全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2016, 42(4): 551560 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB150401), 国家自然科学基金项目(31501254, 31371562), 江苏省自然科学
基金项目(BK20140480), 中国博士后科学基金(2014M550312, 2015T80590), 江苏省高校自然科学基金项目(14KJB210007)和江苏省高
校优势学科建设项目资助。
This study was supported by the National Basic Research Program of China (973 Program, 2015CB150401), National Natural Science Foun-
dation of China (31501254, 31371562), the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20140480), China Postdoctoral Science
Foundation (2014M550312, 2015T80590), the Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China
(14KJB210007), and the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD).
* 通讯作者(Corresponding author): 顾骏飞, E-mail: gujf@yzu.edu.cn, Tel: 0514-87979381
Received(收稿日期): 2015-08-19; Accepted(接受日期): 2016-01-11; Published online(网络出版日期): 2016-01-25.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160125.1622.004.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2016.00551
水稻低叶绿素含量突变对光合作用及产量的影响
顾骏飞* 周振翔 李志康 戴琪星 孔祥胜 王志琴 杨建昌
扬州大学江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点 / 粮食作物现代产业技术协同创新中心, 江苏扬州 225009
摘 要: 突变体水稻叶绿素含量仅是其野生型水稻的 51%, 但是其饱和光合值在低氮、中氮、高氮处理下, 却比对照
野生型水稻分别高 3.7%、20.4%与 39.1%。为了探究其生理学机制, 分别在大田与盆栽试验中, 不同氮肥水平下研究
了突变体材料与野生型材料的叶片 Rubisco 酶含量、气孔导度、水通道蛋白表达水平、叶绿素荧光、叶片解剖结构
和叶绿体超微结构。叶绿体超微结构分析表明, 突变体材料虽然叶绿素含量降低, 叶绿体的发育并未受到影响; 叶绿
素荧光试验结果表明, 高光强下, 低叶绿素含量突变体并未受到光抑制, 光反应电子传递未受影响。气孔导度数据、
叶片显微结构观察与水通道蛋白基因表达数据表明, 叶黄突变体具有较高的气孔与叶肉导度; 同时低叶绿素含量突
变体内较高的 Rubisco酶含量也是其在高光照条件下具有较高光合速率的重要原因。产量数据表明, 叶黄突变体虽然
生育期短, 但其产量水平与对照无显著差别, 这可能与其高光强条件下有较高的光合速率有关。上述试验结果表明高
叶绿素含量并不是叶片高光合速率的必需条件。在今后的高光效育种中, 挑选叶绿素含量适宜的品种更有利于叶片
内氮素在其他光合器官中的分配, 提高光合效率, 最终获得高光效品种。在本研究中使用的叶绿素含量降低突变体在
高光效育种中有潜在的研究价值。
关键词: 水稻; 叶绿素; 光合作用; 高光效; 氮素
Effects of the Mutant with Low Chlorophyll Content on Photosynthesis and
Yield in Rice
GU Jun-Fei*, ZHOU Zhen-Xiang, LI Zhi-Kang, DAI Qi-Xing, KONG Xiang-Sheng, WANG Zhi-Qin, and
YANG Jian-Chang
Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology / Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops, Yangzhou Uni-
versity, Yangzhou 225009, China
Abstract: A chlorophyll-deficit rice mutant (YL) with ~51% chlorophyll of its wild type (WT) was 3.7%, 20.4%, and 39.1%
higher in photosynthesis than WT under saturating light condition, in treatments of 0 kg N ha–1, 120 kg N ha–1, 240 kg N ha–1,
respectively. In the field and pot experiments, we studied leaf Rubisco content, stomatal conductance, expression levels of aq-
uaporin genes, chlorophyll fluorescence, light and electron micrographs at different levels of N application. The results showed
that the decreased level of chlorophyll content in YL was compensated by a relatively higher quantum yield of PSII. The electron
micrographs of chloroplasts showed that there were no differences in chloroplast development between YL and WT. The stomatal
conductance was much higher in the mutant than in wild type, and expression levels of the aquaporin genes suggested a higher
mesophyll conductance in YL. The higher CO2 conductance together with a higher Rubisco content in YL could be reasons for the
higher photosynthetic rate. The yield of YL was similar to that of WT, but the growth duration in YL was much shorter, which
could be caused by the different photosynthetic performance between YL and WT. All these results implicate that higher photo-
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synthetic rate does not necessitate higher chlorophyll content. Moderate chlorophyll content will benefit the leaf photosynthesis.
Decreasing N investment in chlorophyll synthesis and optimizing N distribution among different photosynthetic compounds could
potentially improve photosynthesis and yield. The YL material used in this study could be potentially used to improve photosyn-
thetic efficiency in breeding programmes.
