论文部分内容阅读
摘要[目的] 明确水稻叶片前平后卷的主要生物学效应，为RL（t）在水稻育种中的应用提供理论依据。[方法] 在水稻杂交后代材料中发现一个新的内卷叶突变材料，暂时命名为RL（t），研究了RL（t）与平展叶姊妹系0731311B在叶片受光姿态、光合效率及细胞组织结构的差异。[结果] RL（t）较平展叶姊妹保持系三片功能叶明显表现出卷曲度大、挺直度高、叶基角小、披垂角小，相应地，提高了卷叶保持系群体各层尤其上部和中部的透光率；三片功能叶的气孔导度、胞间CO2浓度和剑叶、倒二叶的蒸腾速率显著高于平展叶姊妹保持系，从而提高了RL（t）剑叶、倒二叶的光合速率；由于卷叶保持系部分泡状细胞适度萎缩变小，导致叶片内向卷曲。[结论] 该研究为内卷叶性状应用于水稻高产育种提供了理论依据。
关键词水稻；叶片卷曲度；挺直度；光合速率；透光率
中图分类号S511文献标识码A文章编号0517-6611（2014）23-07743-03
基金项目重庆市“十二五”重大科技专项（CSTC，2012GGB8005）；重庆市科委科技攻关项目（CSTC，2011AB1080）。
作者简介龚晓平（1980- ），男，重庆人，助理研究员，博士，从事水稻遗传育种、分子生物学等方面的研究。*通讯作者，研究员，从事水稻遗传育种方面的研究。
收稿日期20140709水稻叶片是进行光合作用、形成光合产物的重要场所，也是株型构成的重要因素，一直是水稻遗传育种家关注的焦点[1-5]。自Donald[6]提出理想株型的概念以来，先后有多位水稻育种家提出理想株型的叶片形态，如“短枝立叶，大穗直穗”株型模式[7]、上部3片功能叶“长、直、窄、凹、厚”模式[3]和“重穗型”、“叶片内卷直立”模式等[8]。这些模式均与叶片直立和卷曲有关。叶片适度卷曲有利于保持叶片直立，增加植株中部、下部的透光率，提高光能利用率，从而提高水稻产量和品质。因此，卷叶是水稻宝贵的遗传资源，将卷叶性状引入品种改良，可以实现产量潜力的突破[3，8-10]。
水稻中存在丰富的可稳定遗传的卷叶种质资源[11]。从卷曲方向看，有正卷曲（叶片两侧沿中脉向内卷曲）、反卷曲（叶片两侧沿中脉向外卷曲）；从单个叶片卷曲程度看，有高度卷曲（筒卷）、中度卷曲和轻微卷曲；从卷曲时期看，有全生育期均表现卷曲、苗期卷曲生育后期逐渐展开、苗期叶片平展后期逐渐表现卷曲[11]。重庆市渝东南农业科学院水稻育种人员在2003年冬季于海南陵水育种基地，在杂后材料中发现了前期叶片平展、顶部3片叶适度内卷（简称前平后卷）的变异株。课题组利用该变异株与选保中间材料01191211B杂交育成叶片前平后卷的三系杂交水稻保持系，暂时命名为RL（t）。笔者通过对该RL（t）与其平展叶姊妹保持系0731311B主要生物学特点的对比研究，以期明确水稻叶片前平后卷的主要生物学效应，为RL（t）在水稻育种中的应用提供理论依据。
1材料与方法
1.1试验材料和田间种植试验于2012年在重庆市渝东南农业科学院水稻试验田进行。试验材料选用叶片前平后卷保持系RL（t）和其平展叶姊妹保持系0731311B。 4月10日播种，5月12日移栽，单本插栽，株距×行距为13.3 cm×25.0 cm，小区面积10 m2，常规肥水管理。叶片细胞超微结构观察在西南大学水稻研究所/重庆市转基因植物与安全控制重点实验室完成。
1.2测量项目及方法
1.2.1RL（t）与平展叶0731311B的表型观察。从苗期至成熟期，观察叶片形态。
