水稻葉片特征與水分利用效率的關(guān)系研究進(jìn)展

　　摘要 水稻不僅是世界主要的糧食作物，同樣也是農(nóng)業(yè)水資源第一大消費(fèi)作物。水分高效利用一直是水稻資源利用效率的研究熱點(diǎn)。從水分利用效率的內(nèi)涵和葉片結(jié)構(gòu)、葉片化學(xué)組成、葉片水力參數(shù)、葉片光合等方面概述了水稻葉片特征及其與水分利用效率的關(guān)系，分析了目前存在的問題，并對(duì)未來研究的方向進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞 水稻;葉片特征;水分利用效率;關(guān)系

　　水稻產(chǎn)量關(guān)系著人類的生存問題。水稻年平均耗水量約占我國(guó)用水資源總量的50%，占我國(guó)農(nóng)業(yè)用水總量的65%。其產(chǎn)量嚴(yán)重受水資源限制，制約了水稻的可持續(xù)發(fā)展。光合作用過程是影響作物產(chǎn)量及其形成的重要自然生理轉(zhuǎn)化過程，葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要器官。因此，通過對(duì)水稻作物葉片生理特性參數(shù)的測(cè)定，可以揭示提高其用水效率的機(jī)制，并為調(diào)節(jié)和提高水稻用水效率建立理論基礎(chǔ)。

　　1 水稻的葉片特征

　　水稻總產(chǎn)量的80%左右來自各功能葉之間的光合作用[1]。功能葉片的壽命周期越長(zhǎng)，其所受到光線照射的狀況越好，對(duì)生物制造的貢獻(xiàn)就越大[2]。上部3個(gè)葉片的綜合灌漿能力約為每厘米葉面積所承受一粒水稻的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3]。此外，在灌漿過程中，水稻葉片可以保持較高的光合產(chǎn)量，這對(duì)發(fā)展優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的水稻具有重要意義。

　　1.1 葉片結(jié)構(gòu)

　　1.1.1 氣孔分布及形態(tài)特征。

　　水稻的蒸騰與光合作用均受葉片內(nèi)部氣孔的影響，同時(shí)也間接地影響了水分綜合利用效率，氣孔是將水分排出體外及二氧化碳排放后進(jìn)入體內(nèi)的重要途徑。Chen等[4]的改良刮制法顯示，稻葉氣孔的分布存在一定的規(guī)律，葉緣和主葉脈附近的氣孔分布較均勻，其中氣孔在同一行內(nèi)的分布數(shù)會(huì)因水稻的種類和葉片所在的位置不同存在一定的區(qū)別。在一片葉片中，氣孔行數(shù)在基部最為茂密，中部次之，尖部最少。脈間氣孔分布規(guī)律為：近葉脈處多，遠(yuǎn)離葉脈處次之，脈間區(qū)中部最少，葉脈上下表皮基本無氣孔分布。

　　氣孔的性狀可分為氣孔密度、實(shí)際氣孔導(dǎo)度和最大實(shí)際氣孔大小導(dǎo)度等。氣孔密度即單位葉片表面積的氣孔數(shù)目。氣孔的數(shù)目和密度受環(huán)境條件的影響，氣孔數(shù)目與光強(qiáng)呈一定的正相關(guān)。大部分氣孔的發(fā)育并不是在葉片全展開后而是在展開之前就已經(jīng)完成[5]。氣孔的密度與葉片所在的位置存在一定的關(guān)系，葉片位置越低氣孔密度反而隨之減小[6]。

　　各個(gè)葉片位置的氣孔密度均存在一定的差異，一般用位于葉片中部的氣孔密度來表示整張葉片的氣孔密度大小。秈稻的氣孔數(shù)和密度普遍大于粳稻。Laza等[7]發(fā)現(xiàn)，秈稻品種的氣孔導(dǎo)度大于粳稻。

　　1.1.2 葉脈密度及結(jié)構(gòu)。

　　葉脈密度可用于表征葉脈系統(tǒng)中水分、養(yǎng)分等物質(zhì)在葉脈中的傳送能力。次級(jí)葉脈密度的多少及其大小作為衡量葉片內(nèi)水分供給能力的一個(gè)衡量指標(biāo)，并有結(jié)果顯示次級(jí)葉脈密度與水分的供給能力呈現(xiàn)正相關(guān)性[8]。葉脈密度顯示葉片與整個(gè)葉片的接觸和碳投資以及葉片本身對(duì)各種物理損傷的適應(yīng)能力[9]。較高的葉脈密度可有效地提供大量的水分和其他能量消耗，有助于調(diào)節(jié)葉溫，維持植物和周圍土壤中各種物質(zhì)的循環(huán)[10-11]。