Keywords: Rice; Chlorophyll; Photosynthesis; High photosynthetic efficiency; Nitrogen
光合作用不仅是水稻生长发育的基础, 也是产
量的决定因素。水稻的光合作用是一个复杂系统 ,
受一系列内在生理生化途径和外界环境因子的调
控。在低光条件下或饱和 CO2 浓度下, 类囊体上的
电子传递受限或满足不了碳同化速率的需要, 进而
影响 ATP的合成, 影响 RuBP再生(RuBP再生限制);
在饱和光强或低 CO2浓度下, 暗反应关键酶 Rubisco
的数量与活性, 及反应底物 CO2 的浓度是限制光合
作用的重要因素(Rubisco羧化限制); 在长期光照下,
大量形成的光合产物需要借助叶绿体被膜上的磷酸
运转器及时运转出叶绿体, 此时光合速率受细胞质
中无机磷运转速率限制(磷酸丙糖运转限制)[1-4]。在
现有大气 CO2 浓度下, 饱和光强下的光合速率主要
受Rubisco酶催化效率影响, 而不受电子传递限制[5-6]。
植物吸收的光能远远满足植物的需要。饱和光强下
C3植物的光能利用效率只有 1.9%[7], 长时间过强的
光照甚至会引起光系统 II 反应中心的破坏, 植物需
要通过热耗散等机制来消除多余的光能, 从而减少
活性氧的产生[8]。因此, 适当降低叶绿素含量或者光
反应电子传递速率在理论上不会影响叶片的光合作
用。Ort等[9-10]提出如果能够降低植物叶片中叶绿素
如天线色素、反应中心色素的含量, 将不仅有利于
减少光抑制, 提高冠层中的光分布, 而且有利于氮
素在光合系统内的分配, 提高光合氮素利用效率。
相应的研究已经在藻类和蓝藻细菌中取得成功[11-12],
在水稻中, 影响叶绿素合成的突变体的遗传学研究
已经有诸多报道[13-20], 但是叶色突变体对光合作用
的生理学分析却很少, 尤其是叶绿素含量降低对提
高水稻光合生理及其产量的报道较少。浙辐 802 是
20世纪 80年代中期至 90年代中期在我国南方稻区
推广面积最大的早籼常规品种。本研究在不同氮素
水平下 , 探讨了浙辐802及低叶绿素含量突变体的
光合生理生化特性, 分析了其在高光效育种中的潜
在应用价值。
1 材料与方法
1.1 试验材料与栽培概况
试验于 2014年在扬州大学实验农场进行。土壤
类型为沙壤土, 土壤含有机质 22.7 g kg−1、全氮 1.96
g kg–1、速效氮 96.5 mg kg−1、速效磷 20.4 mg kg−1、
速效钾 120.0 mg kg−1。试验材料为低叶绿素含量突
变体(YL)与其野生型对照(WT, 浙辐 802)。低叶绿素
含量突变体由籼稻品种浙辐 802 经物理辐射诱变而
成, 由浙江大学程方民教授提供。该突变体已多年
种植, 株型形态等遗传性状已经稳定。
大田试验于 5月 12日播种育秧, 6月 7日插秧,
株行距为 25 cm × 15 cm, 每穴 2苗。采用随机区组
设计, 设置 3 个氮肥处理, 即 0N (全生育期不施氮
肥)、MN (全生育期施纯氮 120 kg N hm–2)和 HN (全
生育期施纯氮 240 kg N hm–2)。小区面积为 15 m2, 重
复 3 次。氮肥作基肥(移栽前 1 d 施入)、分蘖肥(移
栽后 7 d施入)、穗肥(约移栽后 40 d施入), 其比例
分别为 50%、20%、30%。移栽前各小区施用过磷酸
钙(含 P2O5 13.5%) 300 kg hm–2和氯化钾(含K2O 52%)
195 kg hm–2。按照常规高产栽培管理水分, 全生育期
严格控制杂草与病虫害。
盆栽试验于 5 月 12 日播种, 大田育秧, 6 月 12
日移栽至盆钵, 盆钵直径 25 cm, 高 30 cm, 内装过
筛土 18 kg (取自大田)。每盆 3穴, 每穴 2苗。盆栽
种植密度约为 61穴 m–2。盆栽密度较大田栽插密度
高, 这是因为盆栽植物较大田植物长势弱, 为了使
水稻群体内光照条件一致适当增加种植密度, 同时
也考虑到盆与盆之间的间隔距离。设置氮肥处理 0N
(全生育期不施氮肥)、MN (中氮, 每盆 1.8 g 尿素)
和 HN (高氮, 每盆 3.6 g尿素)。每盆施尿素移栽前∶
移栽后 7 d∶穗分化期(抽穗前 30~35 d) = 5∶2∶3。
对所有处理施 0.5 g磷酸二氢钾(KH2PO4)作基肥。设
置重复 15盆。取样与光合生理测量时间为开花期。
1.2 取样与测定
1.2.1 叶绿素含量、Rubisco酶含量的测定 取新
鲜叶片 0.2 g, 加少量石英沙和碳酸钙粉末, 2 mL
95%乙醇研磨呈匀浆状, 继续加乙醇研磨直至叶片
变白。静置, 过滤至棕色瓶, 将滤纸上绿色洗净, 定
容, 混匀, 以 95%乙醇为空白, 分别在 665 nm、649
nm和 470 nm下测定吸光度, 并计算叶绿素含量[21]。
第 4期 顾骏飞等: 水稻低叶绿素含量突变对光合作用及产量的影响 553


参照 Makino等[22-23]的方法测定 Rubisco酶含量。
1.2.2 光合参数与荧光参数测定 采用美国 LI-
COR 公司生产的 LI-6400 便携式光合测定仪, 测定
