全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2012, 38(5): 871−879 http://www.chinacrops.org/zwxb/
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(31071366和 30871488)和中央高校基本科研业务费专项资金资助。
* 通讯作者(Corresponding authors): 程方民, E-mail: chengfm@zju.edu.cn; 潘刚, E-mail: pangang12@126.com
第一作者联系方式: E-mail: wfb19872856@163.com
Received(收稿日期): 2011-10-20; Accepted(接受日期): 2011-12-19; Published online(网络出版日期): 2012-02-13.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20120213.1107.017.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2012.00871
水稻生育后期叶片早衰突变体的光合特性与叶绿体超微结构观察
王复标1 黄福灯2 程方民1,* 李兆伟1 胡东维1 潘 刚1,* 毛愉婵1
1浙江大学农业与生物技术学院, 浙江杭州 310058; 2 浙江省农业科学院, 浙江杭州 310031
摘 要: 以旗叶早衰的水稻突变体(psf)与其野生型对照(浙恢 7954)为材料, 对两者在水稻抽穗开花后旗叶衰老过程
中的光合速率、叶绿素荧光和叶绿体超微结构比较分析表明, 旗叶早衰突变后的每穗实粒数、结实率、千粒重和单
株产量均不同程度降低, 以对每穗实粒数和结实率的影响程度最明显; 在水稻灌浆期间, psf旗叶的叶绿素含量、叶绿
素a/b值、净光合速率(Pn)、PSII潜在活性(Fv/Fo)和最大光化学效率(Fv/Fm)均比其野生型对照明显降低, 且随着抽穗开
花后天数的推移, 供试材料间的差异幅度呈逐渐拉大趋势; psf叶肉细胞中的叶绿体排列、形态大小及其类囊体结构在
水稻抽穗开花期基本正常, 但随着叶片衰老过程的推进, psf叶肉细胞中的叶绿体相继会出现沿细胞壁周缘化、外部形
态缩皱变形、嗜锇颗粒增多变大、类囊体膜系统退化、片层结构完全解体等变化。其中, 叶绿体沿叶肉细胞壁排列
的周缘化与外形结构的球状化表现, 与叶绿体类囊体膜系统损伤和开始降解之前的净光合速率(Pn)下降有关, 而由
类囊体膜系统受损所带来的Fv/Fm和Fv/Fo下降过程, 则相对滞后于Pn和叶绿素含量下降的起始时间。
关键词: 水稻; psf突变体; 超微结构; 光合速率; 叶绿素荧光
Photosynthesis and Chloroplast Ultra-Structure Characteristics of Flag Leaves
for a Premature Senescence Rice Mutant
WANG Fu-Biao1, HUANG Fu-Deng2, CHENG Fang-Min1,*, LI Zhao-Wei1, HU Dong-Wei1, PAN Gang1,*,
and MAO Yu-Chan1
1 College of Agriculture and Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2 Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou
310031, China
Abstract: The influences of leaf premature senescence at the filling stage on photosynthesis rate, chlorophyll fluorescence and
chloroplast ultra-structure were investigated using Zhehui 7954 (an excellent indica restorer line) and its leaf senescence mutant
(psf). The results indicated that the psf mutant had significantly negative influence on the numbers of filling grains per panicle,
seed-setting rate, 1000-grain weight and yield per plant, especially on the numbers of filling grains per panicle and seed-setting
rate. Compared with CK, psf also exhibited dramatically lower chlorophyll content, the ratio of chlorophyll a/b, photosynthetic
rate (Pn) and chlorophyll fluorescence parameters Fv/Fo and Fv/Fm at filling stage, which were further lowered in the process of
maturity. No visual changes in the ultra-structure of mesophyll cells and chloroplasts were observed for psf, showing its intact
thylakoid, plastoglobuli size and shape. However, abnormal shape and stacking parallel distribution of chloroplasts, near the cell
wall, the degraded grana, the plastoglobuli residue and the destroyed chloroplast membrane could be detected in psf mesophyll
cells, in which the appearance of stacking and spherical chloroplasts was responsible for the dropped Pn in psf leaf prior to the
degradation and disintegration of thylakoid and grana membrane, thereby caused the decrease of Fv/Fo and Fv/Fm.
Keywords: Rice (Oryza sativa L.); psf mutant; Ultra-structure; Photosynthesis rate; Chlorophyll fluorescence
早衰是水稻生育后期代谢机能过早衰退的一种
生理现象, 以杂交稻较普遍, 是限制其产量进一步
发挥的重要障碍[1]。水稻早衰最明显的标志是叶片
过早枯黄, 光合生理机能显著衰退, 严重影响稻谷
产量和品质[2-3]。据段俊等报道, 水稻叶片在结实期
间的衰老快慢对其籽粒充实度和产量有显著影响 ,
结实率和充实度较高的品种(杂交组合), 其灌浆结
实期叶片的叶绿素减少慢、光合器官的功能衰退也
872 作 物 学 报 第 38卷

