全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2016, 42(4): 574582 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究由国家自然科学基金项目(31271621), 江苏省普通高校自然科学研究计划(14KJB180011), 江苏高校优势学科建设工程(PAPD),
江苏省自然科学基金项目(BK20140916)和江苏省现代作物生产协同创新中心共同资助。
This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31271621), Natural Science Research of Jiangsu Higher
Education Institutions (14KJB180011), the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD), Natu-
ral Science Foundation of Jiangsu Province (BK20140916), and Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production.
* 通讯作者(Corresponding authors): 吕川根, E-mail: lvchuangen@sina.com; 高志萍, E-mail: 08295@njnu.edu.cn
第一作者联系方式: E-mail: jingang_0317@163.com
Received(收稿日期): 2015-08-21; Accepted(接受日期): 2016-01-11; Published online(网络出版日期): 2016-01-27.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160127.1612.004.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2016.00574
水稻光氧化突变体 812HS的光合和抗氧化特性
徐金刚 1 吕川根 2,* 刘 莉 1 吕春芳 1 马 静 1 夏士健 2 陈国祥 1
高志萍 1,*
1 南京师范大学生命科学学院, 江苏南京 210023; 2 江苏省农业科学院粮食作物研究所, 江苏南京 210014
摘 要: 本研究旨在通过梅雨前后自然光强明显变化的情况下对水稻叶片光氧化突变体 812HS 与野生型 812S 的
PSII 光化学活性、抗氧化酶活性等生理特性的比较研究, 探讨 812HS易受光氧化损伤现象的光合生理原因。结果表
明, 大田自然光照出现强光照前, 812HS与 812S的叶绿素含量、PSII活性、光合磷酸化活性、净光合速率、抗氧化
酶活性和活性氧含量均无显著差异。自然强光照开始(梅雨结束)一段时间后, 两种水稻的上述各项指标都发生了明显
的变化。突变体 812HS的叶绿素含量、PSII活性、非循环式光合磷酸化活性和净光合速率均明显低于 812S。高光强
下 812HS叶片中抗氧化酶CAT和 POD活性的上升幅度则小于 812S, 从而使其体内富集了更多的O2܋ 、H2O2和MDA。
光氧化突变体 812HS 对高光照强度较敏感的 PSII 活性和较低的 CAT、POD 活性可能是其发生叶片光氧化现象的生
理成因。
关键词: 光氧化; 光化学活性; 抗氧化酶活性
Characteristics of Photosynthesis and Antioxidation in Rice Photo-oxidation
Mutant 812HS
XU Jin-Gang1, LÜ Chuan-Gen2,*, LIU Li1, LÜ Chun-Fang1, MA Jing1, XIA Shi-Jian2, CHEN Guo-Xiang1,
and GAO Zhi-Ping1,*
1 College of Life Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 2 Institute of Food Crops, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,
Nanjing 210014, China
Abstract: To reveal the physiological mechanism of leaf photo-oxidation in a rice mutant 812HS, we compared and analyzed
differences of photochemical activity, antioxidative enzyme activities between 812HS and its wild type 812S grown in the field.
Results showed that chlorophyll content, PSII activity, photophosphorylation activity, net photosynthetic rate (Pn) and antioxida-
tive enzymes activities as well as active oxygen contents in 812HS were similar to those in 812S before exposed to high intensity
of sunlight. However, all above indexes were affected by a period of high intensity of sunlight. The decreased degree of chloro-
phyll content, PSII activity, non-cyclic photophosphorylation (NCPS) activity and Pn in 812HS were significantly higher than
those in 812S. Besides, high intensity of sunlight led to a lower increase rate of POD and CAT activities in 812HS. Therefore, the
contents of O2܋ , H2O2, and MDA in 812HS became higher than those in 812S. The result implied that the leaf photo-oxidation of
mutant 812HS mainly results from higher sensitivity of PSII activities and lower CAT, POD activities under high intensity of
sunlight.
