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Research on Physiological Basis of Xantha Rice Mutant Functional Leaves Senescence

水稻黄叶突变体功能叶衰老生理特性的研究


以水稻黄叶突变体及其野生型亲本为材料,研究了突变体叶剑叶衰老过程中若干生理特性的变化。结果表明,在花后5~25d,突变体剑叶的SPAD值、净光合速率和谷胱甘肽(GSH)含量、可溶性蛋白降低比其野生型亲本缓慢,抗坏血酸(ASA)和总抗坏血酸(total ASA)增加比野生型快,突变体酶促防御系统的保护酶超氧化物歧化酶(SOD)、细胞色素氧化酶(COX)和抗坏血酸过氧化物酶(ASPX)活性变化较小、相对稳定,清除衰老过程中产生的活性氧自由基的能力较强,突变体较其野生型亲本表现出延迟衰老的特性。


全 文 :  核 农 学 报  2013,27(11):1735 ~ 1741
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2013⁃04⁃24  接受日期:2013⁃08⁃02
基金项目:安徽省自然科学资金(1208085MC34),国家科技支撑项目(2011BAD16B06,2012BAD04B09,2012BAD07B02,2013BAD20B09),院长资
金(12B0102)
作者简介:武立权,男,副教授,主要从事水稻生理生态研究。 E⁃mail:wlq - 001@ 163. com
通讯作者:王荣富,男,教授,主要从事植物生理生态研究。 E⁃mail:rfwang@ ahau. edu. cn
文章编号:1000⁃8551(2013)11⁃1735⁃07
水稻黄叶突变体功能叶衰老生理特性的研究
武立权  柯  建  尤翠翠  何清华  王士梅  王荣富
(安徽农业大学农学院,安徽 合肥  230036)
摘  要:以水稻黄叶突变体及其野生型亲本为材料,研究了突变体叶剑叶衰老过程中若干生理特性的变
化。 结果表明,在花后 5 ~ 25d,突变体剑叶的 SPAD 值、净光合速率和谷胱甘肽(GSH)含量、可溶性蛋
白降低比其野生型亲本缓慢,抗坏血酸(ASA)和总抗坏血酸( total ASA)增加比野生型快,突变体酶促防
御系统的保护酶超氧化物歧化酶(SOD)、细胞色素氧化酶(COX)和抗坏血酸过氧化物酶(ASPX)活性
变化较小、相对稳定,清除衰老过程中产生的活性氧自由基的能力较强,突变体较其野生型亲本表现出
延迟衰老的特性。
关键词:水稻;黄叶突变体;叶片衰老;光合特性;抗氧化保护酶
    叶色突变是一种非常明显的性状突变,突变基因
可以直接或间接影响叶绿素的合成和降解,改变叶绿
素含量,导致光合效率下降,严重时甚至导致植株死
亡[1 - 5]。 近年来,随着分子生物学、基因组学和生物信
息学研究的不断深入,以及植物生理学和生物化学研
究手段的不断发展,叶色突变体的利用价值受到越来
越多的关注,现已被广泛应用于基础研究和生产实践。
目前水稻利用隐性核基因控制的叶色突变体,通过杂
交、回交等手段将叶色突变性状导入三系或两系的不
育系作为标志性状,在苗期就可准确无误地识别假种
并予以剔除,确保良种的纯度及质量。 因此,开展水稻
叶色突变体理论与应用研究,对于简化杂交稻纯度鉴
定手续、节约纯度鉴定的时间和费用及提高杂交稻生
产的田间纯度具有重要意义。 通过人工诱发或自然变
异,在水稻中已经报道了各类叶色突变体,其中较为常
见的一类就是黄叶突变体。 本试验材料是通过60Co⁃γ
射线处理保持系 WT产生的黄化突体 MT,该突变体全
生育期植株为黄色,叶绿素含量仅为野生型的四分之
一、目前已经用于农业生产[6]。 有关对水稻叶色黄花
