周振翔，李志康，陳 穎，王志琴，楊建昌，顧駿飛

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葉綠素含量降低對(duì)水稻葉片光抑制與光合電子傳遞的影響

周振翔，李志康，陳 穎，王志琴，楊建昌，顧駿飛

（揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院/江蘇省作物遺傳生理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育點(diǎn)/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚(yáng)州225009）

【目的】水稻突變體葉片葉綠素含量顯著低于其野生型，但其光合電子傳遞效率與凈光合值顯著高于對(duì)照，文章旨在闡明其生理學(xué)機(jī)理并探討其在高光效育種中的潛在應(yīng)用價(jià)值。【方法】通過人工氣候室的盆栽試驗(yàn)設(shè)置高光強(qiáng)（光照強(qiáng)度為700—800 μmol·m-2·s-1）與低光強(qiáng)（光照強(qiáng)度約為100—200 μmol·m-2·s-1）2個(gè)處理，并結(jié)合大田試驗(yàn)，觀測突變體與野生型的葉綠素?zé)晒?、超氧陰離子含量、丙二醛含量、SOD酶活性、葉綠體超微結(jié)構(gòu)、葉片熒光顯微結(jié)構(gòu)與冠層溫度。【結(jié)果】突變體材料葉綠素含量顯著低于其野生型，并且光照強(qiáng)度對(duì)其葉綠素含量的效應(yīng)也不相同。隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，突變體葉片葉綠素含量增加60%，而野生型品種葉片葉綠素含量卻降低20%以上。光反應(yīng)曲線表明，突變體光合值顯著高于野生型，尤其在1 000 μmol·m-2·s-1光照下，低光強(qiáng)與高光強(qiáng)處理中低葉綠素含量突變體光合值分別比野生型高9.4%和46.5%。葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)也表明，水稻突變體的電子傳遞速率（ETR）、光系統(tǒng)Ⅱ的量子產(chǎn)量（ΦPSⅡ）、光化學(xué)淬滅（）、光下最大光化學(xué)效率（F′v/F′m）顯著高于其野生型。在高光強(qiáng)處理下，野生型材料中的應(yīng)激活性氧超氧陰離子與丙二醛（MDA）含量受到光抑制。葉綠體超微結(jié)構(gòu)與熒光顯微結(jié)構(gòu)表明，野生型材料葉綠體受到一定程度的損傷，且其維管束間距離顯著大于突變體，其維管束面積小于突變體，不利于水分在葉片中的傳輸。田間冠層熱力學(xué)圖像表明中午高溫、高光照條件下，突變體冠層溫度顯著低于其野生型。綜合以上結(jié)果，野生型葉片葉綠素含量高，在高光強(qiáng)下會(huì)導(dǎo)致過量光吸收，光系統(tǒng)Ⅱ電子傳遞效率下降，超氧陰離子與丙二醛累計(jì)，導(dǎo)致葉綠素結(jié)構(gòu)與功能的破壞，因此，其光合值顯著低于突變體材料。同時(shí)過量光吸收會(huì)導(dǎo)致葉片與冠層溫度上升，不利于冠層群體光合。【結(jié)論】在未來高光效育種中選育葉綠素含量適當(dāng)降低的品種，有助于避免高光強(qiáng)下葉片的過量光吸收，從而緩解活性氧的產(chǎn)生與光抑制，并有利于降低冠層溫度從而緩解水稻群體光合“午休”現(xiàn)象。

