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第 27 卷 第 6 期 作　物　学　报 V o l. 27, N o. 6
2001 年 11 月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA N ov. , 2001
氮肥水平对杂交稻汕优 63 剑叶光合速率和 RuBP 羧化酶活性
的影响Ξ
王仁雷1　李　霞2　陈国祥2　华　春1　魏锦城2
(1淮阴师范学院生物学系, 江苏淮安 223001; 2 南京师范大学生命科学学院, 江苏南京 210097)
提　要　用低氮 (LN )、中氮 (M N )、高氮 (HN ) 盆栽土培的杂交水稻汕优 63 为材料, 测定其剑叶的光
合速率、R uBP 羧化酶含量及活性、可溶性蛋白和叶绿素含量的变化。结果表明: 随着氮水平的提高,
叶面积增大, 气孔密度减少, R uBP 羧化酶活性和光合速率增加。随着叶龄的增加, 三个不同氮水平的
叶片中 R uBP 羧化酶蛋白下降均先于可溶性蛋白的下降; HN 组的光合速率下降幅度小于LN 组和
M N 组; HN 组的R uBP 羧化酶较高活性的持续期长于LN 组和M N 组。氮素对杂交水稻的光合速率
和光合功能期具有调节作用。
关键词　氮肥; 杂交水稻; 剑叶; 光合速率; R uBP 羧化酶
Effect of N-fertil izer Ievels on Photosyn thetic Ra te and RuBP
Carboxyla se Activ ity in Flag L eaves of Hybr id R ice Shanyou 63
W AN G R en2L ei1　L I X ia2　CH EN Guo2X iang2　HUA Chun1　W E I J in2Cheng2
(1 D ep artm en t of B iology , H uaiy in T eachers Colleg e, H uaian 223001; 2 Colleg e of L if e S cience, N anj ing N orm al
U niversity , N anj ing 210097, Ch ina)
Abstract　　Po t cu ltu re of low n it rogen (LN , con tro l) , m edium n itrogen (M N ) and h igh
n it rogen (HN ) w as conducted and the pho to syn thet ic ra te, R uBP carboxylase con ten t and
act ivity, so lub le p ro tein con ten t and ch lo rophyll con ten t in flag leaves of hyb rid rice Shanyou
63 w ere invest iga ted. T he resu lts show ed tha t leaf area, R uBP carboxylase act ivity and
pho to syn thet ic ra te ra ised as increasing n it rogen levels, bu t stom ata l den sity decreased.
W ith the leaves ageing , the decline of R uBP carboxylase p ro tein w as m o re early than tha t of
so lub le p ro tein in a ll f lag leaves. T he degression of pho to syn thet ic ra te in HN w as less than
tha t in M N and LN. T he su sta ined du ra t ion of the rela t ive h igh act ivity of R uBP carboxylase
in HN w as longer than tha t in M N and LN. N itrogen fert ilizer m igh t p lay an im po rtan t ro le
in regu la t ing pho to syn thet ic ra te and pho to syn thet ic funct iona l du ra t ion of flag leaves in
hyb rid rice.