Keywords: Photo-oxidation; Photochemical activity; Antioxidative enzyme activity
光是植物光合作用必需的能量来源[1]。正常情 况下, 太阳辐射的光能被叶绿素吸收后可以驱动类
第 4期 徐金刚等: 水稻光氧化突变体 812HS的光合和抗氧化特性 575
囊体膜上的电子传递系统生成 ATP和 NADPH[2]。过
剩的光能会对植物形成光氧化胁迫, 能够直接降低
植物的光合能力, 使其发生明显的光合作用减弱现
象[3-6]。强光甚至中等强光、低 CO2环境下的植物都
易遭受光氧化的伤害, 寒害和高温等也会促进光氧
化的发生[7]。了解水稻光氧化的机制, 对于采取措施
缓解伤害以保证水稻高产、稳产有重要意义[8]。
已有的研究大多是在人为创造光氧化胁迫条件
下研究水稻的生理生化反应。例如, Jin 和 Choon[9]
通过施加甲基紫精(MV)对水稻造成光氧化胁迫, 研
究其机体活性氧(ROS)对光系统 I (PSI)和光系统 II
(PSII)的影响; Ji 和 Jiao[10]通过设置温度梯度和光照
强度梯度, 比较研究不同温度和光照条件下粳稻与
籼稻光氧化伤害程度的差异。此外, 前人还利用一
些诱变产生的突变体研究水稻中不同基因或组分在
应对光氧化胁迫中发挥的作用。如 Ye等[11]通过对诱
导形成的水稻 osotp51 突变体研究发现, osotp51 基
因可以间接影响 PSI 的结构和功能, 从而导致植株
在较低光强下也会发生光抑制现象; Zhou等[12]通过
对 60Co诱变水稻突变体 lyl1的研究, 推测该突变基
因可能与叶绿素和 α-生育酚的生成有关 , 并认为
lyl1 基因在水稻应对光氧化胁迫和光损伤保护中起
重要作用。上述研究结果对于阐明光氧化机制具有
重要意义。
水稻 812S 是江苏省农业科学院两系杂交稻课
题组育成的籼稻两用不育系 , 812HS 是一个来自
812S (野生型)的光氧化突变体, 农艺性状与野生型
无实质性差别[13]。梅雨寡照季节结束前的秧苗(一般
在 5 月中旬出苗, 至 7 月上旬梅雨结束), 突变体的
表型与野生型基本没有差异。梅雨季节过后, 由于
田间自然光照强度的明显增加, 半个月左右后, 突
变体 812HS 的叶片尤其是顶部叶片失绿(发黄), 而
野生型 812S 在表型上不发生这种失绿现象。此外,
在弱光或部分遮光处理的情况下(与不遮光对照的
气温相同), 812HS与 812S一样, 并不发生叶片失绿
现象, 表明主要是光强起作用。遗传分析和基因定
位表明 , 该光氧化性状受第 4 染色体上分子标记
RM307与 RM401之间 1个显性基因 LPO1控制。通
过 Gramene 检索发现, 该基因是首次报道并实现分
子标记定位的光氧化性状相关基因[13]。通过基因精
细定位和生物学信息分析, 已经预测了该基因(尚未
发表)。由于基因新颖, 突变体与野生型农艺性状又
非常接近, 该突变体为进一步了解光氧化调控机制
和相关基因功能提供了非常新颖的研究材料[14]。
本试验是在大田自然生长条件和自然光照下进
行(遮光试验也在室外自然条件下, 用黑纱网部分遮
光), 旨在比较分析光氧化突变体与野生型在光化学
活性、能量利用和抗氧化酶活性等方面的差异, 从
生理学上分析 812HS 光氧化现象的原因, 为进一步
在分子水平上研究光氧化基因 LPO1提供生理依据。
1 材料与方法
1.1 材料种植
水稻 812HS 和 812S 种植于江苏省农业科学院
水稻试验田(南京)和南京师范大学仙林校区植物园,
按照水稻常规的种植方法管理。于 7月 2日(5月 15
日出苗至 7月 2日, 自然光照强度正常或较低, 其中
6 月中旬至 7 月 2 日处于梅雨期, 光照强度较低, 2
个水稻品种叶色无差异)和 8月 2日(7月 2日至 8月
2 日为高光照强度, 812HS 表现出叶片明显失绿)采
样测定(倒二或倒三叶), 3次重复。
在室外条件下, 用黑纱网部分遮光, 使水稻冠
层光强降低约 2/3 (气温相同), 观察叶色变化, 测定
叶绿素含量的差异。
1.2 测定方法