突变体光合特性的研究较多[7 - 9],但对其自然衰老生
理深入研究较少。 因此本研究通过对该突变体自然衰
老过程中叶片中叶绿素含量、净光合速率、抗坏血酸、
可溶性蛋白电泳、超氧化物歧化酶活性电泳等相关指
标动态变化的研究,探讨其自然衰老的生理机制,以期
为该突变体在育种或杂交稻制种中应用提供理论基
础。
1  材料与方法
1􀆰 1  试验材料与取样时间
供试材料突变体 MT 及其野生型 WT,2012 年在
安徽农业大学校农场进行试验。 田间施肥量按每公顷
N225kg、P2O575kg、K2O 105kg,70%的氮肥和钾肥及全
部磷作基肥耕翻施入,30%的氮肥和钾肥作穗肥。 旱
育秧,5 月 5 日播种,6 月 5 日移栽,单本栽插,栽插密
度为 13 × 30cm2,常规水肥管理。 从花后 5d 开始,每
隔 5d取样与测定,至水稻成熟。 取样和测定部位为水
稻挂牌标记茎秆上的剑叶。
1􀆰 2  相关指标的测定
剑叶净光合速率测定利用 LI - 6400XT 型便携式
光合作用测定仪(美国 LI ⁃ COR 公司生产) 测定植株
顶部完全展开叶的光合速率,测定叶片光合速率时,设
定叶室 CO2 浓度为 350μ·L - 1,温度 30℃,用内源光照
处理,光子量照度为 1200μmol·m - 2·s - 1;叶绿素
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核  农  学  报 27 卷
(SPAD)采用日本产 SPAD - 502 型叶绿素计测定;抗
坏血酸(ASC)、脱氢抗坏血酸(DASC)含量和抗坏血
酸过氧化物酶(ASPX)活性的测定参照上海植物生理
所得方法[10],谷胱甘肽(GSH)含量的测定参照王以柔
等[11]的方法略改动;细胞色素氧化酶(COX)活性测定
参照蒋德安等的方法[12];超氧化物歧化酶(SOD)活性
电泳分析参照 Gonzalez 等[13]的方法略有改动;可溶性
蛋白 SDS⁃PAGE 电泳分析参照 Laemmli 等[14]方法略
有改动。 其中叶片净光合速率和叶绿素(SPAD)的测
定为 5 次重复,其它指标的测定为 3 次重复。
1􀆰 3  数据处理
数据处理与分析采用 Microsoft Excel完成。
2  结果与分析
2􀆰 1  剑叶净光合速率和叶绿素含量(SPAD)变化
从图 1 中看出,突变体与野生型剑叶净光合速率
由 花 后 5d 的 11􀆰 5μmol · m - 2 · s - 1 和 15􀆰 7
μmol·m -2·s -1 下 降 到 花 后 25 d 的 5􀆰 5
μmol·m -2·s -1和 4􀆰 3μmol·m -2·s -1,日均分别下降
0􀆰 3 μmol·m -2·s -1和 0􀆰 57μmol·m -2·s -1,表现出野
生型剑叶净光合速率下降速率比突变体剑大,突变体叶
净光合速率相对较稳定。
图 1  水稻剑叶衰老过程中净光合速率的变化
Fig. 1  The changes of Pn during the flag leaf
senescence in field grown rice.
由图 2 看出,在水稻花后 5 ~ 25d,野生型和突变
体剑叶 SPAD 值都表现出下降的趋势,野生型下降
72􀆰 8% ,而突变体剑叶 SPAD 值下降 45􀆰 6% ;在花后
5 ~ 20d,野生型剑叶 SPAD值高于其突变体,但在花后
20 ~ 25d,突变体剑叶 SPAD 值反而高于其野生型,突
变体 SPAD值下降较慢。
图 2  水稻剑叶衰老过程中 SPAD值的变化
Fig. 2  The changes of SPAD during the flag leaf
senescence in field grown rice.