剑叶净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度。
于晴天上午 9:00—11:00 测定, 使用红蓝光源, 设定
光量子密度(Photosynthetic Photo Flux Density, PPFD)
为 1000 µmol m–2 s–1, CO2浓度为 400 µmol mol–1。
使用MINI-PAM-II (德国WALZ公司生产)测定
剑叶叶绿素荧光参数。作用光1000 µmol m–2 s–1, 饱
和脉冲约4000 µmol m–2 s–1, 闪光0.9 µmol m–2 s–1,
间隔30 s。参照Genty等[24-25]的方法测定并计算光适
应状态下光化学效率(Fv′/Fm′)、光化学淬灭(qP)、PSII
的实际量子产量(ΦPSII)。
1.2.3 光合响应曲线测定 于测定开始前1 d 将
盆栽水稻移入人工气候室, 人工气候室温度设定为
白天28℃ (12 h), 夜晚23℃ (12 h), 相对湿度65%,
光照强度为1000 µmol m–2 s–1。使用LI-6400便携式光
合测定仪测定光响应曲线, 设叶室内初始光照强度
为1500 µmol m–2 s–1, 分别控制叶片温度和叶室内空
气湿度在25℃和65%。将叶片夹入叶室约10 min后调
用自动程序, 设定叶室内光强梯度为2000、1500、
1200、1000、800、600、400、200、150、100、50
和0 µmol m–2 s–1。每个光强下测定时间为3~4 min,
整个程序需要约40 min。
1.2.4 叶片的显微结构与叶绿体的超微结构观察
制作徒手切片, 于光学显微镜下观察。叶绿体
超微结构的观测步骤如下。用锋利刀片将叶片从中
部截断, 取离体叶片立即投入预冷的 2.5%戊二醛中
固定; 2 h后用 0.1 mol L–1 pH 7.2的磷酸缓冲液(PBS)
清洗 3次, 每次 15 min; 再用 1% OsO4固定; 2 h后
再用 PBS 清洗, 方法同上; 再经梯度浓度乙醇脱水;
环氧丙烷过渡; 环氧树脂浸透和包埋, 聚合成包埋
块后在 Ultra-Jung超薄切片机上切成 50~70 nm的切
片, 以醋酸双氧铀和柠檬酸铅双重染色, 最后置透
射电子显微镜(Philips, CM100, 荷兰)下观察, 拍照
并作记录。
1.2.5 水通道蛋白基因表达(实时荧光定量 PCR 技
术 )方法 测定水通道蛋白基因 OsPIP1;1、
OsPIP1;2、OsPIP1;3 表达量。参照 TRIzol 试剂
(Invitrogen)使用说明书用叶片提取水稻总 RNA。运
用紫外分光光度法检测样品的 RNA 纯度。以 1%的
变性琼脂糖凝胶电泳检测 RNA的完整性。
cDNA合成的准备反应体系含 5×ExSeript RTase
缓冲液 2 μL、dNTP混合液(各 10 mmol L–1) 0.5 μL、
Oligo dT引物(50 mmol L–1) 0.5 μL、ExScript RTase
(200 U μL–1) 0.25 μL、RTase抑制剂(40 U μL–1) 0.25
μL、总 RNA 500 ng, 加 ddH2O至 10 μL, 稍离心后,
于 PCR仪中 42℃反应 10~15 min (反转录反应), 95
℃反应 2 min (反转录酶的失活反应)。
两步法 PCR 扩增, 参照 Sakurai 等[26]设计水通
道蛋白基因的引物。其中看家基因 actin的正向引物
为 5′-TGTAAGCAACTGGGATGA-3′, 反向引物为
5′-CCTTCGTAGATTGGGACT-3′ 。 参 照 TaKaRa
SYBR Premix Ex Taq使用说明书配置反应体系。25
μL反应体系含 SYBR Premix Ex Taq 12.5 μL、正向
和反向引物各 1.0 μL、cDNA 模板 2.5 μL、无菌水
8.0 μL。将配制混合物充分混匀后平均分配至 48孔
PCR板中。创建反应管设置文件后, 设置 PCR热循
环文件。然后启动程序 , 运行状态监控。在调整
baseline cycles和计算 threshold value (阈值)后, 进行
实时数据分析。
1.3 生育期记录及考种计产
记录各材料各处理生育期, 并于成熟期取各小
区中间 4 m2水稻考种计产, 测定产量各构成因素。
1.4 数据处理
用Microsoft Excel软件整理数据, SAS软件统计
分析数据, SigmaPlot 10.0绘图。
2 结果与分析
2.1 突变体材料与野生型材料叶片叶绿素含量
与光合差异
突变体叶片中叶绿素的含量较野生型品种显著
减少(图 1)。在氮空白(0 kg N hm–2), 中氮(120 kg N
hm–2), 高氮(240 kg N hm–2)处理中, 突变体叶片中
叶绿素含量平均分别比野生型对照材料低 44%、
51%与 51%。但是叶绿素含量的降低并没有抑制光
合速率(图 2), 尤其在高氮、高光强处理下, 突变体
材料的光合值显著高于野生型材料。在饱和光(约
1000 µmol m–2 s–1)条件下, 在氮空白(0 kg N hm–2),