较迟, 而结实率和充实度较低的品种(杂交组合)则
相反[4-5]。有研究者理论推算, 水稻抽穗后籽粒灌浆
所需营养物质的 60%~80%来自于叶片的光合作用[6]。
在水稻籽粒灌浆后期, 若能设法使水稻功能叶片的
寿命每延长 1 d, 稻谷产量可以增加 1%~2%左右[5,7]。
因此, 水稻生育后期叶片光合作用能否满足籽粒灌浆
需求并与之同步兴衰是实现高产乃至超高产的关键。
关于植物衰老的成因, 国内外几十年来已从叶
片的形态结构、生理特性等角度进行了大量的研究,
并提出了营养亏缺、植物激素、活性氧代谢、死亡
因子、差误理论、光周期以及衰老基因等多种假说,
分别从不同角度阐述了叶片衰老的可能机理[8-15]。这
些假说揭示, 叶片衰老是一个受众多因素影响的复
杂生理过程, 涉及到叶绿素下降[8,12]、丙二醛(MDA)
含量增加[13]、自由基和活性氧清除酶类活性降低[14]、
RNA和蛋白质等大分子的分解[15]以及营养物质再利
用[16]等。近年来, 一些学者曾利用化学诱变、辐射
诱变等多种手段, 相继获得了拟南芥、水稻、小麦、
玉米等植物的叶片早衰突变体[17-22], 并对控制叶片
早衰的相关功能基因进行了克隆和定位, 以及对相
关基因的表达调控方式进行过研究分析[21-25]。然而,
这些突变材料的叶片早衰症状, 大多数在作物生长
发育的苗期阶段就已有较明显的表现, 加之这些早
衰突变体材料往往在株高、生育期等性状方面与野
生对照亲本间的差别较大 [11,19,21], 因而不利于从灌
浆生理角度, 对水稻生育后期的旗叶早衰变化及其
与籽粒灌浆进程间的关系等取得较明确认识。为此,
本文利用本课题通过辐射诱变获得的水稻早衰突变
体材料(暂命名为psf, Premature senescence at filling
stage), 对其旗叶在水稻抽穗后衰老过程中的光合特
性和叶绿体超微结构变化及其与野生型间的差异进
行了比较分析, 旨在为进一步开展水稻叶片早衰与
籽粒灌浆间的代谢生理联系等研究提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
选用抽穗后旗叶早衰突变体(psf)及其野生型对
照(浙恢 7954)。psf是通过对浙恢 7954的成熟种子进
行60Coγ射线辐照处理所获得的旗叶早衰突变体, 目
前已种植至M6代, 其早衰性状的遗传表现稳定。psf
早衰性状的表现特征是, 在水稻生长发育至孕穗期
之前生长发育正常, 株高、分蘖数、叶片的外观、
形态和颜色均与对照基本接近, 未表现出较明显的
早衰症状, 但在拔节孕穗期之后, 由下部叶片开始,
各功能叶(包括倒三叶和倒二叶)由下至上相继出现
衰老迹象(首先是叶尖出现锈状的早衰斑点, 之后逐
渐扩展到整个叶片), 至水稻抽穗时, 倒三叶已基本
接近枯死、倒二叶早衰症状也较严重(锈斑点面积约
占叶片总面积的 50%~60%左右), 而此时的旗叶仍
基本保持正常, 但在数日后(2~3 d左右), 其叶尖部
出现锈状斑点, 然后沿着叶脉扩展到叶基部, 且锈
状斑点颜色不断加深, 至水稻抽穗开花后 20 d左右
时, 旗叶的整个叶片已呈褐棕色, 之后约 1 周左右,
由叶尖开始整个叶片逐渐卷曲枯死, 此时其野生对
照的叶片仍保持正常的绿色(图 1)。
2009 年和 2010 年于浙江大学华家池校区教学
实验农场进行试验。5月中旬播种, 6月中旬移栽, 栽
插密度为 17 cm × 22 cm, 单本插, 大田常规水作管
理, 及时防治病虫和杂草。试验地前茬为大麦, 地力
中等偏上, 每材料种植 2个小区, 每小区 6行, 田间
随机排列。在水稻生长到抽穗时进行取样观测和分
析 , 同时测定光合速率和叶绿素荧光参数等指标 ,
成熟时每个材料、每小区各取 10株, 调查株高、单
株有效穗数、穗长、穗粒数、千粒重、结实率和单
株产量等农艺性状指标。其中, 2009 年主要调查株
高、单株有效穗数、穗长、穗粒数、千粒重、结实
率和单株产量等农艺性状指标, 未进行有关生理方
面指标的测定。
1.2 叶片光合速率和叶绿素荧光的测定
叶片光合速率和叶绿素荧光参数的测定在水稻
的灌浆结实期进行。在水稻抽穗开花当日, 选发育
进程和长势基本一致的 50个稻穗挂牌标记, 之后对
挂牌稻穗所对应的旗叶进行动态取样和光合速率等
指标的测定, 直至 psf叶片完全枯死。
1.2.1 光合指标及蒸腾指标测定 采用美国
Li-COR公司生产的Li-6400 型便携式光合测定仪 ,
开放系统, 使用红蓝光源, 光量子密度 1 200 µmol
m−2 s−1, 流速 500 µmol s−1, 在晴天上午 9:00~11:00时
(自然温度为 25~30 , ℃ 相对湿度为 67%~79%, 光照
强度约为 1 000 µmol m−2 s−1)分别测定各材料的净光
合速率。每处理测定 5~8 片具代表性的剑叶, 每叶
重复测定 3次(取其平均值作为 1次重复)。测定指标
包括叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率
(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)。
1.2.2 叶绿素荧光参数的测定 采用 PAM-2000

第 5期 王复标等: 水稻生育后期叶片早衰突变体的光合特性与叶绿体超微结构观察 873




图 1 生育后期旗叶早衰突变体(psf)与野生型对照(浙恢 7954)在不同时期的外部形态
Fig. 1 Comparison of plant morphological behavior at different growth stage between psf and CK (Zhehui 7954), and the senescence
process of psf flag leaf after flowering
A: 分蘖期; B: 抽穗开花期; C: 抽穗后 14 d; D: psf的旗叶在水稻抽穗后的衰老变化(a: 抽穗当日; b: 抽穗后 7 d;
c: 抽穗后 14 d; d: 抽穗后 21 d)。
A: tillering stage; B: flowering stage; C: 14 d after anthesis; D: the senescence process of flag leaf for psf (a: the flowering day; b: 7 d after
flowering; c: 14 d after flowering; d: 21 d after flowering).