Key words 　 　 N 2fert ilizer, H yb rid rice, F lag leaves, Pho to syn thet ic ra te, R uBP
carboxylase
水稻产量的物质基础由出穗前储存在茎、叶中碳水化合物的输出和出穗后叶片光合产物
供给两部分组成。据报道杂交稻汕优系列经济产量的 65% 为出穗后光合产物所贡献[ 1 ]。通过Ξ 基金项目: 江苏省自然科学基金资助项目 (BK93098304) ; 江苏省教委自然科学基金资助项目 (98KJB18004)
作者简介: 王仁雷 (19632) , 男, 江苏丹阳市, 副教授, 硕士 (在读博士) , 一直从事作物光合作用的研究
收稿日期: 2000210216, 接受日期: 2001204205
Received on: 2000210216, A ccep ted on: 2001204205

氮素调节, 维持水稻等作物的高光合能力和光合酶活性, 是作物生理研究中普遍关注的问
题[ 2～ 6 ], 对出穗前后叶片含氮量较一般水稻低, 而根系又易早衰的杂交稻来说, 显得尤为重
要[ 7 ]。
水稻剑叶生命周期长, 受光势态好, 对物质生产贡献最大。深入解析不同氮水平对剑叶一
生中可溶性蛋白、R uBP 羧化酶蛋白和叶绿蛋白的影响, 及其与光合速率、光合功能期的关
系, 在理论上和实践上具有一定的意义。
1　材料与方法
1. 1　材料
供试水稻 (O ry z a sa tiva L. ) 为籼型三系杂交稻汕优 63。盆栽土培, 将肥沃的水稻土晒
干、破碎、混匀后装盆。每盆盛土 15 kg, 以复合肥为基肥, 净氮量为 1. 5g。5 月下旬幼苗 3
叶 1 心期移植, 每盆植 3 穴, 每穴 2 株。按杂交稻常规方法管理。8 月初剑叶抽出前 10d 左右
追施尿素, 低氮组 (LN , 对照)不施, 中氮组 (M N )每盆施净氮量 1 g, 高氮组 (HN )施净氮量 2
g。每组 10 盆, 相间排列。
测定选取主茎或早期分蘖上的剑叶。剑叶抽出期, 逐日进行标记和记载。从叶龄 5d 起,
每周测定 1 次, 直至叶片衰老。每处理组取叶龄相同的叶片 3～ 4 张, 均设 3 个重复。测定光
合速率后, 去叶片两端, 测定中部叶面积并称重, 然后剪成 1 cm 长的小块, 混合, 分别称取
样品测定可溶性蛋白、R uBP 羧化酶和叶绿素。
1. 2　方法
1. 2. 1　光合速率测定　　应用A gata 等[ 8 ]设计的装置, 用红外线 CO 2 分析仪 (岛津U RA 2
102) 测定叶片净光合速率, 在上午 8～ 10 时进行。测定条件: PFD 为 1800 Λm o l m - 2 s- 1,
VD P 为 1500±30 Pa, CO 2 浓度为 350±10 Λl L - 1, 叶温为 30±0. 5 ℃。
1. 2. 2　R uBP 羧化酶粗酶液的制备与活性测定　　粗酶液按前文[ 9 ]制备。酶羧化总活性参照
Percho row iz 等[ 10 ]和李立人等[ 11 ]14C 同位素方法测定。反应液组成为 100 mm o l L - 1的 T ris2
HC l 缓冲液 (pH 8. 3) , 内含 25 mm o l L - 1 M gC l2, 5 mm o l L - 1 KC l, 1 mm o l L - 1D T T , 10
mm o l L - 1 N aH 14CO 3 (7. 4×109 Bq)和 0. 5 mm o l L - 1R uBP。测定温度为 30 ℃。
1. 2. 3　可溶性蛋白和R uBP 羧化酶含量测定　　可溶性蛋白含量按 H artree [ 12 ]改进L ow ry
方法测定, 以标准牛血清蛋白作对照。R uBP 羧化酶含量按M ak ino 等[ 5 ]的火箭免疫电泳法测
定, 标准曲线用纯化酶制作。
1. 2. 4　叶绿素含量测定　　参照A rnon [ 13 ]的方法。
2　实验结果
2. 1　N 对剑叶外部形态的影响
剑叶叶龄 15d 时, 外部形态已定型。测定结果表明 (表 1) , M N 组的叶面积和比叶重均高
于对照组 (LN ) , 差异显著 (P< 0. 05) ; HN 组的叶面积较LN 组高 20. 4% , 而比叶重略低, 但
叶片不披搭。气孔密度随叶片中氮含量提高而下降, 但气孔长轴加长, 就密度×气孔长轴数
值 而言, 三组无明显差异, 即 HN 组单位叶面积气孔密度的下降, 由气孔长轴加长得到补
偿, 对气体扩散通道的影响不大。
1396 期　　　　王仁雷等: 氮肥水平对杂交稻汕优 63 剑叶光合速率和R uBP 羧化酶活性的影响　　　　　　　

