超亲的光合生理
特性.
关键词 　超级杂交稻 　光氧化 　叶绿素荧光特性 　膜脂过氧化
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 08 - 1309 - 04 　中图分类号 　S311 　文献标识码 　A
Photooxidation characteristics of super2hybrid rice“Liangyoupeijiu”and its parents. WAN G Rongfu ,ZHAN G
Yunhua, Q IAN Lisheng , YU Jianglong ( College of L if e Sciences , A nhui A gricultural U niversity , Hef ei
230036 , China ) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (8) :1309～1312.
With comparison of the differences of light absorption and active oxygen metabolism between super2hybrid rice
“Liangyoupeijiu”and its parents , this paper provided a physiological foundation of matching and grouping for
cultivating anti2photooxidized hybrid rice. TPS2photosynthetic system and FMS22fluorescence ( Hansatech , U K)
were used to respectively determine the photosynthetic rate and the chlorophyll fluorescence in the rice leaves that
had been processed in artificial photooxidization. Meanwhile , the contents of chlorophyll , protein and malonalde2
hydic acid (MDA) as well as the activation of superoxide dismutase (SOD) and peroxidase ( POD) were deter2
mined. The results showed that the photosynthetic rate of“Liangyoupeijiu”was 2. 4 % lower than that of its fe2
male parent , and 23 % higher than that of its male parent . After eight days anti2photooxidization process , its
chlorophyll content was higher than that of its female parent by 33 % , protein by 15 % , initial photochemical ef2
ficiency by 30 % , SOD by 32 % and POD by 100 % , while its photochemical quince coefficient was lower than
that of its female parent by 9 % and MDA by 50 %. It showed that there was not much difference between the
filial generation and its male parent . The super2hybrid rice“Liangyoupeijiu”was very efficient for solar energy
utilization under the condition of photooxidization , and had outgrown its parents in the aspect of anti2photooxi2
dization.
Key words 　Super2hybrid rice , Photooxidization , Characteristics of chlorophyll fluorescence , Membrane lipid
peroxidation. 3 国家重点基础研究发展规划项目 ( G1998010100) 和安徽省自然科
学基金资助项目 (01041106) .3 3 通讯联系人.
2002 - 12 - 06 收稿 ,2003 - 03 - 10 接受.
1 　引 　　言
两优培九 (培矮 64S/ 9311) 是江苏省农业科学
院粮食作物研究所以培矮 64S ( PA64S) 为母本、中
籼“9311”为父本选育而成的重穗型超级杂交稻 ,具
有高产优质、多抗和适应性广等优点[15 ] . 目前 ,人们
对其已进行了高产形成机理的研究[3 ] . 与大面积推
广的杂交稻汕优 63 相比 ,两优培九在光合作用方面
具有较高的叶绿素含量和光合速率 ,在晴天中午强
光下 ,光合作用光抑制较轻 ;在光氧化条件下 ,叶绿
素含量下降较少 ,表现耐光氧化[8 ,9 ,13 ] . 至于两优培
九与其亲本之间光氧化特性的关系迄今鲜见报道.
为此本文研究了两优培九和母本 PA64S 以及父本
“9311”的光氧化特性 ,以便为培育耐光氧化的杂交
稻提供选亲配组的生理依据.
2 　材料与方法
211 　供试材料
以超级杂交稻两优培九 (培矮 64S/ 9311) 和母本温 (光)
敏感型不育系“PA64S”以及父本中籼“9311”为试验材料 ,在
南京进行盆栽试验. 种子用 0. 1 % H2O2 清毒 5 min ,30 ℃水
中浸泡 48 h ,在恒温培养箱中 35 ℃催芽 24 h ,分期播种. 幼
苗每盆 5 穴 ,每穴 1 苗 ,定植于江苏省农业科学院遗传生理
应 用 生 态 学 报 　2003 年 8 月 　第 14 卷 　第 8 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Aug. 2003 ,14 (8)∶1309～1312
研究所网室中 ,常规管理.
