彩色稻葉片光合特征及其與抗氧化酶活性、花青素含量的關系

陳婷婷，符衛(wèi)蒙，余景，奉保華，李光彥，符冠富，陶龍興

彩色稻葉片光合特征及其與抗氧化酶活性、花青素含量的關系

陳婷婷，符衛(wèi)蒙，余景，奉保華，李光彥，符冠富*，陶龍興*

中國水稻研究所水稻生物學國家重點實驗室，杭州 310006

【目的】近年來，彩色稻因其獨特的外觀和特殊的營養(yǎng)價值在觀光農業(yè)和專用營養(yǎng)大米產業(yè)中快速發(fā)展。本研究旨在闡明彩色稻葉片光合作用對光的響應機理?！痉椒ā恳?個葉色不同的水稻品種，包括深紫葉（deep purple，DP），淡綠葉（pale green，PG），深綠葉/常規(guī)葉色（dark green，DG）及淡紫葉（pale purple，PP）為材料，研究不同葉色葉片光合作用的變化特征，并揭示其作用機制。【結果】深紫葉水稻葉片葉綠素、類胡蘿卜素含量最高，其次分別是深綠葉及淡紫葉水稻品種，而淡綠葉水稻葉片葉綠素、類胡蘿卜素含量最低。淡綠葉水稻葉片實際光量子效率（PSII）、凈光合速率、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（Rubisco）活性和干物質積累量最高，顯著高于其他品種，但其過氧化氫和丙二醛含量顯著低于其他葉色水稻品種。深紫葉與深綠葉水稻葉片葉綠素、類胡蘿卜素含量沒有顯著性差異，但深紫葉水稻葉片PSI和PSII實際熒光量子效率、凈光合速率、Rubisco活性均顯著高于深綠葉水稻。相應地，深紫葉水稻葉片抗氧化酶活性顯著高于深綠葉水稻，但其過氧化氫和丙二醛含量顯著低于深綠葉水稻，推測與深紫葉水稻葉片花青素含量顯著高于深綠葉水稻有關。外源噴施花青素試驗進一步證實了這個假設，即外源花青素可一定程度上降低過氧化氫含量，提高葉片光合速率?！窘Y論】花青素可減輕自然條件下光量子過剩對水稻葉片光合作用的抑制，研究結果可為水稻高光效育種及彩色稻產量、品質協(xié)同提高栽培技術研發(fā)提供理論基礎。

彩色水稻；葉綠素；光合作用；抗氧化力；花青素

0 引言

【研究意義】近年來，隨著生活水平的提高，在基本滿足人們生活需要的基礎上，景觀水稻及優(yōu)質稻米正成為未來水稻生產的重要發(fā)展方向[1-2]。由于色素含量的差異，彩色稻葉片、莖桿或籽粒具有特殊紫色、黑色、紅色等色澤，因而廣泛應用于觀光農業(yè)。此外，彩色稻大米富含氨基酸、維生素、鋅、硒等物質，可作為功能性大米進行開發(fā)應用[3]。雖然彩色稻受到的關注日趨增加，但目前相關研究較少，尤其在光適應方面。研究不同葉色水稻葉片光合作用的變化特征及其作用機制，對指導彩色稻種質資源挖掘及相應栽培技術研究具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】光合作用是水稻生長發(fā)育的基礎，決定干物質積累、產量及品質的形成。眾所周知，葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，類胡蘿卜素作為輔助色素同樣在光合作用形成中發(fā)揮重要作用[4]。研究表明，自然光照條件下也存在光量子過剩的現(xiàn)象[5]。光能過剩導致單線態(tài)氧、超氧陰離子等強氧化劑的產生，誘導氣孔關閉，增加核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（Rubisco）對氧的親和性，抑制Rubisco羧化能力，導致光呼吸增加而消耗大量能量（ATP及NADPH）。此外，煙云雨等因素造成光的波動可嚴重影響植物葉片光合作用的形成[6]，其中原因主要在于與碳固定相關的酶活性下降。總體而言，葉色越深，葉綠素含量越高，吸收的光量子越多，光量子過剩造成光抑制可能性越大。彩色稻與傳統(tǒng)常規(guī)水稻最大不同主要表現(xiàn)在葉色上，其中淡綠色葉及紫色葉較為常見。不同彩色稻葉片葉綠素含量差異較大，對光能的利用也不盡相同，存在明顯的品種間差異。研究表明，淡綠葉水稻葉綠素含量明顯低于正常葉色水稻，但不會影響到凈光合速率的形成，甚至還有所增加，尤其在夏季高溫高光照的長江中下游稻區(qū)[4-5, 7-8]。此外，王丹英等[9]的研究表明，與正常葉色的水稻相比，淡綠葉水稻品種生育后期葉片不易發(fā)生早衰，具有較高增產潛力。紫色葉水稻花青素含量比較高，而花青素與生物體抗氧化活性密切相關。有研究認為，高溫、缺氮或遮陰處理下對照品種花青素含量及其代謝途徑相關基因表達顯著下調，而黑米突變體對環(huán)境脅迫的氧化損傷有較好的抵御作用[10]?！颈狙芯壳腥朦c】目前有關紫色稻葉片光合作用變化特征方面的研究較少，花青素在光適應中的作用還有待闡明?！緮M解決的關鍵問題】本研究以4個葉色不同的水稻品種為材料，研究不同葉色水稻葉片光合作用變化特征及其對干物質積累的影響，明確花青素影響光合作用形成與抗氧化能力之間的關系。