表 1　　N 肥水平对剑叶 N 含量和叶结构的影响 (x±SD , n= 6 )
Table 1　　Effect of N-fertil izer levels on n itrogen con ten t and leaf structure in f lag leaves
处理
T reatm ent
叶片总N 含量
To tal N conten t
of leaf (% )
叶面积
L eaf area
(dm 2)
比叶重
L eaf specific
w eigh t (g. dm - 2)
气孔密度
Stom atal density
(num ber. mm - 2)
气孔长轴
Stom atal
length (Λm )
LN 3. 09±0. 06 0. 66±0. 02 0. 38±0. 01 1031±45 20. 56±1. 64
M N 3. 56±0. 04 0. 70±0. 02 0. 40±0. 05 968±50 22. 18±3. 72
HN 4. 01±0. 17 0. 79±0. 01 0. 35±0. 02 889±21 24. 27±2. 36
2. 2　N 对剑叶光合速率的影响
氮水平对剑叶光合速率的影响是显著的 (图 1)。LN 组光合速率的峰值在叶龄 12d 时出
现, 此后直线下降。M N 组和HN 组叶龄 12～ 19d 间维持近似的高水平, 平均值较同期的LN
组高 26. 1%。其后M N 组光合速率以较大的陡度下降, 与HN 组拉开距离。叶龄 26d 后, 不
同氮处理组的光合速率保持一定的差距, 基本以平行的陡度下降, 33d 时LN 组和M N 组降
至各自峰值的一半, 而HN 组则推迟到 40d, 可见提高供氮水平使光合功能期相应延长。就
光合速率的绝对值而言, 33d 时M N 组和HN 组分别较LN 组高 42. 6% 和 88. 9% , 47d 时则
扩大到高 80. 6% 和 3 倍。
图 1　　N 肥水平对剑叶光合速率的影响
F ig. 1　　Effect of N 2fert ilizer levels on
pho to synthetic rate in flag leaves
图 2　　N 肥水平对剑叶RuBP 羧化酶含量的影响
F ig. 2　　Effect of N 2fert ilizer levels on
RuBP carboxylase conten t in flag leaves
2. 3　N 对剑叶 RuBP 羧化酶蛋白、可溶性蛋白和叶绿素含量的影响
R uBP 羧化酶蛋白、可溶性蛋白和叶绿素含量随氮水平提高而递增 (图 2～ 4) 。反映酶蛋
白降解先于其它可溶性蛋白的下降的现象, 并不因氮水平提高而改变, 但比例有所不同。LN
组酶蛋白和可溶性蛋白含量, 叶龄 19 d 内较高, 此后迅速下降, 前者下降速度比后者大, 33 d
时与峰值相比, 酶蛋白已降解了 57. 9% , 可溶性蛋白总量则下降 46. 3%。HN 组剑叶一生
中, 酶蛋白和可溶性蛋白含量显著高于LN 组, 叶龄 19～ 26d 间出现峰值, 此后下降陡度虽于
其它两组平行, 因基数高、回降期迟, 与峰值相比, 叶龄 33d 时下降幅度仅分别为 18. 7% 和
16. 8%。M N 组剑叶一生中, 酶蛋白和可溶性蛋白含量高于LN 组, 但变化曲线与其类似, 叶
龄 33d 时与峰值相比, 分别下降 49. 4% 和 36. 5%。
　　在剑叶出生初期, 不同氮水平组的叶绿素含量差别不大 (图 4) , 随着叶龄增长, 差距拉
开, HN 组> M N 组> LN 组的趋势延续到衰老后期。叶绿素含量为缓降, 陡度比酶蛋白和可
溶性蛋白小, 转折点不明显。
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图 3　　N 肥水平对剑叶可溶性蛋白含量的影响
F ig. 3　　Effect of N 2fert ilizer levels on so lub le
p ro tein conten t in flag leaves
图 4　　N 肥水平对剑叶叶绿素含量的影响
F ig. 4　　Effect of N 2fert ilizer levels on
ch lo rophyll con ten t in flag leaves
图 5　　N 肥水平对剑叶RuBP 羧化酶活性的影响
F ig. 5　　Effect of N 2fert ilizer levels on RuBP
carboxylase activity in flag leaves
2. 4　N 对 RuBP 羧化酶活性的影响
不同N 水平组 R uBP 羧化酶活性变化曲
线与酶含量相对应 (图 5) , 既影响剑叶一生中