212 　试验方法
21211 光合速率的测定 　用 TPS21 光合仪在孕穗期测定连
体旗叶光合速率 ,光强为 1 000μmol·m - 2·s - 1 ,重复 5 次.
21212 光氧化处理 　为了使叶片处在低 CO2 、高光的逆境
中 ,按 Jiao[10 ]的方法 ,取水稻孕穗期旗叶进行光氧化处理. 将
水稻离体叶片放在白瓷盘中 ,注满自来水 ,用透明玻璃压住 ,
避免叶片浮起 ,在晴天光照 8 d ,中午时最高光强为 1 400
μmol·m - 2·s - 1 ,每天照光 12 h 左右 ,用换水方法保持温度不
超过 35 °C ,相隔 2 d 测定 1 次 ,重复 3 次.
21213 Chl 含量测定 　叶圆片浸于 80 %丙酮中 ,暗中静置 ,待
叶圆片脱色 ,用 UV2754 型分光光度计按 Arnon[1 ]的方法测
定和计算.
21214 蛋白质含量测定 　蛋白质含量按 Bradford[2 ]的方法测
定 ,用牛血清蛋白做标准曲线.
21215 叶片叶绿素荧光参数测定 　用 FMS2 荧光仪 ( Hansat2
ech ,U K)测定叶绿素荧光动力学参数. 光氧化处理的叶片在
室温 (25 °C)下暗适应 30 min 后 ,参照 Genty 等[9 ]的方法测
定光化学效率 ( Fv / Fm ) 、光化学猝灭系数 ( qP) 、非光化学猝
灭系数 ( qN ) ,作用光 1 200μmol·m - 2·s - 1 ,饱和脉冲光 4
000μmol·m - 2·s - 1 ,闪光 (0. 9μmol·m - 2·s - 1) 2 s ,间隔 30 s.
各处理每 2 d 测定 1 次荧光 ,3 次重复. 荧光动力学参数按下
式计算 : Fv / Fm = ( Fm - F0) / Fm , qP = ( Fm′- Fs) / ( Fm′-
F0′) [10 ] , qN = 1 - ( Fm′- F0′) / ( Fm - F0) [16 ] .
21216 其它测定 　丙二醛根据 Heath 等[7 ]的方法测定. SOD
活性按 Giannopolitis 等[6 ]的方法测定. 过氧化物酶 ( POD) 活
性按 Kochba 等[12 ]的方法测定.
3 　结果与分析
311 　孕穗期旗叶的光合速率
　　杂交稻两优培九及其亲本 PA64S 和 9311 的光
合速率见图 1. 由图 1 可见 ,母本 PA64S 光合速率较
高 ,为 25. 2μmol·m - 2·s - 1 ,父本 9311 光合速率较
低 ,为 20μmol·m - 2·s - 1 ,而两优培九的光合速率为
24. 6μmol·m - 2·s - 1 . 杂交稻两优培九与其母本相
接近 ,具有超单亲父本的优势.
图 1 　两优培九及其亲本旗叶光合速率的比较
Fig. 1 Comparison of photosynthesis rate of flag leaf in Liangyoupeijiu
and its parents (light density is 1 000μmol·m - 2·s - 1) .
312 　叶绿素和蛋白质含量的变化
　　在光氧化条件下 ,叶绿素和蛋白质含量的衰减
程度可以反映不同水稻品种耐光氧化能力. 图 2 表
明 ,随光氧化处理时间的延长 , PA64S 的叶绿素、叶
绿素 a/ b 和蛋白质含量衰减较快 ,到第 8 d 分别下
降了 66. 15 %、30. 38 %和 70. 21 % ,表明其对光氧化
较敏感 ;9311 经过光氧化处理 8 d 后叶绿素、叶绿素
a/ b 和蛋白质含量分别下降了 38. 51 %、17. 5 %和
58. 33 % ,比母本耐光氧化. 杂交稻两优培九在光氧
化处理 8 d 后的叶绿素、叶绿素 a/ b 和蛋白质含量
则分别下降了 33. 86 %、11. 18 %和 55. 1 % ,较父母
本耐光氧化 ,说明其耐光氧化具有超双亲的优势.