1 材料與方法

1.1 供試材料與種植狀況

本試驗分別于2018年5—9月及2019年5—10月在中國水稻研究所富陽基地進行。供試品種為4個葉色不同且生育期相近的粳型彩色稻，即深紫葉（deep purple，DP）、淡綠葉（pale green，PG）、深綠葉/常規(guī)葉色（dark green，DG）及淡紫葉（pale purple，PP）（表1）。種子由中國水稻研究所稻作逆境與調控研究課題組提供，4個品種均未進行品種區(qū)試審定，在本研究中均以葉色命名。

盆栽塑料桶高20 cm，內徑20 cm，定量裝入經風干粉碎混勻后的稻田黏壤土5 kg。該土壤有機質含量36.2 g·kg-1，全氮2.80 g·kg-1，全磷0.60 g·kg-1，全鉀21.3 g·kg-1，堿解氮228 mg·kg-1，銨態(tài)氮9.5 mg·kg-1，速效磷23.6 mg·kg-1，速效鉀65 mg·kg-1，pH為6.5。種子于恒溫箱30℃浸種48 h，隨后于37℃度下催芽24 h，萌發(fā)的種子直接播種于盆中。盆栽水稻于具有自然光照條件的人工氣候室（浙江求是人工環(huán)境有限 公司）中培養(yǎng)，溫度及相對濕度分別設置為30℃/25℃（晝/夜）及70%。于秧齡25 d（3葉期）挑選長勢均勻的3株秧苗移栽至塑料桶，移栽前每盆施入5 g復合肥（有效成分含量＞45%，N﹕P2O5﹕K2O= 14﹕16﹕15）做基肥。分蘗始期（約移栽后10 d左右）每盆追施尿素0.5 g（總氮含量＞46.4%），鉀肥0.2 g（K2O含量＞46.4%）；穗分化始期（約移栽后35 d左右）再次每盆追施尿素0.5 g。除分蘗末期排水控干水分外（持續(xù)時間約一周），整個生育期保持1—2 cm淺水層，水分管理及病蟲草害防治參照常規(guī)大田生產。

表1 供試水稻品種的生育期

DP：深紫葉；PG：淡綠葉；DG：深綠葉/常規(guī)葉色；PP：淡紫葉。下同 DP: deep purple; PG: pale green; DG: dark green; PP: pale purple. The same as below

1.2 試驗設計

本試驗不同葉色水稻品種間光合作用差異及其機理分析設計為單因素（品種）隨機區(qū)組試驗，每處理10盆重復。為進一步揭示花青素在葉片光合作用形成中的作用，2019年分蘗期（移栽后20 d左右）外源噴施0.05%（m/v）花青素溶液。裂區(qū)設計，以品種為主區(qū)，外源藥劑噴施為副區(qū)。噴清水為空白對照，且均加入0.1%（v/v）吐溫-20作為表面活性劑，每處理3盆重復。噴施后第2天，測定水稻葉片凈光合速率及過氧化氫含量。

1.3 測定項目及方法

于水稻分蘗期，測定葉片凈光合速率及葉綠素熒光參數(shù)，取樣測定干物質積累量以及抗氧化酶活性等與光合作用相關生理指標。成熟期選取代表性植株4盆，考察株高、穗長等農藝性狀，并調查穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結實率及粒重。

1.3.1 凈光合速率及葉綠素熒光 采用美國Li-Cor 6800便攜式光合儀測定頂部最新完全展開葉的凈光合速率[11]。設定的測定參數(shù)為：光照強度1 500 μmol·m-2·s-1，CO2濃度 400 μmol·mol-1，葉面積為6 cm2，氣流為500 μmol·s-1，溫度為30℃。葉綠素熒光參數(shù)采用德國Walz公司的Dual-PAM-100葉綠素熒光儀測定[12]。選取水稻頂部最新完全展開葉，遮光30 min后進行測定，測定的參數(shù)分別為最大熒光量子效率（v/m），光合系統(tǒng)PSI和PSII的實際熒光量子效率。

1.3.2 葉綠素、類胡蘿卜素含量 稱取0.1 g新鮮水稻葉片，剪碎后于20 mL 95%乙醇提取48 h至葉片完全褪色，隨后采用日本島津公司UV-4802型分光光度計測定波長為663 nm、645 nm和470 nm處吸光值。葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量采用Arnon的方法[13]測定。類胡蘿卜素含量測定參照Wellburn的方法[14]。

1.3.3 Rubisco活性 稱取0.2 g液氮速凍過的水稻葉片，剪碎后加入2 mL 0.1 mol·L-1磷酸鹽緩沖液進行研磨。隨后提取的粗酶液離心5 min，轉速為13 000×。Rubisco活性參照試劑盒說明進行測定（上海酶聯(lián)生物科技有限公司）。

