1、1杂交水稻早衰机理研究进展姓名：汪湲学号：M070560导师：梁建生摘要：综述了水稻早衰机理的研究进展，包括叶片早衰过程中光合作用、叶绿素含量、蛋白质含量、根系、抗氧化系统等生理生化指标与水稻早衰关系的研究，以及外源激素对水稻叶片早衰的调控。并对今后的研究方向进行了展望与讨论。关键词：水稻；早衰；光合作用；抗氧化系统；外源激素1 引言衰老是植物体生命周期的最后阶段,是植物在长期进化过程中形成的适应性,具有重要的生物学意义。但在农业生产中,作物的过早衰老往往导致减产。据理论推算 ,水稻叶片每推迟 1 d 衰老 ,可使水稻增产 2 % ，实际可增产 1%左右。因此 ,推迟作物衰老启动期或延缓衰老,
2、尤其是防止其早衰发生对提高作物产量具有重要意义。近年来,水稻早衰现象日益引起人们的关注。水稻早衰是指水稻在抽穗结实到未成熟前，叶片机能未老先衰，致使功能叶片提早衰退枯黄的现象。其主要表征是：在水稻抽穗期到成熟期,植株内部生理功能失调,叶片的生理活动受到障碍,叶绿素解体,根系生理活性减弱 。在乳熟期叶片开始自下而上衰枯，绿叶数急剧下降，病株叶色最初呈橘黄色或棕色，以后逐渐枯黄，叶尖灰白枯死，叶薄而弯曲，远看一片枯焦。同时，茎秆失绿变软，削弱了功能叶片的光合量，减少了灌浆物质来源，以致稻穗后半部灌浆不饱满，瘪粒增多，千粒重显著下降，从而影响产量和品质。水稻产量是由多种因子所决定的 ,水稻生长后期叶
3、片早衰是产量的限制因素之一 。曾富华等人发现,叶片和根系早衰是造成一些水稻品种结实率偏低、空秕率较高的主要原因,严重抑制了其产量潜力的充分发挥 ；还有研究表明,根系和叶片早衰主要影响弱势粒的灌浆,弱势粒的灌浆是影响结实率的主要因素 。由于水稻叶片衰老会导致光合作用的下降,而水稻籽粒 2/3 以上的干物质是开花后通过光合作用获得的 ,因此,水稻叶片在结实期间衰老快慢会严重影响结实率及水稻产量。总之,目前的研究普遍认为功能叶片早衰会导致其丧失光合功能和同化作用,显著减弱干物质的积累 ,严重影响籽粒灌浆结实 ,进而对水稻的产量与米质带来不利影响。因此，研究水稻叶片早衰的生理指标,探讨相应的防止对策,
4、对挖掘水稻的产量潜力以及指导育种等研究都有极其重要的意义。2 水稻早衰生理研究2.1 光合生理水稻籽粒积累的干物质大部分都来自叶片光合作用合成的碳水化合物 ,水稻光能利用率的高低及水稻光合功能的强弱与水稻的产量密切相关。不同水稻品种对衰老的抗性不同 ,必2然导致其叶片光合能力的极大差异。因此 ,对不同水稻品种不同生理期光合速率的研究有助于对水稻衰老机理进行探讨。张其德等 认为杂交水稻光合系统的电子传递活性较高。在正常情况下 ,叶片中的光合系统通过光合电子束传递生成光合还原物质 ,供应叶绿体的碳、氮同化以及 Mehler 反应 ,能量的供求关系处于匹配的动态平衡之中 ,光合机构运转正常。但是在发
5、生衰老的水稻植株中 ,由于叶片羧化酶活性下降较快 ,打破了能量供需平衡 ,使光合碳循环消耗的 ATP 和 NADPH 减少 ,叶绿体中电子受体 NADP+ 匮乏 ,还原态 Fd将电子传递给 O2 形成 O-2 ,自由基链反应产生的多种活性氧自由基如过氧化氢、羟自由基和单线态氧能抑制 PS 电子传递链的活性 。目前人们对水稻早衰与光合速率关系的研究很多 ,但对不同基因型水稻品种以及对早衰抗性不同的水稻品种的光合产物在植株内的转运和分配关系研究不多。严建民等 利用 14C 同位素示踪技术研究了两优培九、优 162 和汕优 63 等几个早衰抗性不同的水稻品种的光合特性及其生理机制和光合作用产物的转运