水稻；光合速率；葉綠素；葉綠素?zé)晒?；光抑?/p>

0 引言

【研究意義】人口增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展給中國糧食增產(chǎn)帶來了巨大壓力。預(yù)計(jì)到2030年，中國人口將達(dá)到16億，中國農(nóng)作物的單產(chǎn)需在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上提高50%以上才能滿足糧食的安全供給[1]。水稻作為中國主要的糧食作物，其產(chǎn)量提高顯得尤為迫切。在“綠色革命”中，隨著水稻矮稈耐肥新品種的選育和氮肥的施用，水稻產(chǎn)量增加了近一倍[2]。然后在過去的十年間，水稻產(chǎn)量幾乎沒有提高，人們迫切希望有第二次“綠色革命”來提高水稻的產(chǎn)量?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Long等[3-4]和von Caemmerer等[5]認(rèn)為第二次“綠色革命”的希望在于提高水稻的光合作用。光合作用是植物將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。天線色素分子吸收的光能用于反應(yīng)中心的光化學(xué)反應(yīng)[6]。在現(xiàn)代大氣條件下，植物吸收的光能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了植物生理代謝的需求，過量吸收的光能需要通過熱耗散等途徑來消除，從而避免產(chǎn)生活性氧等有害物質(zhì)[7]。Zhu等[8]研究表明C3作物只能利用1.9%的光能。而現(xiàn)代水稻品種對(duì)光合有效輻射波段（400—700 nm）的光吸收率在80%以上，從而易導(dǎo)致產(chǎn)生PSⅡ效率下降、光抑制、光氧化，甚至PSⅡ反應(yīng)中心的破壞，表現(xiàn)早衰[9]。這些過量吸收的能量需要通過各種保護(hù)機(jī)制來消耗掉[7]，同時(shí)這些保護(hù)機(jī)制也大大浪費(fèi)了能量[10]。【本研究切入點(diǎn)】Ort等[10-11]提出如果能夠降低植物葉片中葉綠素（如天線色素、反應(yīng)中心色素）的含量，將有利于減少光抑制，提高光能利用效率。相關(guān)研究已在藻類與藍(lán)藻細(xì)菌中取得了進(jìn)展[12-13]。而在水稻中鮮有相關(guān)報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文擬通過研究在不同光強(qiáng)水平處理下，一個(gè)葉綠素含量降低的水稻突變體葉綠素降低對(duì)水稻光合、葉綠素?zé)晒狻⒐饷{迫的影響，旨在為緩解光抑制，改善水稻光合性能，最終提高產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與栽培概況

試驗(yàn)于2014年在揚(yáng)州大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場進(jìn)行。前茬作物為小麥，土壤類型均為沙壤土，土壤含有機(jī)質(zhì)22.7 g·kg-1、速效氮96.5 mg·kg-1、速效磷20.4 mg·kg-1、速效鉀120.0 mg·kg-1。試驗(yàn)材料為低葉綠體含量突變體（YL）與其野生型（WT，浙輻802）。低葉綠體含量突變體由秈稻品種浙輻802經(jīng)物理輻射誘變而成，由浙江大學(xué)程方民教授提供。該突變體已多年種植，株型形態(tài)等遺傳性狀已經(jīng)穩(wěn)定。

大田試驗(yàn)于5月12日播種育秧，6月7日插秧，株行距為25 cm×15 cm，每穴2苗。全生育期施純氮240 kg N·hm-2。小區(qū)面積為15 m2，重復(fù)3次。氮肥作基肥（移栽前1 d施）、分蘗肥（移栽后7 d施）、穗肥（約移栽后40 d施）的比例分別為50%、20%和30%。移栽前各小區(qū)施用過磷酸鈣（含P2O513.5%）300 kg·hm-2和氯化鉀（含K2O 52%）195 kg·hm-2。按照常規(guī)高產(chǎn)栽培管理水分，全生育期嚴(yán)格控制雜草與病蟲害。

盆栽試驗(yàn)于5月12日播種，大田育秧，6月12日移栽至盆缽，盆缽直徑25 cm，高30 cm，內(nèi)裝過篩土18 kg（取自大田）。每盆3穴，每穴2苗。共80盆，施氮量為3.6 g尿素/盆，尿素施用比例為移栽前﹕移栽后7 d﹕穗分化期（抽穗前30—35 d）=50%﹕20%﹕30%。所有處理施0.5 g磷酸二氫鉀（KH2PO4）作基肥。5葉期移入人工氣候室生長15—20 d。同時(shí)設(shè)置2個(gè)光照處理，即高光強(qiáng)（光照強(qiáng)度為700—800 μmol·m-2·s-1）和低光強(qiáng)（光照強(qiáng)度為100—200 μmol·m-2·s-1）。人工氣候室白天28℃（12 h），晚上23℃（12 h），相對(duì)濕度65%。5葉期黃綠突變體各處理移入20盆。取樣與光合生理測量時(shí)間為七葉期。

1.2 取樣與測定

1.2.1 葉綠素含量的測定 取新鮮葉片100 mg，加少量石英砂和少量碳酸鈣粉末，7 mL 95%乙醇研磨呈勻漿狀，倒入帶塞試管中，置于60—65℃的溫箱中保溫浸提，葉色變白后取出過濾至棕色瓶，將濾紙洗凈，在暗處貯存或稀釋，以95%乙醇為空白，分別在665、649和470 nm下測定吸光度，并計(jì)算葉綠素含量[14]。