1.2.1 叶绿素含量 将水稻叶片剪碎, 放入无水
乙醇与丙酮的混合液(1∶1)中浸泡过夜提取叶绿素。
用紫外分光光度计(GBC, Australia)分别测量提取液
在 663、645 和 440 nm 处的吸光值, 根据 Arnon[15]
的方法计算获得叶绿素 a和叶绿素 b的含量, 并计算
叶绿素 a/b值。
1.2.2 叶绿素荧光的快速测定 按照 Schansker
等[16]的方法, 用便携式植物效率仪(Hansatech, UK)
测量叶绿素 a的荧光。测量之前, 先用叶片夹夹住水
稻叶片进行 30 min的暗处理, 然后用光量子为 1500
µmol m–2 s–1的 650 nm波长照射 1 s后测定荧光值。
测得的参数主要包括 PSII的最大量子产额(Fv/Fm)、
单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)、单位反应中心
捕获的光能(TR/RC)、单位反应中心传递的电子能
(ET/RC)和单位反应中心的热耗散能量(DIo/RC)。
1.2.3 净光合速率 根据 Jérémie 等[17]的方法,
用 Li-6400 便携式光合测定系统(Li-Cor, USA)在自
然生长条件下测定水稻叶片的净光合速率(net pho-
tosynthetic rate, Pn)和胞间 CO2浓度(intercellular CO2
concentration)。测量时, 保持 500 µmol s–1的空气流
速, 360 µmol s–1的 CO2浓度, 样品室内光合光子通
576 作 物 学 报 第 42卷
量密度(photosynthetic photon flux density, PPFD)为
1000 µmol m–2 s–1。
1.2.4 光合磷酸化活性 根据 Ketcham等[18]的方
法略加修改后制备叶绿体溶液悬浮液, 测定光合磷
酸化活性。取 1 g去中脉的叶片剪碎, 用 10 mL冰浴
的提取液[50 mmol L–1 Tris-HCl (pH 7.6), 5 mmol L–1
MgCl2, 10 mmol L–1 NaCl, 0.4 mol L–1蔗糖, 0.1%牛
血清蛋白(BSA)]将其匀浆, 经 4 层纱布过滤后, 以
200×g冷冻离心 2 min, 保留上清液, 再经 2000×g冷
冻离心 5 min, 即得叶绿体沉淀。用提取液重悬叶绿
体沉淀即得叶绿体悬浮液。
利用 Fluoroskan Ascent FL发光光度计(Thermo
Scientific, America)测定光合磷酸化活性。0.1 mL叶
绿体悬浮液与 0.9 mL 反应缓冲液 [10 mmol L–1
K3Fe(CN)6, 0.2 mol L–1 Tricine (pH 8.0), 20 mmol L–1
MgCl2, 20 mmol L–1 Na2HPO4和 20 mmol L–1 (ADP)]
混匀之后光照(50 μmol m–2 s–1) 1 min, 加入 20%的
三氯乙酸(TCA)终止反应。然后, 1000×g离心 5 min,
得上清液。用 9.9 mL 0.02 mmol L–1 Tris-HCl (pH 7.5)
与 0.1 mL的上清液混匀得反应液。最后, 用 0.2 mL
的反应液与 0.8 mL 的荧光素酶液混合 , 在
Fluoroskan Ascent FL发光光度计(Thermo Scientific,
America)中测定光合磷酸化活性。
1.2.5 抗氧化酶的提取及其活性测定 根据
GarcÍa等[19]的方法并略加修改后制备粗酶液。1 g去
脉的水稻叶片加入 10 mL预冷的 50 mmol L–1的磷酸
钠缓冲液(PBS)研磨至匀浆状。在 4℃条件下, 将匀
浆 12 000×g离心 10 min, 上清液即为粗酶提取液。
参照 Mandhania 等[20]的方法, 通过分析对氮蓝
四唑(NBT)化学还原的抑制状况测定超氧化物歧化
酶(SOD)活性。粗酶提取液与反应液[0.13 mol L–1甲
硫氨酸, 0.75 mmol L–1 NBT, 0.1 mmol L–1 EDTA, 50