1.3.4 抗氧化酶活性、丙二醛及過氧化氫含量 稱取0.2 g液氮速凍后的水稻葉片樣品置于預冷的研缽中，加入2 mL 50 mmol·L-1預冷的磷酸緩沖液（pH 7.8）在冰浴上研磨成勻漿，轉入離心管中在4℃、12 000×下離心20 min，上清液即為酶液。按比色法[15]測定過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性，用NBT光化還原法[16]測定超氧化物歧化酶（SOD）活性。稱取1 g液氮速凍后的水稻葉片樣品并剪碎，加入2 mL 10%三氯乙酸和少量石英砂，研磨至勻漿。再加8 mL三氯乙酸進一步研磨，勻漿在4 000×離心10 min，上清液為樣品提取液。參照趙世杰等[17]的方法測定丙二醛（MDA）含量。參照Brennan等[18]的硫酸鈦比色法測定水稻葉片中過氧化氫的含量。

1.3.5 花青素含量 0.1 g新鮮水稻葉片樣品剪碎加入10 mL 0.1mol·L-1鹽酸乙醇，60℃水浴浸提30 min。冷卻將上清液倒入25 mL容量瓶，樣品中再加入5 mL鹽酸乙醇，繼續(xù)浸提15 min。冷卻合并上清液，再重復提取15 min，總共提取3次。合并上清液定容至25 mL，并于530 nm、620 nm、650 nm處測定吸光度。花青素含量（nmol·g-1）=（OD530-OD620）-0.1（OD650-OD620）。

1.3.6 干物質積累 選代表性水稻植株3盆，取地上部并分為葉片和莖鞘，于烘箱中80℃烘干至恒重，并稱重。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS11.5軟件進行統(tǒng)計分析。使用LSD多重比較法進行方差分析，比較處理間在＜0.05水平上的差異。年度間的數(shù)據(jù)差異趨勢基本一致，故以2019年的數(shù)據(jù)為主。

2 結果

2.1 不同葉色水稻產量及農藝性狀差異

4個不同葉色水稻中，以PG產量最高，其次為PP，兩者間沒有顯著性差異，但DG產量顯著低于其他3個品種。與DG相比，DP、PG和PP產量分別增加11.3%、27.7%和22.3%。在產量構成方面，品種間的穗數(shù)和結實率沒有顯著差異，而PG和PP每穗粒數(shù)顯著高于DP和DG。此外，DG粒重也顯著低于其他3個品種（表2）。

水稻成熟期籽粒顏色與葉色稍有不同，DP籽粒顏色偏淺色，其他3個品種則均為深紫色（圖1-a、b）。PG和PP兩品種成熟期株高顯著高于DP和DG，平均增幅為6.0%（圖1-a、c）。PG穗最長，依次比DP、DG和PP增加16.4%、27.9%和33.0%（圖1-b、d）。

2.2 不同葉色水稻葉綠素含量差異

由圖2可知，4個水稻品種葉色差異較大，其對應的葉綠素及類胡蘿卜素含量也不同?？側~綠素和類胡蘿卜素含量均以DP最高，分別比DG高7.7%和5.0%，但差異不顯著。PG總葉綠素和類胡蘿卜素含量顯著低于其他品種，分別比DP低59.1%和49.4%（圖2-c、d）。然而，PG葉綠素a與葉綠素b比值顯著高于其他3個品種，平均增幅約38.2%（圖2-c）。

（a）成熟期植株表型；（b）穗型；（c）株高；（d）穗長。DP，深紫葉；PG，淡綠葉；DG，正常葉；PP，淡紫葉。柱上不同字母表示品種間差異顯著。下同

表2 不同葉色水稻品種的產量及其構成

不同字母表示同一欄不同品種間在＜0.05水平上差異顯著

Values followed by different letters within the same column and the different varieties are significantly different at＜0.05

（a）分蘗期生長表型；（b）葉片表型；（c）葉綠素含量；（d）類胡蘿卜素含量。Chl：葉綠素

2.3 不同葉色水稻葉綠素熒光特性分析

圖3所示，不同葉色水稻葉片最大熒光量子效率差異不顯著，但實際熒光量子效率存在品種間差異。DP、PG及PP葉片PSI實際熒光量子效率沒有顯著性差異，但均顯著高于DG，增幅分別為29.08%、21.63%和24.78%（圖3-b）。然而，PSII實際熒光量子效率以PG最高，與PP沒有顯著性差異，但顯著高于DP和DG，增幅分別為15.43%和81.22%（圖3-c）。

2.4 不同葉色水稻干物質量、凈光合速率及Rubisco活性差異

由圖4-a可看出，淡綠葉PG干物質量最高，顯著高于其他品種，分別比DP、DG和PP高36.44%、48.82%和27.17%；其次為PP和DP，二者間干物質重沒有顯著差異；而深綠葉DG干物質重最低，與DP沒有顯著差異，但顯著低于PG和PP。葉片凈光合速率和Rubisco活性的變化趨勢與干物質量比較一致，均以PG最高，

其次分別為PP及DP，而DG最低（圖4-b、c）。

2.5 不同葉色水稻抗氧化酶活性差異

圖5所示，水稻葉片抗氧化酶活性包括SOD、POD和CAT，均以DG最低，而DP或PG最高；在SOD上，DP最高，其次為DG，品種間差異不大，但顯著高于其他品種。DG葉片SOD活最低，分別比DP、PG和PP低43.41%、23.0%及15.64%（圖5-a）；DG葉片POD活性分別比DP、PG和PP低16.88%、22.59%和8.27%，而其他3個品種間的POD活性差異不大（圖5-b）；DP葉片CAT活性最高，但與PG和PP相比，沒有顯著差異。DG葉片CAT活性最低，分別比DP、PG和PP低36.04%、19.35%及21.0%（圖5-c）。

