全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(10): 1860−1867 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由怀化学院民族药用植物资源研究与利用湖南省重点实验室项目(SYSXM200905)资助。
作者联系方式: E-mail: ou9572@126.com
Received(收稿日期): 2011-01-31; Accepted(接受日期): 2011-05-25; Published online(网络出版日期): 2011-07-28.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20110728.1003.015.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.01860
水稻叶色突变体的高光合特性
欧立军
怀化学院生命科学系 / 民族药用植物资源研究与利用湖南省重点实验室 / 湘西药用植物与民族植物学湖南省高校重点实验室, 湖
南怀化 418008
摘 要: 标 810S是温敏核不育系 810S中的淡黄绿叶自然突变株, 具有较高的光合速率。本文对突变体的光合色素、
光合速率、荧光参数和光合关键酶活性等研究发现, 标 810S光合色素约为 810S的一半, 强光条件下标 810S光合速
率(Pn)比对照高, 且没有明显的“午休”现象。标 810S 气孔导度(Gs)显著增加, 叶绿素荧光动力学参数显示, 标 810S
光量子转化效率高 ; 光合酶 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPCase)活性是对照的 69.80%, 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
(PEPCase)和 NADP-苹果酸酶(NADH-ME)却比 810S 分别上升 79.50%和 69.06%。研究结果认为, 光合色素含量下降
是标 810S叶片呈淡黄绿叶色的根本原因。突变体通过减少热耗散和提高光合电子传递速率来提高光能利用效率, 为
暗反应提供足够的同化力, 而较高的 PEPC活性和较大的气孔导度使其能更有效地固定CO2, 光反应和暗反应的协同
使突变体具有较高的光合速率。
关键词: 水稻叶色突变体; 光合特性; 气孔导度; 叶绿素荧光; 光合酶
High Photosynthetic Efficiency of Leaf Colour Mutant of Rice (Oryza sativa L.)
OU Li-Jun
Department of Life Sciences, Key Laboratory of Hunan Province for Study and Utilization of Ethnic Medicinal Plant Resources / Key Laboratory of
Hunan Higher Education for Hunan-Western Medicinal Plant and Ethnobotany, Huaihua University, Huaihua 418008, China
Abstract: Biao 810S is a yellow-green leaf mutant of the thermosensitive genic male sterile (TGMS) rice which has higher pho-
tosynthetic rate. The photosynthetic characteristics of Biao 810S were studied with the wild type TGMS line 810S as a control to
clarify the physiological basis of high photosynthetic efficiency and provide a theoretical basis for further utilization. The photo-
synthetic pigment, photosynthetic rate, fluorescence parameters and activity of photosynthetic key enzyme were measured. The
content of photosynthetic pigment in Biao 810S was approximately half of that in 810S. However, the net photosynthetic rate of
Biao 810S was higher than that of 810S under high intensity light and Biao 810S had no obvious “Midday depression” phenome-
non. The stomatal conductance of Biao 810S was highly increased and the light quantum transformation efficiency was higher
than that of 810S. The activity of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase (RuBPCase) in Biao 810S was 69.80% of that in 810S,
but the activities of phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPCase) and NADP-malic enzyme (NADP-ME) were 79.50% and
69.06% higher than those of 810S. The efficiency of light utilization in Biao 810S was enhanced by reduction of thermal dissipa-
tion and increase of electron transfer rate was generate sufficient assimilation power for the dark reactions. Consequently, the
increased activities of PEPCase and stomatal conductance led to more effective fixation of CO2, and the synergistic effect of light
reactions and dark reactions contributed to the higher photosynthetic rate of Biao 810S.
Keywords: Leaf colour mutant of rice; Photosynthetic characteristics; Stomatal conductance; Chlorophyll fluorescence; Photo-
synthetic enzyme
叶色突变是一种非常明显的性状突变, 在植物
光合作用、叶绿素生物合成、遗传转化等研究中具
有重要价值[1-2]。研究表明, 叶绿素缺乏会引起光能
吸收的下降[3-5], 许多叶色突变体因为 1,5-二磷酸核
酮糖羧化酶等酶活性下降或失活影响光合能力 [6-9],
从而限制了突变体在生产上的应用。但也有报道突
第 10期 欧立军等: 水稻叶色突变体的高光合特性 1861


