全 文 ：文章编号 :100028551 (2007) 052425205
水稻黄叶突变体光合特性的日变化
武立权1 ,2 　沈圣泉2 　王荣富1 　舒庆尧2
(11 安徽农业大学农学院 ,安徽 合肥　230036 ; 21 浙江大学原子核农业科学研究所 , 浙江 杭州　310029)
摘 　要 :对水稻黄叶突变体黄玉 B 及其亲本龙特甫 B 孕穗期的光合速率和叶绿素荧光参数的日变化所
进行的研究表明 : (1)在自然日照条件下 ,当光强上升到 104314μmolΠm2·s 时 ,野生型出现光饱和点并表
现出光抑制现象 ,而突变体没有出现光饱和点 ; (2)在野生型出现光抑制阶段 (12 :00 —14 :00) ,突变体的
光合速率 (Pn) 、PS Ⅱ原初光化学效率 ( FvΠFm ) 、PS Ⅱ光量子效率 (фPS Ⅱ) 、非循环光合电子传递速率
( ETR)和热耗散 (NPQ)均高于野生型。突变体在强光条件下 (PFD > 114912μmolΠm2·s)能有效利用光能并
耗散过剩光能 ,其对强光光响应能力优于野生型亲本。
关键词 :水稻 ;黄叶突变体 ;光合速率 ;叶绿素荧光
THE DIURNAL VARIATION OF PHOTOSYNTHESIS OF A XANTHA MUTANT IN RICE ( Oryza sativa L. )
Wu Li2quan1 　Shen Sheng2quan2 　Wang Rong2fu1 　Shu Qing2yao2
(11 College of Agronomy , Anhui Agricultural University , Hefei , Anhui 　230036 ;
21 Institute of Nuclear Agricultural Sciences , Zhejiang University , Hangzhou , Zhejiang 　310029)
Abstract :A xantha rice mutant (c. v. Huangyu B) and its wild type parent (c. v. Longtefu B) were used to study the diurnal
variation of photosynthetic rate and chlorophyll fluorescence parameters at booting stage. The results showed that : (1) under
the condition of natural sun light , the wild type had the light saturation intensity , i . e. 104314μmolΠm2 ·s , above that point
photoinhibition will occurr. However , the mutant did not show a light saturation point ; (2) when Longtefu B was in the
photoinhibition period (12 :00 - 14 :00) , its mutant was more efficient in photosynthesis ; its photosynthetic rate (Pn) , initial
photochemical efficiency (FVΠFM) , quantum efficiency of PS Ⅱ(фPS Ⅱ) , non2cyclic electron transport rate ( ETR) and non2
photochemical quenching (NPQ) all of these parameters were higher than those of Longtefu B. The results indicated that the
mutant was very efficient in solar energy utilization and could quench the surplus solar energy , thus surpassing its parent in
response to the intense solar light (PDF > 114912μmolΠm2·s) 。
Key words :rice ; xantha mutant ; photosynthetic rate ; chlorophyll fluorescence
收稿日期 :2006212221
基金项目 :浙江省科技攻关项目 (2006C32015) ;安微省自然科学基金项目 (01041106 ,050410107)
作者简介 :武立权 (19752) ,男 ,安徽肥东人 ,博士研究生 ,主要从事植物生理与分子育种研究。
通讯作者 :舒庆尧 (19652) ,男 ,浙江新昌人 ,教授 ,理学博士 ,主要从事水稻诱变遗传育种与生物技术研究。Tel :0571286971202 ; E2mail :qyshu @zju.