1.2.2RL（t）与平展叶0731311B叶片的细胞超微结构观察。在齐穗期选取RL（t）和平展叶0731311B倒1、2、3叶的新鲜叶片，分别用FAA固定液（浓度70%酒精90 ml，浓度40%甲醛5 ml，冰醋酸5 ml）固定，4 ℃冰箱中保存備用；采用常规石蜡切片，番红-固绿对染法：固定-脱水-透明-浸蜡-包埋-切片-黏片-脱蜡-复水-番红、固绿染色-封藏。切片厚度为10 μm，加拿大树胶封片，BH型OLYMPUS显微镜观察并照相[12]。
1.2.3卷曲度、挺直度、叶基角、披垂角的测定。每个处理定点10株，在齐穗期测量每株主茎功能叶（倒1～3叶）叶片长度、叶片最宽处自然卷曲后叶缘间距（Ln）、展开后叶片宽度（Lw），计算叶片卷曲度（LRI）。
LRI（%）=（Lw-Ln）×100/Lw
测量叶片与茎秆的夹角、叶片自然弯曲后叶枕到叶尖的直线距离（LNL）及叶片挺直时的长度（LEL），计算叶片挺直度（LEI）。
LEI（%）=LNL×100/LEL
测量叶片与茎的夹角即叶基角，叶片自然弯垂后叶枕到叶尖的连线与茎的夹角即披垂角。
1.2.4光合速率的测定。每个处理定点10株。在水稻灌浆期，用LCA4携带式光合仪在田间测量每株主茎功能叶光合强度，测量时间为上午10：00～12：00。测量时，叶面直接照光，光照强度在1 600～1 800 μmol/（m2·s）之间。
1.2.5透光率的测定。在齐穗期，采用分层切割法用ST80照度计（带线型探头）测量群体各层透光率。
2结果与分析
2.1内卷叶RL（t）保持系、平展叶保持系0731311B的叶态变化由可知，RL（t）保持系在倒三叶之前表现为平展叶，顶部3片叶表现为中度卷曲，而平展叶保持系0731311B全生育期均表现为平展叶。
2.2内卷叶RL（t）保持系与平展叶保持系0731311B叶片的细胞超微结构石蜡切片结果（）表明，内卷叶保持系RL（t）与平展叶保持系0731311B相比 ，大小维管束特征、厚壁细胞等近远轴面特征细胞层没有发生变化，而内卷叶RL（t）保持系叶片卷曲部分的泡状细胞明显变小。同时，叶片气孔复合体面积显著小于平展叶保持系。 平展叶保持系0731311B、RL（t）在苗期、12～13叶期、抽穗前后期的叶片卷曲情况
2.5群体透光率由可知，RL（t）在穗顶往下15 cm处、30 cm处、60 cm处、90 cm处和靠近地表处的透光率分别高于0731311B 5.48%、16.31%、35.42%、39.19%、30.43%，即从穗顶向下，二者透光率差异逐渐增大，但至其基部则差异减小。
3结论与讨论
研究表明，RL（t）较平展叶姊妹保持系3片功能叶明显表现出卷曲度大、挺直度高、叶基角小、披垂角小，同时从剑叶至倒三叶，这种叶态差异逐渐增大。相应地，提高了卷叶保持系群体各层尤其上部和中部的透光率，3片功能叶的气孔导度、胞间CO2浓度和剑叶、倒二叶的蒸腾速率在0.05水平显著高于平展叶姊妹保持系，从而提高了RL（t）剑叶、倒二叶的光合速率，尤其倒二叶的光合速率在0.05水平显著高于平展叶姊妹保持系。由于2个试验材料前期生长叶态、株型相似，均为平展叶，在接近地表处两者的透光率差异明显减小。因此，RL（t）主要影响群体的上部及中部叶态与透光率，对群体低层影响较小，而对单叶光合作用的影响主要是提高顶部两叶尤其倒二叶的光合速率。细胞生物学研究结果表明，由于卷叶保持系部分泡状细胞适度萎缩变小，导致叶片内向卷曲。同时，叶片气孔复合体面积显著小于平展叶保持系，引起气孔保卫细胞运动的改变，从而有利于提高蒸腾作用。
