小麦旗叶灌浆过程中光合作用及其籽粒灌浆之间的关系研究

摘要

小麦是我国的重要粮食作物，小麦籽粒产量的形成主要来自小麦旗叶的光合同化产物，但是，小麦籽粒的灌浆时期正好伴随着旗叶的衰老过程，因此，研究小麦旗叶在灌浆期间的光合作用有着重要意义。同时，光合器官也是产生活性氧的重要部位，如何消除衰老叶片中的活性氧，保证衰老旗叶光合作用的进行也有着重要意义。对小麦来说，要获得高产，既要求光合源特别是旗叶有较强的光合物质生产能力，又要求叶片中的光合产物较多地分配到籽粒中去，从而提高粒重和产量。本文对小麦灌浆过程中灌浆特征，衰老旗叶在衰老过程中的叶绿素含量，光合作用，抗氧化代谢以及灌浆过程中旗叶的果糖，蔗糖，淀粉和非结构性碳水化合物进行了较为全面的研究： 1.对五个小麦品种籽粒灌浆过程和灌浆速率的研究表明，小麦灌浆过程中千粒重符合Richards方程，呈S型曲线，都有一个快速灌浆时期(RGFP)，从花后5 d进入快速灌浆时期，灌浆速率呈单峰曲线。不同小麦品种的起始生长势(R0)，最大灌浆速率(Gmax)，灌浆活跃期(D)，到达最大灌浆速率的时间(Tmax)差异显著，它们对小麦产量有直接的影响。 2．灌浆期间叶绿素含量和chl a/b存在着显著性相关。叶绿素含量变化随着灌浆的进行初期和中期变化不大，灌浆后期开始迅速下降，与光合速率的变化规律相似。Chl a/b也随着灌浆的进行呈下降趋势，但是它在灌浆初期有所上升，与此相对应的叶绿素含量在此期间也上升，说明这个时期内小麦旗叶的叶绿素b含量增加，从而引起捕光色素复合体(LHCⅡ)的数量增加。 3．大田小麦灌浆过程中的研究表明，饱和光合速率随着灌浆速率的增加变化不大，说明灌浆初期、中期的净光合速率对灌浆速率的影响不大，但在灌浆后期，随着饱和光合速率降低，灌浆速率也开始降低。这表明在灌浆初期和中期高光合速率有利于光合产物更多地分配给籽粒。气孔导度和胞间CO<,2>浓度的结果表明，小麦在灌浆初期和中期光合作用不受气孔限制的，后期则是受到气孔限制。 4．灌浆过程中旗叶光系统Ⅱ最大光化学效率(Fv/Fm)，光下光系统的光化学效率(Fv’/Fm’)，实际光系统Ⅱ量子效率(φPSⅡ)，光化学焠灭(qP)在灌浆初期和中期保持稳定，而到灌浆晚期急剧下降。非光化学焠灭(qN)在灌浆初期和中期也是几乎没有明显变化，到灌浆晚期迅速上升。这些结果说明衰老叶片中，光系统Ⅱ与叶绿素含量和光合速率降低是同步的。实际光系统Ⅱ量子效率的下降是由于光系统Ⅱ反应中心的关闭和光能热耗散的提高引起的。衰老旗叶中叶绿素含量，饱和光合速率和叶绿素荧光的研究表明，灌浆初期和中期光系统Ⅱ仍然有较完整的功能以继续有效的利用捕获的光能。 5．在灌浆过程中，小麦旗叶的含氮量，总蛋白含量以及Rubisco酶含量都是随着灌浆的进程而逐渐下降。不同小麦品种之间的差异明显。总蛋白含量和Rubisco酶含量开始下降的时间要比光合速率和叶绿素含量开始下降时间早，说明灌浆过程中旗叶类囊体膜组份发生了很大的变化，这可能是由捕光色素复合体(LHCⅡ)的合成或PSⅡ或PSI的降解引起的，导致LHCⅡ数量增加。