小麦冬季光系统I光抑制的发生及影响冬后光合作用恢复和产量形成的机制

The photosynthetic function and growth development of winter wheat are severely inhibited in wintering period. So far, people still do not know how low temperature in the winter affects light energy absorption and conversion of photosystem and whether the recovery of PSI function after winter period will affect wheat yield. Our previous studies suggest that the PSI activity limits the recovery of photosynthetic function of wheat after winter period. The occurring of PSI photoinhibition needs the electrons from PSII. Although PSII activity was greatly inhibited, severe PSI photoinhibition happens in the winter wheat. Therefore, we speculate that winter wheat, as a kind of winter plant, perhaps have special PSI photoinhibition and recovery mechanisms. Based on our previous work and above speculation, we will explore the mechanism of PSI photoinhibition and the effect of the recovery of winter wheat in the spring on the yield of the wheat, and also study the influence of different factors on PSI photoinhibition, using low temperature-resistant cultivated species Yanzhan 4110 and low temperature sensitive species Zhoumai 18, by controlling light intensity (shading) of wheat in the winter period or after winter period using chlorophyll fluorescence technology, 820nm light reflection measuring technology, blue-native polyacrylamide gel electrophoresis (BN-PAGE) and transmission electron microscope, and so on. The research results will provide theory evidence for the high-yield cultivation and cold resistant breeding of wheat.

小麦光合功能和生长发育受到冬季低温的严重抑制。迄今为止，人们仍然缺少对冬季低温是否对小麦PSI光能吸收和转换以及PSI功能的恢复是否对后期小麦的产量产生影响的认识。我们前期研究表明冬季小麦PSI光抑制的发生限制了越冬后光合功能的恢复。之前针对冷敏感植物的研究表明PSI光抑制需要PSII的电子供应。虽然小麦在越冬期间PSII活性几乎被完全抑制，但是PSI仍然发生了严重的光抑制。因此，我们推测小麦作为越冬植物可能具有特殊的PSI光抑制和恢复机制。本研究基于前期的工作和上述推测，选用耐低温的周麦18和低温敏感的偃展4110两个小麦品种，通过控制越冬期间或者冬后的田间光强，采用叶绿素荧光与820nm光反射技术、蓝绿温和胶电泳、透射电镜等实验手段，从结构、生理生化和分子水平阐明小麦冬季PSI光抑制发生以及冬后PSI活性恢复的机理及影响因素，及其对产量的影响，为小麦抗寒育种以及高产栽培提供理论依据。

小麦是我国最重要的粮食作物之一。迄今为止，人们仍然缺少对冬季低温是否对小麦PSI光能吸收和转换以及PSI功能的恢复是否对后期小麦的产量产生影响的认识。本研究在大田条件下研究了两个小麦品种周麦18（ZM18）和弱春性品种偃展4110（YZ4110）越冬返青期间光合电子传递链活性的变化规律，发现越冬期和返青期两个品种电子传递链供体侧活性均出现先上升后下降的趋势，PSII活性整体呈上升趋势；在返青期PSII受体测电子传递在两个品种间表现出较大差异，ZM18显著高于YZ4110，PSI活性也呈相似趋势。通过遮荫研究了光照对两个小麦品种光系统活性变化的影响，发现在越冬期遮荫期间，两个品种PSII活性均上升，从而导致较多的电子流向PSI，导致PSI遮荫条件下活性下降更大，发生光抑制。在遮荫解除后，PSII光抑制程度与对照相比差异较小，但是PSI活性恢复较快，这可能是温度光照逐渐回升后提高了碳同化活性，缓解了PSI受体侧的限制。YZ4110对返青期遮荫的敏感程度大于ZM18，虽然两个品种PSI活性均下降，但是ZM18的PSI活性的下降程度小于YZ4110。同时通过室内DCMU处理实验，进一步验证了 PSII的电子传递是PSI光抑制发生的必备条件。越冬期遮荫条件下，虽然穗粒数和千粒重有所提高，但是同时导致公顷穗数显著下降，从而抵消了千粒重和穗粒数对产量造成的影响，而返青期遮荫使小麦穗数下降程度更大，直接导致了产量的降低，并且YZ4110的公顷穗数和产量对春季遮荫的敏感程度均大于冬季遮荫。通过分析遮荫条件下的小穗数与小穗粒数，发现ZM18在春季遮荫情况下小穗数量显著下降，但是下降幅度较小，YZ4110则在两个遮荫处理下均无显著差异，两个小麦品种在越冬和返青遮荫条件下不孕小穗数均显著下降，并且小穗粒数显著提高，这也是遮荫条件下穗粒数升高的主要原因。通过本研究将对小麦越冬返青期抗寒管理提供理论支持。