1.2.2 吸收光譜的測定 取大田新鮮無病害、無機(jī)械損傷、長勢相同的葉片，去除表面灰塵，保證表面干凈無水層，并用保鮮膜包好，帶回實(shí)驗(yàn)室，用Ava Spec-2048型光纖光譜儀（波長200—1 100 nm，分辨率0.04—20 nm）測量每個(gè)時(shí)期每個(gè)品種每個(gè)處理5—10株，選擇葉片中部，每片葉測3次，取平均值。

1.2.3 光合響應(yīng)曲線與熒光參數(shù)測定 于五葉期將盆栽水稻移入人工氣候室，人工氣候室溫度設(shè)定為白天28℃（12 h），晚上23℃（12 h），相對(duì)濕度65%，光照強(qiáng)度分別為100—200 μmol·m-2·s-1和700—800 μmol·m-2·s-1。至第七葉時(shí)，使用LI-6400便攜式光合測定儀測定光響應(yīng)曲線，葉室內(nèi)初始光照強(qiáng)度設(shè)為1 500 μmol·m-2·s-1，葉片溫度和葉室內(nèi)空氣濕度分別控制在25℃和65%。將葉片夾入葉室約10 min后調(diào)用自動(dòng)程序，葉室內(nèi)光強(qiáng)梯度設(shè)定為2 000、1 500、1 000、500、170、100、70、50、30、10 μmol·m-2·s-1和0。測定時(shí)間為3—4 min，整個(gè)程序約40 min。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)使用MINI-PAM-II（德國WALZ公司生產(chǎn)）測定葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)。作用光1 000 μmol·m-2·s-1，飽和脈沖＞4 000 μmol·m-2·s-1，閃光（0.9 μmol·m-2·s-1，間隔30 s）。參照Genty等[15-16]方法測定并計(jì)算光適應(yīng)狀態(tài)下電子傳遞速率（electron transport rate，ETR）、光化學(xué)效率（F′v/F′m）、光化學(xué)淬滅（photochemical quenching，）、光適應(yīng)狀態(tài)下PSⅡ的實(shí)際量子產(chǎn)量（the actual photochemical efficiency of PSⅡ，ΦPSⅡ）。

1.2.4 超氧陰離子紅色熒光測定 使用上海哈靈生物技術(shù)公司試劑盒，按照使用說明方法并稍做修改，先加100 μL清理液（Reagent A）在載玻片上，選取新鮮葉片的同一部位，避開大葉脈，使用國產(chǎn)ZQP-86振動(dòng)切片機(jī)切取寬為50 μm的橫切面，放入清理液中，用解剖針小心壓碎，移去清理液，然后再加入1 mL清理液，同時(shí)加入10 μL熒光染色劑二氫溴化乙啶（dihydroethidium，DHE），放入37℃培養(yǎng)箱孵育20 min，取出后，移去DHE，使用清理液清洗，即可在熒光顯微鏡（Axio Imager D2，ZEISS，Germany）下觀察，設(shè)置激發(fā)波長540 nm，散發(fā)波長590 nm。并參考RODRíGUEZ-SERRANO等[17]方法添加疊氮化鈉（N3Na）對(duì)照處理。

1.2.5 超氧化物歧化酶（superoxyde dismutase，SOD）活性和丙二醛（malonaldehyde，MDA）含量測定 待人工氣候室盆缽植株第七葉完全展開時(shí)，摘取置液氮冷凍，-70℃保存?zhèn)溆谩２捎肗BT光化還原法[18]測定超氧化物歧化酶（SOD）活性，利用SOD酶抑制氮基四唑的光化還原特性，且抑制強(qiáng)度與酶活性在一定范圍內(nèi)成正比，并將抑制NBT光化還原50%的酶量定為1個(gè)酶活力單位；采用硫代巴比妥酸法[19]測定MDA含量。重復(fù)3次，取平均值。利用丙二醛與硫代巴比妥酸反應(yīng)生成紅棕色三甲川在532 nm具有最大光吸收的原理，測量丙二醛含量，同時(shí)試驗(yàn)過程中要排除可溶性糖的干擾。