圖3 不同葉色水稻葉片葉綠素熒光參數(shù)

圖4 不同葉色水稻干物質積累及葉片光合作用

圖5 不同葉色水稻葉片抗氧化酶活性

2.6 不同葉色水稻過氧化氫及MDA含量差異

不同葉色水稻葉片過氧化氫及MDA含量變化趨勢基本一致（圖6）。由圖可看出，深綠葉品種DG葉片H2O2及MDA含量最高，均顯著高于其他品種。PG葉片過氧化氫及MDA含量最低，其過氧化氫含量依次比DP、DG和PP低2.25%、61.44%及27.0%，而在MDA含量上則分別為9.37%、49.55%及25.58%。PG與DP的過氧化氫及MDA含量差異不顯著。

2.7 不同葉色水稻花青素含量變化

不同葉色水稻品種葉片花青素含量差異顯著，其中DP含量最高，其次分別為PP及DG，而PG含量最低（圖7）。DP葉片花青素含量分別是PG、DG和PP的11.23、3.91及1.40倍。PP葉片花青素含量也顯著高于DG和PG，分別是DG和PG的8.02倍和2.79倍。PG葉片花青素含量顯著低于DP、DG及PP，其降幅分別為8.90%、34.80%和12.48%。

圖6 不同葉色水稻葉片過氧化氫及丙二醛的含量

表3 水稻葉片花青素含量與光合熒光參數(shù)、抗氧化酶活性、過氧化物含量、干物質重和產量的相關性

*，0.05水平上差異顯著；**，0.01水平上差異顯著 *, significant at 0.05 probability level; **, significant at 0.01 probability level

2.8 花青素含量與光合等生理參數(shù)的相關性分析

鑒于DP和DG兩品種分蘗期葉片葉綠素及類胡蘿卜素含量沒有顯著性差異，而DP花青素含量則顯著高于DG（圖2-c、d；圖7），推測DP品種葉片PSI和PSII實際熒光量子效率、凈光合速率、Rubisco活性較DG顯著增加可能與其較高的花青素含量密切相關。相關分析表明，兩品種葉片花青素含量與光合速率、Rubisco活性、PSI和PSII實際熒光量子效率，以及抗氧化酶類（包括POD、SOD和CAT）活性呈顯著或極顯著正相關，而與過氧化氫和丙二醛含量呈極顯著負相關（表3）。另外，分蘗期葉片花青素含量與相同時期干物質重、成熟期產量相關性呈極顯著和顯著正相關。葉綠素和類胡蘿卜素含量與上述光合生理參數(shù)的相關性不顯著。

2.9 外源噴施花青素對水稻葉片光合速率及過氧化氫含量的影響

為進一步明確花青素在影響凈光合速率中的作用，外源葉片噴施0.05%花青素溶液。圖8顯示，花青素能一定程度上提高水稻葉片凈光合速率，但存在品種間差異。除淡綠葉品種PG花青素處理的葉片凈光合速率比對照增加不顯著外（增幅4.60%），DP、DG和PP葉片凈光合速率在噴施花青素后均顯著增加，增幅分別為9.95%、22.22%和11.94%（圖8-a）。水稻葉片過氧化氫含量在噴施花青素后有不同程度的下降，DP、PG、DG和PP的降幅分別為10.34%、21.05%、18.03%和32.95%，其中PG、DG和PP降幅均達顯著水平（圖8-b）。

圖7 不同葉色水稻葉片花青素含量

H2O：噴清水；Atc：噴花青素 H2O: Foliar application of water; Atc: Foliar application of anthocyanin

3 討論

3.1 水稻葉綠素含量與光合及干物質積累的關系

高等植物葉綠體基粒片層結構的薄膜（類囊體膜）

主要含有葉綠素（葉綠素a、葉綠素b）和類胡蘿卜素（胡蘿卜素、葉黃素）兩種色素。葉綠素主要負責光能的捕獲、吸收、傳遞和轉化，其中只有少數(shù)特殊激發(fā)狀態(tài)下的葉綠素a才能將光能轉化成化學能。葉綠素含量降低不利于葉綠體發(fā)育，葉色發(fā)黃、白化，生長遲緩，光合效率降低，甚至導致植株死亡[19-20]。然而，近年來的研究表明，淡綠葉的水稻突變體葉綠素含量較低，但其光合能力與正常葉色野生型水稻相當，甚至顯著增加[5,7,21]。在水稻生長季溫度及光照強度較高的長江中下游稻區(qū)，淺色水稻更有利于光合及產量的形成[9]。水稻等C3作物光能利用率只有2.2%，吸收的光能只有小部分用于光化學反應，大部分需要通過熱耗散或葉綠素熒光消除，以維持光能轉化與利用的平衡，是植物不可或缺的光防御機制[21]。