中氮(120 kg N hm–2), 高氮(240 kg N hm–2)处理中,
叶绿素含量降低突变体叶片光合值分别比野生型对
照高 3.7%、20.4%和 39.1%。与高光强条件下相反,
低光强下野生型材料的光合值略高于突变体, 这是
因为低光照条件下光照强度是叶片光合的限制因素,
高叶绿素含量有利于叶片光的吸收。
554 作 物 学 报 第 42卷



图 1 突变体材料与野生型材料不同生育阶段叶片叶绿素含量
的变化
Fig. 1 Changes of chlorophyll content at different growth
stages
YL 0N: 叶绿素含量降低突变体, 0 kg N hm–2处理; YL 120N: 叶
绿素含量降低突变体, 120 kg N hm–2处理; YL 240N: 叶绿素含
量降低突变体, 240 kg N hm–2处理; WT 0N: 野生型突变体, 0 kg
N hm–2处理; WT 120N: 野生型突变体, 120 kg N hm–2处理; WT
240N: 野生型突变体, 240 kg N hm–2处理。
YL 0N, chlorophyll-deficit rice mutant with 0 kg N hm–2 treatment;
YL 120N, chlorophyll-deficit rice mutant with 120 kg N hm–2
treatment; YL 240N, chlorophyll-deficit rice mutant with 240 kg N
hm–2 treatment; WT 0N, wild type plant with 0 kg N hm–2 treatment;
WT 120N, wild type plant with 120 kg N hm–2 treatment; WT 240N,
wild type plant with 240 kg N hm–2 treatment.
2.2 突变体与野生型水稻的叶绿体超微结构
氮肥的施用量显著影响叶绿体的发育(图 3)。在
氮空白处理中, 叶绿体较小, 随着氮肥施用量的增加,
叶绿体体积显著变大。与野生型相比, 虽然突变体水
稻的叶片叶绿素含量降低了 50%左右, 但是叶绿体
发育状况与野生型水稻相比, 并没有显著差别(图 3)。
2.3 突变体与野生型水稻的荧光参数
由图 4 可知, 在光照强度为 1000 µmol m–2 s–1
时, 突变体水稻的光系统 II的量子产量(ΦPSII)、光化
学淬灭(qP)、光下最大光化学效率(Fv′/Fm′)显著高于
对照野生型材料。随着氮肥施用量的增加, 这些光
合荧光参数也显著提高, 表明氮肥可以显著增加叶
片对光能的利用效率, 更有利于光反应电子传递。
由图 4-A 可知, 突变体水稻与对照野生型水稻光系
统 II 的效率分别为 33.9%~48.2%和 24.8%~33.9%,
表明只有<50%的叶片吸收的光能被用来驱动光合
电子传递。植物吸收的光能远远满足植物的需要 ,
大部分光能通过热耗散等途径消耗掉。
2.4 突变体与野生型水稻的 CO2导度、叶片显微
结构、水通道蛋白基因表达与 Rubisco酶含量
光合羧化反应发生在类囊体基质中, 因此 CO2

图 2 盆栽试验突变体材料(YL)与野生型材料(WT)在氮空白(A, 0N, 对照)、中氮(B, MN, 每盆 1.8 g尿素)与高氮(C, HN, 每盆 3.6 g
尿素)条件下光反应曲线
Fig. 2 Light curves of chlorophyll-deficit rice mutant (YL) and its wild type plant (WT) at nitrogen rate of 0 g urea pot–1 (A), 1.8 g
urea pot–1 (B), and 3.6 g urea pot–1 (C)
第 4期 顾骏飞等: 水稻低叶绿素含量突变对光合作用及产量的影响 555



图 3 突变体材料(YL)与野生型材料(WT)在氮空白(A, 0 kg N hm–2), 中氮(B, 120 kg N hm–2)与高氮(C, 240 kg N hm–2)条件下叶绿体
发育情况
Fig. 3 Electron micrographs of chloroplasts in chlorophyll-deficit rice mutant (A, B, C) and its wild type plant (D, E, F) at 0 kg N
hm–2 (A, D), 120 kg N hm–2 (B, E), and 240 kg N hm–2 (C, F)
其中 A、B、C为突变体材料, D、E、F为野生型材料; A、D为 0 kg N hm–2处理, B、E为 120 kg N hm–2处理, C、F为 240 kg N hm–2
处理。Ch为叶绿体; OB为嗜锇体; S为淀粉体; W为细胞壁; M为线粒体。
Ch: chloroplast; OB: osmiphilic body; S: starch; W: cell wall; M: mitochondria.