在小麦灌浆过程中，旗叶衰老主要有两个阶段组成。第一是由激素信号启动的蛋白质含量迅速下降的阶段，这个阶段发生在籽粒进入快速灌浆的时期，主要是由LHCⅡ数量水平的增加引起的，饱和光合速率并不下降，因为小麦叶片中有足够用于进行光合作用的蛋白质积累。第二个阶段是灌浆末期旗叶光合能力迅速下降的时期。因此旗叶中控制蛋白组成的机制与光合作用和叶绿素合成的机制可能是分开的，这样的机制更有利于氮和碳的吸收和利用。 6．在灌浆过程中，抗坏血酸含量以及其与脱氢抗坏血酸比值逐渐增加，谷胱甘肽含量逐渐降低，说明在衰老叶片中，抗坏血酸是主要的活性氧清除剂。 7．对灌浆过程抗氧化代谢中各种酶活性进行测定，包括：脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)，单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)，抗坏血酸过氧化酶(APX)，谷胱甘肽还原酶(GR)，过氧化氢酶(CAT)和超氧化物岐化酶(SOD)。结果表明：每克鲜重中抗氧化酶活性随着灌浆的进程逐渐降低，而每毫克可溶性蛋白中抗氧化酶活性都随着衰老逐渐升高，表现趋势为衰老初期和中期小幅度变化，衰老晚期大幅度变化。不同小麦品种之间有明显差异。同时，测定结果表明小麦旗叶衰老过程中可溶性蛋白含量降低。这些说明在灌浆过程中抗氧化酶的降解速度可能慢于其它蛋白的降解速度，相对提高了消除活性氧的能力。 8．对小麦旗叶蔗糖、淀粉、果糖和非结构性碳水化合物含量以及蔗糖合成的关键酶蔗糖磷酸合成酶(SPS)，蔗糖磷酸磷酸酯酶(SPP)和淀粉合成的关键酶可溶性淀粉合成酶(SSS)，腺苷二磷酸焦磷酸化酶(ADPGase)进行了测定。蔗糖、淀粉和非结构性碳水化合物的变化基本一致，随灌浆的进程均呈“低一高一低”的变化特征。花后10-20 d峰值的出现，是因为此期叶片合成能力较强，子粒正处于体积扩大和粒重快速增长阶段，利用、转化和储存同化物能力较低，使之在叶中有较多积累。花后20 d后碳水化合物含量下降迅速，可能是由于此时籽粒转化利用能力衰退的结果。其中SPS和SPP酶活与蔗糖合成是同步的，SSS和ADPGase酶活变化与淀粉的含量也是同步的。 9．对小麦品种8-1-54在关键过程中的不同衰老程度的旗叶进行了热致发光和荧光衰减动力学的研究。这是首次运用闪光诱导下热发光及其衰减动力学来研究大田小麦旗叶衰老对PS Ⅱ受体侧的影响。 10．通过旗叶类囊体膜蛋白的Western杂交分析研究灌浆过程中旗叶类囊体膜PSⅡ相关蛋白的变化的结果表明，在籽粒灌浆过程中，随着叶片的衰老，尤其是灌浆后期，植物体内的PSⅡ活性会受到抑制，产生抑制的主要原因是由于类囊体膜蛋白的损失，主要与PSⅡ反应中心CP43、CP47和OEC33蛋白含量的下降有关。