6、分配特性。结果表明 ,对早衰抗性不同的水稻品种在光合产物的形成、转运和分配上差异显著。2.2 叶绿素、蛋白质含量叶绿素是吸收光能的主要色素,叶绿素的迅速丧失是影响叶片吸收光能从而导致光合速度下降的一个重要因素 。Leshem 等 （10） 研究指出 ,叶片衰老最明显的表现是叶绿素逐渐消失 ,并伴随着黄化及叶片的最终脱落。聂先舟等 报道 ,水稻离体叶片随着离体天数的增加 ,叶绿素含量下降 ,衰老加剧。从衰老过程中叶绿体超微结构的变化可以看出 ,叶绿体随叶龄增加而逐渐解体。因而有人提出叶绿素分解是衰老原发过程及衰老的主要标志。Biswas 等研究水稻衰老时指出 ,水稻叶片中叶绿素和蛋白质含量的下降
7、可作为衡量水稻叶片衰老的主要指标。水稻开始衰老时 ,叶绿素含量下降 ,而且叶绿素 a 比叶绿素 b 下降得快 ,叶绿素 a/ b 值可作为衰老的指标。衰老程度越重 ,叶绿素含量越低。蛋白质在成熟组织中处于相对稳定的代谢平衡状态 ,因此细胞组织的稳定状态是由合成和分解的平衡系统维持的 （11） 。吴光南等指出 ,蛋白质降解是叶片衰老的基本特征。水稻叶片在抽伸过程中 ,叶绿素和蛋白质含量均增加 ,抽伸完时达到最高值 ,然后在衰老过程中下降 ,证实了蛋白质合成和降解是叶片生长和衰老的基本特征。宋松泉等 （12） 以杂交水稻离体叶片为试验材料 ,结果表明 ,随着离体叶片的衰老 ,叶片中氨肽酶和内肽酶活
8、性显著增加 ,从而导致蛋白质的水解作用加强 ,可溶性蛋白质含量下降。衰老过程中蛋白水解酶的比活度增加 150 %以上。 Ray 等 （13） 用整体水稻叶片进行试验 ,结果表明 ,随着叶片衰老 ,蛋白水解酶的活力增加。但是 ,Biswas 等 （14） 对整体水稻叶片的研究发现 ,倒 2 叶和倒 3 叶蛋白水解酶活力并不与蛋白质含量下降成比例。由于叶片衰老过程中蛋白质呈逐渐稳定下降趋势 ,因此蛋白质含量下降可以作为叶片衰老的标志。2.3 根系生理蔡永萍等 （15） 研究了杂交水稻和常规水稻开花后旗叶衰老、根系活力及产量形成的关系 ,结果表明:杂交水稻和常规稻开花后旗叶和根系的衰老指标变化关系十
9、分密切 ,根系伤流强度下降 ,伤流液中氨基酸含量也下降。另外 ,根系早衰导致旗叶光合速率下降 ,籽粒增重缓慢 ,结实率偏低。与常规稻相比 ,杂交水稻生育后期根叶衰老快。吴伟明等 （16） 从3水稻根系形态学的角度研究了水稻根系与叶片衰老的关系。对超级杂交稻协优 9308、两优培九等 300 个常杂品种的研究表明 ,水稻根系生长过程中伴随的根穿鞘现象影响叶片衰老进程 ,根穿鞘生对叶片造成的损伤及营养竞争是导致和加速叶片衰老与死亡的直接原因;高节位根生长和根数量过多是导致杂交水稻叶片早衰的重要原因。2.4 活性氧、自由基植物生育后期体内产生的活性氧、自由基增加及其清除系统能力的降低,机体内产生的活
10、性氧不能被及时清除,造成对细胞及组织的损害,是导致植株衰老的主要原因 。自由基广泛存在于自然界中 ,外界诱导和体内代谢过程中都会产生自由基。由于长期适应的结果 ,植物体内形成了一套消灭自由基的防御酶系统 ,在植物的衰老过程中 ,它们对自由基的清除能力是显著下降的 。超氧化物歧化酶 （SOD） 、过氧化氢酶 （CAT） 、过氧化物酶 （POD） 是细胞内自由基清除系统中的关键酶 。胡一鸿等 （17） 的试验结果表明 ,杂交水稻威优 35、威优 49 等品种的生育末期 SOD 和 Vc 的含量的水平变化与水稻早衰有较强的相关性。试验证明:在发生早衰的水稻植株内 ,叶片中超氧化物歧化酶活性和过氧化氢
