遮蔭對2個水稻品種葉片生理生態學特征的影響

戈長水，應 武，陳惠哲，李金文，俞祥群

(1.浙江省杭州市農業科學研究院，浙江 杭州 310024;2.中國水稻研究所 水稻生物學國家重點實驗室，浙江 杭州 310006;3.上海交通大學，上海 200030)

遮蔭對2個水稻品種葉片生理生態學特征的影響

戈長水1，應 武1，陳惠哲2，李金文3，俞祥群1

(1.浙江省杭州市農業科學研究院，浙江 杭州 310024;2.中國水稻研究所 水稻生物學國家重點實驗室，浙江 杭州 310006;3.上海交通大學，上海 200030)

研究遮蔭對甬優9號和秀水63 2個水稻品種葉片形態與光合特征的影響表明，遮蔭顯著降低了2個水稻品種的葉綠素含量以及葉綠素a與b的比值，同時降低了葉片的厚度，并且顯著的降低了最大凈光合速率、量子效率、光補償點和光飽和點，同時也顯著降低了葉片的呼吸速率。在遮光情況下，2個品種水稻F0(初始熒光)均較高，但Fm(最大熒光)較低，遮蔭使得葉片潛在的最大電子傳遞速率顯著下降，葉綠體電子傳遞能力減弱，這可能是遮蔭導致葉片光能力下降的一個重要原因。

光合速率;葉綠素熒光動力學;水稻

光照是影響作物生長和產量的重要因素。Kobata等［1］發現水稻在部分遮蔭的情況下生長狀態較好，然而在極度遮蔭的情況下產量會有所下降。作物產量受葉片光合能力的影響。在弱的光照下，植物葉片單位面積葉綠素含量會降低，但單位質量葉綠素含量倒會有所提高，同時葉綠素的熒光特性會發生改變，CO2的同化能力也會下降，葉片從形態上也會變薄且拉長，而且植物地上部分干重與地下部分干重的比值會有所提高，這可能是植物為了截獲更多的光能而做出的反應［2］。

本研究通過對水稻遮蔭后葉片葉綠素熒光參數、光合速率等生理指標的分析，研究不同光照強度對水稻光合能力影響的內在機理，為水稻生產的管理提供科學的依據。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗于2009年在杭州市農業科學研究院溫室大棚內進行。參試水稻品種為甬優9號和秀水63。在人工氣候室內育秧，2月10日將帶有5張葉片的秧苗移栽入裝有均勻土壤的塑料桶中，每桶3叢，每叢2本，每個品種共10桶。2月20日用遮陽網將1/2的水稻進行遮蔭處理，遮蔭率為65%;另1/2為自然光照。

1.2 測定項目及方法

葉片厚度、比葉重、葉綠素含量的測定。每個品種的每個處理取頂部完全展開的10張葉片，利用位移傳感器 (YI-20010A，中國計量學院研發)測量葉片厚度。利用葉面積儀 (ADC，UK)測定葉面積，計算比葉重。利用95%的酒精抽提葉綠素，在665 nm和649 nm波長下測定吸光度，并計算葉綠素含量。

氣體交換參數的測定。從2月23日起連續測量頂部完全展開葉的SPAD讀數，每個處理共測量15張葉片。3月23日利用用Li-6400便攜式光合測定系統 (Li-Cor，Lincoln，NE，USA)測定葉片的凈光合速率 (net photosynthetic rate，Pn)，使用開放氣路，測定前，葉片在光合作用飽和光強下至少誘導30 min。測定時使用大氣CO2濃度，用6400-02B LED紅藍光源控制光強，依次設定光合光量子通量密度 (PPFD) 為 1 200，1 000，800，600，400，200，100，50，25，0 μmol·m－2·s－1，每一光強下至少停留200 s。光響應曲線利用下面公式擬合:

式中:θ為曲線的曲率;I為光強;?為植物光合作用對光響應曲線在I=0時的斜率，即光響應曲線的初始斜率，也稱為初始量子效率;Pmax為最大凈光合速率，Rd為暗呼吸［3］。

葉綠素熒光參數的測定。利用配置大探頭的調制熒光成像系統MAX-IMAGING-PAM(WALZ，德國)測量全葉片葉綠素熒光動力學。該系統提供調制測量光、光化光和飽和脈沖。測量光頻率為1 Hz，強度為 0.5 μmol·m－2·s－1。光化光強為 185 μmol·m－2·s－1，持續時間 10 min。飽和脈沖強度為 2 800 μmol·m－2·s－1，持續時間為 0.8 s。信號用640×480像素的數碼相機CCD記錄。測量的主要參數，F0為初始熒光，Fm為最大熒光產量。F0’為作用光關閉時的原初熒光產量。Fm’為作用光打開時的最大熒光產量。Fo’/Fm’為有效光化學量子產量，它反映開放的PSⅡ反應中心原初光能捕獲效率。Yield(II)為實際光化學量子產量，它反映PSII反應中心在部分關閉情況下的實際原初光能捕獲效率，葉片不經過暗適應在光下直接測定，以 (Fm’ －F) /Fm’表示。qP為光化學淬滅系數，以 (Fm’ －F) /(Fm’ －Fo’)表示。NPQ為非光化學淬滅，以 NPQ=Fm/Fm’－1或qN=1－ (Fm’ －Fo’) /(Fm－Fo) =1－Fv’/Fv表示。ETR為相對電子傳遞速率(electron transport rate)，ETR =ΦPSII·PPFD ×0.5×0.84，其中0.5是假設吸收的光被2個光系統均分得到的參數，0.84是吸光系數。