型便携式叶绿素荧光仪(WALZ, Germany)测定各材
料剑叶的初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)和光系统II最
大光化学效率(Fv/Fm)。测定时, 在材料暗适应 20 min
后, 先打开检测光(PED<0.1 µmol m−2 s−1, 频率为
600 Hz)测定初始荧光(Fo), 再打开一次饱和脉冲光
(PED为 8 000 µmol m−2 s−1, 频率为 20 kHz, 0.8 s, 1
个脉冲), 测定Fm和Fv/Fm。数据处理软件为PAMWIN
(WALZ, Germany)。其中, Fv/Fo表示反应中心PSII的
潜在活性, Fv/Fm是可变荧光与最大荧光的比值, 表
示PSII的最大光能转化效率。
1.3 叶绿素含量测定
参照张志良等[26]的方法测定叶绿素a、叶绿素b
和叶绿素总量。取新鲜的旗叶叶片 3~5 片, 剪碎混
匀后称取 0.500加液氮研磨, 并用 80%丙酮提取色素,
在波长 663 nm和 645 nm下测光密度, 计算叶绿素含
量。每材料各时期均重复取样 3次, 分别测定。
1.4 叶肉细胞和叶绿体超微结构观测
在旗叶叶片的中部主脉旁取材(2 mm × 1 mm左
右), 用 2.5%的戊二醛(pH 7.2)固定 24 h, 抽气直到
切块下沉为止, 用 0.1 mmol L−1磷酸缓冲液(pH 7.2)
冲洗 3次, 每次 30 min, 用 1%锇酸 4℃下后固定 4 h,
磷酸缓冲液再次冲洗 3 次; 常规梯度乙醇系列脱水,
环氧丙烷置换, Epon812树脂包埋, 70℃下聚合 8 h,
用LKB-V型切片机超薄切片, 经醋酸双氧铀和柠檬
酸铅双重染色后, 利用日立-7650 型透射电镜观察
并拍照。
1.5 叶表面气孔结构的扫描电镜观测
在叶片中部主脉旁取材(2 mm × 1 mm左右), 用
2.5%的戊二醛(pH 7.2)溶液固定 , 经不同梯度的乙
醇分步脱水后, 用乙酸异戊酯进行置换和临界点干
燥 , 然后置镀膜仪上喷金处理 , 在飞利浦XL30-
ESEM型扫描电镜上观察和拍照。
2 结果与分析
2.1 早衰突变体(psf)的主要农艺性状与结实表现
由表 1 可见, 旗叶早衰突变体(psf)与其野生型
(浙恢 7954)对照间的株高、生育期、穗长和谷粒粒
型等指标差异均不明显, 但与其野生对照相比, psf
的每穗实粒数、结实率和单株产量均大幅度降低。
在本文试验条件下, 2010年 psf的每穗实粒数、结实
率和单株产量分别为 58.7粒、36.5%和 10.1 g (表 1),
远低于其野生型对照。此外, 前者的千粒重也显著
低于后者, 但差异幅度不及每穗实粒数和结实率的
变化大。
2.2 早衰突变体(psf)与浙恢 7954 的叶绿素含量
差异
在抽穗开花期和旗叶枯死前(psf 在抽穗开花后
的第 30 天左右时枯死), 分别测定后期早衰突变体
(psf)与其野生对照旗叶中的叶绿素含量。表 2 表明,
psf 在抽穗开花时的叶绿素 a/b 值与野生对照间没有
明显差异, 但叶绿素 a、叶绿素 b和叶绿素总量均显
著低于后者, 反映出 psf的叶绿素含量在抽穗开花期
874 作 物 学 报 第 38卷

已有所下降。至水稻抽穗开花后的第 28天时, 供试
两个材料的叶绿素含量(包括叶绿素 a、叶绿素 b 和
叶绿素总量)均较其抽穗开花时明显下降, 但在下降
幅度上, psf 远大于其野生对照(浙恢 7954)。在此时
期, psf的叶绿素 a和叶绿素 b 含量分别比其抽穗开
花期下降了 56.70%和 48.31%, 与该时期的野生对照
相比, 降低率分别为 61.68%和 52.28% (表 2)。与此
同时, psf 旗叶中的叶绿素 a/b 值也显著降低, 说明
早衰突变体在灌浆期的叶绿素 a 比叶绿素 b 下降的
更快。
2.3 早衰突变体(psf)旗叶衰老过程中的净光合速
率与叶绿素荧光参数变化
由表 3可见, psf在抽穗期的净光合速率(Pn)、气
孔导度(G s)和蒸腾速率(T r)比其野生对照(WT)已有

表 1 抽穗后旗叶早衰突变体(psf)与野生型对照(浙恢 7954)的主要农艺性状比较
Table 1 Variation of some important agronomic traits between premature senescence mutant (psf) and Zhehui 7954
2010 2009
性状
Trait 野生型
WT
突变体
psf
差异显著性
Different
significance
野生型
WT
突变体
psf
差异显著性
Different
significance
株高 Plant height (cm) 103.6±3.1 98.5±3.7 ns 103.5±2.1 102.4±1.6 ns
穗长 Panicle length (cm) 21.5±1.9 20.1±2.3 ns 22.5±1.2 20.8±1.8 ns
生育期 Growth period 89.2±0.6 88.4±0.9 ns 87.2±0.8 86.4±1.2 ns
株有效穗数 Panicles per plant 8.2±1.7 7.9±1.6 ns 9.3±1.1 8.5±0.9 ns
单穗实粒数 Filling grains per panicle 165.5±9.6 58.7±10.2 ** 217.7±7.8 55.3±8.4 **
千粒重 1000-grain weight (g) 24.3±1.2 23.1±0.6 * 26.3±0.9 24.0±0.1 **
结实率 Seed-setting rate (%) 83.6±2.6 36.5±8.7 ** 86.7±1.4 27.4±2.8 **
谷粒粒型 Grain shape (mm) 2.68±0.1 2.73±0.3 ns 2.63±0.2 2.59±0.5 ns
单株产量 Yield per plant (g) 34.6±3.1 10.1±1.2 ** 53.1±2.7 11.3±0.8 **
*和**表示供试两个材料的该指标差异分别达到 0.05和 0.01统计显著水平。生育期是指播种到抽穗天数。
* and ** represent significant difference at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. Growth period means the days from sowing to
flowering.