目录

文摘

英文文摘

声明

1前言(文献综述)

1.1衰老叶片的光合作用

1.1.1衰老叶片的叶绿体数目和结构变化

1.1.2灌浆过程中衰老叶片的光合色素变化

1.1.3衰老叶片中光化学活性的变化

1.1.4叶片衰老过程中的光抑制和光保护

1.2小麦籽粒灌浆特征

1.2.1小麦籽粒灌浆特征的数学模拟及分析

1.3灌浆期间物质的转移

1.3.1植物体内的碳水化合物

1.3.2蔗糖的代谢

1.3.3淀粉的代谢

1.3.4植物非结构性贮存碳水化合物含量的变化

1.4叶绿素荧光及热致发光(Thermoluminescence)

1.4.1叶绿素荧光

1.4.2热致发光(Thermoluminescence)

1.5本文的研究目的和意义

2材料和方法

2.1植物材料和品种

2.2实验方法

2.2.1光合速率的测定

2.2.2叶绿素荧光参数的测定

2.2.3籽粒灌浆的指标测定

2.2.4色素含量测定

2.2.5抗氧化物质的测定(Anderson et al.,1992)

2.2.6抗氧化酶的测定

2.2.7蔗糖、淀粉、非结构性化合物的测定

2.2.8与碳水化合物代谢相关酶的酶液制备及其活性测定

2.2.9热致发光的测定

2.2.10叶绿素荧光衰减的测定

2.2.11叶片中蛋白质含量和氮素含量得测定

2.2.12叶片中Rubisco含量的测定

2.2.1 3 Western杂交

3结果与分析

3.1大田小麦旗叶衰老过程中的籽粒千粒重和灌浆速率

3.1.1大田小麦旗叶衰老过程中的籽粒千粒重和灌浆速率变化

3.1.2大田小麦旗叶在灌浆期间产量与叶面积以及旗叶长/宽比之间的关系

3.2大田小麦旗叶灌浆期间光合色素含量和光合作用的变化

3.2.1大田小麦旗叶衰老过程中的叶绿素含量和叶绿素a/b比值的变化

3.2.2大田小麦旗叶衰老过程中类胡萝卜含量的变化

3.2.3大田小麦旗叶灌浆过程中饱和光强下光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率的变化

小结

3.3大田小麦旗叶灌浆过程中叶绿素荧光参数的变化

3.3.1大田小麦旗叶衰老过程Fv/Fm，φPSII,Fv'/Fm',qP和qN的变化

3.4大田小麦旗叶灌浆期间抗氧化物酶和抗氧化物的变化

3.4.1大田小麦旗叶灌浆过程中可溶性蛋白质的变化

3.4.2大田小麦旗叶灌浆过程中抗氧化物酶的活性变

3.4.3大田小麦旗叶灌浆期间抗氧化物变化

3.5大田小麦灌浆过程中旗叶和籽粒中氮素含量变化

3.6大田小麦灌浆过程中旗叶Rubisco含量和总蛋白质含量变化

3.7大田小麦旗叶灌浆过程中果糖、蔗糖、淀粉和非结构性碳水化合物的含量变化

3.7.1果糖的变化

3.7.2蔗糖的变化

3.7.3淀粉的变化

3.7.4非结构性碳水化合物的变化

3.8小麦品种京411，小堰54和8-1-54旗叶灌浆期间与蔗糖和淀粉合成相关酶的活性变化

3.8.1蔗糖磷酸合成酶(SPS)和磷酸蔗糖磷酸酯酶(SPP)的变化

3.8.2腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPGase)和可溶性淀粉合成酶(SSS)酶活性变化

3.9灌浆期间小麦品种8-1-54旗叶热致发光和荧光衰减动力学

3.9.1小麦品种8-1-54灌浆期间不同Fv/Fm值旗叶的热致发光

3.10小麦品种8-1-54灌浆期间不同Fv/Fm值旗叶荧光衰减动力学

3.11小麦品种京411，小堰54和8-1-54灌浆期间旗叶类囊体膜中OEC33、CP47蛋白、LHCⅡ蛋白、ATPase蛋白的Western杂交

4讨论

4.1小麦灌浆过程中叶绿素与籽粒灌浆之间的关系

4.2小麦灌浆过程中旗叶光合作用与蛋白质含量和Rbisco酶含量之间的关系

4.3小麦灌浆过程叶绿素荧光参数和光合作用之间的关系

4.4灌浆过程中灌浆速率与千粒重，灌浆速率与光合以及碳水化合物之间的关系

4.5小麦旗叶灌浆衰老过程中光系统Ⅱ依然具有完整的功能

4.6抗氧化代谢对大田衰老小麦旗叶的光保护有着重要作用

5.结论

参考文献

附录

致谢