ETR隨PPFD的變化圖即為光響應曲線。即使光化光的持續時間短至10 s，也可得出典型的光響應曲線，并被稱為快速光曲線 (rapid light curve，RLC)。為了測定不同光照梯度下生長的葉片的RLC，設置光照梯度為 0，20，55，110，185，280，395，460，541，602，700，800 和 925 μmol·m－2·s－1，時間間隔為 10 s。為對 RLC 進行量化描述，根據Plaat等的方程進行曲線擬合:

式中:P是相對電子傳遞速率;Pm是潛在的最大光合速率;a為初始斜率，反映了光能的利用效率;β為光抑制參數，是高光強下下降部分的斜率［4］。

1.3 數據分析

葉片生理生態學數據利用SPSS16.0進行單因素的方差分析，用Duncan’s-test統計分析法進行顯著性測驗。曲線擬合采用SPSS里的Nonlinear模塊進行。

2 結果與分析

2.1 葉片SPAD讀數、葉綠素含量和形態特征

遮蔭對2個水稻品種葉片產生了顯著影響。水稻是喜陽植物，它對光照條件要求較高。遮蔭顯著降低了2個水稻品種葉片 SPAD的讀數 (圖1)。在遮蔭的情況下，葉色變淺，葉片的厚度變薄，比葉重下降。

圖1 遮蔭、不遮蔭甬優9號 (A)和秀水63(B)葉片SPAD值的動態變化

同時葉綠素含量顯著下降，葉綠素a/b下降，有利于吸收低光環境下漫射光中的藍紫光，這些變化是葉片為了適應不同的光照環境 (表1)。遮蔭還降低了2個水稻品種的分蘗數，同時降低了水稻的高度。可見遮蔭處理顯著降低了水稻的生產能力。甬優9號在遮蔭情況下SPAD值下降較小，隨著時間的推移，遮蔭處理的秀水63與未遮蔭的相比葉片SPAD讀數的差異越來越大，然而甬優9號葉片SPAD卻越來越小，同秀水63相比，甬優9號較為耐陰。

表1 不遮蔭、遮蔭甬優9號和秀水63的比葉重、葉片厚度、葉綠素含量及葉綠素a/b

2.2 葉片光合特征

遮蔭使得2個水稻品種的最大凈光合均顯著下降 (表2)。遮蔭情況下甬優9號的氣孔導度沒有顯著變化，表明甬優9號氣孔導度對遮蔭有一定的補償作用。但是秀水63的氣孔導度卻顯著下降。同樣，遮蔭對甬優9號胞間CO2和蒸騰速率沒有顯著影響，但卻顯著降低了秀水63胞間CO2濃度和蒸騰速度。這可能是遮蔭促使秀水63的氣孔導度顯著下降，由于氣孔導度與胞間CO2濃度和蒸騰速率密切相關，蒸騰速率的下降，會導致胞間CO2濃度和蒸騰速度的下降，從而可能導致了最大凈光合的下降。

表2 不遮蔭、遮蔭甬優9號和秀水63的葉片光合交換特征

遮蔭和不遮蔭情況下2個水稻品種的葉片光響應曲線見圖2。Pn公式較好的擬合了光響應曲線(R2＞0.95，P＜0.001)。遮蔭顯著地降低了最大凈光合速率，量子效率，光補償點和光飽和點，表明遮蔭降低了水稻的光合能力 (圖2)。遮蔭也顯著降低了葉片的呼吸速率，這是水稻為了適應弱的光照，大幅度的降低了呼吸消耗，以盡可能的增加對有限光能的利用。實際上，遮光時Pn的降低是光照強度、葉綠素含量、氣孔因素和光系統光能分配自我調節等共同作用的結果。遮光后葉片光補償點和光飽和點降低，表明遮光處理葉片光合機構的暗反應效率下降，對光能的需求減少［5］。