表 2 早衰突变体(psf)与野生型对照(WT, 浙恢 7954)抽穗期和抽穗后 28 d的旗叶叶绿素含量比较
Table 2 Comparison of chlorophyll content in flag leaves for psf and control (Zhehui 7954) at the flowering and 28 d after anthesis
生育阶段
Growth stage
材料
Material
叶绿素 a Chl a
(mg g−1 FW)
叶绿素 b Chl b
(mg g−1 FW)
叶绿素 a/b
Chl a/ Chl b
叶绿素总量 Total Chl
(mg g−1 FW)
WT 5.355±0.620 a 1.878±0.263 a 2.851±0.022 a 7.233±0.670 a
psf 3.756±0.307 b 1.335±0.125 b 2.816±0.089 a 5.092±0.425 b
抽穗期
Flowering day
降低率 DR (%) 29.89 28.91 1.23 29.60
WT 4.246±0.576 a 1.446±0.173 a 2.943±0.061 a 5.691±0.799 a
psf 1.627±0.180 b 0.690±0.061 b 2.352±0.069 b 2.317±0.241 b
抽穗后 28 d
28th day after anthesis
降低率 DR (%) 61.68 52.28 20.05 59.29
降低率(%) = (WT − psf)/WT×100%。数字后的字母相同, 表示突变体与对照间在该指标未达 5%统计水平。
Dropping rate (DR, %) = (WT − psf)/WT×100%. psf: mutant; WT: Zhehui 7954 (CK). Data followed by the same letters mean no sig-
nificant difference between psf and control at 0.05 level.

表 3 早衰突变体(psf)与野生型对照(WT, 浙恢 7954)抽穗期和抽穗后 28 d的旗叶光合参数比较
Table 3 Comparison of chloroplast photosynthesis parameters in flag leaves for psf and control (Zhehui 7954) at flowering
and 28 d after anthesis
生育阶段
Growth stage
材料
Material
净光合速率
Pn (μmol m−2 s−1)
气孔导度
Gs (mmol m−2 s−1)
胞间CO2浓度
Ci (μmol mol−1)
蒸腾速率
Tr (mmol m−2 s−1)
WT 11.79±0.78 a 0.23±0.03 a 358.25±18.12 b 3.27±0.43 a
psf 11.04±0.96 b 0.14±0.02 b 370.87±14.56 a 2.89±0.35 b
抽穗期
Flowering
降低率 DR (%) 6.36 39.13 −0.71 11.62
WT 7.88±0.82 a 0.16±0.06 a 362.83±26.76 b 4.05±0.41 a
psf 3.09±0.55 b 0.05±0.01 b 409.50±23.88 a 2.27±0.30 b
抽穗后 28 d
28 d after anthesis
降低率 DR (%) 60.79 68.75 −13.05 43.05
降低率(%) = (WT − psf)/WT×100%。数字后的字母相同, 表示突变体与对照间在该指标未达 5%统计水平。
Dropping rate (DR, %) = (WT − psf)/WT×100%. psf: mutant material; WT: Zhehui 7954 (CK). Data followed by the same letter means
no significant difference between psf and control at 0.05 level.
第 5期 王复标等: 水稻生育后期叶片早衰突变体的光合特性与叶绿体超微结构观察 875


不同程度下降, 而胞间CO2浓度(Ci)虽略有上升, 但
统计差异不显著。至抽穗后 28 d, psf的Pn只有其野生
对照的 39.21%, 与抽穗期相比, 其Pn的下降幅度高
达 72.01%。与相同时期的野生对照相比, 降低率为
60.79%。与此同时, Gs和Tr也有较大幅度降低, Ci呈现
较明显的增高, 表现出较严重的衰老和光合能力下
降特征。
比较供试 2 个材料的旗叶净光合速率在抽穗后
的变化动态可知(图 2-A), 在整个灌浆结实期, 早衰
突变体(psf)的净光合速率均显著低于其相同时期的
野生型对照(WT), 且随着抽穗后的时间推进, 两者
间的差异幅度逐渐拉大。其中, 至抽穗后 14 d和抽
穗后 28 d时, psf的净光合速率(Pn)分别降低到其抽穗
开花时的 55.9%和 27.8%, 而此时WT则分别降低到
其抽穗开花时的 76.7%和 66.8%。若按光合速率下降
到 50%作为叶片功能期持续时间的衡量标准[3,5], psf
的旗叶功能期大约是 15~17 d。与两者间的Pn差异趋
势相近, 早衰突变体(psf)的PSII潜在活性(Fv/Fo)和最
大光化学效率(Fv/Fm)也明显低于相同时期的野生型
对照(图 2-B和图 2-C), 且差异幅度仍呈现出逐渐拉
大的基本趋势, 这表明psf旗叶的PSII原初光能转换
效率比野生型对照下降得快, 其PSII的潜在活性中
心在水稻抽穗后 14 d左右时已严重受损, 导致其光
合作用的原初反应受到严重抑制、光合速率迅速下
降。值得关注的是, 在抽穗开花后的 7 d时, 供试 2
个材料的Fv/Fm和Fv/Fo值并没有出现较明显的下降,
甚至还略有增高, 这与它们在此时期的净光合速率
(Pn)变化动态略有不同 , 说明在水稻叶片衰老过程
中, Fv/Fm和Fv/Fo下降的起始时期可能要比其净光合
速率的下降时期略晚。



图 2 早衰突变体(psf)与野生型对照(WT)在抽穗后的净光合速率与叶绿素荧光参数的动态变化
Fig. 2 Changing pattern of photosynthetic rate and chlorophyll fluorescence parameters at grain filling stage for psf mutant and control

