全 文 ：Vol. 30 , No. 1
pp. 21～25 　Jan. , 2004
作 　物 　学 　报
ACTA AGRONOMICA SINICA
第 30 卷 第 1 期
2004 年 1 月 　21～25 页
超高产杂交稻剑叶的光抑制及其 77 K荧光光谱特性
阳成伟1 ,2 　彭长连1 , 3 　陈贻竹1 　林桂珠1 　欧志英1 Ξ
(1中国科学院华南植物研究所 ,广东广州 510650 ; 2中山大学生命科学学院 ,广东广州 510275)
摘 　要 　通过对培矮 64SΠE32 和汕优 63 进行高光胁迫结果表明 : 与籼型杂交稻汕优 63 比较 , 培矮 64SΠE32 的 FvΠFm 和
ΦPSⅡ、PSⅡ和 PSⅠ荧光强度下降的幅度以及 F685ΠF742 和 F694ΠF742 比率的变化较小。用 D1 蛋白合成抑制剂 CAP 处理
时 ,培矮 64SΠE32 的 FvΠFm 和 qP 下降程度稍高于汕优 63 ,而用叶黄素循环抑制剂 DTT处理 ,结果则反之。表明超高产水
稻品种培矮 64SΠE32 有较强的耐光抑制能力 ,其耐光抑制特性可能与 D1 蛋白的周转有关。
关键词 　超高产杂交稻 ;光抑制 ;77K荧光光谱 ;D1 蛋白周转
中图分类号 : S511
Photoinhibition and 77 K Fluorescence Spectra in the Flag Leaves of Super2high Hy2
brid Rice ( Oryza sativa L. )
YANG Cheng2Wei1 ,2 , PENG Chang2Lian1 , 3 , CHEN Yi2Zhu1 , LIN Gui2Zhu1 , OU Zhi2Ying1
(1 South China Institute of Botany , the Chinese Academy of Sciences , Guangzhou 510650 , Guangdong ; 2 School of Life Science , Zhongshan University , Guangzhou
510275 , Guangdong , China)
Abstract 　The sensitivity to photoinhibition and its mechanism were compared between super high2yield rice Peiai 64SΠE32
and indica hybrid Shanyou 63. After strong light treatment , the maximal photochemical efficiency of PSⅡ ( FvΠFm) , the
quantum efficiency of PSⅡ (ΦPSⅡ) decreased less in Peiai 64SΠE32 than in Shanyou 63. High light stress treatment lead
to the intensities of fluorescence emission from PSⅡ and PS Ⅰ, and the ratios of F685ΠF742 and F694ΠF742 decreased
much in Shanyou 63 , but had no effect on the position of chlorophyll fluorescence emission peak in the two hybrids rice
subspecies. The decreased extent of FvΠFm and qP in CAP2pretreated leaves of Peiai 64SΠE32 was more than in Shanyou
63 as the synthesis of D1 protein was inhibited , while it was on the contrary in DTT2pretreated leaves between two cultivars
when the xanthophylls cycle was inhibited. The results suggested that more resistance to photoinhibition in super high2yield
rice might be related to it’s stronger D1 protein turnover.
