速效氮對(duì)葉色突變體谷子苗期光合生理的影響

袁 蕊，楊宗鵬，聶磊云，胡曉雪，李 萍

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801；2.鄉(xiāng)寧縣農(nóng)業(yè)局，山西鄉(xiāng)寧042100；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，山西太谷030800）

速效氮對(duì)葉色突變體谷子苗期光合生理的影響

袁 蕊1，楊宗鵬2，聶磊云2，胡曉雪1，李 萍1

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801；2.鄉(xiāng)寧縣農(nóng)業(yè)局，山西鄉(xiāng)寧042100；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，山西太谷030800）

葉色突變體具有易于辨識(shí)的表型，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面都具有重要價(jià)值。對(duì)EMS誘變的晉谷21號(hào)突變體庫中篩選獲得葉色突變體進(jìn)行葉面噴施速效氮肥試驗(yàn)。結(jié)果表明，速效氮使葉色突變體谷子的凈光合速率（Pn）增加了78.58%、水分利用率（WUE）增加了57.34%，但氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）均沒有顯著變化；葉色突變體谷子葉片光系統(tǒng)II最大的（潛在）光化學(xué)量子效率（Fv/Fm）、葉片光系統(tǒng)II有效光化學(xué)量子效率（Fv′/Fm′）、光系統(tǒng)II實(shí)際光化學(xué)量子效率（ΦPSI）I和電子傳遞速率（ETR）分別比對(duì)照增加了33.06%，28.89%，15.88%，15.88%，光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）無顯著變化；速效氮能增加葉色突變體谷子葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素a+b的含量，但類胡蘿卜素施肥處理與對(duì)照間差異不明顯?？傊?，速效氮能夠提高葉色突變體谷子的光合作用，改善葉色突變帶來的不利影響，從而促進(jìn)生長(zhǎng)。

速效氮；葉色突變體谷子；苗期；光合生理；葉綠素?zé)晒鈪?shù)

谷子（Setaria italica）是我國最古老的旱作糧食作物之一，為華夏民族幾千年來的傳統(tǒng)主食，含有豐富的氨基酸、維生素類及鈣鐵等微量元素，且其氨基酸含量高于其他禾谷類作物[1]。晉谷21號(hào)，原名晉汾7號(hào)，是山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所利用鈷60γ射線輻射晉汾52號(hào)干種子選育而成。晉谷21號(hào)誘變育成后，20多年來一直被公認(rèn)為頂級(jí)米質(zhì)品種，以晉谷21號(hào)為原料生產(chǎn)加工出的小米，熬成的小米粥味道香濃且適口品質(zhì)好，不僅含有豐富的氨基酸和微量元素，還具有抗癌、防衰老的作用，曾5次獲全國農(nóng)業(yè)博覽會(huì)優(yōu)質(zhì)谷米金獎(jiǎng)[2-3]。雖然山西有一大批中晚熟品種在抗病性、抗旱性、抗倒伏性、產(chǎn)量水平等方面較晉谷21號(hào)有顯著優(yōu)勢(shì)，但因其品質(zhì)不及晉谷21號(hào)而未得到大面積推廣，晉谷21號(hào)在生產(chǎn)上仍占主導(dǎo)地位[4-5]。

EMS（甲基磺酸乙酯）作為一種有效的化學(xué)誘變劑，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、誘變率高等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在玉米[6]、水稻[7]、小麥[8]等農(nóng)作物的誘變育種工作中。利用EMS誘導(dǎo)谷子突變，可創(chuàng)造全新的遺傳類型，豐富谷子種質(zhì)資源。深入研究突變體谷子的生理，有利于提高谷子生長(zhǎng)潛力，增加谷子產(chǎn)量。因此，利用EMS誘變晉谷21號(hào)，構(gòu)建谷子突變體庫，以充分利用優(yōu)異品質(zhì)基因資源，加速谷子品質(zhì)育種進(jìn)程，也可為谷子的研究奠定基礎(chǔ)[9-10]。

谷子葉色突變體，其主要特點(diǎn)是葉色表型發(fā)生變化，影響葉綠素的合成，改變?nèi)~綠素含量，使葉色出現(xiàn)黃化、白化、色淺、條紋等不同癥狀[11-13]。植物光合作用主要在植物葉片中進(jìn)行，研究證明，葉色突變體能一定程度上決定光合效率[14]。元素氮對(duì)作物生長(zhǎng)起著非常重要的作用，是植物進(jìn)行光合作用起決定性的葉綠素組成部分。

本試驗(yàn)就速效氮對(duì)經(jīng)EMS誘變的晉谷21號(hào)葉色突變體進(jìn)行光合生理研究，以期能為豐富谷子育種材料及探索葉色突變體的突變機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行，該地位于山西省晉中市太谷縣（37.42°N，112.58°E）。供試用土壤為沙、土、基質(zhì)（體積比為1∶10∶10），有機(jī)質(zhì)含量2.37%，全N含量1.12 g/kg，速效N含量45.28 mg/kg，速效P含量25.65 mg/kg，速效K含量280.5 mg/kg，混勻。