1.2.6 葉片的熒光顯微結(jié)構(gòu)與葉綠體的超微結(jié)構(gòu)觀察 將用于光學(xué)顯微鏡觀察的材料使用國產(chǎn)ZQP-86振動(dòng)切片機(jī)切取寬為100 μm的橫切面，在熒光顯微鏡（Axio Imager D2，ZEISS，Germany）下觀察。葉綠體超微結(jié)構(gòu)的觀測步驟如下：用鋒利刀片分別截取葉片的同一個(gè)部位，盡量避開大葉脈，材料離體后立即投入到預(yù)冷的2.5%戊二醛中進(jìn)行固定2 h；用0.1 mol·L-1pH 7.2磷酸緩沖液（phosphate buffer saline，PBS）清洗3次，每次15 min；再用1% OsO4固定2 h；PBS清洗3次，每次15 min；再經(jīng)梯度濃度乙醇脫水、環(huán)氧丙烷過渡、環(huán)氧樹脂浸透和包埋，聚合成包埋塊，用Ultra-Jung超薄切片機(jī)切成50 —70 nm的切片，醋酸雙氧鈾和檸檬酸鉛雙重染色，最后置于透射電子顯微鏡（Philips, CM100, 荷蘭）下觀察，拍照并做記錄。

1.2.7 熱力學(xué)照相 于植株的不同生育時(shí)期，挑選晴朗白天的早中晚3個(gè)時(shí)間段，使用FLIR ThermaCAMTMS65系列紅外熱像儀拍攝大田不同處理的冠層熱力學(xué)圖片，該攝像機(jī)的波長范圍為7.5—13 mm，可偵測溫度范圍為-40—500℃。選取10—20株水稻劍葉中段溫度，取其平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel軟件整理數(shù)據(jù)，SPSS16.0軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，Sigmaplot 10.0繪圖。

2 結(jié)果

2.1 突變體與野生型葉片葉綠素的含量及吸收光譜

由圖1可知，突變體葉片葉綠素含量顯著低于野生型，在低光強(qiáng)（100 —200 μmol·m-2s-1）處理下，突變體葉片葉綠素含量比野生型降低約73%；在高光強(qiáng)（700—800 μmol·m-2s-1）處理下，比野生型降低約45%。隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，突變體葉片葉綠素含量增加了60%，而野生型品種卻減少20%以上。表明在高光強(qiáng)條件下，可能由于吸收了過多強(qiáng)光，導(dǎo)致野生型品種葉綠體結(jié)構(gòu)的破壞和功能的喪失。野生型品種葉片對(duì)光合有效輻射波段（400—700 nm）的光吸收率顯著高于突變體（圖2），進(jìn)一步證明了這一結(jié)果。

LL：低光處理（100—200 μmol·m-2·s-1）；HL：高光處理（700—800 μmol·m-2·s-1）。圖柱上不同小寫字母表示葉綠素含量在0.05水平上差異顯著。下同

圖2 突變體（YL）與野生型（WT）的吸收光譜

2.2 突變體與野生型光反應(yīng)曲線

雖然突變體葉片葉綠素含量顯著低于野生型，但并沒有抑制其光合速率（圖3）。尤其在高光強(qiáng)的處理下，突變體光合速率顯著高于野生型，在飽和光強(qiáng)（1 000 μmol·m-2·s-1）條件下，經(jīng)過低光強(qiáng)與高光強(qiáng)處理，低葉綠素含量突變體光合值分別比野生型高9.4%和46.5%。野生型在飽和光強(qiáng)（1 000 μmol·m-2·s-1）條件下，高光強(qiáng)處理比低光強(qiáng)處理的光合值降低了19.1%，然而突變體的光合值增加了8.3%（圖3-A和3-B）。這說明野生型在高光強(qiáng)環(huán)境下發(fā)生了光抑制，低葉綠素含量突變體在高光強(qiáng)條件下有優(yōu)勢。

圖3 突變體（YL）與野生型（WT）在不同光照條件下的光反應(yīng)曲線

2.3 突變體與野生型的熒光參數(shù)

由圖4可知，在光照強(qiáng)度為1 000 μmol·m-2·s-1時(shí)，突變體水稻的電子傳遞速率（ETR）、光系統(tǒng)Ⅱ的量子產(chǎn)量（ΦPSⅡ）、光化學(xué)淬滅（）、光下最大光化學(xué)效率（F′v/F′m）顯著高于對(duì)照。隨著環(huán)境光照強(qiáng)度的增加，熒光參數(shù)也出現(xiàn)了一定程度的下降，但并不顯著，野生型的下降幅度更為明顯。這可能與野生型較高的光吸收有關(guān)（圖2），其吸收的光能超出了葉綠體本身的負(fù)荷，使光系統(tǒng)發(fā)生了損傷，導(dǎo)致其電子傳遞速率與光系統(tǒng)Ⅱ效率顯著下降。