酶活性的水平, 也影响较高酶活性的持续期。
出叶初期, 各组的酶活性差别不大, 此后差距
拉开, 叶龄 26d 时, M N 组和 HN 组分别较
LN 组高 45. 2% 和 91. 8%。酶活性达 30 Λm o l
CO 2 m - 2 s- 1以上的持续期, LN 组为 19d, M N
组和HN 组则分别为 33d 和 40d, 显示较高N
水平有利于维持较高的羧化酶活性, 因而必然
直接影响剑叶的光合速率及光合功能期。
2. 5　部分光合特征值间的相关性分析
表 2 显示, LN、M N 和HN 组的R uBP 羧化酶活性、R uBP 羧化酶含量和光合速率之间
均存在相关性, 其相关系数都达到极显著水平。
表 2　　部分光合特征值间的相关系数
Table 2　　Correlation coeff ic ien ts between
pa irs of photosyn thetic character istics
特征　Characterist ics 处理　T reatm ent
LN , M N , HN
光合速率—RuBP 羧化酶活性
Pho to synthetic rate vs. RuBPCase activity
0. 9833 3 0. 9623 3 0. 8923 3
光合速率—RuBP 羧化酶含量
Pho to synthetic rate vs. RuBPCase conten t
0. 9673 3 0. 9803 3 0. 8993 3
RuBP 羧化酶活性—RuBP 羧化酶含量
RuBPCase activity vs. RuBPCase conten t
0. 9803 3 0. 9603 3 0. 8783 3 3　讨论水稻叶片一生中, 光合速率关键酶R uBP 羧化酶的变化有其内在的规律[ 9, 14 ] , 但供氮水平有明显的调节作用。出穗前适度供氮的M N 组和充分供氮而营养生长无异常的
HN 组, 其剑叶具有明显
较高的光合速率, 且光合功能期延长 (图 1) , 显然是氮提高了 CO 2 同化系统中的R uBP 羧化
酶含量和活性以及光能吸收机构中叶绿素含量的结果 (图 2, 4, 5)。氮在其它水稻品种或不
同叶位的光合特性研究中也有类似的结果[ 2 ]。光合功 能旺盛期HN 组的光合速率与M N 组
3396 期　　　　王仁雷等: 氮肥水平对杂交稻汕优 63 剑叶光合速率和R uBP 羧化酶活性的影响　　　　　　　

无差异 (图 1) , 显示出酶蛋白含量或活性达到一定的程度后, CO 2 成为光合作用的限制因
子[ 15 ]。改善CO 2 供应理应可提高光合速率, 但在非设施条件下, 提高 CO 2 浓度是不现实的。
光合速率进入下降后, 不同氮水平组虽以近似的陡度下降, 但绝对值相差很大。在剑叶生长
后期, HN 组对提高籽粒充实度仍有积极作用。看来通过供氮延长出穗后叶片尤其是剑叶光
合功能期的生理意义, 可能比提高光合速率更为重要。
剑叶一生中, 充分活化R uBP 羧化酶活性与酶含量呈对应关系并与光合速率显著相关 (表
2)。但实验表明, 与各光合参数的峰值相比, 不同氮处理组叶龄 26d 后光合速率下降的幅度,
明显大于可溶性蛋白、酶蛋白和叶绿素含量下降的幅度 (图 1～ 4) ; 这与水稻乳熟至黄熟期
间, 三种氮条件下植株叶片光合速率下降百分率均大于叶片全氮含量下降百分率的报道有类
似之处[ 2 ]。植物叶片蛋白质氮和非蛋白质氮含量直接受供氮水平调节, 但氮仅是其中调节因
子之一。在叶龄增长过程中, 叶绿体数减少, 片层结构发生变化[ 16 ] , 叶内CO 2 浓度下降[ 17 ] ,
R uBP 羧化酶等光合酶活性下降, 而反映衰老的指标酶酸性磷酸酯酶活性上升[ 9 ] , 势必影响
其光合速率。杂交稻生育后期适当追施氮肥, 可起延缓叶片衰老进程, 提高光合物质生产的
作用。
已知水稻在同一含氮条件下, 新品种开花后叶片的净光合速率高于老品种, 显示品种选
育过程中光合性状对氮反应的变化。实验结果与M ak ino 等[ 18 ]的结果比较, 初步认为籼型杂
交稻汕优 63 光合性状对氮水平的反应比粳型品种 Sasan ish ik i 敏感。这是杂交稻个体和群体
大, 对氮需求量增加的反映, 还是该杂交组合叶片在光合酶和光合速率的新特征, 尚待深入
阐明。
参　考　文　献
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4　Evans J R. P lan t P hy siol, 1983, 72: 297～ 302
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