11、酶活性呈下降趋势 ,脂质过氧化产物丙二醛（MDA）含量呈上升趋势。3 外源激素对水稻早衰的影响目前研究比较广泛的植物激素主要是生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸与乙烯。研究发现 ,前 3 种激素能明显抑制水稻叶片的早衰 ,后 2 种激素则能促进水稻叶片的衰老 。李柏林等 （18） 研究认为 ,细胞分裂素是作为自由基清除剂而延缓叶片衰老的 ,同时也抑制 CAT 和 SOD 的活性 ,减少 MDA 的积累量 ,并使自动氧化率下降。试验表明 ,6 - BA、GA 均能减缓水稻生育后期旗叶叶绿素和蛋白质的丧失 ,抑制 POD 活性的下降和 MDA 的积累 ,在一定程度上能延缓功能叶的衰老 ,有利于籽粒
12、灌浆 ,提高水稻的产量和品质。6 - BA 的效果要优于 GA ,且 6- BA 喷施浓度以 4050 mg/L 为宜 ,一般以始穗期 20 - 21 22 喷施为最佳 。曾富华等 （19） 用杂交水稻早衰组合威优 49 和威优 35 于始穗期和齐穗期分别喷施赤霉素后发现 ,GA 对杂交水稻叶绿素含量和空秕率的影响与对 SOD 和 POD 活性的影响存在明显的相关性。GA 使 SOD 活性及 POD 活性增高 ,使空秕率显著降低 ,对早衰组合的影响大于后健组合 ,特别是对早衰组合将趋老的叶片影响更大 ,从而使早衰组合齐穗后剑叶中的 SOD 活性和 POD 活性仍维持在较高水平。4 展望早衰是限
13、制杂交水稻产量和品质的重要因素。科学界很早就展开了对水稻早衰机理和调控的研究 ,但目前关于水稻早衰机理的研究还停留在假说或推测的基础上 ,所以研究杂交水稻的早衰 ,探明其早衰的原因 ,找到延缓早衰的方法与措施具有重要意义。杂交水稻早衰是一个复杂的生理过程 ,除受遗传因素影响外 ,外部环境因素也可诱导早衰。如水肥条件、温度、光照强度等其它胁迫条件 。总之 ,水稻早衰受内外部因素综合调控 ,其内部调控起主导作用 ,外部因素起支配作用 ,但各因素之间不是孤立的 ,是相互联系、相互影响的 ,两种因素共同调控衰老过程。4对水稻早衰的研究在近几年取得了很大进展 ,但目前的研究主要集中在生理学层面 ,对水稻
14、早衰的分子生物学方面的研究不多。笔者认为 ,对水稻早衰的研究应该重点加强水稻叶片早衰相关基因表达与调控机制的研究 ,只有从分子生物学和基因工程基础上研究 ,才能从根本上解决杂交水稻早衰的内部因素 ,为优质抗早衰杂交水稻品种选育提供理论依据。5 参考文献1姚余,余德如. 两优培九早衰原因及对策探讨 J. 安徽农业科学,2001,29（2） :140143.2曾富华,罗泽民. 赤霉素对杂交水稻生育后期剑叶中活性氧清除剂的影响J. 作物学报,1994,20（3）:347350.3陆定志. 叶片衰老及其调节控制. 植物生理生化研究进展（第二册）M. 北京:北京科学出版社,1983. 2052.4王彦荣
15、,华泽田,陈温福,等. 粳稻根系与叶片衰老的关系及其对籽粒灌浆的影响J. 作物学报,2003,29（6）:892898.5朱诚,傅亚萍,孙宗修.超高产水稻开花结实期间叶片衰老与活性氧代谢的关系J. 中国水稻科学,2002,16（4）:326330.6张其德,卢从明,张启峰,等.几种杂交组合杂交稻及其亲本光合特性的比较研究 J 1 植物生理学报,1996 ,12（3）:511 51617严建民.重穗型杂种稻光合特性及其超高产光合生理指标的探讨 D 1 南京:南京农业大学,200218许卫锋,梁建生,陈云,等.不同基因型水稻抽穗后衰老进程比较研究J. 垦殖与耕作,2003（4）:1517.9聂先舟
