高產粳稻品種南粳晶谷的光合生理特性研究

魏曉東 張亞東 宋雪梅, 陳濤 朱鎮 趙慶勇 趙凌 路凱 梁文化 赫磊 黃勝東 謝寅峰 王才林, *

高產粳稻品種南粳晶谷的光合生理特性研究

魏曉東1張亞東1宋雪梅1, 2陳濤1朱鎮1趙慶勇1趙凌1路凱1梁文化1赫磊1黃勝東1謝寅峰2王才林1, *

(1江蘇省農業科學院 糧食作物研究所/江蘇省優質水稻工程技術研究中心/國家水稻改良中心南京分中心, 南京 210014;2南京林業大學/南方現代林業協同創新中心, 南京 210037;*通信聯系人, email: clwang@jaas.ac.cn)

【目的】研究南粳晶谷高產的光合生理特性，總結高產品種的光合優勢，為高產水稻品種的選育提供理論依據。【方法】以南粳晶谷及其父母本為材料，研究南粳晶谷及其父母本從孕穗期到開花后42 d植株地上部干物質積累與分配、葉片光合生理特性和葉綠體超微結構。【結果】南粳晶谷的每穗粒數顯著多于父母本，單位面積總穎花量比父母本多14%～27%；劍葉面積顯著大于父母本，抽穗后地上部分干物質量始終高于父母本，灌漿后期向穗部轉運量高；劍葉凈光合速率在生育后期顯著高于父母本，且高光合速率持續時間長；劍葉電子傳遞和光合性能指數PSⅡ光能轉化性能都顯著優于父母本，核心天線蛋白CP43、CP47在強光高溫下的穩定性和調整能力優于父母本；葉綠體基粒片層垛疊程度高，葉綠體結構穩定，葉綠體衰敗速度慢。【結論】南粳晶谷高產的光合特性是光合面積大，葉綠體結構穩定，高光合性能持續時間長；葉片PSⅡ光化學效率高，光合機構能量分配合理；最終表現為凈光合速率高，光合產物多，轉運效率高。

水稻；高產；光合特性

南粳晶谷是江蘇省農業科學院糧食作物研究所與江蘇神農大豐種業科技有限公司以超級粳稻品種南粳44為母本，與自主選育的優良食味抗病粳稻中間品系寧6301雜交，經數代外觀與食味品質篩選和條紋葉枯病抗性與半糯基因的分子標記輔助選擇育成的早熟晚粳稻新品種，2019年通過江蘇省審定(審定編號：蘇審稻20190013)，適宜在江蘇省沿江及蘇南地區種植[1]。南粳晶谷不僅食味品質優、綜合抗性強，而且豐產性好、產量潛力大，產量在9 750 kg/hm2左右，高產田塊可達11 250 kg/hm2。2019年11月和2020年10月，農業農村部兩次組織專家對南粳晶谷百畝方進行現場測產驗收，產量分別為13 012.5和12 867 kg/hm2，達到了長江中下游地區一季粳稻“超級稻”的產量指標。南粳晶谷的成功選育進一步豐富了江蘇沿江和蘇南地區優良食味高產粳稻品種類型，具有廣闊的推廣應用前景。