mmol L–1 PBS (pH 7.8), 0.02 mmol L–1核黄素]按照
1∶59的比例混匀后, 于 50 µmol s–1光照下反应 15
min。两个对照组以等体积的蒸馏水代替粗酶提取液,
并且把其中一个置暗处作为空白对照。最后, 分别
测定各管在 560 nm的吸光值。SOD活性以抑制 NBT
光化还原的 50%为一个酶活性单位。
根据 Beers 和 Sizer[21]的方法测定过氧化氢酶
(CAT)活性。3 mL的反应体系包括 1 mL 0.3% H2O2
[0.1 mol L–1 PBS (pH 7.0), 30% H2O2], 1.9 mL H2O和
0.1 mL酶液。测定反应液在 240 nm波长处吸光值的
降低速度。将每分钟吸光值降低 0.01定义为 CAT的
一个酶活性单位(U)。
参照 Ou 等[22]的方法测定过氧化物酶(POD)活
性。反应体系含 0.1 mL PBS, 28 μL愈创木酚, 19 μL
H2O2和 0.05 mL 酶液。加入酶液后启动反应, 记录
紫外分光光度计 470 nm波长处吸光值的增加速度。
将每分钟吸光值升高 0.01定义为一个酶活单位。
1.2.6 O2܋ 和H2O2含量 按照王爱国和罗广华[23]
的方法加以修改后进行 O2܋ 含量的测定。1 g去中脉
叶片在 0.5 mmol L–1的磷酸缓冲液(pH 7.8)中研磨后
经 12 000×g离心 10 min。取 1 mL上清液加入 0.9 mL
的 0.05 mol L–1磷酸缓冲液(pH 7.8)和 0.1 mL的氯化
羟胺, 25°C下混合培养 20 min。取 1 mL上述培养液
依次加入 17 mmol L–1对氨基苯磺酸和 17 mmol L–1
α-苯胺各 1 mL, 25℃反应 20 min。测定反应液在 530
nm处的吸光值, 根据标准曲线计算 O2܋ 的含量。
取上述离心得到的上清液 1 mL, 借助 H2O2含
量测定试剂盒(建成生物公司, 中国南京), 按照说明
书的要求测定 H2O2含量, 并同时以蒸馏水为空白对
照, 测定各样品在 405 nm处的吸光值。根据公式计
算 H2O2含量。
1.2.7 丙二醛含量 按照华春和王仁雷 [24]的方
法测定。取上述粗酶提取液 1.5 mL, 与 2.5 mL含有
0.5%硫代巴比妥酸(TBA)的 20%三氯乙酸(TCA)溶
液混匀, 沸水浴 10 min, 迅速冷却, 1800×g 离心 10
min, 分别在 532、600和 450 nm处测定上清液的吸
光值。
2 结果与分析
2.1 叶色表型
图 1展现的是强光照前后突变体 812HS和野生
型 812S的表型变化。7月 2日(之前一段时间为梅雨
季, 寡照), 突变体的表型与野生型没有明显差异。8
月 2 日, 由于 7 月中下旬至 8 月初光照强度明显较
强, 突变体 812HS 的叶片出现明显的失绿现象, 尤
其是顶部更甚, 而野生型 812S无此现象(图 1)。
2.2 叶色表型对光强的反应
在部分遮光试验中, 根据实际测定, 黑纱网遮
去光强约 6 5 % (晴天测定 , 自然光强平均值
1308 µmol m–2 s–1, 遮光后水稻冠层顶部光强平均值
为 468 µmol m–2 s–1)。从出苗后直至 8月 2日, 部分
遮光处理的 812HS与 812S叶色一直没有明显差别。
而在同时进行的黑纱网外的对照实验中(正常自然
光, 气温相同), 812HS与 812S叶色差异明显, 812HS
第 4期 徐金刚等: 水稻光氧化突变体 812HS的光合和抗氧化特性 577
图 1 水稻光氧化突变体 812HS与野生型 812S的叶色比较
Fig. 1 Leaf color of rice mutant 812HS and its wild type 812S
A: 7月 2日; B: 8月 2日; 其中左为 812S, 右为 812HS。C: 强光
后 812S叶片(左)与 812HS叶片(右)的比较。
A: at 2nd, July. B: at 2nd, August. 812S (left), 812HS (right).