Key words 　Super high2yield rice ; Photoinhibition ; 77Kfluorescence spectra ; D1 protein turnover
　　光合作用的光抑制现象在一百多年前就引起了
人们的注意。光抑制是由光引起的 ,与任何发育变
化无关的一种可逆的光合作用的阻滞现象。在功能
上 ,光合作用光抑制导致吸收 CO2 (ΦCO2 ) 和释放 O2
(ΦO2 )的最大量子产量下降 ,表现在光响应曲线的
原点倾斜角变小 ,并随着过剩光能作用时间的延长 ,
光合作用的光饱和点也随之下降。光抑制影响光合
作用和干物质的积累 ,能导致碳同化产物减少 10 %
左右[1 ] 。由于生产上的重要性 ,我国水稻的光抑制
研究已有大量的报道[2～5 ] 。研究光抑制除了用荧光
诱导动力学之外 ,也有许多学者应用低温荧光光谱
的方法 ,大量的研究表明 , 77K 低温下的 PS Ⅱ和
PS Ⅰ的荧光发射关系能被用来研究激发能在两个光
系统之间的分配[6 ] 。本文采用人为光抑制处理来详
细了解超高产杂交稻的光抑制特性和低温荧光光谱
特性。　
1 　材料与方法
1. 1 　实验材料
　　超高产杂交稻培矮 64SΠE32 和对照汕优 63 种
子由湖南杂交水稻研究中心提供。于 2001 年 4 月Ξ基金项目 :国家重点基础研究发展规划资助项目 ( G1998010100) 。
作者简介 :阳成伟 (1972 - ) ,湖南省人 ,博士后。3 通讯作者 :彭长连 ,E2mail : pengchl @scib. ac. cn。
Received(收稿日期) :2002208229 ,Accecped(接受日期) :2003201211.

种植于华南植物研究所的实验田中 ,常规管理。在
抽穗期选取生长势相近的植株 ,随着剑叶的生育过
程于早晨 6 时取剑叶作各项指标测定。
1. 2 　叶片光抑制处理
水稻叶片置于石英卤灯下 (1 000 W) 照射 ,中间
隔置 8 cm 厚的水槽 ,通过流动水吸收光辐射热量 ,
使温度控制在室温 (25 ℃)条件下。叶片切段置于含
水的滤纸上。到达叶面的最大光强可达到 2000
μmol·m - 2·s - 1 。
1. 3 　叶片叶绿素荧光测定
使用调制荧光仪 PAM 101Π102Π103 (Walz , Effel2
trich ,Germany)测叶片的叶绿素荧光 ,测定之前将叶
片暗适应 15 min ,用 1. 6 kHz 的弱测量光 (0. 04μmol·
m
- 2·s - 1 ) 测 Fo ,随后给一个强闪光 (Schott lamp KL
1500 FL103 ) (大于 5 000μmol·m - 2·s - 1 ,脉冲时间 2
s) ,测定荧光的最大值 Fm 。当 Fm 位置上升 Fo 时 ,
给出一个连续的光化光 (400μmol·m - 2·s - 1 ) ,诱导荧
光再上升到 Fp ,当荧光从 Fp 下降并达稳态水平 Fs
时 ,加一个强闪光 ,获得一个稳定的 F ′m 。最后关掉
光化光使荧光下降到 F ′o 。根据 Schreiber 等 (1986)
和 Adams 等 (1999) 计算叶绿素荧光参数[7 ,8 ] , FvΠFm
= ( Fm - Fo )ΠFm ; qP = ( F ′m - Fs )Π( F ′m - F ′o ) ; NPQ
= FmΠF′m - 1 ; ΦPSⅡ = ( F ′m - F ′s )ΠF ′m 。
抑制剂的处理参照 Yang 等 (2002) 的方法[9 ] 。
离体叶片于水中将基部剪去 ,并插入 10 mmolΠL DTT
和 5 mmolΠL CAP 水 溶 液 中 , 在 30 ～ 40 μmol
photons·m - 2·s - 1的光照下 2 h。对照叶片插入蒸馏
水中。
1. 4 　叶绿素低温荧光发射光谱的测定
同时对上述用强光处理的剑叶在 F24 500 型荧
光分光光度计下测定荧光发射光谱 ,激发光波长为
436 nm。
2 　结果
2. 1 　FvΠFm 和 ΦPSⅡ对强光的响应