　　葉脈是植物水分運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分[12]，由木質(zhì)生長(zhǎng)處、韌皮生長(zhǎng)處和維管束鞘細(xì)胞等組成[13]。木質(zhì)部負(fù)責(zé)將水分從葉柄管道輸送到葉片和其中的上皮細(xì)胞，韌皮部負(fù)責(zé)將光合作用合成的碳水化合物運(yùn)輸?shù)狡渌课籟13]。物種不同，葉脈密度、維管束及其內(nèi)部的木質(zhì)部導(dǎo)管也不相同[14]。葉脈系統(tǒng)間也存在差異，發(fā)達(dá)的葉脈系統(tǒng)對(duì)于水分蒸騰有促進(jìn)作用，可以避免高溫脅迫的出現(xiàn)，從而延長(zhǎng)光合時(shí)間增加同化物的累積，不發(fā)達(dá)的葉脈系統(tǒng)同樣也抑制了水分蒸騰。葉脈作為多種生理反應(yīng)發(fā)生的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對(duì)葉片也起著機(jī)械支持作用[15]。

　　1.2 葉片化學(xué)組成

　　1.2.1 葉綠素含量。

　　葉綠素含量的變化反映了葉片光合作用能力的變化和葉片衰老的進(jìn)程[16-17]。生育后期保持較高的葉綠素含量為葉片吸收更多光能提供了良好生理?xiàng)l件[18]，為增產(chǎn)提供有力保障。研究表明，植物在后期受到干旱脅迫時(shí)，光合作用會(huì)隨著脅迫不斷地急劇下降，葉綠素含量下降是導(dǎo)致后期作物產(chǎn)量下降的主要原因之一[19]。從某種意義上說，葉綠素可以用來反映植物持續(xù)生產(chǎn)和利用的一定表現(xiàn)和對(duì)自然脅迫的適應(yīng)能力。

　　1.2.2 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)含量。

　　非結(jié)構(gòu)性碳水化合物包括可溶性糖和蛋白質(zhì)，NSC含量反映了水稻抽穗后氮代謝特性。此外，它還是植物細(xì)胞內(nèi)重要的調(diào)節(jié)性物質(zhì)，還可以用于緩沖植物細(xì)胞生長(zhǎng)過渡期的脫水，使細(xì)胞保水性能加強(qiáng)[20-21]。蛋白質(zhì)濃度可以反映一個(gè)植物體的生化代謝強(qiáng)度，它不僅積極參與新細(xì)胞器官的發(fā)育，還有相當(dāng)一部分物質(zhì)直接負(fù)責(zé)調(diào)控各種化學(xué)反應(yīng)的代謝酶。因此，研究NSC含量有助于人們了解各類作物的有機(jī)碳、氮氧化狀況及其他的抗逆氧化能力。

　　1.2.3 葉片含氮量。

　　葉片含氮量在很大程度上不僅與該葉片在生長(zhǎng)期間所照射的光照條件相關(guān)，還與土壤所提供的營(yíng)養(yǎng)相關(guān)。一般生長(zhǎng)在強(qiáng)光下的葉片，葉片含氮量高于生長(zhǎng)在弱光下的葉片。但在強(qiáng)光下，它的光合速率往往沒有低氮含量葉片高，這就是植物與周邊環(huán)境適應(yīng)的一種自動(dòng)調(diào)節(jié)。如果在低光下進(jìn)行高氮化學(xué)處理，其葉片無法充分地發(fā)揮在較高含氮質(zhì)量下的光合作用，反而增加了葉片的碳投入，往往不利于經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的形成。

　　1.3 葉片水力參數(shù)

　　1.3.1 蒸騰速率。

　　蒸騰作用是水分從植物體內(nèi)散發(fā)到體外的過程，通常用蒸騰速率來表示。蒸騰速率是反應(yīng)作物對(duì)土壤水分吸收和再利用的測(cè)量指標(biāo)，同時(shí)也間接反映出植株遭受逆境脅迫時(shí)自身調(diào)節(jié)出的水分以及適應(yīng)的抵抗能力，水分受到脅迫時(shí)植株內(nèi)部氣孔導(dǎo)度縮小、蒸騰強(qiáng)度降低。作物水分蒸騰速率比光合速率更容易受氣孔導(dǎo)度的影響。而且，蒸騰速率與空氣水氣壓有關(guān)，隨著空氣飽和差的增加而下降[22]。