C: leaves of 812S (left) and 812HS (right) after a period of
high sunshine.
明显失绿, 812S叶色正常(图 2), 叶绿素的测定结果
也证实了目测对叶色的判断(表 1), 表明是光强的差
别导致了叶色失绿。8 月 2 日揭去黑纱网, 1 周后,
812HS 逐渐失绿, 15 d 后, 叶色明显失绿, 而 812S
叶色变化仍然不大, 再次验证了光强导致的叶色变
化。表 2 的叶绿素测定结果也证实了以上的结论。
实验表明, 是光强的不同造成了叶色的差异, 而非
品种本身的遗传性早衰。如果是遗传性早衰, 失绿
特性是由遗传基因决定的, 将不受光强条件的限制,
在正常光或稍弱光下也能表达早衰失绿特性。
图 2 812HS和 812S部分遮光处理及对照的叶色
Fig. 2 Leaf color of rice mutant 812HS and its wild type 812S
in partial shading sunlight
从左至右依次为: 自然光下生长的 812HS、812S, 部分遮光处理
的 812HS、812S。
Plant in the pots from left to right: 812HS, 812S under natural
sunlight, and 812HS, 812S under partial shading sunlight.
表 1 自然光照条件和部分遮光下 812HS和 812S的叶绿素含量
Table 1 Changes of chlorophyll contents in rice leaves of mutant 812HS and 812S under natural sunlight and partial shading
sunlight (mg g–1 FW)
自然光 Natural sunlight 遮光约 65% Partial (65%) shading sunlight 材料
Material 7月 2日 2nd, July 8月 2日 2nd, Aug. 7月 2日 2nd, July 8月 2日 2nd, Aug.
812S 3.594±0.076 a 3.651±0.340 a 3.901±0.427 a 3.832±0.369 a
812HS 3.574±0.284 a 2.290±0.099 b 3.852±0.393 a 3.532±0.230 a
测定样品为盆钵中水稻植株。同一时期 2个品种数据后不同小写字母表示在 0.05水平上有显著差异。
Data was from the samples growing in pots. Values followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.