变体表现出较好的光合性能。谭新星等[10]在研究大
麦黄化突变体时发现, 自然条件下, 黄化大麦的叶
绿素 a、叶绿素 b含量及其光合速率较低, 在饱和条
件下黄化大麦的光合速率不低于野生型, 推测黄化
大麦的天线色素较少因而捕光能力较弱是其光合速
率低的一个主要原因。Dai 等[11]对叶绿素 b 含量低
的突变体研究发现, 其截光率为 0.42, 较野生型的
0.81 低, 但具有较强的耐受强光特性, 这可能是由
于突变减少了光系统截获的光能, 相对提高了光能
利用率, 减少了活性氧对突变体的破坏。Zhou等[12]
在研究光合色素显著下降的黄叶突变体时发现, 突
变体表现较强的光合速率和耐光抑制的能力, PSII
有效光化学量子产量、实际利用量子产额、非环式
电子传递速率都显著高于野生型。吕典华等[13]对 2
个叶色突变体 ygl5 和 pygl1 孕穗期的光合特性研究
发现, 2个突变体叶绿体内基粒数量明显少于对照 ,
叶绿素含量也大幅下降, 其中 ygl5 表现为叶绿素总
体缺乏, pygl1 表现为叶绿素 b 严重缺乏; ygl5 和
pygl1的光合速率、光饱和点、光补偿点、暗呼吸速
率、表观量子效率和羧化效率都显著高于对照, 而
CO2饱和点、CO2补偿点和光呼吸速率则低于对照;
其最大光化学量子产量、实际利用量子产额和光化
学淬灭均显著高于对照, 表明突变体 ygl5 和 pygl1
具有较高的光能捕获效率和转换效率。
标 810S 是 2003 年湖南怀化职业技术学院从温
敏核不育系 810S 群中筛选出来的一个黄绿叶色自
然突变株。它的特点是植株在整个生育期都为黄绿
色, 株叶形态与 810S 基本一致 , 并且在强光和低
CO2 浓度下有较高的光合速率。本研究以该突变体
为材料, 分析光合色素、光合速率、荧光参数以及
光合关键酶活性和表达, 探讨突变体叶色变浅的机
理, 阐明标 810S 高光合速率的生理机制, 为利用叶
色突变性状作为标记性状快速检测杂交种纯度及应
用于高光效育种实践提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
黄绿叶色突变体标 810S以及对照野生型 810S,
均由湖南怀化职业技术学院提供。2006—2010年连
续 5 年对每种材料大田种植 3 个 500 株的小区, 各
小区随机排列, 常规肥水管理。
1.2 方法
1.2.1 遗传分析 按常规肥水管理种植标 810S
及其杂交的 F2代, 每材料种植 500 株左右, 抽穗期
统计 F2代正常叶色与黄化叶色的分离比, 用 χ2检测,
分析控制黄化叶色基因的遗传模式。
1.2.2 光合色素含量的测定 采用 Arnon[14]的方
法。
1.2.3 光合速率日变化的测定 在孕穗期, 选择
风小的晴天, 在室外采用 LI-6400 便携式光合作用
系统, 于 6:00~18:00每隔 1 h测定剑叶中部自然条件
下瞬时光合速率。采用自然光源、温度和 CO2, 每
个材料每个时间点测量 3~5 个叶片, 取平均值。在
15 min内完成对每个材料的测定, 连续测量 3 d。
1.2.4 光合速率的光和 CO2响应曲线 在孕穗期,
选晴天上午 10:00~11:00, 利用 LI-6400 便携式光合
作用测量系统, 测量光合速率对光强的响应。光响
应曲线测定利用仪器自动测定程序 , 程序运行前 ,
让被测叶片在 1 500 µmol Photons m−2 s−1光强下适
应 30 min, 仪器控制叶室温度为 30 , CO℃ 2浓度控制
在 400 μmol mol−1, 由 CO2小钢瓶提供, 光强(PAR)
设置为 2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、
800、600、400、200、100、50、25和 0 µmol Photons
m−2 s−1, 由仪器配备的红蓝光源(6400-02B LED 光
源)产生 , 根据 Pn-PAR 曲线的初始斜率(PAR<250
µmol Photons m−2 s−1)计算表观量子效率(AQY)。
在孕穗期 , 选晴天上午 10:00~11:00, 利用
LI-6400 便携式光合作用测量系统, 测量光合速率
对 CO2浓度的响应。CO2响应曲线测定利用仪器的
自动测定程序 , 运行程序前 , 让被测叶片在 1 500
µmol Photons m−2 s−1光强和 400 μmol mol−1 CO2浓
度下适应 5~6 min, 设定仪器控制叶面温度为 30 , ℃
光强控制在 1 500 µmol Photons m−2 s−1, 由仪器配备
的红蓝光源(6400-02B LED 光源)产生, CO2浓度设
置为 50、100、200、300、400、500、600、700 和
800 μmol mol−1, 由小型 CO2钢瓶提供, 用 SPSS软
件拟合 Pn-CO2 (胞间浓度)曲线, 求得 CO2 饱和点,
用胞间 CO2浓度(Ci)低于 200 μmol mol−1的 Pn-Ci曲
线的直线部分的斜率求得羧化效率(CE), 同时根据
直线方程求得 CO2补偿点。
1.2.5 气孔导度和密度的测定 在孕穗期, 晴天
上午 9:00~11:00, 利用 LI-6400便携式光合作用测量
系统, 测定抽穗期标记叶片的气孔导度。测定的前
一天将土壤用水浇透, 消除由于土壤水分亏缺对叶
片气孔的影响。参考邱义兰等[15]的方法制片观察超
微结构, 以 JSM-6360 LV (日本电子 JEOL)扫描观察
1862 作 物 学 报 第 37卷