　　1.3.2 葉片水勢(shì)。

　　從葉片水勢(shì)降低干擾植株細(xì)胞代謝功能時(shí)發(fā)生對(duì)水分流失脅迫性的理論模型成立后，葉片水勢(shì)用作表示作物合理灌溉的一種生理指標(biāo)。研究顯示[23-24]，大多數(shù)的植物葉片水勢(shì)清晨最高，隨氣溫的升高，蒸騰速率和強(qiáng)度逐漸增大，葉片水勢(shì)開始下降，直至15：00左右達(dá)到太陽光照的最低點(diǎn)，隨著日照強(qiáng)度的減弱，蒸騰速率減小，葉片失水程度減小，葉片水勢(shì)開始回升，夜間達(dá)到最佳。胡繼超等[25]以盆栽水稻為試驗(yàn)材料，研究表明凌晨葉水勢(shì)與土壤含水量和葉片凈光合速率關(guān)系密切。

　　1.4 葉片光合特性

　　光合生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)是由植物資源積累的技術(shù)和系統(tǒng)，作物光周期的高生產(chǎn)潛力可以帶來高產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)高回報(bào)。葉片的光合特性直接影響光合作用的質(zhì)量和單個(gè)葉片的水分利用。劇成欣等[26]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著葉片性能的不斷改進(jìn)和變化，中秈水稻增產(chǎn)效果顯著，尤其提高了用水效率。水分利用效率伴隨著不同干旱條件脅迫侵害程度的不斷提高而呈現(xiàn)出一個(gè)整體的明顯提高[27]。

　　2 水稻的水分利用效率

　　在現(xiàn)代植物生理學(xué)上，水分的利用效率(WUE)可以廣泛地應(yīng)用于衡量作物的產(chǎn)量和用水質(zhì)量之間的關(guān)系，實(shí)際上也就是衡量作物的用水效率。可將其中的水分利用效率劃分為產(chǎn)量水平上的水分利用效率、群體水平上的水分利用效率和葉片水平上的水分利用效率。

　　2.1 產(chǎn)量水平上的水分利用效率

　　產(chǎn)量水平上的水分利用效率(WUEy)通常以單位耗水量的產(chǎn)量來計(jì)算，其中所需的耗水量因考慮到土壤和土層表面的無效水分蒸發(fā)，目前該層次上的水分利用效率研究主要集中在農(nóng)作物的節(jié)水和農(nóng)田方面。表示為WUEy=Y/WU，式中，Y為作物產(chǎn)量;WU為作物用水量。

　　2.2 群體水平上的水分利用效率

　　群體水平上的水分利用效率(WUE C)是指用于表示作物群體二氧化碳凈同化量與作物蒸騰量之比，以及單葉水平與群體水平的水分利用效率，以表示農(nóng)田和地區(qū)的水分利用效率。表示為WUE C=F C/T，式中，F(xiàn) C為作物群體二氧化碳通量;T為作物蒸騰的水汽通量。

　　2.3 葉片水平上的水分利用效率

　　葉片水平上的水分利用效率是指光合能源利用的速率和水分蒸騰能源利用的速率之間的絕對(duì)比值，主要是指光合作用中器官通過光合作用形成的有機(jī)物的數(shù)量以及植物葉片上單位直徑的水分流失量。表示為WUE L=P n/T r，式中，P n為單位葉面積上葉片的凈光合速率;T r為單位葉面積的蒸騰速率。

　　2.4 細(xì)胞與分子水平上的水分利用效率

　　近年來，許多學(xué)者就植物水分利用問題進(jìn)行了一系列基于分子水平的研究。Han等[28]研究發(fā)現(xiàn)，一種被廣泛應(yīng)用于對(duì)植株進(jìn)行干燥響應(yīng)轉(zhuǎn)錄的因子PdNF-YB7在擬南芥中具有過渡性和非表達(dá)性的鏈接，可以大幅度地增強(qiáng)耐旱性，研究同時(shí)測(cè)定了全株和瞬時(shí)水分利用效率，發(fā)現(xiàn)該株兩種鏈接可以讓整株葉片生長(zhǎng)勢(shì)、發(fā)芽勢(shì)均有所提高，減少全株葉片水分的吸收和喪失。該基因提高了全株WUE，且具有較高的全株幼苗發(fā)芽生長(zhǎng)速度和在生長(zhǎng)時(shí)所需要消耗的生物量。

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