2.4 早衰突变体(psf)旗叶衰老过程中的叶绿体超
微结构变化
利用扫描电镜对供试两个材料旗叶的气孔大
小、形态和排列的超微结构观察表明, psf 的气孔发
育正常, 且从气孔大小、形态及其周围硅化木栓细
胞的乳突密度上, 也难以区分出其与正常水稻叶片
(CK)之间的差别(图 3)。进一步利用透射电镜对 psf
在衰老过程中的叶肉细胞和类囊体结构观察发现 ,
在水稻抽穗开花时, psf 的叶肉细胞的叶绿体结构完
整, 类囊体片层堆垛整齐, 基粒堆积致密、排列有序,
且有数量较多和大小不等的淀粉粒(造粉体)存在(图
4-A和图 4-B)。除部分叶绿体的外形略有肿涨外, 几
乎看不出与野生型对照间的叶绿体超微结构差别
(图 4-C和图 4-D); 至抽穗开花后的第 7天时, psf叶
肉细胞中的细胞质已出现一定程度的浓缩和周缘化
迹象 , 叶绿体紧贴细胞壁 , 外形呈椭圆型 , 淀粉体
数量也明显减少, 并可看到一定数量的嗜锇颗粒出
现(图 4-E), 但基粒片层和类囊体的膜结构尚较完整
(图 4-F); 至抽穗开花后的第 14天, 叶肉细胞中的大
量叶绿体已缩皱成球形 , 基粒片层也变得较模糊 ,
嗜锇颗粒分布增多, 体积变大, 甚至有少量叶绿体
出现类囊体膜解体, 无片层结构(图 4-G 和图 4-H);
至抽穗开花后的第 21天, 叶绿体的类囊体结构趋于



图 3 突变体 psf与野生型对照(WT)的气孔超微结构的扫描电镜
观察
Fig. 3 Scanning electron microscopy of the flag leaf stoma of
psf and control (WT)
A: psf旗叶表面气孔; B: WT旗叶表面气孔。
A: stoma of psf flag leaf; B: stoma of control flag leaf (WT).
876 作 物 学 报 第 38卷




图 4 早衰突变体旗叶衰老过程中叶肉细胞和叶绿体的超微结构变化
Fig. 4 Ultra-structure change of mesophyll cells and chloroplasts during flag leaf senescence process for psf mutant
A和 B: psf抽穗开花当日叶肉细胞中的叶绿体; C和 D: 分别为 WT和 psf在抽穗开花当日叶绿体的类囊片层; E和 F: 分别是 psf在抽
穗开花后第 7天时的叶肉细胞和叶绿体(白箭头示嗜锇颗粒); G和 H: 分别是 psf在抽穗开花后第 14天时的叶肉细胞和叶绿体(白箭头
示嗜锇颗粒); I和 J: psf在抽穗开花后第 21天时的叶肉细胞和叶绿体; K: psf在抽穗开花后第 28天时的叶肉细胞(星号示叶绿体降解后
膜状残留物); L: psf抽穗开花后第 28天时的叶肉细胞(双白箭头示周缘质团)。Ch: 叶绿体; S: 淀粉粒; L: 脂肪球;
Nu: 细胞核; M: 线粒体。
A and B: the chloroplasts in psf mesophyll cells at flowering; C and D: the chloroplast thylakoid and its plastoglobuli structure in WT and psf
mesophyll cells at flowering; E and F: mesophyll cell and chloroplasts of psf leaf at 7 d after anthesis (white arrow indicated plastoglobuli); G
and H: mesophyll cell and chloroplast of psf leaf at 14 d after anthesis; I and J: the mesophyll cell and chloroplast of psf leaf at 21 d after
anthesis; K: the mesophyll cell and destroyed chloroplast membrane residue substance in senescing leaf at 28 d after anthesis (asterisk indi-
cated choloroplast membrane residue after degradation); L: cell wall surrounding residue substances in psf mesophyll cells at 28 d after an-
thesis (double arrow indicate peripheral nature). Ch: chloroplast; S: starch granule; L: lipoid; N: nucleous; M: mitochonrion.