并照相。
1.2.6 叶绿素荧光的测定 参考 Li 等[16]的方法,
采用 LI-6400 便携式光合作用系统及其配套的
LI-6400-40 荧光叶室于上午 9:00~11:00 测定初始荧
光(Fo)、暗适应条件下最大荧光(Fm)、光下最小荧光
(Fo)和光下最大荧光(Fm)等参数, 此时自然光强为
1 200 µmol Photons m−2 s−1左右。参考 Genty等[17]
的方法计算主要参数如光化学猝灭(qP)、非光化学猝
灭(NPQ)、非环式电子传递速率(ETR)和 PSII的实际
利用量子产额(ΦPSII)。qP = (Fm − Fs)/(Fm − Fo); NPQ
=(Fm – Fm)/Fm; ΦPSII = (Fm − Fs)/Fm。
1.2.7 光合作用关键酶活性测定 取孕穗期剑叶,
洗净, 吸去水分。去中脉, 称取叶片 1 g, 放入预冷
的研钵中, 加入 3 mL预冷的 0.1 mL Tris-HCl缓冲液
(内含 7 mmol L−1巯基乙醇, 1 mmol L−1 EDTA, 50%
甘油和 1% PVP, pH 8.2), 迅速研磨, 将匀浆液于 4℃
下 15 000×g离心 20 min, 取上清液备用。
参考 Ting 和 Osmond[18]、Sayre 等[19]及 Lilley
和 Walker[20]的方法, 根据还原型辅酶 II (NADH)的
氧化测定 Rubisco总活性, 通过 340 nm测定光吸收
值的变化计算酶活性。参考 Ting和 Osmond[18]、Sayre
等[19]及 Lilley和Walker[20]的方法, 根据 NADH的氧
化测定 PEPCase活性, 通过 340 nm测定光吸收值的
变化计算酶活性。参考 Johnson 和 Hatch[21]的方法,
根据 NADP+ (氧化型辅酶 I)的还原测定 NADP-ME
活力, 通过 340 nm 测定光吸收值的变化计算酶活
性。
1.2.8 外源 C4 酸处理 参考陈根云等[22]的方法:
将始穗期的标 810S 和 810S 剑叶置于大气平衡的
STN缓冲液(蔗糖 400 mmol L−1, pH 7.6的 Tris-Cl 50
mmol L−1, NaCl 10 mmol L−1)中, 分别用 200 μmol
L−1的草酰乙酸(OAA)(pH 7.2)和苹果酸(MA)(pH 7.2)
溶液各处理 15 min, 在自然强光下完成光诱导后,
测定 1 500 µmol Photons m−2 s−1光强下叶片的气孔
导度和光合速率。以未做处理的为对照, 重复 3次。
2 结果与分析
2.1 黄绿叶色性状的遗传分析
标 810S/D100、标 810S/R96-1 和标 810S/日本晴
杂交 F1代叶色为正常绿色, 表明黄绿叶色性状为隐性
基因控制。F2代出现正常叶色与黄绿叶色性状的分离。
χ2测验表明 3个组均符合一对基因分离模式(表 1)。
2.2 光合色素含量
孕穗期标 810S的叶绿素 a、叶绿素 b和类胡萝
卜素含量都比对照 810S低, 约为对照的 50% (表 2)。
两者的叶绿素 a 与叶绿素 b 的比值以及叶绿素与类
胡萝卜素的比值相差不大。结果表明, 标 810S的黄
绿叶色是由于光合色素总量降低所致。