光合作用是綠色植物利用光能，將二氧化碳和水合成干物質的過程。因此，從根本上說，作物高產的潛力歸根到底來源于光合器官的光能利用效率。水稻葉片是光合作用的重要器官，水稻產量的70%來源于葉片后期的光合產物[9]。因此，研究水稻生育后期劍葉光合生理的功能，對解析水稻高產的機理有重要意義[2]。綠色植物對光能的吸收、轉化和利用都在葉片的光系統Ⅱ ( Photosystem Ⅱ，PS Ⅱ)中進行，在光合功能中起著重要作用。自然條件下的葉綠素熒光與光合作用有著非常密切的關系，可以診斷光合結構運轉狀況，熒光儀能無損傷地測定植物光合作用能量吸收、傳遞、耗散和分配[3-5]。而蛋白質是光合物質代謝的核心功能成分，檢測光合系統蛋白質的表達變化能精準反映植物的內在生理狀態，而光合細胞器在葉片衰老過程中的變化特點能夠準確反映植物內部狀態變化，這些生理和結構狀態可作為選育和鑒定優良品種的指標。前人對雜交稻、不同穗型水稻品種、秈粳雜交高產水稻的光合生理特性做了大量研究[6-10]，光合特性和水稻產量密切相關，高產水稻品種通常葉片葉綠素含量較高，光合功能期較長，凈光合速率較高，葉片葉綠體結構相對規則，光合膜垛疊緊密，光合器官性能優越，但關于其光合蛋白表達的研究較少，對高產的機理也缺乏系統總結。本研究以優良食味高產粳稻南粳晶谷為材料，以食味優良其父母本作為對照，研究其孕穗期到開花后35天植株干物質積累和分配變化、劍葉光合功能、PSⅡ光能轉化特性、光合蛋白的表達變化以及葉綠體結構特性，分析其高產光合生理基礎，以期為培育和鑒定高產優質水稻品種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2019年通過江蘇省審定的優良食味晚粳稻新品種南粳晶谷及其母本南粳44和父本寧6301，均由本團隊自主選育而成。其中南粳44是于2007年通過江蘇省審定的晚粳稻品種，2010年被農業農村部確認為超級稻，累計推廣面積超過100萬hm2。寧6301來源于武粳13與關東194雜交育成的另一個超級稻品種南粳5055的姊妹系。因此，南粳44和寧6301都相當于生產對照。

1.2 試驗設計

試驗于2020—2021年在江蘇省農業科學院糧食作物研究所南京試驗基地進行。每年5月18日播種，浸種催芽后塑盤育秧，6月18日移栽，隨機區組設計，3次重復，每個小區9行，每行20穴，每穴栽2苗，行株距30 cm×13 cm。土壤為黏壤土，土壤肥力中等。施氮(以純氮計)270 kg/hm2，按基肥和分蘗肥70%，穗肥30%施用。基肥用N∶P2O5∶K2O為20∶12∶16的復合肥450 kg/hm2，分蘗肥分2次施用，移栽后7 d施尿素150 kg/hm2，再過7 d追施尿素75 kg/hm2。穗肥分促花肥和保花肥2次施用，倒4葉出生時用N∶P2O5∶K2O為20∶12∶16的復合肥225 kg/hm2，10 d后追施尿素75 kg/hm2。水分管理除了移栽后一周和孕穗至揚花階段淺水灌溉以外，其余時間均采用干濕交替的濕潤灌溉方式。病蟲草害防治與生產大田管理相同。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉片凈光合速率的測定

每個品種在劍葉抽出時掛牌標記，選擇同一天抽出的主莖劍葉，分別在每個品種的孕穗期(開花前7 d)、開花期、開花后7 d、14 d、21 d、28 d和35 d，晴天上午9：00－10：00，用美國Li-6400便攜式光合測定儀測定，使用紅藍光源，光量子通量密度為1000 μmol/(m2·s)，測定各品種劍葉上端1/3位置處的葉片凈光合速率，每次隨機測定10張劍葉，每張葉片重復測定3次。

1.3.2 葉綠素含量的測定

葉綠素含量采用SPAD儀測定，每個處理測定10張劍葉，每張葉片測定5個不同部位。

1.3.3 葉片熒光參數的測定

每個品種分別在孕穗期、開花期、開花后7 d、14 d、21 d、28 d和35 d上午9：00進行葉綠素含量和葉綠素熒參數光測定。并在花后21 d、35 d上午8:00、中午12:00、下午18:00對各品種熒光參數進行測定。用Handy-PEA連續激發式熒光儀(Hansatech，UK)活體測量快速葉綠素熒光誘導動力學曲線( O-J-I-P 熒光誘導曲線)。葉綠素熒光測定前將葉片暗適應20 min，然后暴露在飽和脈沖光下3000 μmol/(m2·s)，測得熒光曲線。每個重復測定10次。得到的熒光曲線利用JIP測定進行分析，熒光參數參照Strasser的方法計算，具體參數的生物學意義見表1[11-12]。

1.3.4 蛋白表達的測定

蛋白表達測定分別在孕穗期、開花期、開花后7 d、14 d、21 d、28 d和35 d取樣后速凍于液氮中，帶回室內測定。蛋白質提取和免疫印跡實驗方法參照王琴等的方法[13]。用化學發光成像儀(Tannon)檢測，用Image J軟件采集信號，重復測定3次。