目前已报道的水稻卷叶基因主要是整个生育期都表现为卷叶。这导致水稻前期光能利用有限，生长势较弱，单叶水平上的光合速率下降，在生产上的利用价值有限[13-16]。陆江锋[15]从干物质积累角度进行研究，发现卷曲度适中的群体在生育前期干物质生产受到一定影响，但后期增长趋势明显，最终的生物学产量与展叶群体相当。陈宗祥等[16]发现，卷叶组合不同的发育时期表现不同，生育前期表现一定的生长劣势，如苗期的叶龄、茎蘖数、假茎粗、苗高等指标均低于对应组合，本田前期茎蘖数上升较缓，高峰苗较少。同时，叶片过度卷曲则会使受光叶面积的明显减小，前期干物质生产严重受影响，虽后期明显增长，但最终难以达到正常展叶群体的总干物质积累量。笔者获得的水稻材料RL（t）为生育前期叶片平展，生育后期叶片适度内卷。该卷叶基因既能在一定程度上克服生育前期的生长劣势，又能在生育后期充分发挥利用光能的优势。因此，分离能控制叶片前平后卷的基因对水稻超高产育种具有重要的利用价值。然而，前平后卷RL（t）所配组合能否高密度种植、杂种优势以及该卷叶基因的分离、功能验证以及在育种上的应用，都有待进一步研究。
42卷23期龚晓平等一个新的水稻内卷叶突变体的光合生理效应参考文献
[1] 黃耀祥.水稻超高产育种研究[J].作物杂志，1990（4）：1-2.
[2] 朱德峰，亢亚军.“超级水稻”品系在杭州的表现及其评价[J].中国稻米，1995（2）：6.
[3] 袁隆平.杂交水稻超高产育种[J].杂交水稻，1997，12（6）：1-3.
[4] 张三元，李彻，石玉海，等.吉林省水稻超高产育种研究[J].吉林农业科学，1999，24（1）：4-7.
[5] 陈宗祥，陈 刚，胡俊，等.Rl（t）卷叶基因在杂交水稻中的遗传表达及效应研究[J].作物学报，2002（11）：847-851.
[6] DONALD C M.The of breeding of crop ideatypes[J].Euphytica，1968，17：385-403.
[7] 杨守仁，张步龙，王进民.水稻理想株形育种的理论和方法初论[J].中国农业科学，1984，17（3）：6-13.
[8] 周开达，马玉清，刘太清，等.杂交水稻亚种间重穗型组合选育——杂交水稻超高产育种的理论与实践[J].四川农业大学学报，1995，13（4）：403-407.
[9] 胡凝，吕川根，姚克敏，等.卷叶水稻的光分布模拟及适宜叶面卷曲度分析[J].中国水稻科学，2008，22（6）：617-624.
关键词水稻；叶片卷曲度；挺直度；光合速率；透光率
中图分类号S511文献标识码A文章编号0517-6611（2014）23-07743-03
基金项目重庆市“十二五”重大科技专项（CSTC，2012GGB8005）；重庆市科委科技攻关项目（CSTC，2011AB1080）。
作者简介龚晓平（1980- ），男，重庆人，助理研究员，博士，从事水稻遗传育种、分子生物学等方面的研究。*通讯作者，研究员，从事水稻遗传育种方面的研究。
收稿日期20140709水稻叶片是进行光合作用、形成光合产物的重要场所，也是株型构成的重要因素，一直是水稻遗传育种家关注的焦点[1-5]。自Donald[6]提出理想株型的概念以来，先后有多位水稻育种家提出理想株型的叶片形态，如“短枝立叶，大穗直穗”株型模式[7]、上部3片功能叶“长、直、窄、凹、厚”模式[3]和“重穗型”、“叶片内卷直立”模式等[8]。这些模式均与叶片直立和卷曲有关。叶片适度卷曲有利于保持叶片直立，增加植株中部、下部的透光率，提高光能利用率，从而提高水稻产量和品质。因此，卷叶是水稻宝贵的遗传资源，将卷叶性状引入品种改良，可以实现产量潜力的突破[3，8-10]。