被固定前必须通过气孔与叶肉的传导。气孔与叶肉
的导度显著影响胞间 CO2浓度与反应中心 CO2浓度,
从而限制光合作用的暗反应速率。由图 5-A可知, 突
变体水稻叶片的气孔导度在氮空白(0 kg N hm–2)、中
氮(120 kg N hm–2)、高氮(240 kg N hm–2)处理中分别
为 0.17、0.17和 0.26 mol m–2 s–1, 显著高于对照野生
型水稻 0.13、0.10和 0.21 mol m–2 s–1。在图 5-B中
只有在氮空白(0 kg N hm–2)条件下, 突变体水稻叶
片的胞间二氧化碳浓度(Ci)才显著高于野生型水稻,
而在中氮处理(120 kg N hm–2)、高氮处理(240 kg N
hm–2)条件下, 突变体水稻与野生型水稻间 Ci无显著
差异。这说明只有在中氮与高氮处理下, 突变体水
稻光合才显著高于野生型水稻(图 2), 较高的光合速
率会较快地固定与消耗胞间 CO2, 从而在一定程度
上降低突变体水稻的 Ci, 使其与野生型材料的 Ci差
异不大(图 5-B)。
对比叶绿素含量降低突变体与野生型水稻叶片
的显微结构发现, 突变体水稻的叶片结构(如较高的
维管束分布密度, 发达的维管束组织)有利于提高叶
片水稻水势。较高的叶片水势有助于维持较高的气
孔导度。由图 6-A、C可知, 突变体水稻维管束间距
离为(210.3 ± 2.2) µm, 略小于野生型水稻(222.1 ±
5.9) µm。突变体水稻叶片内密度较高的维管束分布
有利于水分的运输。同时, 由图 6-B、D可知, 突变
体水稻叶片内维管束的大小也大于野生型水稻, 木
质部更发达, 更有利于水份运输。
叶肉导度是 CO2从胞间传递到类囊体基质反应
中心的导度。根据 Yin 等[27]的计算方法, 突变体材
料的平均叶肉导度为(0.121 ± 0.008) mol m–2 s–1, 显
著高于对照野生型材料的叶肉导度(0.0109 ± 0.006)
mol m–2 s–1。其中水通道蛋白是影响叶片叶肉导度的
主要因素。实时荧光定量 PCR 结果表明突变体水稻
水通道蛋白 OsPIP1;1、OsPIP1;2、OsPIP1;3表达水平
显著高于野生型水稻(图 7), 与叶肉导度趋势一致。
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图 4 突变体材料(YL)与野生型材料(WT)在氮空白(0 N, 0 kg N hm–2), 中氮(120 N, 120 kg N hm–2)与高氮(240 N, 240 kg N hm–2)处理
下, 光强为 1000 µmol m–2 s–1适应条件下, 叶绿素荧光参数: 光系统 II效率(A, ΦPSII), 光化学淬灭(qP)和光下光化学效率(Fv′/Fm′)
Fig. 4 Chlorophyll fluorescence parameter ΦPSII (A), qP (B), and Fv′/Fm′ (C) of chlorophyll-deficit rice mutant (YL) and its wild type
(WT) at 0 kg N hm–2, 120 kg N hm–2, and 240 kg N hm–2 treatments

图 5 突变体材料(YL)与野生型材料(WT)在氮空白(0 N, 0 kg N hm–2), 中氮(120 N, 120 kg N hm–2)与高氮(240 N, 240 kg N hm–2)处理
下, 饱和光强下(1000 µmol m–2 s–1)气孔导度(A)和胞间 CO2浓度(B)
Fig. 5 Stomatal conductance and intercellular CO2 concentration of chlorophyll-deficit rice mutant (YL) and its wild type (WT)
under irradiance of 1000 µmol m–2 s–1 at 0 kg N hm–2, 120 kg N hm–2, and 240 kg N hm–2 treatments

影响光合作用暗反应的另一个重要因素是
Rubisco 酶。Rubisco 酶催化 CO2与 RuBP 生成三碳
糖。叶片中 Rubisco酶含量高, 有利于提高光合速率,
但合成 Rubisco 酶需要消耗大量的氮素。由图 8 可
知, 突变体水稻的 Rubisco 酶含量显著高于对照野
生型水稻。表明突变体材料更倾向于将氮素用于
Rubisco的合成, 而不是叶绿素的合成。
2.5 突变体与野生型水稻的产量与生育期
由表 1 可知, 相对于对照, 突变体水稻虽然单
位面积穗数较少, 但是每穗粒数较高, 因而产量差
异不显著。但是突变体材料的生育期显著少于野生
型水稻, 表明突变体材料干物质积累速率快, 这是
第 4期 顾骏飞等: 水稻低叶绿素含量突变对光合作用及产量的影响 557



图 6 突变体材料(A、B)与野生型材料(C、D)叶片横切面显微结构
Fig. 6 Light micrographs of chlorophyll-deficit rice mutant (YL, A, and B) and its wild type (WT, C, and D)
A、C图中标尺为 100 µm; B、D图中标尺为 50 µm。IVD: 维管束间距离。图中箭头指向维管束。
Bars = 100 µm in A and B, and 50 µm in C and D. IVD: inter-vein distance. Arrows indicate the localization of vein.