表 1 F2代正常叶色与黄绿叶色的分离比
Table 1 Segregation of leaf colour in F2 segregating population
χ2测验 χ2 test (3:1) 杂交组合
Cross combination
调查株数
No. of plants
observed
正常株数
No. of nor-
mal plants
黄绿株数
No. of chlo-
rine mutants
分离比
Segregation
ratio χ
2 P
标 810S/D100 Biao 810S/D100 518 386 132 2.9:1 0.07 0.75–0.90
标 810S/R96-1 Biao 810S/R96-1 480 370 110 3.4:1 1.11 0.25–0.50
标 810S/日本晴 Biao 810S/Nipponbare 508 390 118 3.3:1 0.85 0.30–0.50

表 2 突变体与正常绿叶光合色素比较
Table 2 Comparison of photosynthetic pigments content between mutant and normal green leaves
材料
Material
叶绿素 a
Chlorophyll a
(mg g−1 FW)
叶绿素 b
Chlorophyll b
(mg g−1 FW)
类胡萝卜素
Carotenoids
(mg g−1 FW)
光合色素
Photosynthetic pigments
(mg g−1 FW)
类胡萝卜/总光合色素
Carotenoid/total photosyn-
thetic pigments
810S 2.46±0.17 A 1.01±0.07 A 0.83±0.11 A 4.30±0.35 A 0.186 a
标 810S Biao 810S 1.27±0.09 B 0.53±0.05 B 0.43±0.08 B 2.23±0.22 B 0.194 a
表中各列数据后大写或小写字母不同表示其差异在 0.01或 0.05水平上显著。
Values followed by a different capital or small letter are significantly different at the 0.01 or 0.05 probability levels, respectively.

2.3 光合速率日变化
光强日变化呈现单峰曲线(图 1-A)。标 810S 和
810S的光合速率日变化则呈现不同的曲线(图 1-B)。
标 810S光合速率日变化只有单峰, 光合速率随着光
强的增强而增强, 随着光强的减弱而降低。810S 光
合速率日变化曲线则有明显双峰现象, 说明 810S在
中午强光条件下会受光抑制, 出现“午休现象”。标
810S 弱光强下(8:00 前和 16:00 后)的光合速率稍微
第 10期 欧立军等: 水稻叶色突变体的高光合特性 1863