水稻中存在丰富的可稳定遗传的卷叶种质资源[11]。从卷曲方向看，有正卷曲（叶片两侧沿中脉向内卷曲）、反卷曲（叶片两侧沿中脉向外卷曲）；从单个叶片卷曲程度看，有高度卷曲（筒卷）、中度卷曲和轻微卷曲；从卷曲时期看，有全生育期均表现卷曲、苗期卷曲生育后期逐渐展开、苗期叶片平展后期逐渐表现卷曲[11]。重庆市渝东南农业科学院水稻育种人员在2003年冬季于海南陵水育种基地，在杂后材料中发现了前期叶片平展、顶部3片叶适度内卷（简称前平后卷）的变异株。课题组利用该变异株与选保中间材料01191211B杂交育成叶片前平后卷的三系杂交水稻保持系，暂时命名为RL（t）。笔者通过对该RL（t）与其平展叶姊妹保持系0731311B主要生物学特点的对比研究，以期明确水稻叶片前平后卷的主要生物学效应，为RL（t）在水稻育种中的应用提供理论依据。
1材料与方法
1.1试验材料和田间种植试验于2012年在重庆市渝东南农业科学院水稻试验田进行。试验材料选用叶片前平后卷保持系RL（t）和其平展叶姊妹保持系0731311B。 4月10日播种，5月12日移栽，单本插栽，株距×行距为13.3 cm×25.0 cm，小区面积10 m2，常规肥水管理。叶片细胞超微结构观察在西南大学水稻研究所/重庆市转基因植物与安全控制重点实验室完成。
1.2测量项目及方法
1.2.1RL（t）与平展叶0731311B的表型观察。从苗期至成熟期，观察叶片形态。
1.2.2RL（t）与平展叶0731311B叶片的细胞超微结构观察。在齐穗期选取RL（t）和平展叶0731311B倒1、2、3叶的新鲜叶片，分别用FAA固定液（浓度70%酒精90 ml，浓度40%甲醛5 ml，冰醋酸5 ml）固定，4 ℃冰箱中保存備用；采用常规石蜡切片，番红-固绿对染法：固定-脱水-透明-浸蜡-包埋-切片-黏片-脱蜡-复水-番红、固绿染色-封藏。切片厚度为10 μm，加拿大树胶封片，BH型OLYMPUS显微镜观察并照相[12]。
1.2.3卷曲度、挺直度、叶基角、披垂角的测定。每个处理定点10株，在齐穗期测量每株主茎功能叶（倒1～3叶）叶片长度、叶片最宽处自然卷曲后叶缘间距（Ln）、展开后叶片宽度（Lw），计算叶片卷曲度（LRI）。
LRI（%）=（Lw-Ln）×100/Lw
测量叶片与茎秆的夹角、叶片自然弯曲后叶枕到叶尖的直线距离（LNL）及叶片挺直时的长度（LEL），计算叶片挺直度（LEI）。
LEI（%）=LNL×100/LEL
测量叶片与茎的夹角即叶基角，叶片自然弯垂后叶枕到叶尖的连线与茎的夹角即披垂角。
1.2.4光合速率的测定。每个处理定点10株。在水稻灌浆期，用LCA4携带式光合仪在田间测量每株主茎功能叶光合强度，测量时间为上午10：00～12：00。测量时，叶面直接照光，光照强度在1 600～1 800 μmol/（m2·s）之间。
1.2.5透光率的测定。在齐穗期，采用分层切割法用ST80照度计（带线型探头）测量群体各层透光率。
2结果与分析
2.1内卷叶RL（t）保持系、平展叶保持系0731311B的叶态变化由可知，RL（t）保持系在倒三叶之前表现为平展叶，顶部3片叶表现为中度卷曲，而平展叶保持系0731311B全生育期均表现为平展叶。
2.2内卷叶RL（t）保持系与平展叶保持系0731311B叶片的细胞超微结构石蜡切片结果（）表明，内卷叶保持系RL（t）与平展叶保持系0731311B相比 ，大小维管束特征、厚壁细胞等近远轴面特征细胞层没有发生变化，而内卷叶RL（t）保持系叶片卷曲部分的泡状细胞明显变小。同时，叶片气孔复合体面积显著小于平展叶保持系。 平展叶保持系0731311B、RL（t）在苗期、12～13叶期、抽穗前后期的叶片卷曲情况