图 7 突变体材料(YL)与野生型材料(WT)水通道蛋白基因 OsPIP1;1 (A)、OsPIP1;2 (B)和 OsPIP1;3 (C) mRNA表达水平
Fig. 7 Comparison of the expression of rice aquaporin genes OsPIP1;1 (A), OsPIP1;2 (B), and OsPIP1;3 (C) in chlorophyll-deficit
rice mutant (YL) and its wild type (WT) at tillering, flowering, and grainfilling stages.
558 作 物 学 报 第 42卷


表 1 突变体材料与野生型产量与生育期数据
Table 1 Yield and yield components of chlorophyll-deficit rice mutant (YL) and its wild type (WT)
品种
Variety
处理
Treatment
(kg N hm–2)
穗数
Panicle
number
穗粒数
Spikelets per
panicle
结实率
Grain-filling
ratio (%)
千粒重
1000-grain
weight (g)
产量
Yield
(t hm–2)
生育期
Growth duration
(d)
突变体 Mutant, YL 0 159 b 168 a 70.61 b 23.82 a 4.37 a 125 b
浙辐 802 Zhefu 802, WT 0 177 a 148 b 77.11 a 23.11 b 4.58 a 135 a
突变体 Mutant, YL 120 180 b 182 a 67.28 b 23.75 a 5.16 a 120 b
浙辐 802 Zhefu 802, WT 120 225 a 142 b 76.76 a 23.01 b 5.60 a 130 a
突变体 Mutant, YL 240 195 b 178 a 73.80 a 24.34 a 6.17 a 120 b
浙辐 802 Zhefu 802, WT 240 234 a 154 b 72.71 a 23.34 b 6.05 a 130 a
同一栏内, 同一处理内标以不同字母的值在 0.05水平上差异显著。
For each treatment, values within the same column followed by different letters are significantly different at P < 0.05.


图 8 突变体材料(YL)与野生型材料(WT)叶肉中 Rubisco酶
含量
Fig. 8 Rubisco content in chlorophyll-deficit rice mutant (YL)
and its wild type (WT)

与突变体材料较高的光合速率(图 1)密不可分的。
3 讨论
叶绿素吸收光能的过程中, 电子从基态激发到
激发态, 并将光能转化为化学能。叶片吸收的光能
只有小部分用于光化学反应, 大部分通过热能或者
荧光形式散失。Yin等[28]的研究表明在 C3与 C4作物
中光能利用效率只有 2.2%与 3.0%。Ort 等[9]也认为
植物吸收的光能远远地超过了植物生理代谢的需求,
过量吸收的光能甚至需要通过热耗散等机制来消除,
从而避免产生活性氧等有害物质[8]。那为什么植物
仍然合成那么多的叶绿素呢？Ort等 [10]认为虽然高
叶绿素含量将导致光能的吸收, 但是在进化中高叶
绿素含量的植物具有竞争优势, 从而高叶绿素含量
这个性状被保留下来。然而在现代农业生产中, 高叶
绿素含量会加剧个体之间竞争, 不利用群体光合[9-10]。
我们的荧光检验结果也表明, 高叶绿素含量的野生
型水稻其光系统 II的效率较低。而且在大气 CO2浓
度条件下, 光合作用并不受光合电子传递限制, 而
是受暗反应限制[5]。
暗反应是不断消耗通过光合电子传递形成的
ATP 与 NADPH 并固定 CO2形成葡萄糖的过程。其
中 CO2底物浓度与 Rubisco 酶的含量与活性是主要
的限制性因子。我们分析发现突变体水稻叶片的气
孔导度与叶肉导度高于野生型材料, 有利于提高光
合速率。同时突变体材料倾向于合成更多的 Rubisco
酶, 这也有利于提高光合速率。Zhu 等[29]研究表明,
现有叶片内的氮素分配并不是最优化的, 如果能够
优化叶片内氮素分配, 叶片氮素应更多地用于合成
Rubisco、SBPase、果糖-1,6-二磷酸醛缩酶和腺苷二
磷酸葡萄糖焦磷酸化酶, 叶片光合将能提高 76%。
Lefebvre 等[30]和 Tamoi 等[31]的试验表明, 更多的氮
素用于 SBPase表达可以提高光合与生物量 10%。本
试验中突变体材料与野生型材料在叶绿素合成、
Rubisco酶合成等方面有显著的差异, 可用来研究氮
素在不同光合器官中最优分配, 最大化光合效率与
氮素利用效率。
从群体角度看, 叶片叶绿素含量降低有利于光
在冠层中的分布, 增加群体光合。在现代超级稻育
种中, 一个重要的农艺选择性状就是直立株型[32]。
直立株型有利于光在群体内的分布, 光辐射能够到
达冠层底部的叶片。同理, 叶绿素含量降低突变体
叶片对光吸收少, 光更容易透射过叶片, 这将增加
低层叶片的光吸收, 有利于群体光合[9]。
4 结论
高叶绿素含量并不是叶片高光合速率的必需条
件。在现代大气条件下, 植物吸收的光能远远超过
第 4期 顾骏飞等: 水稻低叶绿素含量突变对光合作用及产量的影响 559


了植物生理代谢的需求 , 叶片叶绿素含量存在‘冗
余’现象。适当降低叶片叶绿素含量, 将有助于减少
叶片氮素在合成叶绿素过程中的消耗, 增加影响光
合速率的关键限制性因子的合成(如 Rubisco 酶等),
最终提高叶片光合速率。叶绿素含量降低突变体在
高光效育种中有潜在的研究价值。
References
[1] Farquhar G D, von Caemmerer S, Berry J A. A biochemical
model of photosynthetic CO2 assimilation in leaves of C3 species.