2􀆰 2  剑叶中蛋白质 SDS⁃PAGE电泳分析
由图 3 看出,野生型和突变体叶片中 Rubisco 两
个亚基蛋白量由花后 5 ~ 25d呈逐渐降低的趋势,在花
后 15 ~ 25d,野生型的 LSU 和 SSU 两个亚基蛋白条带
逐渐变淡,而突变体两个亚基蛋白条带较为清晰。
2􀆰 3  剑叶中抗坏血酸和谷胱甘肽含量变化
ASC是一种普遍存在于植物组织的高丰度小分子
抗氧化物[15 - 17]。 它可以直接与单线态氧( 1O2∗)、超
氧自由基(O -2 )、过氧化氢(H2O2)和羟自由基(HO - )
等活性氧(ROS)反应,具有维持体内活性氧代谢的平
衡,抑制脂质过氧化,稳定细胞膜结构的作用。 图 4 表
明,在水稻剑叶衰老过程中,虽然野生型和突变体的脱
氢抗坏血酸含量有所下降,但两者的 ASC、ASC +
DASC和 ASC / DASC都逐渐上升,从上升的幅度看,突
变体的 ASC 与 ASC + DASC 分别上升 96􀆰 8% 和
47􀆰 4% ,而野生型上升了 61􀆰 1%和 33􀆰 7% ,突变体在
衰老生育进程中消除活性氧危害的应急能力比野生型
具有一定的优势。
GSH与 ASC具有类似的生理功能,可以直接消除
活性氧,也可以通过抗氧化酶的催化消除活性氧。 图
5 表明,在花后生育阶段内,野生型和突变体剑叶的
GSH含量均呈下降的变化趋势,分别由花后 5d 的
2􀆰 37mg. g - 1 FW、2􀆰 40 mg. g - 1 FW 下降到花后 25d 的
2􀆰 03 mg. g - 1 FW、2􀆰 11 mg. g - 1 FW,下降幅度分别为
14􀆰 3%和 12􀆰 1% 。
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  11 期 水稻黄叶突变体功能叶衰老生理特性的研究
注:M: 蛋白质分子量标准,左边 5 ~ 25d: MT;右边 5d ~ 25d:WT; LUS:RuBPCase大亚基; SSU:RuBPCase小亚基。
Note;M:low molecular marker(KD),left 5 ~ 25d show the MT protein,right 5 ~ 25 show the WT protein;LUS:large subunit of
RuBPCase(53KD). SSU:small subunit of RuBPCase(14KD).
图 3  水稻剑叶衰老过程中可溶性蛋白质 SDS⁃PAGE电泳分析
Fig. 3  SDS⁃PAGE of the soluble protein from the rice flag leaves during senescence
图 4  水稻剑叶衰老过程中抗坏血酸(ASC)含量、脱氢抗坏血酸(DASC)含量、总抗坏血酸含量和 ASC / DASC 的变化
Fig. 4  The development of ascorbate(ASC),dehydroascorbate(DASC),ASC +DASC contents and the ratio of
ASC / DASC in the rice flag leaves during senescence
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图 6  水稻剑叶衰老过程中细胞色素氧化酶(COX)和抗坏血酸氧化酶(ASPX)活性的变化
Fig. 6  The changes of Cytochrome oxidase (COX),and Ascorbate peroxidase (ASPX)activities
expressed in the rice flag leaves during senescence.
注:左边 5 ~ 25d:MT;右边 5 ~ 25d;WT。
Note:Left5 ~ 25d:MT;Right5 ~ 25d:WT.
图 7  水稻剑叶衰老过程中 SOD活性电泳
Fig. 7  Pattern of SOD isoenzyme activity of rice flag leaves during senescence
图 5  水稻剑叶衰老过程中谷胱甘肽含量的变化
Fig. 5  The development of reduced glutathione in
the rice flag leaves during senescence
2􀆰 4  剑叶中细胞色素氧化酶和抗坏血酸氧化酶活性
变化
由图 6 可知,COX 和 ASPX 在野生型和突变体衰
老剑叶中变化趋势基本相同,在衰老的前期 (5 ~
15d),野生型的 COX 和 ASPX 活性高于突变体,而在
衰老后期恰好相反(15 ~ 25d),说明在花后 15 ~ 25d
高活性的 COX 和 ASPX 有助于突变体防御活性氧的
积累和侵袭。
2􀆰 5  剑叶中超氧化物歧化酶活性电泳分析
用活性染色的方法,从 SOD活性电泳图可以看出
(图 7),突变体在花后 5 ~ 20d,细胞质 CuZn⁃SOD谱带
有逐渐变浓的趋势,而野生型在花后 10 ~ 25d,细胞质
CuZn⁃SOD谱带逐渐变淡。
