在水稻栽培实践中,功能叶片早衰对水稻生育后期的籽粒灌浆和产量性状形成具有显著影响,严重制约水稻产量潜力的发挥、甚至造成大幅度减产,对水稻叶片早衰现象,尤其是灌浆期功能叶片早衰形成的生理特性等问题的研究,对于通过品种选育和栽培管理等途径提高我国水稻产量和改善高产品种的稳产性均具有重要的理论和实践意义。为此,本文以辐射诱变的叶片早衰突变体(early senescence leaf, esl)及其野生型水稻为试验材料,从光合生理、糖代谢和抗氧化调节三个方面,对叶片衰老与PS Ⅱ反应中心有关基因表达间的相互关系,叶片衰老过程的糖信号与糖转运特征,以及H2O2对叶片衰老的调控及其代谢生理机制进行了探讨分析。主要研究结果如下：1.叶绿体降解、光合速率下降和叶绿素a/b值降低是水稻叶片衰老的重要生理特点。与野生型对照相比,叶片早衰突变体esl旗叶中的最大荧光Fm、可变荧光Fv和最大光化学转化效率Fv/Fm显著降低,初始荧光Fo和热耗散量值(D=1-Fv/Fm)显著增加,Cab基因和PS Ⅱ反应中心蛋白基因(PsbA、PsbB、PsbC和PsbD)的表达量显著下降,表明esl突变体水稻叶片衰老与PS Ⅱ反应中心的活性受损、光合原初反应受到抑制有关,导致其光能不能有效地转化为化学能,能量的热耗散增加,进而引起其光能利用率显著降低,早衰突变体在籽粒灌浆过程中的光合速率下降。2.通过对早衰突变体esl与其野生型籽粒灌浆过程中的旗叶糖类含量差异、糖信号与糖转运类的基因表达及其动态变化的检测分析表明,esl突变体旗叶中的己糖含量在叶片衰老的起始阶段已显著高于其野生型,可能作为信号分子感知叶片的衰老信号,之后可溶性总糖、蔗糖和己糖含量也有所降低,并引起叶片形成糖饥饿现象,从而加快了叶片的衰老,利用离体水稻叶片的外源糖处理进一步证实,外源糖的添加处理会延缓叶片衰老进程,而糖饥饿则会加快叶片衰老。其中,Hxk1和Hxk2负责感知叶片衰老过程中的己糖信号,共同参与叶片衰老进程的调控；SuSy1、SuSy2、SuSy4、CIN1和CIN4是蔗糖裂解代谢环节中参与水稻叶片衰老代谢过程和感知胞内蔗糖信号变化的5个重要功能型基因。与野生型对照相比,早衰突变体esl旗叶中的SuSy1、SuSy2、SuSy4表达量在叶片衰老的起始阶段相对较高,但此后则迅速下降,显著低于其相应时期的野生型,且离体叶片的糖培养试验表明,这5个同工型基因的表达对糖水平变化较为敏感,感知胞内的蔗糖信号,并受糖水平调控；此外,由SUT催化的蔗糖转运代谢与叶片衰老过程也存在密切关系,早衰突变体esl旗叶中的SUT1表达量在叶片衰老的前期较高,有利于蔗糖在叶片衰老前的较快速输出。与此同时,由于esl突变体叶片的光合同化能力下降、cyFBP和SPS1、SPS2、SPS6、SPS8的表达量降低,引起早衰叶片中的蔗糖合成也有所减少,但由于参与淀粉合成代谢的AGP同工基因的表达也同时受到抑制,而调控淀粉降解代谢途径的关键基因Amy2A和Amy4的表达量增加,从而会导致早衰突变体衰老叶片中的淀粉含量显著降低。3.AsA-GSH循环调控不同亚细胞部位的H2O2水平,与植物的抗逆和衰老等代谢过程有着较密切联系。与野生型对照相比,早衰突变体esl旗叶中的H2O2含量在水稻灌浆开始时较高,之后有所下降,在灌浆中后期又有较明显“回升”,MDA含量在esl旗叶衰老过程中持续增加,与其野生型间的差异幅度也逐渐增大；对早衰突变体esl旗叶衰老过程中的APX和GR活性测定结果表明,早衰突变体esl旗叶中的APX和GR活性在水稻籽粒灌浆初期要高于其野生型,这可能与早衰突变体esl旗叶在该时期相对较高的H2O2水平有关,之后esl旗叶中APX酶活性也显著降低。通过对早衰突变体esl与野生型旗叶衰老过程中的OsAPXs基因表达动态的差异比较得知,细胞质型OsAPXs(OsAPX1、OsAPX2)和叶绿体型OsAPX7在早衰突变体esl旗叶衰老的起始阶段呈上调表达,而过氧化物体型OsAPX4和类囊体膜结合型OsAPX8则呈下调表达。利用离体水稻叶片的外源H2O2处理试验结果揭示,OsAPXl和OsAPX2受H2O2上调表达,OsAPX4和OsAPX8被H2O2下调表达,而OsAPX6对外源H2O2不敏感,OsAPX7的表达则随H2O2浓度而变化。由于过氧化物体和类囊体膜是植物细胞生成H2O2的两个主要亚细胞部位,因而OsAPX4和OsAPX8在早衰突变体esl旗叶衰老启始阶段的下调表达会导致经过氧化物体和类囊体膜产生的H2O2增多,而多余的H2O2可能会向细胞质和叶绿体基质内扩散,诱导OsAP1、OsAPX2和OsAPX7分别在细胞质和叶绿体内表达,从而引起APX酶活性升高。4.AsA-GSH循环虽然可以精确调控不同亚细胞结构内的H2O2水平,但当细胞内H2O2大量积累时,AsA-GSH循环的调控作用会受到抑制,此时细胞内的CAT酶可以有效地响应不同亚细胞部位内的H2O2水平,并对其在细胞中的浓度变化产生调控。利用离体水稻叶片,进行外源H202处理试验表明,CATA和CATB受外源H2O2诱导表达,而CATC对H2O2处理不敏感；对上述3个CAT因在早衰突变体esl旗叶衰老过程中的动态表达及其与野生型间的差异比较表明,esl突变体叶片中的CATA和CATB在衰老前期表达较高,且高于野生型,并随叶片衰老而逐渐下降,CATA比CATB的下降幅度更快,而CATC在衰老过程中无显著表达变化,esl突变体叶片中CATA和CATB的表达可能受叶片衰老前期高H2O2水平诱导,而这2个基因在衰老后期的下降表达,可能使叶片细胞中H2O2调控失衡,进而加剧衰老。5.质膜NADPH氧化酶(Plasma membrane NADPH oxidase, PM-NOX)是植物细胞内O2-的主要来源之一,由O2-通过SOD歧化作用产生的H2O2是植物细胞中的重要信号分子,在植物的逆境响应和衰老过程起重要的调控作用。对PM-NOX同工基因在esl突变体叶片衰老过程中的表达及其与野生型间的差异比较表明,NOX2、NOX5、NOX6和NOX7在esl叶片衰老起始阶段高表达,而NOX1、NOX3和FR07的表达量较低；采用外源ABA处理离体水稻叶片试验揭示,NOX2、NOX5、 NOX6和NOX7的表达受ABA诱导,而NOX1、NOX3和FR07的表达则被ABA抑制,且外源ABA加速了O2-的产生。由于esl突变体叶片中提升的ABA水平,诱导了NOX2、NOX5、NOX6和NOX7的表达,促使O2-的产生加速,进而形成H2O2信号分子,调控esl突变体叶片衰老。