1.3.5 葉綠體超微結構的觀察

分別在開花后21 d和35 d上午9：00取各品種劍葉上端1/3處，然后用刀片切成0.1 cm大小的組織，再用4℃4%戊二醛進行固定抽氣，于4℃下保存備用。觀察前用 0.1 mol/L磷酸緩沖液浸洗3次，每次15 min，樣品經丙酮脫水、樹脂包埋、切片、染色后用透射電子顯微鏡(Hitachi TEM 7650，日本日立高新技術公司)觀察。

1.3.6 劍葉葉面積測定

劍葉葉面積在抽穗后測定，每個小區取10個單株，測定所有劍葉的長和最寬處，葉面積按長與寬的乘積乘以葉面積系數0.75計算。

1.3.7 產量結構和干物質量的測定

水稻成熟后在每個小區中間行隨機取樣10株，自然曬干后考查單株穗數，脫粒后測定每穗實粒數和空癟粒數，計算結實率，測定千粒重和單株產量。各小區稻谷全部收獲，曬干后稱量，折算成單位面積產量。干物質量測定分別在孕穗期(開花前7 d)、開花期、開花后7 d、14 d、21 d、28 d和35 d測定，當天在每小區按平均有效穗數取樣10株，將穗和莖葉分別裝入牛皮紙袋，先在105℃下烘0.5 h，然后80℃下烘干后分別秤取穗干質量和莖葉干質量，兩者相加即為總干物質量。

1.4 數據分析

用Microsoft Excel 2016處理數據，用PEA Plus V1.10對熒光參數進行處理和計算，用SPSS 25.0軟件作方差分析，LSD法進行多重比較，用微軟Excel 2010作圖。

2 結果與分析

方差分析結果表明，2020年與2021年供試品種的產量和產量性狀、干物質量及光合性狀在品種間都有顯著差異，且品種間變化趨勢一致，年份間和年份與品種間的互作效應都不顯著(表略)。因此，取兩年數據的平均值進行多重比較分析。

表1 葉綠素熒光參數及相關縮寫

表2 南粳晶谷及其父母本的產量性狀

同一列數據后的不同小寫字母表示差異達5%顯著水平。

Different lowercase letters in a column indicates significant difference at the 5% level. PN, Panicle number; SP, Spikelets per panicle; SSR, Seed setting rate; TGW, 1000 grain weight; GW, Grain weight per plant; GY, Grain yield.

*表示與南粳晶谷的差異達5%顯著水平。

Fig. 1. Flag leaf area of Nanjingjinggu and its parents at booting stage.

2.1 南粳晶谷及其親本的產量性狀

由表2可知，南粳晶谷的單株產量和實際產量最高，其次是寧6301，南粳44最低，3個品種間均存在顯著差異。從產量構成因素來看，南粳晶谷的單株穗數顯著低于寧6301，高于南粳44，但無顯著差異；每穗粒數顯著高于其父母本南粳44和寧6301。南粳晶谷的結實率與其父母本無顯著差異，但千粒重顯著低于南粳44，而與寧6301無顯著差異。由此可知，南粳晶谷的高產主要是由于每穗粒數的增加，分別比其父母本南粳44和寧6301每穗多23.8粒和26.2粒，單位面積總穎花量分別比南粳44和寧6301多27.0%和13.8%。