2.5群体透光率由可知，RL（t）在穗顶往下15 cm处、30 cm处、60 cm处、90 cm处和靠近地表处的透光率分别高于0731311B 5.48%、16.31%、35.42%、39.19%、30.43%，即从穗顶向下，二者透光率差异逐渐增大，但至其基部则差异减小。
3结论与讨论
研究表明，RL（t）较平展叶姊妹保持系3片功能叶明显表现出卷曲度大、挺直度高、叶基角小、披垂角小，同时从剑叶至倒三叶，这种叶态差异逐渐增大。相应地，提高了卷叶保持系群体各层尤其上部和中部的透光率，3片功能叶的气孔导度、胞间CO2浓度和剑叶、倒二叶的蒸腾速率在0.05水平显著高于平展叶姊妹保持系，从而提高了RL（t）剑叶、倒二叶的光合速率，尤其倒二叶的光合速率在0.05水平显著高于平展叶姊妹保持系。由于2个试验材料前期生长叶态、株型相似，均为平展叶，在接近地表处两者的透光率差异明显减小。因此，RL（t）主要影响群体的上部及中部叶态与透光率，对群体低层影响较小，而对单叶光合作用的影响主要是提高顶部两叶尤其倒二叶的光合速率。细胞生物学研究结果表明，由于卷叶保持系部分泡状细胞适度萎缩变小，导致叶片内向卷曲。同时，叶片气孔复合体面积显著小于平展叶保持系，引起气孔保卫细胞运动的改变，从而有利于提高蒸腾作用。
目前已报道的水稻卷叶基因主要是整个生育期都表现为卷叶。这导致水稻前期光能利用有限，生长势较弱，单叶水平上的光合速率下降，在生产上的利用价值有限[13-16]。陆江锋[15]从干物质积累角度进行研究，发现卷曲度适中的群体在生育前期干物质生产受到一定影响，但后期增长趋势明显，最终的生物学产量与展叶群体相当。陈宗祥等[16]发现，卷叶组合不同的发育时期表现不同，生育前期表现一定的生长劣势，如苗期的叶龄、茎蘖数、假茎粗、苗高等指标均低于对应组合，本田前期茎蘖数上升较缓，高峰苗较少。同时，叶片过度卷曲则会使受光叶面积的明显减小，前期干物质生产严重受影响，虽后期明显增长，但最终难以达到正常展叶群体的总干物质积累量。笔者获得的水稻材料RL（t）为生育前期叶片平展，生育后期叶片适度内卷。该卷叶基因既能在一定程度上克服生育前期的生长劣势，又能在生育后期充分发挥利用光能的优势。因此，分离能控制叶片前平后卷的基因对水稻超高产育种具有重要的利用价值。然而，前平后卷RL（t）所配组合能否高密度种植、杂种优势以及该卷叶基因的分离、功能验证以及在育种上的应用，都有待进一步研究。
42卷23期龚晓平等一个新的水稻内卷叶突变体的光合生理效应参考文献
[1] 黃耀祥.水稻超高产育种研究[J].作物杂志，1990（4）：1-2.
[2] 朱德峰，亢亚军.“超级水稻”品系在杭州的表现及其评价[J].中国稻米，1995（2）：6.
[3] 袁隆平.杂交水稻超高产育种[J].杂交水稻，1997，12（6）：1-3.
[4] 张三元，李彻，石玉海，等.吉林省水稻超高产育种研究[J].吉林农业科学，1999，24（1）：4-7.
[5] 陈宗祥，陈 刚，胡俊，等.Rl（t）卷叶基因在杂交水稻中的遗传表达及效应研究[J].作物学报，2002（11）：847-851.
[6] DONALD C M.The of breeding of crop ideatypes[J].Euphytica，1968，17：385-403.
[7] 杨守仁，张步龙，王进民.水稻理想株形育种的理论和方法初论[J].中国农业科学，1984，17（3）：6-13.
[8] 周开达，马玉清，刘太清，等.杂交水稻亚种间重穗型组合选育——杂交水稻超高产育种的理论与实践[J].四川农业大学学报，1995，13（4）：403-407.
[9] 胡凝，吕川根，姚克敏，等.卷叶水稻的光分布模拟及适宜叶面卷曲度分析[J].中国水稻科学，2008，22（6）：617-624.