16、,刘道宏,徐竹生 1 水稻旗叶脂质过氧化作用与叶龄及 Ni2+ ,Ag+的关系 J 1 植物生理学通讯,1989 ,（2）:32 34110Leshem Y Y. Oxygen free radicals and plant secenence J 1WheatsNew in Plant Physiol ,1981 ,12:1 4111梁建生,曹显祖.杂交水稻叶片的若干生理指标与根系伤流强度关系 J . 江苏农学院学报,1993 ,14（4） :25 - 30.12宋松泉,苏卫珍,袁晓南 1 杂交水稻离体叶片衰老与蛋白代谢的关系 J 1 中山大学学报论丛.1995 ,（1）:20 - 2311
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18、4561515蔡永萍,左震东,杨其光.杂交稻开花后根系活力与旗叶衰老和产量形成的关系 J 1 中国农学通报,1998 ,（14）17 20116吴伟明,王一平,赵 航,等.水稻不定根的穿鞘现象及其与叶片衰老的关系 J 1 中国农业科学,2005 ,38（3）:474 - 479117胡一鸿,刘刚毅.SOD 活性与 VitC 含量的变化与杂交水稻叶片抗早衰的关系 J . 常德师范学院学报,2001 ,13（2）:70 72118李柏林,梅慧玉.燕麦叶片衰老与活性氧代谢的关系 J 1 植物学报,1989 ,15（1）:6 12119曾富华,罗泽民.赤霉素对杂交水稻生育后期剑叶中活性氧清除剂的影响
19、J . 作物学报,1994 ,20（3）:347 - 351.6补充：1.光合作用的电子传递总是与光合磷酸化相偶联的。因此，杂交稻具有较高的电子传递速率，不仅有利于与之相偶联的磷酸化形成更多 ATP，而且有利于形成更多的 NADPH，因为非环式的电子传递链(Z 链)是以NADP+为最终电子受体的，当它接受来自 Z 链的电子时，便可被还原为 NADPH。ATP 和 NADPH 供应充足，可促进光合碳同化的进行，增加干物质的积累，为杂交稻的高产稳产奠定良好的物质基础。2.光合电子传递的主要载体有:质体醌(PQ);细胞色素 b6(Cyt.b6);质蓝素(PC);铁氧还素(Fd)和 Fd-NADP还原
20、酶(FNR)。3.NAD+和 NADP+： 即 烟 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 （ NAD+， 辅 酶 ） 和 烟 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核 苷 磷 酸（ NADP+， 辅 酶 ， 是 NADPH 的 氧 化 形 式 ） 。NADPH 是 在 光 合 作 用 光 反 应 阶 段 中 水 光 解 过 程 中 被 还 原 的 ， 后 作 为 还 原 剂 作 用 于 暗 反 应 ，NADP+和 ADP 在 光 反 应 中 被 还 原 成 NADPH 和 ATP， 然 后 进 入 暗 反 应 （ 卡 尔 文 循 环 ） ， 再 在 暗 反 应 中 被氧 化 为 ADP 和 NADP+， 重
21、新 进 入 光 反 应 ， 构 成 一 个 循 环 。 具 体 内 容 见 光 合 作 用 。4.光合电子传递链“Z“方 案 (“Z“ scheme)， 即 电 子 传 递 是 在 两 个 光 系 统 串 联 配 合 下 完 成 的 ， 电 子 传 递 体 按 氧 化 还 原 电 位高 低 排 列 (表 4-2)， 使 电 子 传 递 链 呈 侧 写 的 “Z“形 .(1)电 子 传 递 链 主 要 由 光 合 膜 上 的 PS 、 Cyt b /f、 PS 三 个 复 合 体 串 联 组 成 。 (2)电 子 传 递 有二 处 是 逆 电 势 梯 度 ， 即 P680 至 P680*， P7