2.3 光合色素含量
由表 2 可知, 田间生长条件下, 在 7 月 2 日, 2
个品种的叶绿素 a、叶绿素 b含量及叶绿素 a/b值之
间均没有显著差异(P > 0.05)。8月 2日, 2个品种的
光合色素均相应减少。812HS的叶绿素 a、叶绿素 b
及叶绿素 a/b 的降幅分别为 16.9%、11.2%和 11.1%,
明显高于 812S的 6.5%、5.2%和 5.7%。其中, 812HS
的叶绿素 a 含量下降尤其明显, 与 812S 差异显著
(P < 0.05)。说明 812HS的反应中心色素对光照强度
的敏感度高于野生型, 更容易受到高光强的伤害。
2.4 快速叶绿素荧光动力学曲线参数
如表 3 所示, 7 月 2 日, 812HS 的 ABS/RC、
TRO/RC、ETO/RC值都显著低于野生型(P < 0.05), 而
DIO/RC和 Fv/Fm值均与野生型之间没有显著差异。8
月 2日, 两个品种的 ABS/RC、TRO/RC、ETO/RC和
DIO/RC 的值都明显升高 , 只有 Fv/Fm 明显降低。
812HS 的 Fv/Fm 值显著低于野生型(P < 0.05), 而其
ABS/RC、TRO/RC、ETO/RC 和 DIO/RC 值均明显高
于 812S, 其中 TRO/RC差异显著, 从 812S显著高于
812HS变为 812HS显著高于 812S。
578 作 物 学 报 第 42卷
表 2 812HS和 812S的光合色素含量
Table 2 Pigment contents in leaves of rice mutant 812HS and its wild type 812S
日期
Date
品种
Material
Chl a
(mg g–1 FW)
Chl b
(mg g–1 FW)
Chl a/b
812S 3.475±0.039 a 0.858±0.039 a 4.056±0.134 a 7月 2日
2nd, July 812HS 3.508±0.071 a 0.863±0.020 a 4.066±0.034 a
812S 3.251±0.057 a 0.813±0.078 a 4.028±0.483 a 8月 2日
2nd, Aug. 812HS 2.915±0.144 b 0.766±0.067 a 3.812±0.151 a
同一时期的相同项目数据后不同小写字母表示在 0.05水平上有显著差异。
Values followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.
表 3 812HS和 812S的荧光动力学参数
Table 3 Fluorescence kinetics parameters of rice mutant 812HS and its wild type 812S
日期 Date 品种 Material ABS/RC DIO/RC TRO/RC ETO/RC Fv/Fm
812S 1.562±0.169 a 0.370±0.076 a 1.192±0.095 a 0.716±0.092 a 0.765±0.022 a 7月 2日
2nd, July 812HS 1.381±0.131 b 0.311±0.038 a 1.070±0.096 b 0.625±0.053 b 0.775±0.010 a
812S 2.119±0.796 a 0.599±0.415 a 1.519±0.387 b 0.938±0.247 a 0.736±0.061 a 8月 2日
2nd, Aug. 812HS 2.964±0.948 a 0.984±0.449 a 1.979±0.507 a 1.316±0.476 a 0.680±0.046 b
同一时期的同列数据后不同小写字母表示在 0.05水平上有显著差异。
Values followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.
2.5 净光合速率
812HS 和 812S 叶片的净光合速率(Pn)如图 3-A
所示。在相同光合条件下, 7月 2日测定 Pn, 812HS
与 812S差异不显著。到 8月 2日, 2个品种的 Pn均
有所降低, 但 812HS的降幅是 812S 的 1.7倍, 显著
低于 812S。图 3-B表明, 812HS和 812S的 Ci (胞间
CO2浓度)的变化呈现出与 Pn相反的趋势。有研究表
明, Pn与 Ci具有一定的负相关性, Ci值是 CO2羧化能
力的体现[24]。在高光照强度造成伤害后, 812HS 的
Ci 值明显升高, 意味着其 CO2 羧化能力降低, 进而
影响光合作用的强度。
2.6 光合磷酸化活性
如图 4所示, 在 7月 2日, NCPS活性和 CPS活
性 812HS 与 812S 基本相同(P > 0.05)。8 月 2 日,
812HS 和 812S 的非循环式光合磷酸化(NCPS)及循
环式光合磷酸化(CPS)活性都随着光强的变化而改
变。812HS的 NCPS活性显著低于 812S, 而 CPS活
性则显著高于 812S。通过分析上述变化可以发现,
在高光强刺激下 , 与野生型 812S 相比 , 突变体
812HS 的 NCPS 活性的稳定性较差, 因而较易激发
循环式光合磷酸化的活性。激活的循环式光合磷酸
化活性可以消耗过剩的能量[25]。
图 3 812HS、812S的光合速率和胞间 CO2浓度
Fig. 3 Net photosynthetic rate and intercellular CO2 concentration in mutant 812HS and its wild type 812S
*代表 t检验在 0.05水平有显著差异。
* Represents significant difference at the 0.05 probability level according to t-test.
