2012-超级稻叶片光合特性和根系生理性状与产量的关系-作物学报

本研究由国家自然科学基金重大国际合作交流项目(31061140457)，国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD16B14)，江苏省基础 研究计划项目(BK2009005)，2011 年中央级科研院所基本科研业务费专项基金项目(农业) (201103003)和江苏省高校优势学科建设工程 资助项目资助。 * 通讯作者(Corresponding author): 杨建昌, E-mail: jcyang@ 第一作者联系方式: E-mail: fujing8210@ Received(收稿日期): 2011-12-14; Accepted(接受日期): 2012-04-16; Published online(网络出版日期): 2012-05-11.
超级稻叶片光合特性和根系生理性状与产量的关系
付 景 陈 露 黄钻华 王志琴 杨建昌*
扬州大学 / 江苏省作物遗传生理重点实验室, 江苏扬州 225009
摘 要: 为阐明超级稻产量形成机制, 以 4 个超级稻品种[两优培九和 II 优 084 (杂交籼稻)、淮稻 9 号和武粳 15 (粳 稻)]为材料, 2 个高产品种[汕优 63 (杂交籼稻)和扬辐粳 8 号(粳稻)]为对照, 观测了不同生育时期叶片光合性状和根系 生理性状的变化特点。结果表明, 4 个超级稻品种的平均总颖花量和产量较两个对照品种分别高出 43.5%和 16.1%, 但 超级稻的结实率较对照品种低 15.3 个百分点。超级稻品种在生育前期叶片中叶绿素 a 含量、叶绿素 b 含量、总叶绿 素含量、类胡萝卜素含量、光合速率、蒸腾速率、气孔导度和根系中单位干重根系活力、每株根系活力、总根系吸 收面积、活跃吸收面积和比表面积均高于对照品种, 而在生育后期以上性状指标下降速率大于各自对照品种, 直至齐 穗后 20 d 前以上性状指标均小于各自对照品种。说明超级稻强大的产量库容与其生育前中期较强的叶片光合能力和 较好的根系生理性状密切相关, 生育后期叶片光合能力和根系生理活性下降快导致其结实率下降, 从而限制了其产 量潜力的发挥。提高生育后期特别是结实后期根系生理活性是进一步提高超级稻产量的重要途径。 关键词: 超级稻; 叶片光合特性; 根系生理性状; 籽粒灌浆; 产量
URL: /kcms/detail/11.1809.S.20120511.1539.019.html
第7期
付 景等: 超级稻叶片光合特性和根系生理性状与产量的关系
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超级稻品种是通过理想株型塑造与杂种优势利 用相结合选育的单产大幅度提高、品质优良、抗性 较强的新型水稻品种[1], 有着巨大的增产潜力[2-3]。 据预测, 到 2030 年我国人口将达 16 亿, 届时即使耕 地面积不减少, 粮食作物综合生产能力仍需提高 55%才能基本满足吃饭之需。在新增粮食产量中, 水 稻将占 40%以上[4]。为保证粮食安全, 我国于 20 世 纪 90 年代中期启动了超级稻育种计划, 截至 2011 年 4 月前, 全国认定的超级稻品种达 83 个, 一批优质的 超级稻新品种已经广泛应用于生产。国内外对于超 级稻的遗传基础、生理特征、栽培技术等进行了研 究并均取得了较大进展[5-14]。但是, 关于超级稻根系 生理性状及其与叶片光合特性相互关系以及该关系 对产量影响的研究还较少[15-16]。水稻根系是固定植 株、吸收养分水分、合成氨基酸和细胞分裂素等激 素的器官, 与地上部保持着一定的形态与机能的平 衡[17], 根系活力是稳定形成水稻地上部高生物量和维 持生育后期叶片高光合速率, 获得高产的保证[18-19]。 因此, 研究超级稻叶片光合特性和根系生理性状, 对于认识超级稻产量形成机理有重要意义。本试验 测定了超级稻品种不同生育期叶片光合和根系生理 性状, 并分析了根-冠性状与产量形成的关系, 以进 一步阐明超级稻高产的生理基础, 为超级稻育种和 栽培提供理论依据。
化钾(含 K2O 62.5%) 225 kg hm−2。水分管理等按常 规高产栽培, 全生育期严格控制病虫草害。 1.3 测定内容与方法 1.3.1 叶片光合特性的测定 分别于分蘖中期、 穗分化始期、齐穗期、齐穗后 10、20、30 d, 各品 种随机取最上部全展叶 10 片混合测定光合色素[20]和 丙二醛(MDA)含量[21]及过氧化氢酶(CAT)[22]、超氧 化物歧化酶(SOD)[23]和过氧化物酶(POD)[22]活性。选 择晴朗无风的上午, 各品种随机选取 6 株, 于 9:00 采用美国 LI-COR 公司生产的 LI-6400 便携式光合测 定仪测定稻株最上部全展叶的净光合速率、蒸腾速 率、气孔导度和胞间 CO2 浓度。叶室 CO2 浓度为 380 μmol mol−1, 使用红蓝光源, 光量子通量密度(PFD) 为 1 400 μmol m−2 s−1, 温度为 28~30℃。 1.3.2 根系生理性状的测定 与测定叶片光合特 性相同时期取样测定。为了确保取样的代表性, 在 取根前考察每个小区 50 穴植株的分蘖数, 按照平均 茎蘖数取 6 穴植株, 剪掉地上部分(用于测定叶面积 和地上部生物量)后用自制取根器取根(每穴以稻株 基部为中心, 挖取 20 cm × 20 cm × 20 cm 的土块), 装于 70 目的筛网袋中, 先用流水冲洗, 然后用农用 压缩喷雾器将根冲洗干净, 其中 2 穴用于测定根干 重, 2 穴采用甲烯蓝蘸根法[24]测定根系总吸收表面 积、活跃吸收表面积和比表面积等, 另外 2 穴用于 测定根系单位根干重的 α-NA 氧化力[25]和根系激素。 根系中激素的提取、纯化和定量分析参照陈远平[26] 的高效液相色谱法并作改进: 用石油醚萃取去除样 品中的叶绿素和脂肪等物质, 经 Sep-Pak C18 柱过滤 以 减 少 样 品 中 杂 质 ; 色 谱 条 件 改 用 Dubhe C18 4.6×250, 5 μm, 流动相为 5% (V/V)乙腈、50% (V/V) 甲醇、0.6% (V/V) 冰乙酸, 流速为 0.8 mL min−1, 采 用梯度洗脱法, 检测波长 254 nm; 柱温 30℃, 进样 量 20 μL。样品回收率为 85.5%±2.6%, 每一个样品 至少重复 4 次。以外标法定量。 1.3.3 考种与计产 取成熟期各小区 50 穴考察 每穴穗数, 10 穴观察结实率(水漂法, 沉入水底者为 饱粒)和千粒重。按实收各小区计产。 1.4 数据处理