2.2 南粳晶谷及其父母本劍葉面積和植株干物質分配特性

劍葉作為水稻抽穗后主要的光合器官，其穩定的光合功能是籽粒充實的保障。從圖1可以看出，南粳晶谷的劍葉面積顯著高于其父母本，主要是因為南粳晶谷的劍葉較長、較寬，劍葉長分別比南粳44和寧6301增加1.62 cm和1.33 cm，劍葉寬分別比南粳44和寧6301增加0.33 cm和10.28 cm，這在一定程度上保證了光合面積。另外，從圖2可以看出，南粳晶谷從孕穗期到開花后42 d地上部分總干物質量始終高于其父母本，南粳44又高于寧6301。隨著生育進程的推進，南粳晶谷地上部總干物質量始終保持升高趨勢，開花后42 d南粳晶谷地上部總干物質量分別比父母本高12.6%和25.9%，而南粳44和寧6301地上部分總干物質量開花21 d后增加不明顯。開花后莖葉干質量和穗干質量的消長趨勢可以反映干物質的分配狀況。從圖2可知，各品種莖葉干質量在開花后7～14 d達到最高，此后隨著干物質向穗部轉移，莖葉干質量逐漸下降。南粳晶谷莖葉干質量在開花后一直顯著高于其父母本。穗干質量在開花前后7 d南粳晶谷與父母本的差異不明顯，開花后14 d到42 d母本南粳44的穗干質量顯著高于父本寧6301，且隨著莖葉中的干物質向穗部轉移，差異逐漸增大。南粳晶谷穗干質量的增加接近南粳44，開花14 d到21 d穗干質量增加速率明顯快于父母本，到開花35 d后穗干質量又快速增長，到開花后42 d穗干質量顯著高于南粳44。從穗干質量占總干質量的比重來看，雖然開花后14 d到35 d南粳44顯著高于寧6301，南粳晶谷居父母本之間，但到開花后42 d，南粳晶谷隨著穗干質量的迅速增加，穗干質量占總干質量的比重最終超過高值親本南粳44。由此可見，南粳晶谷的高產特性與其劍葉面積大，地上部干物質積累多，最終向穗部分配多有關。

2.3 南粳晶谷及其父母本劍葉凈光合速率變化

由圖3-A可知，各品種劍葉葉綠素相對含量(SPAD值)在花后7～14 d達到最高，隨后緩慢下降，南粳晶谷在開花期和花后7 d劍葉SPAD值介于父母本之間，后期與父本無顯著差異，但顯著高于母本南粳44。各品種劍葉凈光合速率(n)均呈現先升高后降低的趨勢(圖3-B)，南粳晶谷在花后14 d達到高峰，此后到花后35 d劍葉的凈光合速率顯著高于其父母本，且自孕穗期到花后28 d劍葉凈光合速率都維持在12mol/(m2·s)以上，而南粳44和寧6301則都在開花期達到高峰，此后逐漸下降，開花28 d以后急劇下降，到花后35 d南粳晶谷的劍葉凈光合速率分別比父母本高59.2%和60.0%。由此可見，南粳晶谷在抽穗后保持較高的凈光合速率，是其高產的重要基礎。

*表示南粳晶谷與南粳44和/或寧6301的差異達5%顯著水平。下同。

Fig. 2. Stem and leaf dry weight (SLDW), panicle dry weight (PDW) and total dry weight (TDW) of aboveground part of Nanjingjinggu and its parents from booting.

圖3 南粳晶谷及其父母本孕穗到開花后35 d的SPAD值和劍葉凈光合速率

Fig. 3. SPAD value and net photosynthetic rate in flag leaves of Nanjingjinggu and its parents from booting stage to 35 days after flowering (DAF).