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  11 期 水稻黄叶突变体功能叶衰老生理特性的研究
3  讨论
水稻叶片衰老过程中,叶绿素含量下降、叶片光合
速率降低,叶片黄化,其衰老程度越严重,叶绿素含量
越低[18]。 Leshem[19]研究指出,叶片衰老最明显的表
现就是叶绿素逐渐消失,并出现黄化脱落现象。 然而
水稻中存在着自苗期就表现出叶色黄化、叶绿素含量
低的突变体,目前有关该类型突变体衰老的相关生理
特性研究较少。 张荣铣等[8]认为水稻叶绿素 b 含量
低的突变体的光合功能在叶片一生中较稳定,李瑞
等[9]研究表明低叶绿素 b 突变体的净光合速率高于
野生型且下降慢于野生型。 本研究结果与前人基本一
致,及叶色黄化突变体在自然衰老过程中,相对于野生
型亲本,表现出叶绿素含量和净光光合速率变化相对
较稳定。
叶片衰老过程中降解蛋白主要是可溶性蛋白,可
溶性蛋白质的 50%是 Rubisco[20 - 22],它的含量与活力
对光合速率有着决定性作用[23]。 在衰老叶片内可溶
性蛋白质不断下降时,其中降解的蛋白质中 80%是
Rubisco[24]。 Rubisco由 8 个大亚基(LSU:53KD)和 8
个小亚基(SSU:14KD)组成[25]。 本研究结果表明,野
生型和突变体两个亚基蛋白含量由花后 5 ~ 25d 呈逐
渐降低的趋势,特别在花后 15 ~ 25d,野生型的 LSU和
SSU两个亚基蛋白普带逐渐变模糊,而突变体两个亚
基蛋白普带始终较为清晰,这可能也是突变体在花后
25d剑叶净光合速率表现出高于其野生型亲本的关键
因素之一。
绿色植物叶绿体中的 H2O⁃H2O 循环是植物体中
主要的活性氧自由基清除系统。 此循环中叶绿体的
ASC作为抗氧化物有很重要的作用,ASC 在 ASPX 催
化下将 H2O2 氧化生成 MDHA, ASC 也可与 O2 -自发
进行反应[26]。 二肽 GSH 也是 H2O⁃H2O 循环中重要
的低分子量抗氧化物,GSH 可使半胱氨酸保持还原
肽,防止二硫键。 GSH可以作为电子供体循环再生出
ASC[27 - 29]。 前人对植物在抗逆中 ASC 和 GSH 的含量
变化有过大量的研究,其结果也不太一致的[27 - 29],但
是在植物衰老过程中其含量变化报道较少。 COX 和
ASPX是呼吸链末端氧化酶,COX 将 Cyt a3 中的电子
传递给 O2 生成 H2O,可以有效地避免超氧负离子产
生[26];而 ASPX 的功能之一就是可以有效地清除
H2O2。 本研究结果表明,突变体和野生型剑叶衰老过
程中 ASC(图 3A)和 ASC + DASC(图 3B)含量都在上
升,突变体上升的幅度大于野生型,GSH 含量两者呈
下降趋势(图 4),但突变体内 GSH含量在整个衰老过
程中高于野生型,在衰老后期突变体的 COX 和 ASPX
活性高于野生型(图 6)。 SOD是细胞内自由基清除系
统中一个关键性酶,在保护细胞器免遭活性氧伤害中
起着重要的作用[27],它不仅与植物衰老有关,而且与
植物抗逆性如抗旱、抗寒等密切相关,是衡量植物衰老
和抗性的良好指标;SOD 复合酶可分为细胞质 CuZn⁃
SOD、叶绿体 Fe⁃SOD和线粒体 Mn⁃SOD。 从 SOD活性
电泳图谱可以看出,在水稻剑叶衰老过程中,细胞质
CuZn⁃SOD活性最大,叶绿体 Fe⁃SOD 活性最小,线粒
体 Mn⁃SOD 次之。 突变体在花后 5 ~ 20d,细胞质
CuZn⁃SOD 谱带有逐渐变浓的趋势,而野生型在花后
10 ~ 25d,细胞质 CuZn⁃SOD 谱带逐渐变淡,表明突变
体内活性氧清除系统在叶片衰老过程中具有充分利用
其细胞组分的能力,及时有效地清除或抑制活性氧自
由基等有害物质,对其叶片的延迟衰老具有重要的促
进作用。
4  结论
突变体功能叶的 SPAD 值、净光合速率和谷胱甘
肽(GSH)、可溶性蛋白含量降低明显比其野生型亲本
慢,抗坏血酸(ASA)和总抗坏血酸( total ASA)增加比
野生型快;突变体酶促防御系统中保护酶超氧化物歧
化酶(SOD)、细胞色素氧化酶(COX)和抗坏血酸过氧
化物酶(ASPX)活性变化较小、相对稳定,清除衰老过
程中产生的活性氧自由基能力较强,能较长时间地维
持叶片生理功能,使突变体叶片寿命延长。
参考文献:
[ 1 ]   Gunawardena A H. Programmed cell death and tissue remodelling in
plants[J] . Journal of experimental botany,2008,59(3):445 - 51
[ 2 ]  Yasuhito S, Silvia S, Soyon P, Han S H, Lee B D, Céline Besagni
Andrès, Kessler F, Stefan Hörtensteiner, Nam Chon Paek. STAY⁃
GREEN and chlorophyll catabolic enzymes interact at light⁃harvesting