FvΠFm 的变化是光抑制程度的一个重要指标 ,
从图 1A 可见 ,经过 2 h 的高光处理培矮 64SΠE32 和
汕优 63 的 FvΠFm 值分别从 0. 798、0. 795 下降至
01551、0. 449 ,而 PS Ⅱ光化学量子产量 (ΦPSⅡ)则分别
从 0. 39 和 0. 37 下降至 0. 28 和 0. 21。经过 2 h 高光
处理后再于弱光常温下 (20μmol photons·m - 2 ·s - 1 )
放置 4 h ,培矮 64SΠE32 和汕优 63 均不能恢复到处
理前的水平 ,但培矮 64SΠE32 的恢复能力要比汕优
63 强 ,ΦPSⅡ也有同样的情况 (图 1A、B) 。这一结果
表明 ,培矮 64SΠE32 耐光胁迫的能力比汕优 63 强。
2. 2 　qP 和 NPQ对强光的响应
qP 可估测在某一光强下开放 PS Ⅱ反应中心的
比率和反映 PS Ⅱ吸收的光能用于光化学电子传递
的比率[10 ] 。从图 2 可见汕优 63 的剑叶经过 2 h 高
光处理后 , qP 降低了 14 % ,而培矮 64SΠE32 仅降低
4 %。当在弱光室温下恢复 4 h ,均接近处理前的水
平。培矮 64SΠE32 剑叶经人为的高光处理后非光化
学猝灭 NPQ 上升的幅度比汕优 63 低 ,表明培矮
64SΠE32 在强光下吸收的光能用于非辐射能量耗散
的比例较汕优 63 低。
图 1 培矮 64SΠE32 和汕优 63 剑叶 PS Ⅱ最大光化学效率( FvΠFm) ( A) 和 ΦPSⅡ( B)对强光的响应
Fig. 1 Response of maximal efficiency of PS Ⅱphotochemistry( FvΠFm) ( A) andΦPSⅡ( B) to strong
light stress in flag leaves of Shanyou 63 and Peiai 64SΠE32
The flag leaves were treated by strong light for 2 h then recovered for 4 h under low light (20μmol·m - 2·s - 1) and room temperature.
HL2high light treatment , R2recovery under low light intensity. The same label was in Fig. 2
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图 2 培矮 64SΠE32 和汕优 63 剑叶 PS Ⅱ光化学猝灭( qP) ( A)和非辐射能量耗散( NPQ) ; ( B)对强光的响应
Fig. 2 Response of photochemical quenching coefficient( q P) ( A) and non2radiative energy dissipation ( NPQ) ;( B) in flag
leaves of Shanyou 63 and Pei’ai 64SΠE32 to strong light stress for 2 h and recovery in low light ( 20μmol·m - 2·s - 1) for 4 h.
图 3 强光对培矮 64SΠE32 和汕优 63 剑叶 77 K低温荧光发射光谱的影响
Fig. 3 Effect of strong light on 77 Kfluorescence emission spectra in flag leaves of Shanyou 63 and Pei’ai 64SΠE32
2. 3 　高光对剑叶 77 K低温荧光发射光谱的影响
图 3 显示培矮 64SΠE32 和汕优 63 剑叶的 77K
低温荧光发射光谱。在 685 nm 和 694 nm 的荧光发
射强度代表 PS Ⅱ的活性 ( F685 和 F694) , F742 代表