1.2 試驗(yàn)材料

從山西農(nóng)業(yè)大學(xué)晉谷21號(hào)EMS突變體試驗(yàn)田中，觀察發(fā)現(xiàn)有植株從苗期開始表現(xiàn)出葉色黃化現(xiàn)象。谷子成熟時(shí)，單獨(dú)收獲葉色黃化的植株，晾干后，對(duì)這些葉色黃化的植株進(jìn)行脫粒，將種粒裝于牛皮紙袋中備用。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

谷子播種于長(zhǎng)×寬×高為25 cm×25 cm×30 cm花盆中，且底部有排水孔，裝土25 cm深，將種子均勻地播撒在花盆中，然后覆土2 cm左右，共6盆。出苗后，葉片達(dá)到3～4片時(shí)，分別進(jìn)行H2O處理（每盆噴施200 mL的蒸餾水，CK）和速效氮肥處理（每盆噴施200 mL的氮肥，2 g速效氮溶于200 mL蒸餾水中），每個(gè)處理3次重復(fù)。每15 d施肥一次。

1.4 測(cè)定內(nèi)容及方法

1.4.1 光合作用的測(cè)定 在播種后第28天，葉片達(dá)到8～9片時(shí)，每盆分別選取有代表性的葉色突變體谷子6株，測(cè)定完全展開的幼嫩功能葉。用便攜式光合氣體分析系統(tǒng)（Li 6400，Li-Cor Inc，Lincoln NE，USA）進(jìn)行測(cè)定，設(shè)置紅藍(lán)光源，光強(qiáng)1 400 μmol/（m2·s），葉室溫度25℃。記錄凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr），計(jì)算水分利用效率（WUE，WUE＝Pn/Tr），測(cè)定時(shí)間為9：00—12：00[15]。1.4.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 播種后第28天，葉片達(dá)到8～9片時(shí)，每盆分別選取有代表性的葉色突變體谷子6株，測(cè)定完全展開的幼嫩功能葉。將便攜式光合氣體分析系統(tǒng)（Li 6400，Li-Cor Inc，Lincoln NE，USA）換為葉綠素?zé)晒馊~室，光強(qiáng)1 400 μmol/（m2·s），葉室溫度25℃。先測(cè)量光反應(yīng)，然后用錫紙把葉片包裹至少20 min，再進(jìn)行暗反應(yīng)的測(cè)定。記錄葉綠素初始熒光（F0）、最大熒光（Fm），光下最小熒光（F0′）和光下最大熒光（Fm′）、穩(wěn)態(tài)熒光（Fs），并計(jì)算出光系統(tǒng)II最大的（潛在）光化學(xué)量子效率（Fv/Fm）、光系統(tǒng)II有效光化學(xué)量子效率（Fv′/Fm′）、葉片光系統(tǒng)II實(shí)際光化學(xué)量子效率（ΦPSII）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）、非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）、電子傳遞速率（ETR）等葉綠素?zé)晒鈪?shù)，測(cè)定時(shí)間為9：00—12：00[16]。

1.4.3 光合色素含量的測(cè)定 播種12 d后，谷子葉片達(dá)到3～4片時(shí)，開始第1次噴施速效氮，以后每15 d噴施一次。葉片噴施速效氮后約7 d取材，連續(xù)取材6次，每盆分別選取有代表性的葉色突變體谷子6株，取完全展開的幼嫩功能葉，測(cè)定旗葉色素含量，取平均值，方法參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的整理和圖表的繪制均采用Excel；顯著性檢驗(yàn)采用SPSS軟件，其中P＜0.05水平的視為顯著，P＜0.01水平的視為極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 速效氮對(duì)葉色突變體谷子光合作用的影響

由圖1可知，速效氮使葉色突變體谷子凈光合速率（Pn）和水分利用率（WUE）分別比CK增加了78.58%（圖1-a）和57.34%（圖1-e）；胞間CO2濃度（Ci）（圖1-c）、氣孔導(dǎo)度（Gs）（圖1-b）、蒸騰速率（Tr）（圖1-d）均沒有明顯變化。

2.2 速效氮對(duì)葉色突變體谷子葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力參數(shù)的影響

從表1可以看出，葉色突變體谷子葉片光系統(tǒng)II最大的（潛在）光化學(xué)量子效率（Fv/Fm）和葉片光系統(tǒng)II有效光化學(xué)量子效率（Fv′/Fm′）分別比對(duì)照極顯著增加了33.06%和28.89%；光系統(tǒng)II實(shí)際光化學(xué)量子效率（ΦPSII）和電子傳遞速率（ETR）均比對(duì)照顯著增加了15.88%；光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）無顯著變化。

表1 速效氮對(duì)葉色突變體谷子葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力參數(shù)的影響