2.4 南粳晶谷及其父母本葉綠素熒光參數的變化

初始熒光0表示PSⅡ反應中心完全開放時的熒光值。從圖4可以看出，各品種劍葉0自花后14 d到21 d緩慢下降，南粳晶谷在花后21 d到35 d劍葉F0值顯著高于母本南粳44，與父本寧6301無顯著差異。各品種最大熒光m自花后21 d緩慢降低，南粳44的m值在后期顯著低于南粳晶谷和寧6301，南粳晶谷和父本寧6301劍葉m值之間差異不顯著。供試品種ABS/RC(表示PSⅡ反應中心吸收的光能)隨著葉片的衰老有上升趨勢，但南粳晶谷劍葉ABS/RC值在整個生殖生長期變化不大，且自花后21 d顯著低于其父母本。TR0/RC和ET0/RC與ABS/RC變化趨勢相同，南粳44和寧6301此兩項參數在生育后期上升，顯著高于南粳晶谷，而各品種單位反應中心耗散的能量DI0/RC隨著葉片衰老逐漸上升，但南粳晶谷劍葉的DI0/RC值自開花期到花后21 d顯著低于其父母本，其中南粳44劍葉DI0/RC值最高，到花后35 d其劍葉DI0/RC值比孕穗期高32.7%，比同時期南粳晶谷高出7.9%。單位截面吸收的光能ABS/CSm和單位截面捕獲的光能TR0/CSm隨著葉片色素含量的降低逐漸降低，其中南粳44此兩項值下降最快，在齊穗后劍葉吸收和捕獲的光能顯著低于其他品種，南粳晶谷與父本寧6301差異不大。光能的吸收和傳遞與葉片的光合能力密切相關，南粳44劍葉ET0/CSm在整個生殖生長期均顯著低于其他品種，而南粳晶谷劍葉ET0/CSm較高，在花后7 d和35 d顯著高于寧6301。單位截面熱耗散的能量DI0/CSm在品種間無顯著差異。Sm表示PSⅡ反應中心PQ庫的大小，即QA被完全還原所需要的能量。從圖中可看出，南粳晶谷劍葉Sm值自開花期到花后21 d顯著高于其父母本，且父母本之間無顯著差異，葉片衰老對該值影響不大。φE0表示用于電子傳遞的量子產額，各品種該值隨著葉片的衰老變化不大，南粳44自孕穗期至花后14 d劍葉φE0值顯著低于南粳晶谷，父本寧6301在花后7 d劍葉φE0值顯著低于南粳晶谷，南粳晶谷在整個生育期劍葉φE0值較高。PIabs表示光合性能指數，各品種劍葉PIabs值隨著生育進程的推進呈現先升高后降低的趨勢，從圖4可以看出，南粳晶谷自開花期至花后28 d劍葉PIabs值顯著高于其父母本，南粳晶谷劍葉PIabs最高值是父本寧6301最高值的1.14倍，是母本南粳44最高值的1.93倍。RC/CS0表示單位截面有活性反應中心的數目，各品種該值呈現先升高后下降的趨勢，且均在花后7 d達到最高，隨后逐漸降低。南粳晶谷劍葉RC/CS0值自開花期到花后28 d顯著高于其父母本。

圖4 南粳晶谷及其父母本孕穗到開花后35 d劍葉葉綠素熒光動力學參數

Fig. 4. Fluorescence transient parameters of flag leaves of Nanjingjinggu and its parents from booting stage to 35 days after flowering (DAF).

2.5 南粳晶谷及其父母本葉綠素熒光參數和光合蛋白的日變化

從前期熒光和光合數據來看，花后21 d是光合功能的轉折點，花后35 d葉片已經進入衰老期，因此選擇這兩個時期檢測相關熒光參數和光合蛋白的表達變化。從圖5可看出各品種最大熒光和光合性能指數在不同時期中午12:00均有所降低，下午18:00恢復性升高，不同品種表現不盡一致。南粳晶谷在不同時期中午12:00v/m和PIabs值均顯著高于其父母本，下午18:00恢復能力高于南粳44。從中午12:00各參數下降幅度而言，南粳晶谷v/m在花后21天下降幅度最小，為23.4%，南粳44下降幅度最大為55.6%，花后35 d，寧6301下降幅度最小為14.4%，南粳44下降幅度最大為46%；南粳晶谷在各個時期PIabs中午12:00下降幅度均最小，花后21 d和花后35 d下降幅度分別為22.9%和29%。

蛋白質是保持光合機構高效運轉的重要物質基礎，光合反應中心蛋白是光系統的核心蛋白，CP47和CP43是PSⅡ反應中心核心天線蛋白，具有吸收轉化光能的重要功能。從蛋白質的表達情況來看，CP47在不同時間段隨外界光照溫度變化表達量會發生變化(圖6-A)，在花后21 d和花后35 d各個品種在中午12：00和下午6：00的表達量均下調，南粳晶谷CP47在兩個時期上午8：00的表達量都高于其父母本，中午12：00各品種表達量相當，但在下午6：00南粳晶谷的表達量高于其他品種。花后35 d各品種CP47上午8：00的表達量較花后21 d有所降低，但中午12：00和下午6：00差異不大。CP43的表達量在不同時期一天當中也呈現波動性，中午12：00各品種在不同時期的表達量均降低，下午6：00表達量較中午上升但低于上午8：00(圖6-B)。南粳晶谷劍葉CP43在花后21d上午8：00的表達量顯著高于其父母本，中午12：00表達量高于寧6301，下午6：00高于父母本。在花后35 d葉片衰老時，各個品種劍葉CP43的表達量較花后21 d有所降低，中午12：00降低的最為明顯，南粳晶谷表達量稍高于父母本，下午6：00南粳44劍葉CP43的表達量顯著低于其21 d的表達量，其他品種與21 d下午6：00表達量差異不大。