低于 810S的光合速率, 但差异不明显。
2.4 光响应曲线和 CO2响应曲线
在 400 μmol mol−1 CO2浓度下, 在一定光强范围
内, 标 810S与 810S的光合速率随光强增强而上升(图
2-A)。但当光强达到 1 600 µmol m−2 s−1时, 810S光合
速率不再上升, 而标 810S仍呈缓慢增加趋势。
在温度为 30℃、光照强度为 1 500 µmol m−2 s−1
条件下, 标 810S 与 810S 的光合速率呈现随 CO2浓
度的增加而上升的趋势 (图 2-B), 当 CO2浓度达
到 900 μmol mol−1左右时, 两材料先后达到 CO2饱
和点。在相同 CO2浓度条件下标 810S 光合速率比
810S 高。同时通过计算发现, 标 810S CO2补偿点
(48.98 μmol mol−1)显著低于 810S 的 (59.98 μmol
mol−1)。与 810S相比, 标 810S有较高的表观量子效
率(AQY)和羧化效率(CE), 这说明标 810S 同化 CO2
的量子效率和 CO2利用效率较高(表 3)。

图 1 光强(a)和光合速率(b)日变化曲线
Fig. 1 Curve of light (a) and photosynthesis (b) in a day


图 2 光合速率对光强(a)和 CO2(b)的响应曲线
Fig. 2 Photosynthetic rate under different irradiances (a) and different CO2 concentrations (b)

表 3 突变体与正常绿叶表观量子效率和羧化效率比较
Table 3 Comparison of apparent quantum yield and carboxylation efficiency between mutant and normal green leaves
材料
Material
表观量子效率
Apparent quantum yield (AQY)
羧化效率
Carboxylation efficiency (mol m−2 s−1) (CE)
810S 0.0472±0.001 B 0.1298±0.002 B
标 810S Biao 810S 0.0533±0.001 A 0.1517±0.004 A
表中各列数据后大写或小写字母不同表示其差异在 0.01或 0.05水平上显著。
Values followed by a different capital or small letter are significantly different at the 0.01 or 0.05 probability levels, respectively.

2.5 气孔特性
标 810S气孔发育程度与 810S相同, 结构完整,
分布整齐有规律。气孔密度和气孔大小统计结果显
示 , 两者相差不大 (表 4)。但在较强的光强 (1 600
µmol m−2 s−1)下, 标 810S的气孔导度明显大于 810S,
表现出较高的光合速率; 由此推测气孔导度的显著
增加是标 810S光合速率较高的重要原因之一。
2.6 叶绿素荧光参数比较
标 810S 的 Fo和 Fo显著低于对照 810S, 这与标
810S 的光合色素含量显著低于 810S 的结果一致。标
1864 作 物 学 报 第 37卷

810S的 Fv/Fm显著高于对照, 表明其 PSII反应中心光
能转换效率和原初光能捕获效率较高; 标 810S 的 qP
和ETR也显著高于对照, 说明其PSII天线色素吸收光
能并用于光合电子传递的量子产额较大、非环式电子
传递速率较高。标 810S的NPQ明显较低, 说明其 PSII
天线色素吸收的光能以热形式耗散较少(表 5)。综合以
上荧光参数分析, 标810S的光能利用效率明显高于对
照, 这与标 810S具有较高光合速率的检测结果一致。
2.7 光合作用关键酶活性比较
标 810S与 810S的剑叶中均有 C3途径和 C4途径
的光合关键酶存在。标 810S的 Rubisco的活性显著低
于对照 810S, 而 PEPCase和NADP-ME的活性则显著
高于对照, 分别是对照的 189.94%和 178.48% (表 6)。
因此 C4 途径的光合关键酶高活性可能通过补偿叶绿
素含量降低而提高标 810S光合速率。
2.8 外源 C4酸处理
苹果酸和草酰乙酸处理可增加叶片的气孔导度;
标 810S的气孔导度增加幅度比 810S大。MA和OAA
处理叶片的光合速率变化趋势和气孔导度一致(表 7),
标 810S 的光合速率比对照叶片分别增加 5.50%和

表 4 突变体与正常绿叶气孔特性比较
Table 4 Comparison of stomatal characteristics between mutant and normal green leaves
材料
Material
气孔密度
Stomatal density (number mm−2)
气孔长度
Stomatal length (µm)
气孔宽度
Stomatal width (µm)
气孔导度
Gs (mol m−2 s−1)
810S 496.60±34.86 a 23.56±1.25 a 17.36±1.23 a 0.518±0.054 B
标 810S Biao 810S 488.12±36.63 a 23.12±1.84 a 17.09±1.49 a 0.707±0.064 A
表中各列数据后大写或小写字母不同表示其差异在 0.01或 0.05水平上显著。
Values followed by different capital or lowercase letter are significantly different at the 0.01 or 0.05 probability levels, respectively.