A：電子傳遞速率；B：光系統(tǒng)II效率；C：光化學(xué)淬滅；D：光下光化學(xué)效率

2.4 突變體與野生型的超氧陰離子、丙二醛（MDA）含量及超氧化物歧化酶（SOD）活性

植物體內(nèi)氧化應(yīng)激活性氧超氧陰離子極不穩(wěn)定，難以測定，需要二氫溴化乙啶（DHE）特異性染料產(chǎn)生熒光用于觀察[20]。圖5顯示，相較于對(duì)照處理，隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，突變體與野生型的紅色熒光信號(hào)顯著增加，證明其超氧陰離子顯著增多，同時(shí)，低光強(qiáng)處理下，野生型的熒光信號(hào)略高于突變體，隨著光照的增強(qiáng)，這種差異逐漸增大。在高光強(qiáng)環(huán)境下，野生型品種吸收了較多的光能（圖2），但其實(shí)際光系統(tǒng)Ⅱ的效率少于30%，說明只有＜30%的葉片吸收的光能被用于驅(qū)動(dòng)光合電子傳遞，其余一部分過量吸收的能量產(chǎn)生超氧陰離子（圖5-F），導(dǎo)致光抑制。超氧陰離子自由基可以使細(xì)胞的膜相系統(tǒng)發(fā)生脂質(zhì)過氧化[21]，而脂質(zhì)過氧化的結(jié)果導(dǎo)致丙二醛（MDA）的形成。隨著光照強(qiáng)度的增大，突變體與野生型材料葉片丙二醛含量顯著增加，高光照處理下，野生型材料葉片內(nèi)膜脂過氧化的程度顯著高于突變體（圖6-A）。同時(shí)，作為機(jī)體內(nèi)天然存在的超氧自由基清除因子——SOD酶，其活性也隨著光照強(qiáng)度的增加而顯著提高，突變體葉片內(nèi)SOD酶活性顯著高于野生型。

A、B：對(duì)照處理，添加N3Na（O2-清洗劑）；C、D：低光強(qiáng)（LL, 100—200 μmol·m-2·s-1）處理；E、F：高光強(qiáng)（LL，700—800 μmol·m-2·s-1）處理。標(biāo)尺為100 μm

A：丙二醛；B：超氧化物歧化酶

2.5 突變體與野生型水稻的葉綠體超微結(jié)構(gòu)及熒光顯微結(jié)構(gòu)

結(jié)合大田常規(guī)施氮水平（240 kg N·hm-2）下的突變體與野生型水稻的葉綠體超微結(jié)構(gòu)，可以看出二者的葉綠體整體結(jié)構(gòu)無明顯差異（圖7-A與圖7-C），突變體的葉綠體內(nèi)部垛疊緊密而清晰，基質(zhì)片層連接形成連續(xù)的膜體系，而野生型的葉綠體內(nèi)部片層結(jié)構(gòu)模糊，嗜鋨體的數(shù)目增多，這表明類囊體膜系統(tǒng)發(fā)生了一定程度的損傷。

A、C圖中標(biāo)尺為5 μm；B、D圖中標(biāo)尺為1 μm；Th：類囊體；OB：嗜鋨體

隨著光照強(qiáng)度的增加，突變體葉綠素含量增加，野生型葉綠素含量減少（圖8），與圖1結(jié)果一致。高光強(qiáng)條件下，野生型品種葉片維管束間距離（inter-vein distance，IVD）比突變體增加了7.1%，而低光強(qiáng)條件下增加了10.2%。同時(shí)，相較于低光強(qiáng)處理，突變體與野生型葉片在高光強(qiáng)處理下的維管束間距離分別提高了8.0%與5.0%。然而熒光顯微結(jié)構(gòu)中顯示，高光強(qiáng)環(huán)境下的突變體葉片內(nèi)大維管束面積為（11 220.6±120.3）μm2，相較于低光強(qiáng)環(huán)境下的大維管束面積（8 616.3±59.1）μm2，增加30.2%左右。維管束面積和維管束密度的增加，意味著木質(zhì)部更加發(fā)達(dá)，使得突變體的葉片維持較高的水勢，提高葉片的氣孔導(dǎo)度，最終導(dǎo)致突變體具有較高的光合能力。