2.6 南粳晶谷及其父母本葉綠體結構的差異

葉綠體是植物進行光合作用的細胞器，其結構的完整有序是光能轉換正常有效進行的保障。利用透射電鏡對3個品種的劍葉葉綠體超微結構觀察發現，在花后21 d，各品種葉綠體形態規則，內含少量嗜鋨顆粒，各個品種內部結構有差異，南粳晶谷類囊體基粒片層垛疊緊密有序且垛疊程度高，基質片層結構清晰，嗜鋨顆粒數目較少。南粳44類囊體基粒片層和基質片層排列相對松散，垛疊程度不高，嗜鋨顆粒數目較多；寧6301類囊體基粒形態有變圓的趨勢，內部片層結構垛疊程度不高，排列松散。到花后35 d，各品種葉綠體形態有膨脹變圓的趨勢，嗜鋨顆粒增多，內部結構衰敗明顯。從圖7可以看出，南粳晶谷類囊體結構較21 d雜亂松散，但膜結構相對清晰，有明顯可見的基粒基質片層；南粳44劍葉類囊體基粒片層模糊，嗜鋨顆粒增大，可見片層結構變少；寧6301葉綠體形態變圓，基粒片層模糊，整齊的膜結構變少，基粒和基粒片層開始消融。

圖5 南粳晶谷及其父母本在花后21 d、35 d 在8:00、12:00和18:00劍葉葉綠素熒光動力學參數

Fig. 5. Fluorescence transient parameters of flag leaves of Nanjingjinggu and its parents of different varieties at 8:00 am, 12:00, 18:00 on 21 d and 35 d after flowering.

A－不同品種劍葉CP43在花后21 d、花后35 d上午8：00、中午12：00、下午18：00蛋白表達量；B－不同品種劍葉CP47在花后21 d、花后35 d上午8：00、中午12：00、下午18：00蛋白表達量。

Fig. 6. Immunoblot with antibodies against CP43 and CP47 in flag leaves of Nanjingjinggu and its parents at 21 d and 35 d after flowering.

A－南粳晶谷花后21 d；B－南粳44花后21 d；C－寧6301花后21 d；D－南粳晶谷花后35 d；E－南粳44花后35 d；F－寧6301花后35 d。G－基粒類囊體；ST－基質類囊體；O－嗜鋨滴。

Fig. 7. Chloroplast ultrastructure in flag leaves of Nanjingjinggu and its parents at 21 d and 35 d after flowering.

3 討論

水稻抽穗后植株干物質的90%～95%來自葉片的光合作用，而稻谷產量的40%～60%來自劍葉的光合作用[14-15]。不同庫源類型的水稻，其光合產物積累和轉運機制不同。前人的研究表明，重穗型水稻葉源量大、光合能力強且光合功能的高值持續期長[7,16]。本研究中南粳晶谷屬于大穗型品種，其每穗粒數遠高于其父母本，單位面積總穎花量比父母本高14%～27%。在植株形態上，其劍葉面積顯著高于父母本，在生殖生長期地上部分干物質量始終保持超親優勢。開花7 d以后光合功能的高值持續期較長，光合速率高于其父母本，在籽粒灌漿前積累了大量干物質，光合產物后期向穗部轉運效率較高，物質運轉流暢，且在干物質向穗部轉運過程中光合產物的積累速度快，顯著超過親本。這和植株強大的光合能力密切相關[17]。本研究中南粳晶谷葉片的SPAD值與父本寧6301接近，沒有顯著的超親優勢，但凈光合速率和高光合功能期顯著高于父母本，這可能與葉片光合機構的性能有關。