图 2 　在光阳化条件下两优培九及其亲本的叶绿素和蛋白质含量的
变化
Fig. 2 Changes of chlorophyll and protein content in Liangyoupeijiu and
its parents under photooxidation condition.
313 　叶绿素荧光动力学分析
　　Fv / Fm 表示 PS Ⅱ原初光能转化效率[14 ,17 ]或
PS Ⅱ光化学最大效率[11 ] . 由图 3 可见 ,在光氧化条
件下 Fv / Fm 随处理时间延长逐渐降低. 光氧化处理
8 d 后 , PA64S 和 9311 的 Fv / Fm 分别下降了
56. 24 %和 30. 99 % ,而两优培九下降相对较少 ,为
26. 63 %.
　　qP 值表示光化学荧光猝灭系数 ,是对 PS Ⅱ原
初电子受体 QA 氧化态的一种量度 ,代表 PS Ⅱ反应
中心的开放比例[7 ,16 ] . 光氧化导致光化学荧光猝灭
0131 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
图 3 　光氧化条件下两优培九及其亲本叶绿素荧光参数的变化
Fig. 3 Changes of chlorophyll fluorescence in Liangyoupeijiu and its par2
ents under photooxidation condition.
系数 ( qP)下降. qP 的下降表明 ,PS Ⅱ反应中心的开
放比例和参与 CO2 固定的能量减少. 由图 3 可见 ,
光氧化处理 8 d 后 ,PA64S 和 9311 的 qP 分别下降
31. 01 %和 27. 23 % ,而两优培九仅下降 11. 58 %.
　　qN 值代表非光化学荧光猝灭系数 ,反映光能
被天线色素吸收 ,但不被用于电子传递 ,而以热耗散
形式排散的那部分能量. 由图 3 可见 ,经过光氧化处
理 8 d 后 ,杂种与其亲本的 qN 都有所增加 , PA64S
和 9311 分别增加了 36. 56 %和 47. 57 % ,而两优培
九仅增加了 27. 62 %.
　　上述结果表明 ,杂交稻两优培九吸收的光能较
多地用于转变为化学能 ,热耗散较少.
314 　活性氧的代谢
　　已往的研究表明 ,在光氧化条件下 PS Ⅰ还原过
剩的电子与分子氧反应形成活性氧. 活性氧的增多
导致膜脂过氧化 ,从而产生 MDA 等类似的酮、醇、
羟酸或低级烷烃对生物膜造成伤害. 因此 ,MDA 经
常作为衡量膜脂过氧化的一个指标. 由图 4a 可见 ,
光氧化处理 8 d 后 ,PA64S 和 9311 的 MDA 分别增
加了 6. 3 和 5. 5 倍 ,而两优培九仅增加了 4. 4 倍 ,表
明两优培九膜脂过氧化程度相对较轻.
　　作为内源保护性酶 , SOD 能催化 O .2 转变
H2O2 ,然后通过过氧化物酶 ( POD) 分解为 H2O 和
O2 . 由图 4b 可见 ,光氧化处理 2 d 后 ,亲本与杂交稻
两优培九的 SOD 活性都有所增加. 随着光氧化处理
时间的延长 , SOD 的活性又开始逐渐下降 ,到第 8
d , PA64S 和 9311 叶内 SOD 活性分别下降了
67. 39 %和40. 09 % ;而两优培九仅下降了 35. 51 % ,
表明在光氧化条件下 ,与亲本相比 ,杂交稻的 SOD
活性一直较高.