葉綠素含量較高的水稻品種，光量子吸收量較大，由于光能利用有限，若同時熱耗散能力（NPQ）不足，將出現(xiàn)光抑制的現(xiàn)象，導致葉片活性氧積累增加，嚴重抑制光合速率的形成[22]。相反，淡綠葉水稻葉綠素含量較低，光能吸收利用率高，NPQ較高，光量子處于平衡狀態(tài)，有利于葉片光合物質的積累及產量的形成。本試驗條件下，PG為淡綠葉品種，葉綠素和類胡蘿卜素含量均為最低，但凈光合速率及干物質量最高，與前人的研究結果一致[5,7,9]。PG較高的凈光合速率與其較高的葉綠素a與葉綠素b比值，較大的實際熒光量子效率有關，由此說明PG光能利用率高，不容易出現(xiàn)光抑制的現(xiàn)象[23]。另外，PG葉片中較高的Rubisco活性可能與較高的抗氧化酶活性及較低的過氧化氫及丙二醛含量有關。從中也反映出PG受到光能過剩的傷害比較小。與之相反，DP、DG和PP葉綠素含量均高于PG，相應地其過氧化氫及MDA含量、Rubisco活性、凈光合速率及干物質積累均低于PG，表明葉色較深的水稻品種在長江中下游稻區(qū)容易出現(xiàn)光抑制的現(xiàn)象。

3.2 花青素在光合調節(jié)中的作用及其與抗氧化力的關系

花青素是一種廣泛存在于植物體內的水溶性色素，與類胡蘿卜素、葉綠素作為主要色素共同影響植株莖、葉等器官的顏色。花青素屬于具有天然抗氧化生理活性的黃酮類次生代謝物質，可提高植物對干旱、低溫、重金屬等逆境及蟲害等生物脅迫的抗性[24-25]。Naing等[26]研究表明，干旱脅迫下花青素合成相關基因表達上調，植物抗旱性顯著提高。油菜、擬南芥中過表達花青素相關基因，可明顯提高耐鹽性[27-28]。此外，通過調節(jié)花青素含量，可顯著增強煙草、擬南芥耐低溫脅迫、耐低氮脅迫能力[29]。本試驗研究表明，深紫葉品種DP葉綠素含量高于DG（正常葉色水稻），雖然差異不顯著，但前者凈光合速率、PSII實際熒光量子效率，Rubisco，SOD、POD及CAT活性和干物質重均顯著高于DG（圖2—圖5），筆者推測花青素含量可能是不同葉色品種葉片光合作用差異的主要因素。對此，Steyn等[30]的研究表明，花青素以碳水化合物為底物應急合成，可提高植物的光保護能力。此外，植物組織表層花青素可以反射、屏蔽部分過剩光能，減輕強光對植物葉片內部組織的傷害[31-32]。更為重要的是花青素能有效清除自由基，對葉片起到抗氧化保護作用[33]。相關分析表明，DP葉片光合、熒光特性的改善，抗氧化系統(tǒng)酶活性增強以及過氧化物積累的減少，與其花青素含量較高密切相關（表3）。外源噴施花青素試驗結果進一步證實這個假設，即外源花青素均能一定程度上降低過氧化氫含量、提高葉片凈光合速率（圖8）。

植物體內的抗氧化系統(tǒng)主要包括SOD、CAT、POD等酶類和谷胱甘肽、抗壞血酸等非酶類物質兩類防御保護系統(tǒng)[34]。此外，一些次生代謝物質，例如花青素本身也具有清除活性氧等過氧化物的能力。已有研究報道表明，花青素不僅本身能夠起到清除自由基的能力，更重要的在于調控植物體自身的抗氧化性能[35]。由以上分析可知，花青素可從以下兩個途徑減輕過剩光量子對光合作用抑制（圖9）：（1）花青素通過自身和誘導抗氧化酶類活性，顯著提高水稻葉片抗氧化能力，清除過量的過氧化物積累；（2）花青素極有可能通過誘導葉片NPQ的產生，耗散過剩光能，減少過氧化氫積累。然而花青素與NPQ之間的關系還未見報道，其作用機制還有待闡明。

需要說明的是，與PP相比較，DP的葉綠素含量顯著提高，但葉綠素含量的顯著增加并沒有引起相應的光量子過剩程度的加重和過氧化物積累的增多，也未最終引起二者光合熒光參數(shù)、光合速率的顯著差異，推測葉片光合過程是由葉綠素和花青素等協(xié)同作用的過程，DP雖然葉綠素含量高，但其較高的花青素含量在清除過氧化物中起著不可或缺的作用。相應地，葉片中過氧化氫和丙二醛含量在三者間以DG最高，其次為PP，DP含量最低。另外，從產量構成來看，本試驗中使用的4個葉色水稻品種穗型偏小，每穗粒數(shù)、結實率、粒重及產量均較低（表2，圖1）。這些結果與前人研究的彩色稻品種產量低、抗性差的報道結果較一致[3]。因此本試驗設計在溫度、濕度保持恒定的人工氣侯室進行，避免不可控的高溫等逆境對試驗結果產生影響。水稻產量形成的過程不僅取決于各個生育時期的生長發(fā)育與產量構成因素間的協(xié)調，也與光合物質的積累以及同化物的轉運等生理過程密切相關[36]。本試驗條件下分蘗期水稻的光合速率與干物質積累和成熟期籽粒產量相關性顯著，有關不同葉色水稻品種在開花抽穗期葉片的光合特性及其與籽粒灌漿、產量形成的關系，有待進一步研究驗證。