圖2 不遮蔭、遮蔭甬優9號 (A)與秀水63(B)的光響應曲線

2.3 葉綠素熒光參數

遮蔭對葉片的葉綠素熒光產生了顯著的影響(圖3和表3)。

初始熒光強度 (Fo)是指水稻葉片光適應后，PSII反應中心都開放時的熒光強度，其值大小主要與激發光的強度及葉綠素含量有關。在遮光情況下，2個水稻品種的F0均較高 (圖3中 A)，這同牟會榮等的研究結果類似［6］。遮蔭降低了2個水稻品種的 Fm和 Fm/Fv(圖3中 B，C)。Fv/Fm值反映了經充分暗適應的水稻葉片PSⅡ的最大光化學效率，其變化是由非光化學淬滅效率變化引起的，常用于度量植物葉片PSⅡ原初光能轉換效率及PSⅡ潛在活性。Fv/Fm值下降表明遮蔭降低了水稻葉片最大光化學效率。說明光強過弱使PSII原初光能轉化效率下降，抑制了2個水稻品種光合作用的原初反應，進而影響光合作用整個過程。Fm是已經暗適應的光合機構全部PSⅡ反應中心處于完全關閉時的熒光產量。遮蔭降低了 Fm(圖3中C)。Fm可反映通過PSⅡ的電子傳遞情況，說明遮蔭對PSII的電子傳遞產生影響。

圖3 遮蔭、不遮蔭甬優9號和秀水63的F0(A)，Fv/Fm(B)和Fm(C)

表3 遮蔭、不遮蔭甬優9號和秀水63的光響應曲線擬合結果

2.4 快速光曲線

通過快速光曲線不僅能夠判斷當前狀態下植物的光合作用能力，而且能夠評估環境中較為廣泛的光強度對植物潛在的光合作用能力的影響。圖4是不同光強下水稻葉片的 ETR。遮蔭對快速光曲線的初始斜率并沒有顯著的影響，說明遮蔭并沒有對水稻捕光系統造成顯著影響。不同情況下光抑制系數均非常小 (表4)，可見在2種情況下均沒有明顯的光抑制發生。然而遮蔭的情況下，潛在的最大電子傳遞速率顯著下降，這說明遮蔭情況下電子傳遞能力減弱，這可能是導致葉片光合能力下降的一個重要原因。

圖4 遮蔭、不遮蔭甬優9號 (A)和秀水63(B)的快速光曲線

表4 遮蔭和不遮蔭甬優9號和秀水63的快速光曲線擬合結果

2.5 ΦPSII、qP、NPQ

ΦPSII不僅與碳同化有關，也與光呼吸及依賴O2的電子流有關，代表線性電子傳遞的量子效率［7］。遮蔭顯著降低了2個水稻品種葉片的ΦPSII(圖5中 A，D)，這可能也是促使 ETR降低的原因。qP是表示總PSII反應中心中開放的反應中心所占比例的指標。qP愈大，PSⅡ的電子傳遞活性愈大［8］。遮蔭使得2個水稻品種的 qP降低，而且隨著PPFD的增加，遮蔭和不遮蔭情況下qP的差異越來越大 (圖5中B，E)，證明遮蔭使得從PSⅡ氧化側向PSⅡ反應中心的電子流動受到抑制。NPQ(非光化學淬滅)反映的是PSII天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的光能部分。當PSII反應中心天線色素吸收了過量的光能時，如不能及時地耗散將對光合機構造成失活或破壞，所以非光化學淬滅是一種自我保護機制，對光合機構起一定的保護作用［9］。光照條件下生長的2個水稻品種葉片非光化學耗散水平都隨著光強的增加而升高，但當PPFD在200 μmol·m－2·s－1以上時，遮蔭葉片的 NPQ顯著低于自然光下生長的葉片，且差異逐漸增加。其生理學機理需要深入的研究。

圖5 遮蔭、不遮蔭甬優9號 (A，B，C)和秀水63(D，E，F)的ΦPSII，qP，NPQ對PPFD的響應

3 小結與討論

遮蔭顯著降低了2個水稻品種的葉綠素含量以及葉綠素a與b的比值，同時降低了葉片的厚度，并且顯著的降低了最大凈光合速率、量子效率、光補償點和光飽和點，同時也顯著降低了葉片的呼吸速率。這些可能是葉片為了適應不同的光照環境做出的調整。

遮蔭的情況下，葉片最大凈光合下降，葉片潛在的最大電子傳遞速率顯著下降，這說明遮蔭使葉綠體電子傳遞能力減弱，這可能是遮蔭導致葉片光能力下降的一個重要原因。

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S 511

A

0528-9017(2012)07-0927-05

文獻著錄格式:戈長水，應武，陳惠哲，等.遮蔭對2個水稻品種葉片生理生態學特征的影響［J］.浙江農業科學，2012(7):927－931，935.

2012-03-12

杭州市科技發展計劃項目 (20110634M23)

戈長水 (1956－)，男，浙江杭州人，農藝師，從事水稻育種與栽培工作。E-mail:hzyingwu@163.com。

(責任編輯:張才德)