表 5 突变体与正常绿叶荧光参数比较
Table 5 Comparison of chlorophyll fluorescence parameters between mutant and normal green leaves
材料
Material
Fo Fm Fo′ Fv′/Fm′ qP NPQ ETR ΦPSII
810S 167.4±4.80A 737.9±2.3A 148.2±1.28A 0.491±0.01B 0.680±0.01B 1.243±0.010A 216.09±4.41B 0.343±0.007B
标 810S Biao 810S 116.3±1.63B 564.4±1.8B 121.1±0.07B 0.627±0.01A 0.743±0.01A 0.539±0.007B 293.58±3.78A 0.466±0.006A
表中各列数据后大写或小写字母不同表示其差异在 0.01或 0.05水平上显著。
Values followed by a different capital or small letter are significantly different at the 0.01 or 0.05 probability levels, respectively.

表 6 突变体与正常绿叶光合关键酶活性比较
Table 6 Comparison of activities of photosynthetic key enzyme between mutant and normal green leaves
(µmol CO2 mg−1 Soluble protein min−1)
材料
Material
Rubisco活性
Rubisco activity
PEPCase活性
PEPCase activity
NADP-ME活性
NADP-ME activity
810S 1.49±0.039 A 0.179±0.0017 B 0.158±0.018 B
标 810S Biao 810S 1.04±0.066 B 0.340±0.0024 A 0.282±0.007 A
比值 Ratio of Biao 810S/810S (%) 69.80 189.94 178.48
表中各列数据后大写或小写字母不同表示其差异在 0.01或 0.05水平上显著。
Values followed by a different capital or small letter are significantly different at the 0.01 or 0.05 probability levels, respectively.

表 7 外源 C4酸处理对突变体与正常绿叶光合速率和气孔导度的影响
Table 7 Comparison of photosynthetic rate and stomatal conductance acid between mutant and normal green leaves with exogenous
C4 treated
810S 标 810S Biao 810S 参数
Parameter 对照 Control 苹果酸 MA 草酰乙酸 OAA 对照 Control 苹果酸 MA 草酰乙酸 OAA
光合速率 Pn 22.12±1.12 B 22.28±1.57 B 22.31±1.87 B 28.33±2.01 A 29.89±1.87 A 30.87±1.68 A
±% — 0.72 0.85 — 5.51 8.97
气孔导度 Gs 0.52±0.02 B 0.525±0.01 B 0.528±0.03 B 0.73±0.04 A 0.81±0.02 A 0.87±0.03 A
±% — 0.96 1.53 — 10.96 19.18
表中各列数据后大写或小写字母不同表示其差异在 0.01或 0.05水平上显著。
Values followed by a different capital or small letter are significantly different at the 0.01 or 0.05 probability levels, respectively.
第 10期 欧立军等: 水稻叶色突变体的高光合特性 1865