圖中紅色→表示促進，綠色┤表示抑制 Red → indicates the effect of promotion, and green ┤indicates inhibition in the figure

4 結論

不同葉色水稻葉片光合作用存在品種間顯著差異，其中淺綠葉水稻品種（PG）葉片凈光合速率最高，其次分別為深紫葉水稻品種（DP）和淺紫葉水稻品種（PP），而深綠葉水稻品種（DG）最低。淺綠葉水稻品種（PG）葉片葉綠素及類胡蘿卜素含量顯著低于其他品種，但其抗氧化酶、Rubisco活性及干物質量高于其他品種。相應地，PG葉片過氧化氫和丙二醛含量顯著低于其他品種，表明PG受光量子過剩傷害較小。DP和DG葉綠素含量、類胡蘿卜素差異不大，但DP葉片的花青素含量、實際熒光量子效率、凈光合速率、Rubisco及抗氧化酶活性顯著高于DG。相應地，DP過氧化氫及丙二醛含量顯著低于DG，表明花青素可能參與光響應過程。外源花青素可有效降低葉片過氧化氫含量，明顯提高葉片凈光合速率。

[1] HUANG J, PAN Y, CHEN H, ZHANG Z, FANG C, SHAO C, AMJAD H, LIN W, LIN W. Physiochemical mechanisms involved in the improvement of grain-flling, rice quality mediated by related enzyme activities in the ratoon cultivation system. Field Crops Research, 2020, 258: 107962.

[2] 肖人鵬, 唐永群, 劉強明, 張現(xiàn)偉, 姚雄, 文明, 張巫軍, 段秀建, 李經勇. 優(yōu)質紅米恢復系渝恢 9341 的選育與應用. 雜交水稻, 2021, 36(1): 28-30.

XIAO R P, TANG Y Q, LIU Q M, ZHANG X W, YAO X, WEN M, ZHANG W J, DUAN X J, LI J Y. Breeding and application of restorer line Yuhui 9341 with red grains and good quality in rice. Hybrid Rice, 2021, 36(1): 28-30. (in Chinese)

[3] 謝成林, 唐建鵬, 姚義, 孔祥英, 閔思桂, 韓光明. 彩色稻新品種(系)農藝性狀比較與分析. 中國稻米, 2019, 25(5): 87-92.

XIE C L, TANG J P, YAO Y, KONG X Y, MIN S G, HAN G M. Comparison and analysis of agronomic trait of new colored rice. China Rice,2019, 25(5): 87-92. (in Chinese)

[4] LI Y, REN B, GAO L, DING L, JIANG D, XU X, SHEN Q, GUO S. Less chlorophyll does not necessarily restrain light capture ability and photosynthesis in a chlorophyll-deficient rice mutant. Journal of Agronomy and Crop Science, 2013, 199(1): 49-56.

[5] 周振翔, 李志康, 陳穎, 王志琴, 楊建昌, 顧駿飛. 葉綠素含量降低對水稻葉片光抑制與光合電子傳遞的影響. 中國農業(yè)科學, 2016, 49(19): 3709-3720.

ZHOU Z X, LI Z K, CHEN Y, WANG Z Q, YANG J C, GU J F. Effects of reduced chlorophyll content on photoinhibition and photosynthetic electron transport in rice leaves. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(19): 3709-3720. (in Chinese)

[6] 孫佳莉. 氮素和干旱脅迫對水稻動態(tài)光合作用的影響與機理研究[D]. 武漢: 華中農業(yè)大學, 2018.

SUN J L. Studies on the mechanisms for the effects of nitrogen and water deficit on dynamic photosynsthesis in rice crops[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2018. (in Chinese)

[7] ZHAO X, CHEN T, FENG B, ZHANG C, PENG S, ZHANG X, FU G, TAO L. Non-photochemical quenching plays a key role in light acclimation of rice plants differing in leaf color. Frontiers in Plant Science, 2017, 7: 1968.

[8] 胡巍, 高云, 張強, 張彬, 江奕君. 淺綠葉水稻突變體的特性與遺傳分析. 植物遺傳資源學報, 2021, 22(1): 194-204.

HU W, GAO Y, ZHANG Q, ZHANG B, JIANG Y J. Genetic analysis and characteristics of pale-green leaf rice mutant. Journal of Plant Genetic Resources, 2021, 22(1): 194-204. (in Chinese)

[9] 王丹英, 章秀福, 邵國勝, 錢前, 徐春梅. 不同葉色水稻葉片的衰老及對光強的響應. 中國水稻科學, 2008, 22(1): 77-81.

WANG D Y, ZHANG X F, SHAO G S, QIAN Q, XU C M. Leaf senescence of different leaf color rice and its response to light intensity. Chinese Journal of Rice Science, 2008, 22(1): 77-81. (in Chinese)

[10] ZAIDI S H R. 有色稻穎果色素積累的生理生態(tài)特點及其與逆境脅迫響應間關系[D].杭州: 浙江大學, 2019.