葉綠素熒光動力學是研究葉片光合系統生理狀態的靈敏探針，具有反應內在性的特點[18]。水稻齊穗后，葉片光合功能達到最大，隨后進入衰老期，葉片衰老得快，就會縮短光合作用持續時間，減少光合物質的積累。本研究中，南粳晶谷PSⅡ的光合性能顯著優于父母本。0和m主要反映PSⅡ供體側的變化，0是反應中心完全開放時的熒光，此時反應中心可最大限度的接受光量子，發射的熒光最小，研究表明天線色素的降解以及LHCⅡ與反應中心脫離可導致0降低，逆境脅迫會使0升高[19-21]。m則是反應中心完全關閉時的熒光，此時熒光強度最大，葉片衰老和逆境脅迫導致放氧復合體失活使m降低[22]。本研究中南粳晶谷0和m值與父本寧6301相當，南粳44的0和m值隨葉片衰老下降最多，后期葉片放氧復合體失活以及天線色素降解明顯，與劍葉SPAD值表現一致。葉片衰老的發生會改變PSⅡ的光合生理狀態，影響光合系統的能量分配和電子傳遞。ABS/RC、TR0/RC、ET0/RC、DI0/RC在葉片衰老時呈上升趨勢，但南粳晶谷ABS/RC、TR0/RC、ET0/RC值在孕穗期到花后35 d變化不大，反應中心失活會導致上述能量分配的增加，南粳晶谷劍葉有活性反應中心的數目(RC/CS0)顯著高于父母本，反應中心結構穩定[23]。DI0/RC值在早期也低于其父母本，說明其PSⅡ反應中心光能轉化效率高，后期熱耗散量增加避免光氧化損傷。從單位截面的比活性參數可以看出，后期單個反應中心吸收捕獲增加的能量并沒有增加單位截面吸收捕獲的能量，也沒有增加單位面積電子傳遞的能量，說明失活的反應中心在葉片衰老后期增加，而南粳晶谷電子傳遞活性較強。這也可從PSⅡ受體測參數m和φE0的變化看出，m反映了使A被完全還原(變成A?)所需要的能量，電子從A?進入電子傳遞越多，則達到m所需的時間越長，m值越大，南粳晶谷PQ庫顯著大于父母本，反映電子傳遞的速率的參數φE0也一直處于高水平[24]。由以上分析可看出，南粳晶谷PSⅡ供體側性能優于母本但與父本相當，有活性反應中心的數目高于父母本，受體側電子傳遞活性優于父母本，最后的光合性能指數PIabs優于父母本。有研究表明，大穗型品種的葉片對光能的捕獲、轉化和電子傳遞均強于中、輕穗型品種[25]，本研究結果與其一致。

蛋白質是組成光合機構的重要物質，光系統中主要的核心蛋白CP47和CP43對維持光系統的光化學活性尤為重要。體外研究表明，CP43和CP47在強光和高溫條件下會發生降解，這種降解會下調植物的光合功能[26]。不同類型水稻在中午強光高溫條件下會發生光合“午休”現象[7]。CP47和CP43是葉綠素復合蛋白，具有捕光和電子傳遞活性，在中午下調表達，可能是一種自我保護機制，以減少光能的吸收，減少葉片多余的激發能，避免光氧化的產生。從蛋白質的表達水平來看CP47受溫度光照影響更大，而CP43受葉片衰老影響更大。南粳晶谷CP47在花后35 d 中午12：00的表達量高于花后21 d中午的表達量，可能是由于灌漿后期光照有所減弱，環境溫度有所降低，但其在不同時間下午6：00的恢復能力強于父母本。CP43隨葉片衰老下降明顯，兩個時期中午12：00和下午6：00的表達量均是南粳晶谷最高，各品種中午表達量下調，下午6：00表達量上調，蛋白表達處于動態過程。植物在發生光抑制等現象時，D1蛋白會發生降解，而CP43和CP47聯系緊密，這一動態的表達過程或許和水稻植株光合生理狀態相關，大穗型品種在這個過程中蛋白表達相對穩定，恢復調節能力也優于父母本。從熒光參數的日變化特性可看出，不同品種光系統活性在中午強光下均有不同程度下調，且南粳晶谷下調幅度較其他品種小，從生理上驗證了南粳晶谷光合蛋白的調整能力優于其父母本。