A、C、E、G：低光強(qiáng)（LL，100—200 μmol·m-2·s-1）處理；B、D、F、H：高光強(qiáng)（LL，700—800 μmol·m-2·s-1）處理。A、B、C、D圖中標(biāo)尺為100 μm；E、F、G、H圖中標(biāo)尺為50 μm。圖中箭頭指向?yàn)榫S管束；IVD：維管束間距離

2.6 突變體與野生型水稻的熱力學(xué)圖像

在水稻生產(chǎn)中，中午氣溫高，光照強(qiáng)度強(qiáng)，冠層溫度高，不利于冠層光合，常常表現(xiàn)為水稻的“光合午休”現(xiàn)象。圖9是一天之中冠層溫度的變化趨勢，可見中午突變體冠層溫度顯著低于野生型，這是因?yàn)槿~綠素含量降低之后，光吸收減少，有益于冠層光合。也可能與其較高的葉片水勢有關(guān)。

A、B：早上9點(diǎn)；C、D：中午1點(diǎn)；E、F：下午5點(diǎn)

3 討論

光合作用是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)總和[22]，因此，單單維持葉片高葉綠素含量并不是提高有效光合速率的必要條件。本研究中相較于野生型，突變體中50%左右的葉綠素吸收了80%以上的光能（圖1與圖2），單位葉綠素吸收的光能上升，這表明野生型水稻葉綠素含量過量[23]。Yin等[24]研究表明C3作物光能利用效率只有2.2%，這意味著植物實(shí)際用于光化學(xué)反應(yīng)的能量只有一小部分，大部分甚至需要通過熱耗散、熒光等保護(hù)機(jī)制來消除[25-26]（圖5）。

早有研究表明過量的光吸收會(huì)對(duì)植物造成潛在的傷害，這是因?yàn)閺?qiáng)光會(huì)抑制光合作用，降低最大光合速率（圖3-B），發(fā)生光抑制現(xiàn)象[27-28]。光抑制的機(jī)理主要表現(xiàn)為2個(gè)方面：（1）光合機(jī)構(gòu)的破壞，（2）熱耗散的增加[29-30]。較多研究[30-31]已經(jīng)證明光抑制對(duì)于光合結(jié)構(gòu)破壞的主要部位在PSⅡ，主要指PSⅡ反應(yīng)中心復(fù)合體中核心組分D1蛋白的破壞、降解和凈損失，具體表現(xiàn)為熒光產(chǎn)額與電子傳遞活性的大幅度下降。但事實(shí)上，PSⅠ與PSⅡ均容易受到光抑制傷害[32-34]。由于產(chǎn)物和反應(yīng)物之間存在巨大的氧化還原電勢差，以及一些激發(fā)態(tài)中間產(chǎn)物的生成，所以光化學(xué)反應(yīng)過程中就會(huì)產(chǎn)生活性氧族（ROS）或氧化性較強(qiáng)的分子，例如梅勒反應(yīng)的產(chǎn)物——超氧陰離子自由基（O2-）[35]，對(duì)PSⅠ的抑制主要來自于在其附近產(chǎn)生的活性氧族。本試驗(yàn)中，野生型品種在高光處理下超氧陰離子的濃度顯著增加，然而作為專職保護(hù)PSⅠ的活性氧清除機(jī)制——SOD酶的增量并不足以抵消由于活性氧增加而帶來的損傷，這可能是造成野生型品種電子傳遞速率顯著下降的原因之一。與本試驗(yàn)的結(jié)果一致，Ort等[36-37]提出通過降低植物葉片中葉綠素（如天線色素、反應(yīng)中心色素）的含量，而減少光抑制，提高光合。Melis等[38-39]在綠藻中通過突變減小葉綠素含量，從而緩解光抑制，提高了3倍光合效率。

諸多研究[40-42]已表明在各種營養(yǎng)條件充足的前提下，飽和光下的光合速率主要受暗反應(yīng)中固碳作用的影響，而不是電子傳遞速率。那么，在不改變Rubisco酶含量與活性的前提下，改善葉綠體內(nèi)CO2濃度就是提高光合速率的最有效途徑[43]。在本試驗(yàn)中，相較于野生型，突變體具有更為密集的維管束結(jié)構(gòu)，更大的維管束面積，有利于維持較高的葉片水勢，提高氣孔導(dǎo)度（圖8）。同時(shí)，突變體具有一定的冠層溫度緩沖能力，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)劍葉溫度維持在光合適宜的溫度范圍內(nèi)，減少夏季正午時(shí)分由于高溫而引起的光合“午休”現(xiàn)象，提高氣孔開放時(shí)間（圖8）。