ZAIDI S H R. Effects of abiotic stress on physiological properties of pigment accumulation in filling grain for color rice (L.)[D].Hangzhou: Zhejiang University, 2019. (in Chinese)

[11] ZHANG C, FU G, YANG X, YANG Y, ZHAO X, CHEN T, ZHANG X, JIN Q, TAO L. Heat stress effects are stronger on spikelets than on flag leaves in rice due to differences in dissipation capacity. Journal of Agronomy and Crop Science, 2016, 202(5): 394-408.

[12] CISSE A, ZHAO X, FU W, KIM R E R, CHEN T, TAO L, FENG B. Non-photochemical quenching involved in the regulation of photosynthesis of rice leaves under high nitrogen conditions. International Journal of Molecular Sciences, 2020, 21(6): 2115.

[13] ARNON D I. Copper enzymes in isolated chloroplasts polyphenoloxidase in Betavulgaris. Plant Physiology, 1949, 24(1): 1-15.

[14] WELLBURN A R. The spectral determination of chlorophyll a andb, as well as total carotenoids, using various solvents withspectrophotometers of different resolution. Journal of Plant Physiology,1994, 144(3): 307-313.

[15] CHANCE B, MAEHLY A. Assay of catalases and peroxidases. Methods in Enzymology, 1955, 2: 764-775.

[16] GIANNOPOLITIS C N, RIES S K. Superoxide dismutases: I. Occurrence in higher plants. Plant Physiology, 1977, 59(2): 309-314.

[17] 趙世杰, 許長成, 鄒琦, 孟慶偉. 植物組織中丙二醛測定方法的改進. 植物生理學通訊, 1994, 30(3): 207-210.

ZHAO S J, XU C C, ZOU Q, MENG Q W. Improvements of method for measurement of malondialdehvde in plant tissues. Plant Physiology Communication, 1994, 30(3): 207-210. (in Chinese)

[18] BRENNAN T, FRENKEL C. Involvement of hydrogen peroxide in the regulation of senescence in pear. Plant Physiology, 1977, 59(3): 411-416.

[19] 夏家平, 郭會君, 謝永盾, 趙林姝, 古佳玉, 趙世榮, 李軍輝, 劉錄祥. 小麥葉綠素缺失突變體Mt135的葉綠體基因差異表達分析. 作物學報, 2012, 38(11): 2122-2130.

Xia J P, Guo H J, Xie Y D, Zhao L S, Gu J Y, Zhao S R, Li J H, Liu L X. Differential expression of chloroplast genes in chlorophyll- deficient wheat mutant Mt135 derived from space mutagenesis. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(11): 2122-2130. (in Chinese)

[20] ZHAO X, FENG B, CHEN T, ZHANG C, TAO L, FU G. Transcriptome analysis of pale?green leaf rice reveals photosynthetic regulatory pathways. Acta Physiologiae Plantarum, 2017, 39(12): 274.

[21] WU Z M, ZHANG X, WANG J L, WAN J M. Leaf chloroplast ultrastructure and photosynthetic properties of a chlorophyll-deficient mutant of rice. Photosynthetica, 2014, 52(2): 217-222.

[22] 趙霞, 楊華偉, 劉然方, 陳婷婷, 奉保華, 張彩霞, 楊雪芹, 陶龍興. 水稻熱耗散對逆境的響應. 中國水稻科學, 2016, 30(4): 431-440. Zhao X, Yang H W, Liu F R, Chen T T, Feng B H, Zhang C X, Yang X Q, Tao L X. Response of heat dissipation in rice to stress. Chinese Journal of Rice Science, 2016, 30(4): 431-440. (in Chinese)

[23] 宋陶玉. 化學誘變水稻葉色突變體的光合生理特性研究[D]. 長沙: 湖南師范大學, 2019.

SONG T Y. Studies on photosynthetic physiological characteristics of rice leaf color mutants induced by chemical mutants[D]. Changsha: Hunan Normal University, 2019. (in Chinese)

[24] HOSODA K, SASAHARA H, MATSUSHITA K, TAMURA Y, MIYAJI M, MATSUYAMA H. Anthocyanin and proanthocyanidin contents, antioxidant activity, and in situ degradability of black and red rice grains. Asian-Australasian Journal of Animal Sciences, 2018, 31(8): 1213-1220.

[25] SHEN X, GUO X, GUO X, ZHAO D, ZHAO W, CHEN J, LI T. PacMYBA, a sweet cherry R2R3-MYB transcription factor, is a positive regulator of salt stress tolerance and pathogen resistance. Plant Physiology and Biochemistry, 2017, 112: 302-311.

[26] NAING A H, PARK K I, AI T N, CHUNG M Y, HAN J S, KANG Y W, LIM K B, KIM C K. Overexpression of snapdragon() gene in tobacco enhances antho-cyanin accumulation and abiotic stress tolerance. BMC Plant Biology, 2017, 17(1): 65.

[27] KIM J, LEE W J, VU T T, JEONG C Y, HONG S W, LEE H. High accumulation of anthocyanins via the ectopic expression of AtDFRconfers significant salt stress tolerance inL. Plant Cell Reports, 2017, 36(8): 1215-1224.