第 5期 王复标等: 水稻生育后期叶片早衰突变体的光合特性与叶绿体超微结构观察 877


简单, 嗜锇颗粒、脂质球的数量增多和变大, 且叶肉
细胞中有较多的膜状残留物出现(图 4-I 和图 4-J);
至抽穗开花后的第 28天, 叶肉细胞中的膜状残留物
数量进一步增多, 除尚见少量片层模糊的球状叶绿
体外, 绝大多数叶绿体已完全解体, 并与叶肉细胞
中的其他膜状物“融合”在一起变成周缘质团(图 4-K
和图 4-L)。
3 讨论
水稻抽穗后, 营养器官进入衰老凋亡期是正常
生理现象, 而早衰则是营养器官衰老过快而不能完
成籽粒灌浆, 并最终导致结实率和充实度下降的现
象[10,14]。现已基本明确, 水稻后期的叶片早衰, 既与
品种遗传因素和类型特征有关, 也受环境条件与栽
培因素(如, 水肥管理、温光条件、种植方式等)的较
大影响[19,27-28]。此外, 叶片衰老所涉及的生理生化环
节也相当复杂, 包括叶绿素含量下降、丙二醛增加、
叶片持氮能力降低、蛋白大分子降解、根系伤流量
减少等[8,10,29]。其中, 叶片外观变黄和叶绿素含量下
降普遍被看成是表征叶片衰老程度的一个最直接、
最简便的重要生理指标 [3,24] , 而水稻灌浆结实期的
丙二醛含量增加、叶片氮素含量下降、自由基和活
性氧清除酶类活性降低以及根系活力变化通常均与
该时期功能叶中的叶绿素含量呈显著或极显著的正
相关(或负相关)[5,30]。李木英等[5]根据水稻开花抽穗
后叶绿素含量的衰老频度, 将我国目前大面积推广
的杂交稻品种(组合)划分为强衰减组合、次强衰减组
合和弱衰减组合三大类, 并推算出强衰减组合和弱
衰减组合在抽穗后第 30天(常规水作条件下)的叶绿素
衰减率分别为 32.46%~36.60%和 24.70%~29.59%。对
比这一指标, 在本文试验结果中, 旗叶后期早衰突
变体(psf)和浙恢 7954在抽穗后 28 d的叶绿素含量衰
减率分别为 54.50%和 21.32%, 均超出了强衰减组合
和弱衰减组合的阈值范围, 但考虑到试验的材料背
景、地域因素、地力水平和栽培管理等差异, 笔者
认为, 该类型划分是基本合理的, 同时也反映了本
文试验材料在叶片早衰过程中所表现出的极端类
型。加之, 若按光合速率下降到 50%作为叶片功能
期持续时间的衡量标准, psf突变体的旗叶功能期大
约只有 15~17 d, 它在抽穗后 28 d的光合速率的Pn下
降幅度高达 72.01% (与抽穗开花期相比), 因此其结
实率和千粒重的降低并不难解释。至于旗叶早衰突
变(psf)对结实率的影响大于其对千粒重影响的原
因, 笔者推测可能与在一定库容条件下水稻穗内不
同粒位间同化产物分配 [2,31]和两段灌浆现象 [6,32]等
生理因素有关。在有限的光合同化产物供应下, 强
势粒的灌浆启动早、获取同化产物的竞争能力强 ,
受叶片早衰的影响较小, 而弱势粒的灌浆启动晚、
获取光合同化产物的竞争力弱, 加之受叶片早衰的
影响, 又使弱势粒不能通过正常的两段灌浆现象得
到“补偿”, 因而导致其生理活性彻底丧失和空瘪粒
的大幅增加。
大量研究表明, 水稻早衰会引起叶片光合机构
受损和光合速率下降。其中, 叶绿素a/b值是反映植
物光合效率高低的一个重要生理指标 [8,13]。据
Simeonova等[17]报道, 水稻、小麦等作物的叶片衰老
时, 叶绿素含量下降, 且叶绿素a比叶绿素b下降得
快。本文结果表明, 在抽穗开花期, 早衰突变体(psf)
与其野生对照间的叶绿素总含量虽已存在明显差异,
但两者在叶绿素a/b值上的差异并不显著, 而在水稻
开花后第 28天, psf旗片的叶绿素总含量大幅度下降,
其叶绿素a/b值也显著降低(表 2)。这与前人研究结论
基本一致, 揭示早衰突变体在衰老过程中的叶绿素a
下降快于叶绿素b。其原因可能是叶片衰老期间叶肉
细胞会产生大量活性氧离子 [33], 同时叶绿素a对活
性氧离子的反应也较叶绿素b更敏感[31,34]。此外, 由
于叶绿素a是叶绿体光系统(PSI和PSII)光化学反应
活性中心的重要化学组分(反应中心色素), 在光合
系统的能量激发和电子传递过程中起重要作用, 而
叶绿素b主要是与光系统PSII中的特异天线蛋白结
合成捕光色素复合体, 主要作用于光合系统的光能
捕获与能量聚集[35]。因此, 早衰突变体叶肉细胞中
叶绿素a/b值的下降、叶绿素b含量的相对比例增加,
说明早衰突变后对叶片光能捕获能力的影响可能要
相对小于其光化学反应活性中心(光能激发和电子
传递环节)的变化, 光合色素吸收的能量中流向光化
学反应的部分减少 , 导致其光能利用效率降低(图
2)。同时, 光系统(PSI和PSII)色素-蛋白复合体中的
过剩能量增加, 也会加剧活性氧离子对类囊体膜系
统的危害程度和叶绿素的降解速率 [15,35], 这可能是
早衰突变体在抽穗开花期的叶绿素含量和光合速率,
与其野生型相比的差异幅度尚较小, 但之后的差异
幅度却不断增大的一个重要生理原因。
通过对叶片衰老期间光合速率、叶绿素荧光参
数与叶肉细胞超微结构等性状的观测, 可以探讨叶
片衰老过程中的光合生理功能变化与细胞结构形态
特征变化间的相互联系[22]。前人研究表明, 逆境对
光合机构破坏的关键部位是叶绿体PSII反应中心。
878 作 物 学 报 第 38卷

在植物叶片衰老过程中, 光合电子传递链上的 2个光
系统活性中心(PSI和PSII)均有下降 , 但PSII活性的
下降要快于PSI [8,10]。据Kusaba等[36]报道, 当植物叶
片衰老或在逆境胁迫下, 叶绿体的类囊体解体, 线
粒体外膜降解。嗜锇颗粒增多, 液泡膜破裂, 最后使
水解酶释放到细胞质中, 引起细胞凋亡和光合能力
丧失。本文超微结构观察表明, 在水稻抽穗开花时,
早衰突变体(psf)叶绿体的类囊体片层堆垛整齐、基
粒堆积致密, 叶绿体在叶肉细胞中排列有序, 除少
部分叶绿体的外形略显肿涨外, 几乎难以辨别其叶
肉细胞与对照间的差别(图 4-A和图 4-B)。之后, 随
着叶片衰老过程的推进, 其叶肉细胞和叶绿体的超
微结构, 先后经历细胞核消解、细胞质浓缩与叶绿
体沿细胞壁周缘化、线粒体和淀粉体数量减少、嗜
锇颗粒增多变大、类囊体膜系统退化、叶绿体缩皱
变形、片层结构完全解体等变化(图 4-C~L)。与之相
对应, psf旗叶的净光合速率(Pn)、PSII潜在活性(Fv/Fo)
和最大光化学效率(Fv/Fm)也同时表现出较明显的下
降趋势(图 2-A~C), 但胞间CO2浓度却比对照有较明
显的上升(表 3)。由此可见, psf早衰突变引起的叶片
光合速率下降, 主要是由非气孔因素引起, 与叶肉
细胞中叶绿体的形态结构变化以及类囊体片层膜结
构的退化与降解过程有着密切联系。其中, 叶绿体
沿叶肉细胞壁排列的周缘化及其形态结构的球状化,
是其类囊体片层膜结构退化与降解过程启动的“前
奏”表现, 对叶片的光合功能也有一定程度的影响。
值得一提的是, 在本文研究结果中, Fv/Fo和Fv/Fm在
水稻抽穗后前 7 d左右的下降趋势不明显, 甚至还略
有上升(图 2-B~C), 表明PSⅡ膜系统的受损状况较小
或还未受到损伤[17], 且叶肉细胞的超微结构观测也
同时表明, 此时期叶绿体的基粒片层堆垛整齐、类
囊体膜结构尚未遭受到破坏, 但此时叶片的光合速
率 (Pn)和叶绿素含量已表现出较明显的下降 (图
3-A)。据此笔者推测, 在水稻叶片衰老过程中, 叶绿
素含量和光合速率的降低可能比类囊体膜系统损伤
和降解过程的启动来得更早。
4 结论
旗叶早衰突变会导致水稻每穗实粒数、结实率、
千粒重和产量水平的显著降低, 且对结实率的影响
要大于对千粒重的影响, 但其单株有效穗数、穗长、
谷粒粒型等农艺性状的变化不明显。与野生对照相
比, 旗叶早衰突变体(psf)在水稻抽穗开花后的叶绿
素含量、叶绿素a/b值、净光合速率(Pn)、PSII潜在活
性(Fv/Fo)和最大光化学效率(Fv/Fm)均明显下降, 且
叶绿素a在psf衰老过程中降解速率快于叶绿素b; 旗
叶早衰突变引起的叶片光合速率下降, 主要是由非
气孔因素引起。在水稻抽穗开花时, 旗叶早衰突变
体的叶肉细胞结构与叶绿体发育基本正常, 叶绿体
排列有序 , 类囊体片层堆垛整齐 , 基粒堆积致密 ,
并可观察到一些大小不等的淀粉粒存在, 但随着叶
片衰老过程的推进, 其叶肉细胞中的叶绿体先后经
历叶绿体紧贴细胞壁的周缘化、叶绿体缩皱变成球
状、嗜锇颗粒分布增多与变大、类囊体膜系统退化、
片层结构解体等变化, 叶肉细胞中的绝大多数叶绿
体最后完全解体 , 并与细胞中的其他膜状物质“融
合”在一起形成周缘质团, 光合功能彻底丧失。在水
稻叶片衰老过程中, 叶绿体沿叶肉细胞壁排列的周
缘化与外形结构的球状化表现, 与叶绿体类囊体膜
系统损伤和开始降解之前的净光合速率降低有关 ,
而由叶绿体类囊体膜系统损伤所带来的Fv/Fm和
Fv/Fo下降过程, 则相对滞后于其旗叶净光合速率和
叶绿素含量的起始下降时间。