研究證實光合功能的不同是品種間產量不同的原因之一[25]。葉綠體是光合作用發生的主要場所，當植物葉片衰老或在逆境脅迫下，葉綠體的類囊體解體，嗜鋨顆粒增多，液泡膜破裂，最后使水解酶釋放到細胞質中，引起細胞凋亡和光合能力喪失[27]。植物葉片的葉綠體內基粒和基粒片層越多、片層排列越整齊致密，葉片光合能力越強[28]。從本研究結果中可看出，南粳晶谷葉綠體衰敗緩慢，基粒類囊體垛疊程度高，基粒類囊體數目多，嗜鋨顆粒數目少，研究表明產量較高的雜交稻在生育后期較其他品種具有較高的基粒類囊體垛疊層數，葉綠體衰敗緩慢[6]，本研究中高產粳稻同樣具備這個特點。優良的葉綠體結構能夠為光能轉化提供高效的運轉載體，緊湊的光合膜結構和穩定的光合蛋白性能能夠減少光損傷，降低脂質過氧化，從而進一步穩定光合膜的結構。

結合前人的研究結果可看出，高產大穗型品種南粳晶谷具有以下幾個特征：1）葉片色素含量高，光合功能期長，高光合性能持續時間長；2）PSⅡ光化學效率高，電子傳遞速率高，反應中心數目多，光合機構能量分配合理；3）齊穗后干物質積累量大，后期轉運速率快；4）光合蛋白結構穩定；5）葉綠體基粒片層垛疊程度高，光和膜結構穩定有序，氧化程度較輕，葉綠體衰敗緩慢。

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Photosynthetic and Physiological Characteristics of High YieldRice Variety Nanjingjinggu

WEI Xiaodong1, ZHANG Yadong1, SONG Xuemei1, 2, CHEN Tao1, ZHU Zhen1, ZHAO Qinyong1, ZHAO Ling1, LU Kai1, LIANG Wenhua1, HE Lei1, HUANG Shengdong1, XIE Yinfeng2, WANG Cailin1,*

(Institute of Food Crops, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/Jiangsu High Quality Rice Research and Development Center/Nanjing Branch of China National Center for Rice Improvement, Nanjing 210014, China;Nanjing Forestry University/Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing 210037, China; )

【Objective】The purpose of this study is to clarify the photosynthetic and physiological characteristics and the photosynthetic advantages of high yield variety Nanjingjinggu, so as to lay a theoretical basis for the breeding of high yield and high quality rice varieties. 【Method】Taking Nanjingjinggu and its parents as materials, the dry matter accumulation and distribution of the aboveground part, leaf photosynthetic physiological characteristics of photosystem Ⅱ (PS Ⅱ), and chloroplast ultrastructure of Nanjingjinggu and its parents from booting stage to 42 days after flowering were studied. 【Result】The number of grains per panicle of Nanjingjinggu was significantly higher than those of its parents, and the total amount of spikelets per unit area was 14%－27% higher than those of its parents. The flag leaf area was significantly larger than that of its parents, the aboveground dry matter weight was always higher than that of the parents after heading, and the transport amount to the panicle was higher in the late filling stage. The net photosynthetic rate of flag leaf was significantly higher than that of the parents at the late growth stage, and the duration of high photosynthetic rate was long. The electron transfer, photosynthetic performance index and light energy conversion performance of PSⅡin flag leaf were significantly better than that of the parents, and the stability and adjustment ability of core antenna proteins CP43 and CP47 under strong light and high temperature were better than that of the parents. Chloroplast grana lamellar stacking degree is high, chloroplast structure is stable, and chloroplast decay speed is slow. 【Conclusion】The photosynthetic characteristics of high yield in Nanjingjinggu was the large photosynthetic area, stable chloroplast structure, and long duration of high photosynthetic performance. The photochemical efficiency of leaf PS Ⅱ was high and the energy distribution of photosynthetic apparatus was reasonable. The final performance is high net photosynthetic rate, more photosynthetic products and high transport efficiency.

rice; high yield; photosynthetic physiological

10.16819/j.1001-7216.2022.220202

2022-02-20；

2022-05-22。

國家現代農業產業技術體系建設專項(CARS-01-67)；江蘇省重點研發計劃資助項目(BE2021301);江蘇省科技服務專項(KF[20]1001); 江蘇省種業創新基金資助項目(PZCZ201703)。