Relationship of Leaf Photosynthetic Characteristics and Root Physiological Traits with Grain Yield in Super Rice
FU Jing, CHEN Lu, HUANG Zuan-Hua, WANG Zhi-Qin, and YANG Jian-Chang*
Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology of Jiangsu Province / Yangzhou University, Yangzhou 225009, China
Abstract: The success in super rice breeding has been considered as a great progress in rice production in China. This study aimed to understand the mechanism underlying the yield formation of super rice. Four super rice cultivars, Liangyoupeijiu and IIyou 084 (indica hybrids), Huaidao 9 and Wujing 15 (japonica), and two elite check cultivars, Shanyou 63 (indica hybrids) and Yangfujing 8 (japonica), were grown in field. Leaf photosynthetic characteristics and root physiological traits were investigated at different growth stages. The results showed that average total spikelet number and grain yield of the four super rice cultivars were 43.5% and 16.1%, respectively, more than those of two elite check cultivars, but the seed-setting rate of the four super rice cultivars was low 15.3% than that of the two elite check cultivars. The contents of chlorophyll a and b, total chlorophyll (a+b) and carotenoid, photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductance of leaves, and specific root oxidation activity, root oxidation activity per plant, total root absorption area per plant, root active absorption area, specific surface area were higher in super rice than in elite check cultivars at earlier growth stages, while those traits decreased more quickly in super rice cultivars than in check cultivars at latter growth stages, and lower in super rice than in check cultivars up to 20 days after full heading. The results suggest that stronger leaf photosynthetic capacity and root activity during the early and mid-growth periods contribute to greater yield sink capacity of super rice, while the rapid decline of leaf photosynthetic capacity and root physiological activity at the late growth stage results in poor grain filling, and consequently, limits yield potential of super rice. Enhancing root physiological activity at late growth stage, especially during the grain filling period would be an important approach for super rice to further increase grain yield. Keywords: Super rice; Leaf photosynthetic characteristics; Root physiological traits; Grain filling; Grain yield