致谢: 感谢浙江省农业科学院作物与核技术利用研
究所李春寿研究员提供浙恢 7954 的原始材料及 psf
突变体材料的多代南繁工作。
References
[1] Wu W-M(吴伟明), Wang Y-P(王一平), Zhao H(赵航), Cao
L-Y(曹立勇), Zhan X-D(占小登), Cheng S-H(程式华). Growth
phenomenon of adventitious root penetrating through the base of
sheath and its effects on leaf senescence in rice. Sci Agric Sin (中
国农业科学), 2005, 38(3): 474–479 (in Chinese with English ab-
stract)
[2] Zhang C J, Chu H J, Chen G X, Shi D W, Zuo M, Wang J, Lu C
G, Wang P, Chen L. Photosynthetic and biochemical activities in
flag leaves of a newly developed super high-yield hybrid rice
(Oryza sativa) and its parents during the reproductive stage. J
Plant Res, 2007, 120: 209–217
[3] Inada N, Sakai A, Kuroiwa H, Kuroiwa T. Senescence program
in rice (Oryza sativa L.) leaves: analysis of the blade of the
second leaf at the tissue and cellular levels. Protoplasma, 1999,
207: 222–232
[4] Duan J(段俊), Liang C-Y(梁承邺), Huang Y-W(黄毓文). Stu-
dies on leaf senescence of hybrid rice at flowering and grain for-
mation stage. Acta Phytophysiol Sin (植物生理学报), 1997,
23(2): 139–144 (in Chinese with English abstract)
[5] Li M-Y(李木英 ), Shi Q-H(石庆华 ), Zheng W(郑伟 ), Pan
X-H(潘晓华), Tan X-M(谭雪明). Study on the leaf senescence
type and its influencing factors in hybrid rice during grain filling
stage. Acta Agric Univ Jiangxi (江西农业大学学报), 2010, 32(6):
1081–1088 (in Chinese with English abstract)
第 5期 王复标等: 水稻生育后期叶片早衰突变体的光合特性与叶绿体超微结构观察 879


