不同水稻品种间光合特性的差异及其机理研究

摘要

随着人口逐渐增长和土地面积逐渐下降，提高作物产量尤其是水稻的产量对于保障粮食安全至关重要。过去几十年，水稻产量的提高主要取决于光能截获率和收获指数的增加，但是光能利用率和光合作用并没有显著地增加。因此，提高叶片光合作用是未来进一步促进水稻增产的主要途径之一。叶片光合作用主要取决于叶片氮素含量(Narea)、CO2传输能力、叶片结构特性和光合产物的利用等因素。农学家们非常重视作物养分状况，尤其是植株氮素含量，但是对CO2传输能力的重视程度较低。比叶重(SLW)是常用的衡量叶片结构的重要指标之一，能够显著影响Narea和CO2传输能力。但是，在谷类作物尤其是水稻中这方面的研究较少。另外，非结构性碳水化合物(NSC)对于提高作物产量和结实率具有重要的意义，而且NSC的快速利用能够有效地减少在叶片中的积累，防止反馈抑制光合作用。然而，目前尚不清楚品种NSC含量是否能够调控叶片的光合效率。
　　本研究的主要目的是①比较品种间光合特性的差异，分析Narea、CO2传输能力、叶片结构和光合产物利用等因素对光合作用的影响，为未来品种改良提供理论基础;②阐明籼稻和粳稻亚种之间光合特性的差异及其内在机理。2013年选用12个水稻品种作为供试材料，包括常规籼稻、杂交籼稻、常规粳稻和杂交粳稻四个品种类型，其中籼稻选用湖北省可大面积推广的品种，而粳稻则是湖北省潜在的适宜品种。设置了低氮(LN)和高氮(HN)两个氮肥处理，于分蘖期和灌浆期测量各品种叶片净光合速率(A)、气孔导度(gs)、SLW、Narea等指标。2014年在2013年试验的基础上从不同品种类型中各选取一个代表品种作为供试材料，设置LN和HN两个氮肥处理，测量了A、gs、gm、Narea、Rubisco酶含量等指标。取得的研究结果如下:
　　1、在分蘖期和灌浆期，两个供氮水平下品种间A与Narea之间均没有显著关系。但是，如果将两个氮处理的数据进行综合分析，品种间A与Narea之间显著正相关（分蘖期，r=0.77***;灌浆期，r=0.62*）。在分蘖期和灌浆期，品种间A与gs、 gm基本都呈现出显著的正相关关系。品种间SLW与Narea呈现显著的正相关关系，但gs、 gm与SLW、Narea均无相关性，这可能是导致A与SLW、Narea无相关性的原因。SLW也与叶片光合氮素利用率(PNUE)呈现出显著的负相关关系，与低氮处理相比，高氮条件下SLW的降低幅度与PNUE的降低幅度呈现良好的负相关关系，同时HN处理下SLW的降低有利于缓解PNUE的下降。
　　2、品种间A、gs、PNUE都存在较大的差异，且进行品种类型间分析发现，籼稻品种的A和PNUE普遍高于粳稻品种。gs和gm基本表现为籼稻品种高于粳稻品种，与A的变化趋势基本一致。SLW表现为籼稻品种低于粳稻品种，与PNUE的变化趋势相反。因此籼稻品种较高的gs、gm和较低的SLW都可能是导致其A和PNUE显著高于粳稻品种的原因。但是Rubisco酶含量、叶片氮素向Rubisco酶分配的比例（Rubisco含量/Narea）与A、PNUE的变化趋势并不一致，这表明叶片Rubisco酶含量以及Rubisco含量/Narea都不是品种间光合特性存在差异的原因。同时灌浆期茎鞘中NSC与PNUE呈现显著的负相关关系，这表明NSC的积累会导致叶片PNUE的下降。

目录

论文说明

声明

摘要

缩写符号列表

1．文献综述

1．1 前言

1．2 光合作用的主要限制因子

1．3 叶片氮含量对光合作用的影响

1．4 CO2传输能力对光合作用的影响

1．4．1 气孔导度

1．4．2 叶肉导度

1．5 其它因素对光合作用的影响

1．5．1 叶片比叶重

1．5．2 非结构性碳水化合物含量

1．6本研究的目的与意义

2．材料与方法

2．1 试验材料

2．2 试验设计及管理

2．3 测定项目和方法

2．3．1 气体交换参数

2．3．2 叶片SPAD值、比叶重和氮含量的测量

2．3．3 Rubisco酶含量的测量

2．3．4 地上部生物量的测量

2．3．5 产量及产量构成因子的测量

2．3．6 茎鞘中非结构性碳水化合物浓度的测定

2．4 数据分析

3．结果与分析

3．1 气象数据

3．2 品种间叶片光合作用以及植株生长的表现

3．2．1 品种间叶片光合作用的表现

3．2．2 品种间叶片比叶重、氮含量和光合氮素利用率的表现

3．2．3 灌浆期品种间茎鞘中非结构性碳水化合物的表现

3．2．4 品种间产量及产量构成因子的表现

3．3 品种间叶片光合作用存在差异的原因分析

3．3．1 品种间叶片净光合速率与CO2传输的关系

3．3．2 品种间CO2传输能力与叶片氮含量、比叶重的关系

3．3．3 品种间CO2传输效率与叶片氮含量、比叶重的关系

3．3．4 品种间叶片光合氮素利用率与叶片氮含量、比叶重的关系

3．4 四个代表品种叶片光合特性的差异分析

3．4．1 四个代表品种光合作用的表现

3．4．2 四个代表品种叶片比叶重、氮含量和光合氮素利用率的表现

3．4．3 四个代表品种叶片Rubisco酶含量及氮素向Rubisco酶分配比例的表现

3．4．4 灌浆期叶片光合氮素利用率与茎鞘非结构性碳水化合物的关系

4．讨论

4．1 CO2传输能力对叶片光合作用的影响

4．2 叶片氮含量对叶片光合作用的影响

4．3 比叶重对叶片光合作用的影响

4．4 茎鞘非结构性碳水化合物浓度对叶片光合作用的影响

4．5 品种间产量及构成因子表现分析

参考文献

致谢