PS Ⅰ的活性。高光胁迫处理不影响两个品种的叶绿
素低温荧光发射峰位 ,但均降低了它们的荧光强度。
汕优 63 的 PS Ⅱ和 PS Ⅰ荧光强度下降的幅度比培矮
64SΠE32 更大 ,高光处理使两个光系统吸能和传能
的能力下降。从表 1 同样可看出 , F685ΠF742 和
F694ΠF742 比率经高光后均下降 ,表明 PS Ⅱ比 PS Ⅰ
对高光更敏感 ,高光导致激发能在两个光系统之间
重新分配 ,使激发能更多地分配于 PS Ⅰ上。与汕优
63 相比 ,培矮 64SΠE32 的 F685ΠF742 和 F694ΠF742 比 率变化较小 ,表明培矮 64SΠE32 比汕优 63 耐强光胁迫。表 1 高光处理 4 h 对水稻剑叶荧光发射比率的影响Table 1 Effect of strong light treatment for 4 h on theratios of fluorescence emission in rice flag leavesTime of HLtreatment (h) F685ΠF742 F694ΠF742Shanyou 63 Pei’ai 64SΠE32 Shanyou 63 Pei’ai 64SΠE320 0. 219 0. 193 0. 241 0. 2184 0. 161 0. 174 0. 177 0. 1912. 4 　DTT和 CAP对光抑制特性的影响为了进一步研究水稻耐高光胁迫的机制 ,分别用 DTT和 CAP 处理来检查这两个品种在强光 (2 000μmol·m - 2·s - 1 )下依赖叶黄素循环的保护机制和 D1
32　1 期 阳成伟等 :超高产杂交稻剑叶的光抑制及其 77K荧光光谱特性 　　　

蛋白周转的修复机制对耗散多余激发能的贡献 ,分
别用抑制剂 DTT 和 CAP 处理的叶片探讨它们对高
光 (2 000μmol·m - 2 ·s - 1 ) 胁迫的响应。DTT 是叶黄
素循环中紫黄质脱环氧化酶的一种抑制剂 ,可以抑
制玉米黄质的形成[11 ] ,CAP 是一种叶绿体蛋白的合
成抑制剂[12 ] 。经 DTT处理后汕优 63 的 FvΠFm 下降
了 28 % ,而培矮 64SΠE32 只下降 18 %。CAP 处理后
再进行高光处理 ,汕优 63 和培矮 64SΠE32 的 FvΠFm
均下降了 40 %左右 ,前者下降的幅度稍低于后者
(图 4A) 。
从图 4B 和图 4C 可见 ,培矮 64SΠE32 和汕优 63
经 DTT处理后再高光照射 2 h 后 , qP 分别下降了
14 %和 24 % ,而经 CAP 和高光处理后分别下降了
35 %和 33 %。而 NPQ 的变化大致与 qP 变化相反。
这表明在光抑制过程中 ,培矮 64SΠE32 受依赖 D1 蛋
白周转的热耗散的影响比汕优 63 大 ,而汕优 63 受
依赖叶黄素循环的热耗散影响较培矮 64SΠE32 大。
3 　讨论
生长在华南地区田间条件下的水稻 ,晴天中午
自然光强可达 1 500～1 900μmol·m - 2 ·s - 1 ,且其持
续时间可达 5 h 以上 ,远高于水稻叶片的饱和光强
(约 800μmol·m - 2 ·s - 1 ) ,易发生光抑制[13 ] 。而光抑
制可减少光合作用和干物质的积累 ,导致碳同化产
物减少[1 ] 。因此 ,田间光抑制是水稻 ,尤其是在水稻
生长后期限制籽粒充实的一个重要的因子。本文的
目的是在人为的强光下处理 ,观察超高产品种培矮
64SΠE32 光抑制的表现 ,以进一步阐明培矮 64SΠE32
的高产性状的光合生理基础。
FvΠFm 和 ΦPSⅡ的下降是衡量光抑制程度的一
个指标[14 ] 。高光胁迫下培矮 64SΠE32 的 PS Ⅱ光化
学效率和 PS Ⅱ的光能利用效率较高 (图 1) ;在相同
的光强胁迫下 ,培矮 64SΠE32 的光化学猝灭系数
( qP)高 ,而汕优 63 的非光化学猝灭 (NPQ) 高 (图 2) 。
显示强光下汕优 63PS Ⅱ天线系统吸收的光能用于
热耗散的比率比培矮 64SΠE32 高 ,而培矮 64SΠE32 在