[6] Yang J-C(杨建昌), Zhu Q-S(朱庆森), Wang Z-Q(王志琴), Lang
Y-Z(郎有忠). Photosynthetic characteristics, dry-matter accumu-
lation and its translocation in intersubspecific hybrid rice. Acta
Agron Sin (作物学报), 1997, 23(1): 82–88 (in Chinese with Eng-
lish abstract)
[7] Ma L(马林). Advances in studies on physiological and bio-
chemical changes during plant senescence. J Biol (生物学杂志),
2007, 24(3):12–15 (in Chinese with English abstract)
[8] Buchanan-Wollaston V. The molecular biology of leaf sene-
scence. J Exp Bot, 1997, 48: 181–199
[9] Becker W, Apel K. Differences in gene expression between natu-
ral and artificially induced leaf senescence. Planta, 1993, 189:
74–79
[10] Gan S S, Amisino R M. Molecular genetic regulation and mani-
pulation of leaf senescence. Plant Physiol, 1997, 113: 313–319
[11] Tang Y, Wen X, Lu C. Differential changes in degradation of
chlorophyll-protein complexes of photosystem I and photosystem
II during flag leaf senescence of rice. Plant Physiol Biochem,
2005, 43: 193–201
[12] Peng X-X(彭新湘), Peng S-B(彭少兵). Degradation of ribu-
lose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase in naturally se-
nescing rice leaves. Acta Phytophysiol Sin (植物生理学报), 2000,
26(1): 46–52 (in Chinese with English abstract)
[13] Dhindsa R S, Dhindsa P P, Thorpe T A. Leaf scenescene corre-
lated with increased levels of membrane permeability and lipid
peroxidation and decreased levels of superoxide dismutase and
catalase. J Exp Bot, 1981, 32: 93–101
[14] Zhu C(朱诚), Fu Y-P(傅亚萍), Sun Z-X(孙宗修). Relationship
between leaf senescence and activated oxygen metabolism in su-
per high yielding rice during flowering and grain stage. Chin J
Rice Sci (中国水稻科学), 2002, 16(4): 326–330 (in Chinese with
English abstract)
[15] Park S Y, Yu J W, Park J S, Li J J, Yoo S C, Lee N Y, Jeong S W,
Park Y I, Paek N C. The senescence-induced stay green protein
regulates chlorophyll degradation. Plant Cell, 2007, 19: 1649–1664
[16] Simpson R J, Dalling M J. Nitrogen redistribution during grain
growth in wheat (Triticum aestivum L.): III. Enzymology and
transport of amino acids from senescing flag leaves. Planta, 1981,
151: 447–456
[17] Simeonova E, Sikora A, Charzyniska M, Mostowska A. Aspects
of programmed cell death during leaf senescence of mono- and
dicotyledonous plants. Protoplasma, 2009, 214: 93–101
[18] Oh S A, Park J H, Lee G I, Paek K H, Park S K, Nam H G. Iden-
tification of three genetic loci controlling leaf senescence in
Arabidopsis thaliana. J Plant, 1997, 12: 527–533
[19] Liu L, Zhou Y, Zhou G, Ye R J, Zhao L N, Li X H, Lin Y J.
Identification of early senescence-associated genes in rice flag
leaves. Plant Mol Biol, 2008, 67: 37–55
[20] Smart C M, Hosken S E, Thomas H, Greaves J A, Blair B G,
Schuch W. The timing of maize leaf senescence and characterize-
tion of senescence-related cDNAs. Plant Physio1, 1995, 93:
673–682
[21] Wang J(王军), Wu S-J(吴书俊), Zhou Y(周勇), Zhou L-H(周丽
慧), Xu J-F(徐洁芬), Gu M-H(顾铭洪), Liang G-H(梁国华).
Fine genetic mapping and gene identification of a premature se-
nescence leaf (psl1) mutant. Chin Sci Bull (科学通报), 2006,
51(20): 2387–2392 (in Chinese)
[22] Lim P O, Nam H G. Aging and senescence of the leaf organ. J
Plant Biol, 2007, 50: 291–300
[23] Lee R H, Wang G H, Huang L T, Chen S C. Leaf senescence in
rice plants: cloning and characterization of senescence up-regu-
lated genes. J Exp Bot, 2001, 52: 1117–1126
[24] Betania F Q, Noh Y S, Edward H, Amasino R M. Molecular as-
pects of leaf senescence. Trend Plant Sci, 2000, 5: 278–282
[25] Kong Z S, Li M N, Yang W Q, Xu W Y, Xue Y B. A novel nu-
clear-localized CCCH-Type zinc finger protein, OsDOS, is in-
volved in delaying leaf senescence in rice. Plant Physiol, 2006,
141: 1376–1388
[26] Zhang Z-L(张志良), Qu W-J(瞿伟菁). Experimental Guidance of
Plant Physiology (植物生理学实验指导), 3rd edn. Beijing:
Higher Education Press, 2005. pp 167–169 (in Chinese)
[27] Maxwell K, Johnson G N. Chlorophyll fluorescence- A practical
guide. J Exp Bot, 2000, 51: 659–668
[28] Wei H-Y(魏海燕), Zhang H-C(张洪程), Ma Q(马群), Dian
Q-G(戴其根), Huo Z-Y(霍中洋), Xu K(许柯), Zhang Q(张庆).
Characteristics of leaf senescence in rice genotypes with different
nitrogen use efficiencies. Acta Agron Sin (作物学报), 2010,
36(4): 645–654 (in Chinese with English abstract)
[29] Xue J-S(谢金水), Shao C-H(邵彩虹), Tang X-Y(唐秀英), Shi
Q-H(石庆华). Proteomics analysis of nutrition stress effect on
rice leaf senescence at grain filling stage. Chin J Rice Sci (中国
水稻科学), 2011, 25(2): 143–149 (in Chinese with English ab-
stract)
[30] Biswas A K, Mondal S K. Regulation by kinetin and abcisic acid
of correlative senescence in relation to grain maturation,
source-sink relationship and yield of rice. Plant Growth Regul,
1986, 4: 239–245
[31] Kim J W, Shon J Y, Lee C K, Yang W H, Kim Y G, Lee B W. Re-
lationship between grain filling duration and leaf senescence of
temperate rice under high temperature. Field Crops Res, 2011,
122: 207–213
[32] Ma W-B(马文波), Ma J(马均), Ming D-F(明东风), Xu F-Y(许
凤英), Yan Z-B(严志彬), Sun X-H(孙晓辉). Studies on the pho-
tosynthetic characteristics of the flag leaf of different panicle
weight of rice. Acta Agron Sin (作物学报), 2003, 29(2): 236–240
(in Chinese with English abstract)
[33] Park S Y, Yu J W, Park J S, Li J J, Yoo S C, Lee N Y, Jeong S W,
Park Y I, Paek N C. The senescence-induced stay green protein
regulates chlorophyll degradation. Plant Cell, 2007, 19: 1649–
1664
[34] Wang D-Y(王丹英), Zhang X-F(章秀福), Shao G-S(邵国胜),
Qian Q(钱前), Xu C-M(徐春梅). Leaf senescence of difference
leaf color rice and its response to light intensity. Chin J Rice Sci
(中国水稻科学), 2008, 22(1): 77–81 (in Chinese with English
abstract)
[35] Farquhar D G, Sharkey T D. Stomatal conductance and photo-
synthesis. Annu Rev Plant Physiol, 1982, 33: 317–355
[36] Kusaba M, Ito H, Morita R, Sato Y, Fujimoto M, Kawasaki S,
Tanaka R, Hirochika H, Nishimura M, Tanaka A. Rice NON-
YELLOW COLORING is involved in light—harvesting complex
II and grana degradation during leaf senescence. Plant Cell, 2007,
19: 1362–1375