Planta, 1980, 149: 78–90
[2] von Caemmerer S, Farquhar G, Berry J. Biochemical model of C3
photosynthesis. In: Laisk A, Nedbal L, Govindjee G, eds. Photo-
synthesis in Silico: Understanding Complexity from Molecules to
Ecosystems. Dordrecht, The Netherlands: Springer, 2009. pp
209–230
[3] Gu J, Yin X, Stomph T J, Wang H, Struik P C. Physiological basis
of genetic variation in leaf photosynthesis among rice (Oryza sa-
tiva L.) introgression lines under drought and well-watered con-
ditions. J Exp Bot, 2012, 63: 5137–5153
[4] Yin X, Struik P C, Romero P, Harbinson J, Evers J B, van der
Putten P E L, Vos J. Using combined measurements of gas ex-
change and chlorophyll fluorescence to estimate parameters of a
biochemical C3 photosynthesis model: a critical appraisal and a
new integrated approach applied to leaves in a wheat (Triticum
aestivum) canopy. Plant Cell Environ, 2009, 32: 448–464
[5] Long S P, Zhu X, Naidu S L, Ort D R. Can improvement in pho-
tosynthesis increase crop yields? Plant Cell Environ, 2006, 29:
315–330
[6] Gu J, Yin X, Struik P C, Stomph T J, Wang H. Using chromo-
some introgression lines to map quantitative trait loci for photo-
synthesis parameters in rice (Oryza sativa L.) leaves under
drought and well watered field conditions. J Exp Bot, 2012, 63:
455–469
[7] Zhu X, Long S P, Ort D R. What is the maximum efficiency with
which photosynthesis can convert solar energy into biomass?
Curr Opin Biotech, 2008, 19: 153–159
[8] Murchie E H, Niyogi K K. Manipulation of photoprotection to
improve plant photosynthesis. Plant Physiol, 2011, 155: 86–92
[9] Ort D R, Merchant S S, Alric J, Barkan A, Blankenship R E,
Bock R, Croce R, Hanson M R, Hibberd J M, Long S P. Redes-
igning photosynthesis to sustainably meet global food and bio-
energy demand. Proc Natl Acad Sci USA, 2015, 112: 8529–8536
[10] Ort D R, Zhu X G, Melis A. Optimizing antenna size to maximize
photosynthetic efficiency. Plant Physiol, 2011, 155: 79–85
[11] Nakajima Y, Itayama T. Analysis of photosynthetic productivity
of microalgal mass cultures. J Appl Phycol, 2003, 15: 497–505
[12] Kirst H, Formighieri C, Melis A. Maximizing photosynthetic ef-
ficiency and culture productivity in cyanobacteria upon minimiz-
ing the phycobilisome light-harvesting antenna size. Biochim
Biophys Acta, 2014, 1837: 1653–1664
[13] Zhang H, Li J, Yoo J H, Yoo S C, Cho S H, Koh H J, Seo S H,
Paek N C. Rice Chlorina-1 and Chlorina-9 encode ChlD and
ChlI subunits of Mg-chelatase, a key enzyme for chlorophyll
synthesis and chloroplast development. Plant Mol Biol, 2006, 62:
325–337
[14] Jung K H, Hur J, Ryu C H, Choi Y, Chung Y Y, Miyao A, Hiro-
chika H, An G. Characterization of a rice chlorophyll deficient
mutant using the T-DNA gene-trap system. Plant Cell Physiol,
2003, 44: 463–472
[15] Wang P R, Gao J X, Wan C M, Zhang F T, Xu Z J, Huang X Q,
Sun X Q, Deng X J. Divinyl chlorophyll (ide) a can be converted
to monovinyl chlorophyll (ide) a by a divinyl reductase in rice.