　　图 4c 表明 , POD 的活性随处理时间延长逐渐
增加. 光氧化处理 8 d 后 ,PA64S 和 9311 的 POD 分
别增加了 0. 72 倍和 1. 66 倍 ,而两优培九却增加了
2. 36倍.
　　从两个内源保护酶来看 ,杂交稻两优培九比亲
本有更强的活性氧清除能力 ,这也可能是两优培九
耐光氧化的一个原因.
图 4 　两优培九和其亲本的 MDA、活性氧清除酶活性的变化
Fig. 4 Changes of MDA and enzymes scavenging active oxygen in
Liangyoupeijiu and its parents.
4 　讨 　　论
　　近年来 ,我国启动了水稻超高产计划 ,通过两系
法培育了重穗型超高产的杂交稻 ,如两优培九等. 杂
交稻两优培九群体叶面积较大 ,可达 9 以上 ,上部叶
片挺直 ,因此群体能更好地利用光能[3 ] . 另外 ,在孕
穗期单叶的光合速率也有一定优势 ,与母本接近 ,具
有超单亲父本的现象 (图 1) . 植物的光合机构所接
11318 期 　　　　　　　　　　　　　王荣富等 :超级杂交稻两优培九及其亲本的光氧化特性 　　　　　　
受的光能超过光合作用所利用的数量时 ,光合功能
便会降低 ,发生光抑制. 水稻生育后期往往遭受低温
等逆境胁迫 ,加重光抑制程度 ,严重时导致叶片的黄
化 ,发生光氧化现象. 在非环境胁迫条件下植物叶片
的 PS Ⅱ光化学效率 ( Fv / Fm )极少变化 ,然而遭受光
氧化时叶片这一参数明显下降. 本研究表明 ,在光氧
化条件下与亲本相比 ,两优培九的 Fv / Fm 和 qP 较
高 , qN 较低 (图 3) ,反映两优培九比亲本耐光氧化.
这可能是由于两优培九含有较高的叶绿素 a/ b 值的
缘故 (图 2) . 因为叶绿素 a 较多地分配在 PS Ⅱ反应
中心 ,叶绿素 b 较多地分配在集光色素蛋白复合体
(L HC) ,所以 a/ b 值高 ,说明 PS Ⅱ反应中心稳定. 在
光氧化条件下 ,两优培九 PS Ⅱ反应中心受破坏较
轻 ,其吸收的光能较多地转化为化学能 ( Fv/ Fm
高) 、并较多地分配到化学反应中 ( qP 高) ,因此热耗
散就较少 ( qN 低) .
　　一些研究表明 ,光氧化伤害几乎在任何条件下
都是由活性氧所导致的. 本研究虽未涉及活性氧的
直接测定 ,但从活性氧清除酶活性的变化来看 ,在光
氧化条件下 ,两优培九内源活性氧清除酶 (如 SOD
和 POD 诱导) 活性较高 (图 4) ,说明由这些活性酶
及时清除叶片中的活性氧 ,保持两优培九在强光下
含有较低的活性氧 ,避免 PS Ⅱ发生较重的膜脂过氧
化. 这也许是两优培九光能利用率较高的原因之一.
　　比较亲本与杂交稻 ,两优培九的耐光氧化能力
偏向父本 ,且有超母本的优势. 这一生理机制目前尚
不清楚 ,有待用更多的组合进一步研究才能加以阐
明. 但在实践中可以看出 ,如能选择耐光氧化的品种
作亲本 ,则可配组出耐光氧化的杂种 ,这可能是培育
高产、稳产杂交稻的一个技术策略.