[28] 王鴻雪, 劉天宇, 莊維兵, 王忠, 朱林, 渠慎春, 翟恒華. 花青素苷在植物逆境響應中的功能研究進展. 農業(yè)生物技術學報, 2020, 28(1): 174-183. WANG H X, LIU T Y, ZHUANG W B, WANG Z, ZHU L, QU S C, ZHAI H H. Research advances in the function of anthocyanin in plant stress response. Journal of Agricultural Biotechnology, 2020, 28(1): 174-183. (in Chinese)

[29] AKHTER D, QIN R, NATH U K, ESHAG J, JIN X, SHI C. A rice gene,, encoding a MYB family transcription factor confers anthocyanin synthesis, heat stress response and hormonal signaling. Gene, 2019, 699: 62-72.

[30] STEYN W J, WAND S J E, HOLCROFT D M, JACOBS G. Anthocyanins in vegetative tissues: A proposed unified function in photoprotection. New Phytologist, 2002, 155(3): 349-361.

[31] ZHANG K M, YU H J, SHI K, ZHOU Y H, YU J Q, XIA X J. Photoprotective roles of anthocyanins in. Plant Science, 2010, 179: 202-208.

[32] HUGHGS N M. Winter leaf reddening in ‘evergreen’ species. New Phytologist, 2011, 190(3): 573-581.

[33] AGATI G, TATTINI M. Multiple functional roles of flavonoids in photoprotection. New Phytologist, 2010, 186(4): 786-793.

[34] 張俊霞, 劉曉鵬, 向極釬. 植物抗氧化系統(tǒng)對逆境脅迫的動態(tài)響應. 湖北民族學院學報(自然科學版), 2015, 33(4): 435-439.

ZHANG J X, LIU X P, XIANG J Q. Dynamic response of antioxidant systems to adversity stress in plants. Journal of Hubei University for Nationalities (Natural Science Edition), 2015, 33(4): 435-439. (in Chinese)

[35] ZAIDI S H R, ZAKARI S A, Zhao Q, KHAN A R, SHAH J M, CHENG F M. Anthocyanin accumulation in black kernel mutant rice and its contribution to ROS detoxification in response to high temperature at filling stage. Antioxidants, 2019, 8(11): 510-524.

[36] FURBANK R T, QUICK W P, SIRAULT X R R. Improving photosynthesis and yield potential in cereal crops by targeted genetic manipulation: Prospects, progress and challenges. Field Crops Research, 2015, 182: 19-29.

The Photosynthesis Characteristics of Colored Rice Leaves and its Relation with Antioxidant Capacity andAnthocyanin Content

CHEN TingTing, FU WeiMeng, YU Jing, FENG BaoHua, LI GuangYan, FU GuanFu*, TAO LongXing*

State Key Laboratory of Rice Biology, China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006

【Objective】In recent years, due to colored rice unique appearance and special nutritional value, it has been developed rapidly in the sightseeing agriculture, selection and production of special nutritional rice. The objective of this study was to elucidate the mechanism underlying the photosynthetic response of leaves in colored rice to light.【Method】In this experiment, four rice varieties with different chlorophyll content in leaves were selected, including deep purple (DP), pale green (PG), dark green (DG) and pale purple (PP). The change characteristics of leaf photosynthesis were studied and the response mechanisms were revealed.【Result】The results indicated that the highest chlorophyll content was showed in DP, followed by the DG and PP, while the lowest value was found in PG. Under this case, the PG variety attained the highest value of actual fluorescence quantum efficiency of PSII, photosynthetic rate, ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase (Rubisco) activity and total dry matter weight, which were significantly higher than those in the other varieties. The content of hydrogen peroxide and malondialdehyde in PG leaves were significantly lower than those in other rice varieties. Besides, there was no significant difference in leaf chlorophyll content and carotenoid content between DP and DG, while the actual fluorescence quantum efficiency of PSII, net photosynthetic rate, Rubisco activity in leaves of DP were significantly higher than those of DG. Correspondingly, the activities of antioxidant enzymes in leaves of DP were significantly higher than those of DG, while the content of hydrogen peroxide and malondialdehyde in leaves of DP were significantly lower than those of DG. This might be related to the anthocyanin content in the leaves, because the anthocyanin content in the leaves of DP was significantly higher than that of DG. The leaf photosynthetic rate was significantly increased and hydrogen peroxide content was significantly decreased after foliar application of anthocyanin. 【Conclusion】it was inferred that anthocyanin might exert important role in alleviating the inhibition effect caused by excess optical quantum on the photosynthesis of leaves under natural conditions.The results could provide a theoretical basis for rice high light efficiency breeding, and cultivation technology exploitation for collaborative development in grain yield and quality of colored rice.

colored rice; chlorophyll; photosynthesis; antioxidant capacity; anthocyanin

2021-04-06；

2021-06-21

浙江省自然科學基金面上項目（LY20C130011，LY22C130003）、水稻生物學國家重點實驗室開放課題（20210402）、國家水稻產業(yè)體系（CARS-1）

陳婷婷，E-mail：chentingting@caas.cn。符衛(wèi)蒙，E-mail：fuwmeng@163.com。陳婷婷和符衛(wèi)蒙為同等貢獻作者。通信作者符冠富，E-mail：fugf1981@sina.com。通信作者陶龍興，E-mail：taolongxing@caas.cn

（責任編輯 楊鑫浩）