2.3 速效氮對(duì)葉色突變體谷子光和色素的影響

從圖2可以看出，速效氮能增加葉色突變體谷子葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素a+b的含量，其中，葉綠素a含量在第47天極顯著增加了76.13%（圖2-a）；葉綠素b含量在第33天顯著增加了42.08%（圖2-b）；葉綠素a+b總含量在第47天極顯著增加了64.60%（圖2-c）；類胡蘿卜素含量無明顯變化（圖2-d）。

3 討論

氮素是葉綠素的組成成分，葉綠素a、葉綠素b都是含氮化合物。綠色植物進(jìn)行光合作用，使光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能都是借助于葉綠素的作用。氮也是植物體內(nèi)維生素和能量系統(tǒng)的組成部分，是影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)因子[18]。許多研究表明，葉片的氮含量與光合能力呈正相關(guān)性[19-20]。本研究結(jié)果表明，速效氮使葉色突變體谷子凈光合速率（Pn）、水分利用率（WUE）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）均有不同程度的增加，但胞間CO2濃度（Ci）減少，說明增施氮肥可以提高谷子旗葉對(duì)胞間CO2的同化能力，因此，合理噴施速效氮能提高葉色突變體的光合能力。

葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)是以植物體內(nèi)存在的葉綠素?zé)晒庾鳛闄z測(cè)對(duì)象來觀測(cè)植物體的生理狀況，其中，光系統(tǒng)II的最大量子產(chǎn)量（Fv/Fm）反映了植物潛在的最大光合能力，F(xiàn)v′/Fm′是指光下開放狀態(tài)的PSII反應(yīng)中心的激發(fā)能捕獲效率，光系統(tǒng)II的實(shí)際量子產(chǎn)量（ΦPSII）是表示植物光合能力的一個(gè)重要指標(biāo)，電子傳遞效率（ETR）是與光照強(qiáng)度密切相關(guān)，光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）是植物葉綠體能量耗散的途徑之一[21-23]。葉色突變體谷子幼苗葉片各熒光參數(shù)對(duì)施氮處理反應(yīng)明顯，其中，葉片F(xiàn)v/Fm，F(xiàn)v'/Fm'，ΦPSII，ETR，qP和qN均隨施氮量的增加而升高，表明速效氮能提高葉色突變體谷子幼苗光化學(xué)效率，促進(jìn)光合電子傳遞，提高光合利用效率。葉綠素是最重要的光合色素之一，能反映植物光合能力[24]。速效氮能增加葉色突變體谷子幼苗葉片葉綠素含量，葉片吸光強(qiáng)度和葉肉細(xì)胞光合活性增強(qiáng)，最終使凈光合速率增加。

綜上所述，速效氮能提高葉色突變體谷子幼苗葉片的氣體交換系數(shù)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)等，增強(qiáng)葉色突變體谷子幼苗期的光合作用和生產(chǎn)力，促進(jìn)植株生長(zhǎng)，可為葉色突變體谷子苗期管理提供參考。

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Effects of Available Nitrogen on Photosynthetic Physiological of Leaf Color Mutant Millet during Seedling Stage

YUANRui1，YANGZongpeng2，NIE Leiyun2，HUXiaoxue1，LI Ping1

（1.College ofAgronomy，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.Xiangning County Agricultural Bureau，Xiangning 042100，China；3.Institute ofPomology，Shanxi Academy ofAgricultural Sciences，Taigu 030800，China）

The leaf color mutant has a phenotype which is easy to identify,and it has important value in both theoretical research and practical application.In this experiment,the leafcolor mutant was selected from the mutant library ofthe Jingu 21 mutant which was induced by EMS mutation.The results showed that available nitrogen in creased the net photosynthetic rate（Pn）and water use efficiency（WUE）ofleafcolor mutant millet by 78.58%,57.34%,respectively.Stomatal conductance（Gs）,transpiration rate（Tr）and intercellular CO2concentration（Ci）were no significant changes.Photosystem II（potential）maximum photochemical efficiency（Fv/Fm）,leaf photosystem II photochemical efficiency ofquantum efficiency（Fv'/Fm'）,the actual photochemical quantum efficiency ofphotosystem II（ΦPSII）,and electron transport rate（ETR）of leaf color mutant millet leaves increased by 33.06%,28.89%,15.88%,15.88%, respectively.Photochemical quenching coefficient（qP）and non photochemical quenching coefficient（qN）showed no significant changes.Available nitrogen could increase chlorophyll a,chlorophyll b and chlorophyll a+b content of leaf color mutant millet,but the carotenoids no significant changes.In short,available nitrogen can improve the photosynthesis of leaf color mutant millet,improve the adverse effects ofleafcolor mutation,and promote the growth.

available nitrogen;leaf color mutant millet;seedling stage;photosynthetic physiology;the chlorophyll fluorescence parameters

S515

A

1002-2481（2017）03-0346-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.03.07

2016-11-10

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB955904）；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAD11B03-8）；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20150311006-2）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31601212，31501276）；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士引進(jìn)人才項(xiàng)目（2013YT05）

袁 蕊（1989-），女，山東菏澤人，在讀碩士，研究方向：植物生理生態(tài)。李 萍為通信作者。