Plant Physiol, 2010, 153: 994–1003
[16] Sakuraba Y, Rahman M L, Cho S H, Kim Y S, Koi H J, Yoo S C,
Paek N C. The rice faded green leaf locus encodes protochloro-
phyllide oxidoreductase B and is essential for chlorophyll synthe-
sis under high light conditions. Plant J, 2013, 74: 122–133
[17] Wu Z M, Zhang X, He B, Diao L P, Sheng S L, Wang J L, Guo X
P, Su N, Wang L F, Jiang L, Wang C M, Zhai H Q, Wan J M. A
chlorophyll-deficient rice mutant with impaired chlorophyllide
esterification in chlorophyll biosynthesis. Plant Physiol, 2007,
145: 29–40
[18] Lee S, Kim J H, Yoo E S, Lee C H, Hirochika H, An G. Differen-
tial regulation of chlorophyll a oxygenase genes in rice. Plant
Mol Biol, 2005, 57: 805–818
[19] 何旎清, 柳周, 张龙, 白苏阳, 田云录, 江玲, 万建民. 一个新
的水稻黄绿叶突变体的遗传分析及突变基因的精细定位. 作
物学报, 2015, 41: 1155–1163
He N Q, Liu Z, Zhang L, Bai S Y, Tian Y L, Jiang L, Wan J M.
Genetic analysis of a new yellow-green mutant and fine-mapping
of mutant gene in rice. Acta Agron Sin, 2015, 41: 1155–1163 (in
Chinese with English abstract)
[20] 郭涛, 黄永相, 罗文龙, 黄宣, 王慧, 陈志强, 刘永柱. 水稻叶
色白化转绿及多分蘖矮秆突变体 hfa-1的基因表达谱分析. 作
物学报, 2013, 39: 2123–2134
Guo T, Huang Y X, Luo W L, Huang X, Wang H, Chen Z Q, Liu
Y Z. Gene differential expression of a green-revertible albino and
high-tillering dwarf mutant hfa-1 by using rice Microarray. Acta
Agron Sin, 2013, 39: 2123–2134 (in Chinese with English ab-
stract)
[21] Holden M. Chlorophyll in Chemistry and Biochemistry of Plant
Pigments, 2nd edn. Goodwin T W, ed. Vol. 2, London: Academic
Press, 1976. pp 1–37
[22] Makino A, Mae T, Chira K. Photosynthesis and rubulose-
1,5-bisphosPhate carboxylase/oxygenase in rice leaves from
emergence through senescence. Planta, 1985, 166: 414–420
[23] Makino A, Mae T, Chira K. Colorimetric measurement of protein
stained with Coomassie Brilliant Blue Ron sodium dodecyl sul-
fate-polyacrylamide gel electrophoresis by eluting with forma-
mide. Agric Biol Chem, 1986, 50: 1911–1912
[24] Genty B, Briantais J M, Baker N R. The relationship between the
quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching
of chlorophyll fluorescence. Biochim Biophys Acta, 1989, 990:
87–92
[25] Maxwell K, Johnson G N. Chlorophyll fluorescence—a practical
guide. J Exp Bot, 2000, 51: 659–668
[26] Sakurai J, Ishikawa F, Yamaguchi T, Uemura M, Maeshima M.
Identification of 33 rice aquaporin genes and analysis of their ex-
pression and function. Plant Cell Physiol, 2005, 46: 1568–1577
560 作 物 学 报 第 42卷


[27] Yin X, Struik P C. Theoretical reconsiderations when estimating
the mesophyll conductance to CO2 diffusion in leaves of C3
plants by analysis of combined gas exchange and chlorophyll
fluorescence measurements. Plant Cell Environ, 2009, 32:
1513–1524 (corrigendum: Plant Cell Environ, 2009, 33: 1595)
[28] Yin X, Struik P C. Constraints to the potential efficiency of con-
verting solar radiation into phytoenergy in annual crops: from
leaf biochemistry to canopy physiology and crop ecology. J Exp
Bot, 2015. DOI: 10.1093/jxb/erv371
[29] Zhu X, Sturler E D, Long S P. Optimizing the distribution of re-
sources between enzymes of carbon metabolism can dramatically
increase photosynthetic rate: a numerical simulation using an
evolutionary algorithm. Plant Physiol, 2007, 145: 513–526
[30] Lefebvre S, Lawson T, Zakhleniuk O V, Lloyd J C, Raines C A.
Increased sedoheptulose-1,7-bisphosphatase activity in transgenic
tobacco plants stimulates photosynthesis and growth from an
early stage in development. Plant Physiol, 2005, 138: 451–460
[31] Tamoi M, Nagaoka M, Miyagawa Y, Shigeoka S. Contribution of
fructose-1,6-bisphosphatase and sedoheptulose-1,7-bisphosphatase
to the photosynthetic rate and carbon flow in the Calvin cycle in
transgenic plants. Plant Cell Physiol, 2006, 47: 380–390
[32] Peng S, Khush G S, Virk P, Tang Q, Zou Y. Progress in ideotype
breeding to increase rice yield potential. Field Crops Res, 2008,
108: 32–38