22、00 至 P700*， 这 种 逆 电 势 梯 度 的 “上 坡 “电 子 传 递 均 由 聚光 色 素 复 合 体 吸 收 光 能 后 推 动 ， 而 其 余 电 子 传 递 都 是 顺 电 势 梯 度 进 行 的 。 (3)水 的 氧 化 与 PS 电子 传 递 有 关 ， NADP 的 还 原 与 PS 电 子 传 递 有 关 。 电 子 最 终 供 体 为 水 ， 水 氧 化 时 ， 向 PS 传 交 4个 电 子 ， 使 2H2O 产 生 1 个 O2 和 4 个 H+。 电 子 的 最 终 受 体 为 NADP+。 (4)PQ 是 双 电 子 双 H+传 递 体 ，它 伴 随 电
23、子 传 递 ， 把 H+从 类 囊 体 膜 外 带 至 膜 内 ， 连 同 水 分 解 产 生 的 H+一 起 建 立 类 囊 体 内 外 的 H+电 化 学 势 差 ， 并 以 此 而 推 动 ATP 生 成 。根 据 电 子 传 递 到 Fd 后 去 向 (图 4-10)， 将 光 合 电 子 传 递 分 为 三 种 类 型 。 1.非 环 式 电 子 传 递 (noncyclic electron transport) 指 水 中 的 电 子 经 PS 与 PS 一 直 传 到NADP 的 电 子 传 递 途 径 。 传 递 过 程 如 下 ： H O PS PQ Cyt b /f PC
24、 PS Fd FNR NADP (4-22)按 非 环 式 电 子 传 递 ， 每 传 递 4 个 e-， 分 解 2 个 H2O， 释 放 1 个 O2， 还 原 2 个 NADP+， 需 要 吸收 8 个 光 量 子 ， 量 子 产 额 为 1/8， 同 时 转 运 8 个 H+进 类 囊 体 腔 。 2.环 式 电 子 传 递 (cyclic electron transport) 通 常 指 PS 中 电 子 由 经 Fd 经 PQ， Cyt b6/f PC 等 传 递 体 返 回 到 PS 而 构 成 的 循 环 电 子 传 递 途 径 。 即 ： PS Fd PQ Cyt b /f
25、 PC PS (4-23)环 式 电 子 传 递 不 发 生 H2O 的 氧 化 ， 也 不 形 成 NADPH， 但 有 H+的 跨 膜 运 输 ， 每 传 递 一 个 电 子 需 要吸 收 一 个 光 量 子 。 也 有 人 认 为 ， PS 中 也 存 在 着 循 环 电 子 传 递 途 径 ， 其 电 子 是 从 QB 经Cytb ， 然 后 再 回 到 P680。 3.假 环 式 电 子 传 递 (pseudocyclic electron transport) 指 水 中 的 电 子 经 PS 与 PS 传 给Fd 后 再 传 给 O 的 电 子 传 递 途 径 ， 这 也 叫 做
26、 梅 勒 反 应 (Mehler s reaction)。 H O PS PQ Cyt b /f PC PS Fd OFd 为 单 电 子 传 递 体 ， 其 氧 化 时 把 电 子 交 给 O2， 使 O2 生 成 超 氧 阴 离 子 自 由 基 。 Fd 还 原 + O2 Fd 氧 化 + O27叶 绿 体 中 有 超 氧 化 物 歧 化 酶 (superoxide dismutase， SOD)， 能 消 除 O2 - 。 O2 - + O2 - + 2H2 SOD 2H2O2 + O2假 环 式 电 子 传 递 的 结 果 造 成 O 的 消 耗 与 H2O2 的 生 成 。 假 环 式 电 子 传 递 实 际 上 也 是 非 环 式 电 子传 递 ， 也 有 H+的 跨 膜 运 输 ， 只 是 电 子 的 最 终 受 体 不 是 NADP 而 是 O 。