8.98%, 增加比例大于 810S, 由此说明标 810S 对外
源 C4酸处理有更强的敏感度。
3 讨论
目前, 叶绿素荧光分析技术被称为测定叶片光
合功能快速、无损伤的探针, 已广泛应用于光合作
用机理、植物抗逆生理、作物增产潜力预测和抗逆
育种等方面的研究中[23]; 与“表观性”的气体交换指
标相比, 叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”的特
点。Fv/Fm和 ΦPSII是对光适应状态下 PSII光化学过
程的量度。前者揭示 PSII光化学过程和热耗散过程
的竞争[24], 所以被称为开放的 PSII反应中心捕获激
发能效率。后者则说明具有光化学活性的开放 PSII
反应中心的实际光化学量子产率 [25]。标 810S 的
Fv/Fm和 ΦPSII均显著高于野生型, 说明 PSII 反应中
心能把捕获的光能更有效地用于光合作用。在吸收
能的分配上, 突变体的 qP、NPQ 分别是野生型的
109%和 43%, 根据 Demmig[26]提出的天线中激发能
达到 PSII反应中心前的耗散与激发能的光化学反应
竞争的观点, 我们认为突变体 PSII 反应中心把捕获
的光能主要用于光合作用, 而表现出较高的光合速
率, 因此导致热耗散的降低。
突变体因叶绿素含量低而限制了其对光能的捕
获, 但其较高的 ΦPSII值显示了其在此条件下的适应
性调节作用 , 即通过提高电子传递速率(ETR)而部
分减少光能不足的不利效应。而自然光下的高电子
流速有利于 1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)的再生, 并可
能提高 NADP-苹果酸脱氢酶 (NADP-MDH)和果
糖-1,6-二磷酸酯酶(FBPase)的活性[27]。关于叶绿素
含量与光合作用的关系, Jeknins 等[28]对玉米叶色突
变体的研究表明, 叶绿素含量的大幅减少与光合作
用及碳同化没有直接联系。有关水稻叶色突变体的
研究也表明, 叶绿素含量与光合速率没有明显的相
关性 [30-31], 我们的结果与以上报道一致, 即在保持
一定叶绿素含量的基础上, 光合效率与叶绿素含量
之间没有相关性。
气孔特性的改善对水稻光合作用的提高有至关
重要的影响。根据 Fischer 等[32]研究报道, 过去 30
年小麦产量的提高主要是气孔导度的增加, 并由此
导致最大光合速率增加了 23%, 同时冠层温度降低
0.6 , ℃ 促进了作物的生长。根据目前研究, 认为 C3
光合酶 Rubisco 含量在作物体内相当丰富, 其含量
和活性一般不会成为光合同化的限制因子, 关键是
细胞间隙 CO2的供应, 而气孔导度直接决定了细胞
间隙 CO2 的供应, 因此气孔导度的改善无疑可以显
著促进光合的进行。本研究的标 810S与 810S的气
孔密度与大小无显著差异, 所以气孔密度和大小不
是突变体光合速率增加的原因。而研究证明气孔保
卫细胞积累的 K+, 有一半甚至 2/3 是被苹果酸所平
衡, 以维持电中性; 叶片表皮细胞的苹果酸水平和
气孔导度具有密切的正相关, 并已经发现保卫细胞
上有 C4光合酶的存在[33]。在对转基因水稻的研究中,
科学家们发现, 将 C4作物玉米的 PEPCase和丙酮酸
磷酸二激酶(PPDK)基因转入水稻后, 光合速率增加
的部分原因是气孔导度的增加 [34]。本试验中 , 标
810S 的 PEPCase 活性是野生型的 1.9 倍, 故推测突
变体气孔导度的增加可能与其具有较高 C4 光合酶
活性有关。通常条件下, RuBP羧化酶活性与羧化效
率呈正相关 [35-36], 但我们的结果表明, 突变体具有
较高的羧化效率, 可其 RuBP 羧化酶活性仅为野生
型的 72%, 两者呈显著负相关。因此, 我们认为突变
体中的较高的 PEPC 活性对其光合作用有着重要贡
献。而突变体为何具有较高的 PEPC活性, 我们推测
是生物体的一种代偿机制。此外标 810S 对外源 C4
酸处理更敏感间接证明其确实存在较高程度的类似
C4光合途径。
4 结论
标 810S 在叶绿素含量降低后具有比野生型高
的光合速率是多因素作用的共同结果。该突变体通
过减少热耗散和提高光合电子传递速率来提高光能
利用效率为暗反应提供足够的同化力 , 而较高的
PEPC活性使其能更有效地固定 CO2, 光反应和暗反
应的协同使突变体具有较高的光合速率 , 同时
PEPC 对气孔导度的加大起了一定作用, 从而提高
CO2的提供。标 810S 可能存在类似 C4植物的光合
途径, 这意味着该突变体不仅可作为叶色标记应用
于杂交育种中纯度的鉴定, 而且可以通过筛选高光
效品系应用于生产。
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