edu. cn
　　叶绿素突变是一种普遍发生的叶色变异现象[1 ] 。
通过理化诱变 ,人们已经获得了大量的叶绿素缺乏或
叶绿素 b 缺失的突变体 ,并分别对其遗传、叶绿体超微
结构、叶片的色素蛋白和光合等方面进行了研究[12 ] 。
由于叶绿素含量在一定程度上与植物叶片光合能力相
关 ,因此不同色素含量的叶色突变体所表现出的光合
特性也有较大差异。我们利用60 Coγ射线处理保持系
“龙特甫 B”,育成了叶绿素含量大幅度下降的水稻黄
叶突变体“黄玉 B”。黄玉 B 从苗期到成熟均为黄色 ,
该性状可稳定遗传 ,受隐性单基因控制 ,已用于杂交稻
的种子生产和纯度鉴定[2 ] 。本试验研究以其亲本龙特
甫B 为对照 ,探讨突变体黄玉 B 在自然光下的光合特
524　核 农 学 报　2007 ,21 (5) :425～429Journal of Nuclear Agricultural Sciences
性的日变化规律 ,以期为该突变体的光合生理机制研
究和在农业生产中的实际应用提供依据。
1 　材料与方法
111 　材料及处理
所用野生型材料是保持系龙特甫 B (WT) 和它的
隐性单基因控制的黄叶突变体黄玉 B (MT) 。2006 年
在安徽农业大学校农场以龙特甫 B 为对照进行试验。
田间施肥量按每公顷 N 210kg、P2O5 75kg、K2O 75kg ,
85 %的N 肥及全部的 P、K肥作基肥耕翻施入。4 月 28
日播种 ,5 月 30 日移栽 ,单本栽插 ,栽插密度为 12cm ×
25cm ,常规水肥管理。
112 　测定方法
11211 　光合色素的测定 　叶绿素 a (Chla) 、叶绿素 b
(Chlb)和类胡萝卜素 (Car)含量的测定参照 Wellburn 的
方法[3 ]进行。在孕穗期用打孔器在植株最新全展叶上
取 10 个圆片 ,置于 5ml 80 %丙酮中避光浸提直至叶片
发白 (大概 48h) ,用 UNICAMUV300 型分光光度计测定
浸提液的吸光值 ,3 次重复。
11212 　光合参数和环境因子的测定 　在水稻孕穗期 ,
两材料选取生长相对一致的单株各 5 株 ,并在每个单
株上标记长势较好的倒 2 叶一张。在自然光强下 ,用
英国生产的 TPS21 光合测定仪测定被标记叶片的净光
合速率 (Pn) 、气孔导度 (SC) 、胞间 CO2浓度 (Ci) 和蒸腾
速率 (TR) ,同时测定太阳光强 ( PFD) 和温度。测定时
间为 2006 年 8 月 3 日 (晴天) 的 6 :00 - 18 :00 ,间隔 2h
测定 1 次 ,每次测定两材料各重复 5 次。
11213 　叶片叶绿素荧光参数测定 　采用德国 WALZ
公司生产的 PAM22100 便携式脉冲可调制式荧光测定
仪 ,参照 Demmig2Adams 等[4 ] 和 Lu 等[5 ] 的方法 ,在自然
光强下测定标记倒 2 叶的初始荧光 ( Fo ) 、暗适应下最
大荧光 ( Fm ) 、稳态荧光 ( FS ) 、光适应下最小荧光 ( F′o )
和光适应下最大荧光 ( F′m ) ,由此得出 PS Ⅱ原初光化
学效率 (FvΠFm) 、PS Ⅱ光量子效率 (фPS Ⅱ) 、非循环光合
电子传递速率 ( ETR) 和热耗散 (NPQ) 。测定时间和次
数同上。
2 　结果与分析
211 　光合色素含量
由表 1 可见 ,突变体黄玉 B 的光合色素含量显著
低于其亲本龙特甫 B ,叶绿素和类胡萝卜素分别下降
了 7211 %和 4417 %。突变体的 ChlaΠb 和 CarΠChl 比值
分别为 5106 和 0123 ,均大于野生型。
表 1 　突变体与野生型水稻叶片光合色素含量和相对比值
Table 1 　The content and relative ratio of various photosynthetic pigments in leaves of mutant and wild type
材料
material
叶绿素 chlorophyll (mgΠg FW)
a b 总量 total
类胡萝卜素
Car (mgΠg FW) 叶绿素 aΠ叶绿素 bChlaΠb 类胡萝卜素Π叶绿素CarΠChl
龙特甫 B Longtefu B 2199 ±0106A 1102 ±0104A 4101 ±0104A 0147 ±0101A 2191 ±0104B 0112 ±0100B
黄玉 B Huangyu B 0193 ±0101B 0118 ±0101B 1112 ±0103B 0126 ±0101B 5106 ±0103A 0123 ±0103A
注 :表中所示数值为 3 次重复的平均值±标准差 ; 同列不同字母表示 5 %水平差异。
Note :The data was presented as mean ±standard deviation ; different letters in the same column means significant different at 0105 level .