高光下由于 QA 的还原程度低 ,有更多开放 PS Ⅱ反
应中心 ,因而其 PS Ⅱ天线系统吸收的激发能用于光
合电子传递的比率要高。另一方面比较高光胁迫处
理后两个品种的 77K低温荧光发射光谱的变化可
以看出 ,培矮 64SΠE32 的 F685ΠF742 和 F694ΠF742 比
率变化较小 (图 3) ,显示高光下培矮 64SΠE32 具有较
强的保持激发能在两个光系统之间分配平衡的能
力 ,这些结果均表明培矮 64SΠE32 耐强光胁迫的能
力较强。
许多实验证据已表明光抑制的原初部位发生于
PS Ⅱ[15 ] 。PS Ⅱ反应中心的 D1 蛋白受破坏后 ,会被
新合成的蛋白替代 ,重新装配到失活的 PS Ⅱ上 ,使
PSⅡ活性恢复。当在强光下 ,D1 蛋白的修复速度不
及破坏速度时 ,会导致光合能力下降 ,产生光抑
制[16 ] 。我们用 D1 蛋白合成抑制剂 CAP 处理使 D1
蛋白的合成受抑制 ;用叶黄素循环抑制剂 DTT 处
理 ,抑制 Z 和 A 的形成 ;均表现 PS Ⅱ光化学效率降
低 ,非光化学猝灭提高 ,说明依赖叶黄素循环的热耗
散和依赖 D1 周转的光破坏防御机制在避免强光胁
迫方面均起重要的保护作用。但用 CAP 处理时 ,培
矮 64SΠE32 的 PS Ⅱ光化学效率和光化学猝灭 ( qP)下
降程度稍高于汕优 63 ,而用叶黄素循环抑制剂 DTT
处理时 ,由于缺乏叶黄素循环的保护作用 ,汕优的
FvΠFm 和 qP 下降程度则大于培矮 64SΠE32 (图 4) ,
可见汕优 63 受依赖叶黄素循环的热耗散影响较大 ,
而培矮 64SΠE32 受 D1 蛋白周转的热耗散的影响比
汕优 63 大。Andersson 等 (1995) 通过比较光合机构
耐强光胁迫的多种策略后 ,指出对光抑制的耐性以
质基因编码的 D1 蛋白快速合成最为重要[17 ] 。我们
研究还表明培矮 64SΠE32 的剑叶在后期表现出低的
依赖叶黄素循环的热耗散能力 (低的 DES 水平) (未
发表资料)和具有对强光忍耐的潜在能力 ,也支持了
剑叶后期 D1 蛋白周转的修复机制的重要作用。由
此 ,作者推测超高产品种培矮 64SΠE32 的剑叶在其
生长进程中当出现严重光抑制时或叶片进入衰老期
时 ,它对日益增加的多余激发能可能对反应中心造
成伤害实施的保护策略是 ,在提高多条保护途径的
保护能力的同时 ,特别加强 D1 蛋白周转的修复能
力 ,包括有快速的合成受损 D1 蛋白的能力。季本
华和焦德茂 (2000) 的研究表明光下质基因编码的
D1 蛋白合成能力可能是水稻亚种间耐光抑制特性
差异的生理基础[18 ] 。考虑到培矮 64SΠE32 是一种籼
粳杂交稻 ,而汕优 63 是籼型杂交稻 ,据此推测 ,培矮
64SΠE32 抗光抑制能力强可能与其含有粳型成分 ,
从而表现有较强的 D1 蛋白的快速合成能力有关。
在水稻超高产高光效育种中 ,是否把 D1 蛋白
的修复循环作为品种选育的指标之一仍要做更深入
研究。
42 　　　作 　　物 　　学 　　报 30 卷 　

图 4 DTT和 CAP处理对高光胁迫下培矮 64SΠE32 和汕优 63 剑叶 PS Ⅱ最大光化学效率( FvΠFm)
( A) 、PS Ⅱ光化学猝灭( q P) ( B) 和非辐射能量耗散( NPQ) ( C)的影响
Fig. 4 Effect of DTT or CAP treatment on maximal efficiency of PS Ⅱphotochemistry ( FvΠFm) ( A) ,photochemical quenching coefficient
( qP) ( B) and non2radiative energy dissipation ( NPQ) ( C) in flag leaves of Shanyou 63 and Peiai 64SΠE32 under strong light stress.
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