complex II for chlorophyll detoxification during Leaf senescence in
Arabidopsis[J] . The Plant Cell, 2012, 24: 507 – 518
[ 3 ]   Sugimoto H, Kusumi K, Tozawa Y, Yazaki J, Kishimoto N,
Kikuchi S, Iba K. Thevirescent - 2mutationinhibits translation of
plastidtran scripts for the plastid genetic system at an early stage of
chloroplast differentiation[ J] . Plant and Cell Physiology, 2004, 45
( 8): 885 - 896.
[ 4 ]   Wu Z M, Zhang X, Wan J M. A chlorophyll⁃deficient rice mutant
with impaired chlorophyllide esterification in chlorophyll biosynthesis
[J] . Plant Physiology,2007,145:29 - 40
[ 5 ]  Nagata N, Tanaka R, Satoh S, Tanaka A. Identification of a vinyl
9371
核  农  学  报 27 卷
reductase gene for chlorophyll synthesis in Arabidopsis thaliana and
implications for the evolution of Prochlorococcus species[ J] . The
Plant Cell, 2005, 17(1): 233 - 240.
[ 6 ]   Zhou X S, Shen S Q, Wu D X, Sun J W, Shu Q Y. Introduction of
A Xantha Mutation for Testing and Increasing Varietal Purity in
Hybrid Rice[J] . Field Crops Research. 2006,96, 71 - 76.
[ 7 ]   武立权,沈圣泉,王荣富,舒庆尧. 水稻黄叶突变体光合特性的
日变化[J],核农学报. 2007, 21( 5) :425 - 429
[ 8 ]  张荣铣,许晓明,戴新宾,陆巍,曹树青. 叶绿素 b 含量低的水稻
突变体的光合功能衰退及其与活性氧的关系[J] .植物生理与分
子生物学学报, 2003, 29(2):104 - 108
[ 9 ]  李瑞,周玮,陆巍.低叶绿素 b 水稻叶片自然衰老过程中光合作
用与叶绿素荧光参数的变化[ J] . 南京农业大学学报,2009, 32
( 2): 10 - 14
[10]  中国科学院上海植物生理研究所编. 现代植物生理学试验指南
[M]. 北京:科学出版社,1999
[11]  王以柔,刘鸿先,李平等. 低温对水稻幼苗中谷胱甘肽量及谷胱
甘肽还原酶活性的影响[J] .中国科学院华南植物研究所,1989,
4: l53 - 180
[12]  蒋德安,朱城主.植物生理学实验指导[M]. 成都科技大学出版
社,1998,40 - 41.
[13]   Guarente L, Ruvkun G, Amasino R. Aging, life span, and
senescence. Proceedings of the National Academy of Sciences,1998,
5: 11034 - 11036
[14]  Laemmli U K. Cleavage of structural proteins during the assembly of
the head of bacteriophage T4[J] . Nature, 1970,227: 680 - 685
[15]  Christopher J A, Michael J D, June M T,Helen L. Linking ascorbic
acid production in Ribes nigrum with fruit development and changes
in sources and sinks[J] . Annals of Botany,2013,111: 703 – 712,
[16]  Seth D, Vanessa M, Christopher M. Ascorbate as a Biosynthetic
Precursor in Plants[J] . Annals of Botany 2007,99: 3 – 8
[17]  Davey M W, Montagu M V. Plant L⁃ascorbic acid: chemistry,
function,metabolism, bioavailability and effects of processing [ J] .