212 　光合作用的日变化
从图 1 可以看出 ,野生型光合速率 ( Pn) 的日变化
表现出双峰曲线 ,而突变体为单峰曲线。突变体的 Pn
始终随着光强的增加而上升 (上午) ,光强的减弱而下
降 (图 1) 。野生型的 Pn 从 6 :00 - 10 :00 随着光强上升
而增大 ;当光强达到 104314μmolΠm2·s 时 ,Pn 达到全天
的最大值 (16156μmolΠm2·s) ,此后反而随着光强上升而
下降 ,表明 10 :00 已达到光饱和点 ,开始表现出光抑
制。16 :00 ,野生型材料的 Pn 出现全天的第 2 个高峰
(Pn :10186μmolΠm2·s) ,此后始终处于下降的趋势。 图 1 　水稻孕穗期叶片光合速率 (Pn)的日变化。Fig. 1 　The diurnal variation of photosynthetic
rate (Pn) at booting stage.
WT:龙特甫 B ,MT:黄玉 B ,下图同
WT: Longtefu B , MT: Huangyu B. The same as the following figures.
624 核　农　学　报 21 卷
表 2 　光合测定日的光强和气温日变化
( 2006 年 8 月 3 日 ,合肥)
Table 2 　The changes of air temperature and light intensity
(3 August ,2006 ,Hefei , China)
时间
time
光强 light intensity
(μmolΠm2·s) 温度temperature ( ℃)
6 :00 20310 ±1418 3011 ±015
8 :00 83510 ±2718 3319 ±012
10 :00 104314 ±4111 3612 ±011
12 :00 123512 ±3012 3711 ±014
14 :00 114912 ±4319 3715 ±012
16 :00 94614 ±5511 3615 ±012
18 :00 30712 ±5516 3513 ±012
　　突变体虽然在 12 :00 - 14 :00 其 Pn 为 12158μmolΠ
m
2·s～10198μmolΠm2·s ,高于野生型 11162μmolΠm2 ·s～
10168μmolΠm2·s ,但其它时段始终低于野生型。因此 ,
野生型的日平均 Pn (10125μmolΠm2 ·s) 要高于突变体
(8136μmolΠm2·s) ,突变体相对野生型下降了 1814 %。
说明水稻叶片叶绿素含量的改变可直接影响到叶片光
合作用。从表 3 看出 ,野生型的光合速率与胞间 CO2
浓度负相关、与蒸腾速率和光强正相关 ,并分别达到显
著水平 ;与温度正相关 ,但不显著。突变体的光合速率
与胞间 CO2 浓度负相关 ,达到极显著水平 ,与光强和
温度正相关 ,分别达到极显著和显著水平。说明突变
体的光合速率对胞间 CO2 浓度、光强和温度的依赖性
高于其野生型。
表 3 　水稻一天中光合速率与各物理因素的相关系数
Table 3 　Correlation coefficient of photosynthetic rate and
several physical parameters in daytime
材料
Material
胞间 CO2 浓度
intercellular
CO2
concentration (Ci)
气孔导度
stomatal
conductance
(SC)
蒸腾速率
transpiration
rate (TR. )
光强
light
intensity
(PFD. )
温度
temperature
( ℃)
龙特甫 B
Longtefu B - 016892 3 015850 018081 3 017172 3 014526
黄玉 B
Huangyu B - 01837833 011783 014107 01906033 017104 3
注 : 3 为 0105 显著水平 ;33为 0101 极显著水平。
Note : 3 and 33 indicate the correlation level is significant at 0105 and 0101 ,
respectively.