第 4期 徐金刚等: 水稻光氧化突变体 812HS的光合和抗氧化特性 579
图 4 812HS、812S非循环式光合磷酸化(A)和循环式光合磷酸化(B)活性
Fig. 4 Activities of non-cyclic photophosphorylation and cyclic photophosphorylation in leaves of rice mutant 812HS and its
wild type 812S
*代表 t检验在 0.05水平上有显著差异。
* Represents significant difference at the 0.05 probability level according to t-test.
2.7 抗氧化酶活性
图 5 表明, 在 7 月 2 日, 812HS 与 812S 相比,
SOD、CAT和 POD活性均无显著差异。8月 2日, 两
者的各种抗氧化酶活性都明显增加 , 但 812HS 的
SOD 活性显著高于野生型, 而 POD 和 CAT 活性却
显著低于野生型。可以推测, 突变体较低的 POD和
CAT 活性可能是其在高光强下表现光氧化现象的原
因之一。
图 5 812HS和 812S抗氧化酶活性
Fig. 5 Enzyme activity of antioxidation in leaves of rice mutant 812HS and its wild type 812S
*代表 t检验在 0.05水平有显著差异。
* Represents significant difference at the 0.05 probability level according to t-test.
580 作 物 学 报 第 42卷
2.8 O2܋ 和 H2O2含量
如图 6所示, 在 7月 2日, 812HS细胞内 O2܋ 和
H2O2的含量与 812S基本相同。8月 2日, 两者植株
内O2܋ 和H2O2的含量都升高, 在 812HS中富集得更
多, 显著高于 812S。这可能是 812HS的 PSII对高强光
照较敏感, 其较低的 POD、CAT抗氧化酶活性打破了
O2܋ 和H2O2产生与消除之间的动态平衡, 从而植株体
内活性氧含量显著增加, 使叶片更易受到伤害。
2.9 MDA含量
由图 7可知, 在 7月 2日, 812HS和 812S的MDA
含量均维持在相对较低的水平 , 两者间无显著差
异。至 8月 2日, 812HS和 812S的 MDA含量都明
显增加。但是, 812HS的增幅明显高于 812S, 差异显
著。MDA含量的变化与上述活性氧的变化趋势一致,
这可能是 812HS叶片内积累的较高含量的活性氧对
其膜脂过量氧化造成的。
图 6 812HS和 812S活性氧含量
Fig. 6 Content of reactive oxygen species in leaves of rice mutant 812HS and its wild type 812S
*代表 t检验在 0.05水平有显著差异。
* Represents significant difference at the 0.05 probability level according to t-test.
图 7 812HS和 812S中 MDA含量
Fig. 7 Content of MDA in leaves of rice mutant 812HS and its
wild type 812S
*代表 t检验在 0.05水平有显著差异。
* Represents significant difference at the 0.05 probability level
according to t-test.