参考文献
1 　Arnon DI. 1949. Copper enzymes in isolated chloroplast : Polyphe2
noloxydase in Beta v ulgaris . Plant Physiol ,24 :1～15
2 　Bradford MM. 1976. A rapid and sensitive method for the quanti2
tation of microgram quantity of protein utilizing the principle of
protein dye binding. A nal Biochem ,72 : 248～254
3 　Cheng S2H (程式华) ,Zhai H2Q (翟虎渠) . 2000. Comparison of
some plant type components in super high2yielding hybrids of inter2
subspecies rice. Acta A gron Sin (作物学报) ,26 (6) : 713～718 (in
Chinese)
4 　Foyer CH ,Lelandais M , Kunent KL . 1994. Photooxidative stress
in plants. Physiol Plant ,92 : 696～717
5 　Genty B , Briantais J M , Baker NR. 1989. The relationship be2
tween the quantum yield of photosynthetic electron transport and
quenching of chlorophyll fluorescence. Biochi m Biophys Acta ,990 :
87～92
6 　Giannopolitis S , Ries SK. 1977. Superoxide dismutase I. Occur2
rence in higher plants. Plant Physiol ,59 : 309～314
7 　Heath PL , Packer L . 1968. Photoperoxidation in isolated chloro2
plast Ⅰ. Linetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation. A rch
Biochem Biophys ,125 :189～198
8 　Huang XQ , Jiao DM , Li X. 2002. Characteristics of chlorophyll
fluorescence and membrane2lipid peroxidation of various high2yield
rice under photooxidation conditions. Acta Bot S in (植物学报) , 44
(3) : 279～286 (in Chinese)
9 　Jiao D2M (焦德茂) , Li X (李 　霞) , Huang X2Q (黄雪青) , et
al . 2002. The relationship among photoinhibition , photooxidation
and early aging at later developmental stages in different high yield
varieties. Sci A gric S in (中国农业科学) , 35 (5) : 487～492 (in
Chinese)
10 　Jiao DM. 1992. Mass screening for rice germplasm tolerant to pho2
toinhibition. Phytosynthetica ,26 (3) : 399～404
11 　Kitajma M ,Butler WL . 1975. Quenching of chlorophyll fluores2
cence and primary photochemistry in chloroplasts by dibromothy2
moquinone. Biochi m Biophys Acta ,376 :105～115
12 　Kochba J , Lave ES , Spiegel2Roy P. 1977. Difference in peroxi2
dase activity and isozymes in embryogenic and non2embryogenic
‘Shamouti’orange ovular callus lines. Plant Cell Physiol ,18 : 463
～467
13 　Li X(李　霞) ,Jiao D2M (焦德茂) . 2002. Photosynthetic charac2
teristics of super hybrid rice“Liangyoupeijiu”. Jiangsu J A gric Sci
(江苏农业学报) , 18 (1) : 9～13 (in Chinese)
14 　Lin S2Q (林世青) , Xu C2H (许春辉) , Zhang Q2D (张其德) .
1992. Some application of chlorophyll fluorescence kinetics to plant
stress physiology phytoecology and agricultural moderation. Chin
B ull Bot (植物学通报) , 9 :1～16 (in Chinese)
15 　Lu C2G (吕川根) ,Zou J2S (邹江石) . 2000. Selection and appli2
cation of two2line subspecies hybrid rice“Liangyoupeijiu”. Hybrid
Rice (杂交水稻) , 15 (2) :4～5 (in Chinese)
16 　van Kooten O , Snel J FH. 1990. The use of chlorophyll fluores2
cence nomenclature in plant stress physiology. Photosynth Res ,25 :
147～150
17 　Zhang Q2D (张其德) ,Zhu G2X (朱广新) , Wang Q (王 　强) .
2001. Photosynthetic characters of F1 hybrids in winter wheat and
their parents. Acta A gron Sin (作物学报) ,27 (5) : 727～731 (in
Chinese)
作者简介 　王荣富 ,1954 年出生 ,博士 ,主要从事植物生理
生化、生物物理等研究 ,发表论文 50 篇. E2mail : aauyjsb @
mail. hf . ah. cn
2131 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