4 結(jié)論

在高光強(qiáng)條件下，適當(dāng)降低葉綠素含量，有利于緩解因過量光吸收而導(dǎo)致的活性氧的產(chǎn)生以及對(duì)光系統(tǒng)的破壞，緩解光抑制，提高光系統(tǒng)Ⅱ光電轉(zhuǎn)化效率與光合電子傳遞效率，提高光合能力。同時(shí)降低葉綠素含量可以降低午間高光強(qiáng)下冠層溫度，有利于冠層光合。葉綠素含量降低突變體在高光效育種中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯 李莉）

Effects of reduced chlorophyll content on photoinhibition and photosynthetic electron transport in rice leaves

Zhou Zhen-xiang, Li Zhi-kang, Chen Ying, Wang Zhi-qin, Yang Jian-chang, Gu Jun-fei

(College of Agriculture, Yangzhou University/Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops of Jiangsu Province, Yangzhou 225009, Jiangsu)

【Objective】The chlorophyll content of a chlorophyll-deficit rice mutant (YL) is significantly lower than its wild type (WT), but its photosynthetic electron transport rate and net photosynthetic rate are significantly higher than its WT. The aim of this study is to understand the physiological basis, and its potential use in high photosynthetic efficiency breeding was prospected.【Method】A pot experiment in the climate chamber at high light intensity (HL) and low light intensities (LL), and a field experiment were conducted. Chlorophyll fluorescence, the concentration of super oxygen anion and malodialdehyde, superoxide dismutase activity, light fluorescent and electron micrographs, canopy temperature were investigated. 【Result】 The results show that the chlorophyll content was significantly lower in the mutant than its WT, and the light treatment had different effects on chlorophyll content in the mutant and its WT. When compared the HL and LL treatments, the chlorophyll content was increased by 60% in the mutant, but decreased by 20% in the WT. The light response curves showed that the mutant has a higher photosynthetic capacity than its WT. At the irradiance of 1 000 μmol·m-2·s-1, the photosynthetic rate was 46.5% and 9.4% higher in the mutant than its WT, in HL and LL treatments, respectively. The chlorophyll fluorescence measurements indicate that the photosynthetic electron transport rate (ETR), photosystem Ⅱ efficiency (ΦPSⅡ), photosynthetic quenching (), and maximum efficiency of open photosystem Ⅱ in the light (F′v/F′m) were significantly higher in mutant than its WT. The content of oxygen anion and malondialdehyde were higher in WT than the mutant, especially in HL treatment, indicating photoinhibition in WT. The electron micrographs and light fluorescent micrographs of the mutant and its WT indicated that the chloroplast was to some extent harmed. The inter-vein distance was also found larger in WT than in the mutant, and the area of vascular bundle is smaller in WT than in the mutant, indicating a better water status in mutant than in its WT. The thermal image indicated that the canopy temperature was significantly lower in mutant than in its WT at noon with high irradiance. All the results suggested that the high chlorophyll content in the WT excessively absorbed light energy, causing photoinhibition (high oxygen anion and malondialdehyde content, reduced photosystem Ⅱefficiency and decreased SOD activity), and had a lower photosynthetic rate than the mutant. The excessively absorbed light energy also contributed the higher canopy temperature in WT than in mutant, which is adverse for canopy photosynthesis.【Conclusion】All these results implicate that selecting for moderate chlorophyll content in breeding would help avoiding the generation of reactive oxygen species and alleviating the photoinhibition, improving photosynthesis, especially at noon under high solar radiation.

rice; photosynthetic rate; chlorophyll; chlorophyll fluorescence; photoinhibition

2016-03-18；接受日期：2016-06-27

國家“973”計(jì)劃（2015CB150400）、國家自然科學(xué)基金（31501254，31371562）、江蘇省自然科學(xué)基金（BK20140480）、中國博士后基金（2014M550312，2015T80590）、江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目

周振翔，E-mail：zhouzhenxiang91@163.com。通信作者顧駿飛，Tel：0514-87979317；E-mail：gujf@yzu.edu.cn