213 　叶绿素荧光参数日变化
为了确切反映出水稻黄叶突变体和野生型在自然
光强下光合速率差异的内在原因 ,测定了叶绿素荧光
参数的日变化。结果表明 ,原初光化学效率 (图 22A) 、
PS Ⅱ潜在活性 (图 22B)和 PSII光量子效率 (图 22D) ,野
生型和突变体日变化趋势基本相同 , 6 :00 到 12 :00 随
着光强的增加 ( PFD 为 23010μmolΠm2 ·s～123512μmolΠ
m
2·s) ,由早晨的最大值降低到最低点 ;12 :00 - 18 :00 ,
随着 光 强 的 减 弱 ( PFD 为 123512μmolΠm2 ·s ～
30712μmolΠm2·s) , FvΠFm 、FvΠFO 和 相反的趋势 ,但在 18 :00 均没有恢复到早晨 6 :00 的水
平 ,表明在中午强光和高温的条件下 ,野生性和突变体
PS Ⅱ反应中心都发生了不同程度的可逆失活 ,这可能
是其发生光抑制的主要原因之一。
Fv / Fm 和 特征[6 ] 。由图 2 可见 ,野生型和突变体在 12 :00 与 6 :
00 相比 ,FvΠFm 分别下降了 3711 %和 1417 % ,降了 8312 %和 6819 %。从下降的幅度和 10 :00～14 :00
图 22A 和图 22D 中曲线反映的状况可以明显看出 ,野
生型在强光达到 104314μmolΠm2·s ,表现出严重的光抑
制 ,而突变体光抑制现象不明显 ,说明突变体 PS Ⅱ较
稳定 ,耐光抑制。初始荧光 F0 是 PS Ⅱ反应中心全部
开放即 QA 全部氧化时的荧光水平 ,PS Ⅱ天线的热耗
散增加常导致 F0 的降低 ,而 PS Ⅱ反应中心的破坏或
可逆失活则引起 F0 的增加 ,因此 ,根据 F0 的变化推测
反应中心的状况和可能的光保护机制[8、15 ] 。图 22C 中
野生型的 F0 比突变体的大 ,但两者的日变化趋势不完
全相同。非光化学猝灭或热耗散 (NPQ)是反映 PS Ⅱ天
线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形
式耗散掉的部分光能 ,而且对于防止光合机构的光氧
化起到至关重要的作用。野生型和突变体 NPQ 日变
化同光强基本同步 (图 22F 和表 2) 。在野生型出现光
抑制阶段 (图 1) ,突变体热耗散略高于野生型 (图 22
F) ,说明突变体对过剩光能的耗散能力大于其野生
型 ,对光合机构起到很好的保护作用。
PS Ⅱ的非循环光合电子传递速率 ( ETR)是反映实
际光强下的表观电子传递效率。6 :00～12 :00 随着光
强的增加 ,野生型的 ETR 均高于突变体 ,而 12 : 00～
16 :00 ,野生型的 ETR 低于突变体 ,但 16 :00 以后 ,野生
型 ETR 又高于突变体 (图 22E) ,可见 ETR 与光合速率
的日变化类似 ,同时也充分说明强光高温对突变体的
PS Ⅱ的伤害程度较轻 ,这可能与光反应系统对光能的
吸收利用与分配有关。
3 　讨论
Chla 和 Chlb 都是光合膜的组成部分。Chla 是反
应中心复合体主要组成成分 ,较多地分配在 PS Ⅱ反应
中心 ,其中处于 PS Ⅱ反应中心的 Chla 分子是执行能量
转化的光合色素 ;Chlb 较多地分配在集光色素蛋白复
724　5 期 水稻黄叶突变体光合特性的日变化
图 2 　水稻孕穗期叶片的 PSⅡ原初光化学效率 (FVΠFM) (A) 、PSⅡ的潜在活性 (FVΠF0 ) (B) 、初始荧光 (F0 ) (C) 、
PSⅡ光量子效率 (фPSⅡ) (D) 、非循环光合电子传递速率 ( ETR) ( E)和热耗散 (NPQ) (F)日变化
Fig. 2 　The diurnal changes of initial photochemical efficiency (FVΠFM) (A) , potential activities of