3 讨论
叶绿体是植物的光合器官, 也是对光氧化最敏
感的细胞器。正常情况下, 叶绿体吸收的光能通过
光合电子传递、热耗散和叶绿素荧光形式消耗掉。
这3个途径相互竞争 , 荧光的变化可以反映光合作
用的水平[22]。本研究发现, 一段时间的强光照之后,
812HS 的叶绿素 a 严重降解, 反应中心失活程度较
高, 导致单位反应中心吸收和捕获的光能高于野生
型。同时, 812HS 叶片中 PSII 的最大光化学效率
Fv/Fm显著低于 812S。由此可见, 812HS的 PSII活性
稳定性比野生型差, 对强光照比较敏感, 其 PSII 的
光能转化效率和潜在活性受到了抑制, 这将会进一
步影响光合电子传递和 CO2的同化作用。
NCPS的活性依赖于PSII、中间电子载体和PSI [26]。
本实验发现, 812HS和 812S的 NCPS活性变化趋势
与 PSII一致, 推测 812HS的 NCPS活性降低可能是
其 PSII 活性的改变造成。之前已有研究发现, 正常
情况下, CPS在植物体内光合磷酸化中所占的比例很
小, 高光照强度下植物可以通过提高其活性来保护
叶片, 从而使植物免受光氧化胁迫的损害[27]。本研究
与前人的结果一致, 2种水稻的 CPS活性在强光照后
都增加, 但 812HS的增幅显著高于野生型, 说明 CPS
作为 NCPS的一个辅助途径, 其活性与 NCPS活性之
间具有一定的负相关性。当 NCPS受到损伤后, 812HS
可以通过提高 CPS活性起到一定的弥补作用。
对于水稻来说, 7月份之前的光照强度属于正常
第 4期 徐金刚等: 水稻光氧化突变体 812HS的光合和抗氧化特性 581
或偏低范围, 突变体 812HS 的 PSII 活性与野生型
812S间并没有明显差别。在 7月中下旬至 8月初较
高的光照强度下, 812HS 的 PSII 活性发生了非常明
显的下降, 其中叶绿素 a 的降低幅度显著大于野生
型 812S。812HS显著降低的 PSII活性会影响后续的
NCPS活性, 最终导致 Pn明显下降。同时, 这也造成
了其体内过剩能量的大量积累。
植物在长期的进化过程中, 体内同时形成两种
主要的抗氧化系统, 分别是包括 SOD、POD、CAT
在内的抗氧化酶系统和小分子抗氧化物质, 它们能
够在一定范围内及时清除机体内过多的活性氧, 维
持自由基代谢的动态平衡[28]。SOD、CAT和 POD能
够清除植物体内的活性氧, 从而使光合作用膜免受
过氧化的损伤 , 对植物起到一定的保护作用 [29]。
SOD 将 O2܋ 歧化成 H2O2, 抑制 Haber-Weiss 反应, 再
由 CAT和 POD将 H2O2分解成 H2O, 从而阻止 O2܋ 和
H2O2的积累[30]。只有三者协调一致, 才能使活性氧
自由基维持在较低的水平 [31]。本实验的结果显示 ,
在自然高光强下, 812HS和 812S的 SOD活性均明显
增加, 而且, 812HS比 812S增加得显著, 但是, 可能
由于光氧化 812HS产生的O2܋ 比 812S多得多, 所以,
812HS的 SOD活性的增加并不足以抵消光氧化产生
的 O2܋ 增量 , 从而导致实际测定中 O2܋ 的积累量
812HS 仍显著高于 812S。此外, 在 812HS 中, 高活
性 SOD酶也导致更多 H2O2的积累, 而 CAT和 POD
的活性增幅明显低于 812S, 导致 H2O2 在植物体内
大量积累 , 引起细胞膜系统损伤和生理代谢紊乱 ,
使得 812HS在高光照强度下保护叶绿体的能力相对
较弱, 因而叶绿体的光氧化损伤程度比 812S明显严
重。MDA是膜脂过氧化产物, MDA含量的增加是植
物膜系统受胁迫的重要标志之一。本研究中发现 ,
高光强条件下 812HS 的 MDA 含量明显增加, 与活
性氧的变化趋势一致, 表明活性氧加速了膜脂过氧
化链式反应, 自由基增多, 过氧化产物在 812HS 中
积累[32]。
4 结论
812HS的光氧化特性是由其不稳定的 PSII活性
和较弱的 CAT、POD活性造成。这种特性使得 812HS
细胞内大量富集 ROS, 并对叶绿体机构和光合磷酸
化造成损伤, 形成了明显的叶片光氧化失绿表型。
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