Journal Science of Food Agricurural,2000,80(7):825 - 860.
[18]   Norio Murata, Shunichi Takahashi, Yoshitaka Nishiyama.
Photoinhibition of photosystem II under environmental stress.
Biochimica et Biophysica Acta ( BBA) [ J] . Bioenergetics, 2007,
1767(6): 414 - 421
[19]  Leshem Y Y. Plant senescence processes and free radicals[ J] . Free
Radical Biology and Medicine, 1988,5(1): 39 - 49
[20]  Nakano R, Hiroyuki I, Makino A. In vivo Fragmentation of the
Large Subunit of Ribulose - 1, 5 - Bisphosphate Carboxylase by
Reactive Oxygen Species in an Intact Leaf of Cucumber under
Chilling⁃light Conditions[J] . Plant Cell Physiol. 2006,47(2): 270
– 276
[21]   Makino A, Mae T, Ohira K. Purification and storage of ribulose 1,5
- bisphosphate carboxylase from rice leaves [ J ] . Plant Cell
Physiology, 1983b,24:1169 - 1173
[22]   Wada. Changes with senescence in photosynthetic characteristics of
rice leaf [ M]. Special Bulletin college of Agriculture Utsunomia
Univ, 1988􀆰 49:1 - 54
[23]  Bellemare G. Bartlett S G,Chua N H. Biosynthesis of chlorophyll a /
b binding polypeptides in wild type and the chlorinaf2 mutant of
barely[J] . Journal Biology Chemery,1982,257:7762 - 7767.
[24]   Jessica B, Pierre M, Bruno A. Dynamics of Light and Nitrogen
Distribution during Grain Filling within Wheat Canopy [ J], Plant
Physiology, 2008, 148, 1707 – 1720,
[25]   王镜岩,朱圣庚,徐长法,生物化学(面向 21 世纪课程教材,第三
版)[M]. 北京:高等教育出版社,2002,126 - 127。
[26]   Fryer M J. The antioxidant effects of thylakoid vitamin E ( a⁃
tocopherol) . Plant,Cell and Environment,1992,15: 381 - 392
[27]  Asada K. The water⁃water cycle. Annual Review of Plant Physiology
and Plant[J] . Molecular Biology, 1999,50: 601 - 609
[28]  Spundova M, Sloukova K, Hunkova M. Plant shading increases
lipid peroxidation and intensifies senescence⁃induced changes in
photosynthesis and activities of ascorbate peroxidase and glutathione
reductase in wheat[J] . Photosynthetica,2005, 43(3):403 - 409
[29]  Richard A. Larson, The antioxidants in higher plants [ J ] .
Phytochemistry, 1998, 27(4): 969 - 978.
0471
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2013,27(11):1735 ~ 1741
Research on Physiological Basis of Xantha Rice Mutant
Functional Leaves Senescence
WU Li⁃quan  KE Jian,YOU Cui⁃cui  HE Qing⁃hua  WANG Shi⁃mei  WANG Rong⁃fu
(College of Agronomy, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui  230036)
Abstract:A xantha rice mutant and its wild type parent were used as materials to study the changes of some physiological
characteristics during mutant flag leaves aging process. The results showed: during the 5th to 25th days after flowering,
compared with its wild type parent, SPAD value, net photosynthetic rate (Pn), the content of glutathione (GSH) and
soluble protein in the mutant flag leaves decreased slower; while ascorbic acid (ASA) and total ascorbic acid ( total
ASA) increased faster; the activities of enzymatic defense system protective enzymes superoxide dismutase ( SOD),
cytochrome oxidase (COX) and ascorbate peroxidase (ASPX) in mutant flag leaves have less change and they were
relatively stable; they also have stronger ability to clear the active oxygen free radicals which generated in the aging
process. Therefore, compared to its wild type parent, xantha rice mutant appeared an obvious features of delaying
senescence.
Key words:Rice; Xantha mutant; Leaf senescence; Photosynthetic characteristics; Antioxidant protective enzymes
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