PS Ⅱ(FVΠF0 ) (B) ,initial flourescence (F0 ) (C) ,quantum efficiency of PS Ⅱ(фPS Ⅱ) (D) ,
non2cyclic electron transport rate ( ETR) ( E) and non2 photochemical quenching(NPQ) (F) at booting stage
合体 (LHC) ,主要作用是捕获和传递光能[13 ] 。在本试
验中 ,突变体的 ChlaΠb 高于野生型 ,说明其 Chlb 含量
下降的幅度相对较多 ,因此突变体 PS Ⅱ捕获光能力
弱 ,在强光条件下 ,突变体 PS Ⅱ反应中心稳定 ,利于提
高其 PS Ⅱ的光化学效率。在 12 :00 - 14 :00 ,野生型出
现严重的光抑制时 ,而突变体可以维持较高光合速率
(图 1)和 PS Ⅱ光量子效率 (图 22D) 基本可以反应出上
述特点。
在自然光下 ,野生型和突变体的光合速率与气孔
导度的相关性均未达到显著水平 ,表明气孔导度并非
是水稻光合速率的限制性因子 ,这与 Makino 等[8 ] 研究
的结果一致。蒸腾速率和热耗散的上升都是植物的一
种保护机制 ,在强光下 ,植物通过这种响应可以散失一
部分叶片所吸收的光能 ,降低叶片表面温度 ,从而保护
植物免受强光和高温的伤害。野生型的光合速率与蒸
腾速率达到显著性正相关 ( r = 018081 3 ) ,与热耗散相
关性不显著 ;而突变体的光合速率与热耗散达显著性
正相关 ( r = 017961 3 ) ,与蒸腾速率相关性不显著 ;这可
824 核　农　学　报 21 卷
能表明在强光和高温下 ,水稻随着叶片色素含量的降
低 ,它的主要散热途径发生了改变。
光能是植物进行光合作用的能量基础 ,但当光能
超过光合机构所利用的量时 ,植物光合能力下降 ,进而
表现出光抑制现象[16 ] 。有关 Chlb 减少突变体的光抑
制和叶绿素荧光等内容有若干报道。Havaux[10 ]研究发
现大麦 Chlb 减少突变体的光截获能力和耐强光抑制
能力均明显下降。但 Dai [11 ]和郭士伟[17 ]分别就水稻和
小白菜研究发现 ,Chlb 减少突变体耐强光抑制能力高
于野生型 ,并推测光系统截获的光能少、叶黄素循环能
力较强和 CarΠChl 比值高是这两个突变体耐高光强和
光抑制小的主要原因。许晓明等[18 ] 的研究则表明 ,低
叶绿素含量突变体光能吸收减少 ,有利于提高电子传
递活性 ,从而可以减轻高光强下过剩光能的伤害。本
研究的结果与前人对低叶绿素水稻和小白菜的研究结
论基本一致 ,即叶绿素含量适当减少 ,有利于提高水稻
抗强光氧化能力。
自然界植物总是生活在开放的生态系统中 ,强光
和高温等逆境时有发生。在植物的光合过程中 ,当过
剩的光能不能有效地排散就会发生光抑制 ,长时间会
引起光合色素及脂“光氧化”破坏 ,从而降低植物生产
力和产量 ,同时造成大量光能浪费。本研究结果表明 ,
虽然该突变体光合色素总量较野生型有所下降 ,日平
均光合速率与野生型相比有所下降 ,但在 114912μmolΠ
m
2·s 以上光强下 ,突变体的光合速率 ( Pn) 、PS Ⅱ原初
光化学效率 ( FvΠFm ) 、PS Ⅱ光量子效率 (非循环光合电子传递速率 ( ETR) 均高于野生型 ,而且
该突变体以较高的热耗散 (NPQ) 作为调节体内能量的
主要散热方式 ,起到对光合机构免受强光氧化破坏的
重要作用 ,保证该突变体具有较强的光合生理性能。
综上所述 ,该突变体相对与叶色正常的野生型而言 ,对
强光胁迫的耐受力更好 ,因此更适宜在强光照地区和
季节种植。
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