國外引進(jìn)甘蔗栽培品種的光合氣體交換參數(shù)遺傳差異與聚類分析

李純佳，覃偉，徐超華，劉洪博，毛鈞，陸鑫

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國外引進(jìn)甘蔗栽培品種的光合氣體交換參數(shù)遺傳差異與聚類分析

李純佳，覃偉，徐超華，劉洪博，毛鈞，陸鑫

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南開遠(yuǎn) 661699）

【目的】探明國外引進(jìn)甘蔗栽培品種光合氣體交換參數(shù)遺傳變異特征，篩選優(yōu)良基因型，并為甘蔗高光效育種技術(shù)優(yōu)化提供參考依據(jù)?！痉椒ā坷肔I-6400便攜式光合儀，于大伸長期對50份國外引進(jìn)甘蔗栽培品種頂端全展葉6項(xiàng)光合氣體交換參數(shù)進(jìn)行測定，包括凈光速率（）、氣孔導(dǎo)度（gs）、胞間CO2濃度（i）、蒸騰速率（）、固有水分利用效率（WUEintr）、瞬時水分利用效率（WUEinst）。通過方差分析、廣義遺傳力計(jì)算、相關(guān)分析以及主成分分析明確氣體交換參數(shù)變異特征，并通過聚類和判別分析篩選優(yōu)異基因型?！窘Y(jié)果】所有光合氣體交換參數(shù)在參試基因型間差異均達(dá)到極顯著水平，變異程度依次為gs＞＞＞i＞W(wǎng)UEintr＞W(wǎng)UEinst。各項(xiàng)參數(shù)廣義遺傳力較高，除WUEinst為58.8%外，其余參數(shù)均達(dá)70%以上。除WUEinst與間相關(guān)性不顯著外，其他氣體交換參數(shù)間相關(guān)性均達(dá)顯著水平。氣孔導(dǎo)度同其他參數(shù)具有較強(qiáng)的非線性相關(guān)，體現(xiàn)了其對氣體交換的重要調(diào)控作用。主成分分析共提取兩項(xiàng)公因子，可分別解釋為“碳同化性能”和“水分利用效率”，二者在基因型間的變化彼此獨(dú)立，表明兼具高碳同化性能和高水分利用效率材料的篩選是可能的。通過聚類分析最終篩選出B4362、B51-410、US67-22、BH10-12、C323-87、Co685等6個碳同化能力突出、且同時具有極佳水分利用效率的優(yōu)異基因型?！窘Y(jié)論】國外引進(jìn)甘蔗栽培品種中蘊(yùn)含豐富的氣體交換參數(shù)變異，遺傳差異是該變異產(chǎn)生的主要原因。鑒定篩選到6份兼具高碳同化性能和高水分利用效率的優(yōu)異材料，為甘蔗高光效育種提供了可靠的種質(zhì)資源和優(yōu)化建議。

甘蔗；國外引進(jìn)栽培品種；光合氣體交換參數(shù)；遺傳差異；聚類篩選

0 引言

【研究意義】甘蔗（spp.）是我國和世界首要糖料作物，并在生物能源領(lǐng)域發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。作為世界上最高產(chǎn)的作物之一，強(qiáng)大的光合能力是甘蔗的顯著生理特征[1-2]。光合作用是植物生物量的來源，對作物產(chǎn)量和品質(zhì)均有重要影響[3]。因此，高光效育種被視為作物遺傳改良的重要內(nèi)容和研究方向。我國甘蔗育種起步較晚，為拓寬自育品種遺傳基礎(chǔ)、提高育種效率，陸續(xù)引進(jìn)了大批國外栽培品種。這些材料蘊(yùn)含豐富的遺傳變異，對其開展光合氣體交換參數(shù)遺傳變異特征研究，可為我國甘蔗高光效育種親本選擇和技術(shù)優(yōu)化提供參考依據(jù)。【前人研究進(jìn)展】光合效能是復(fù)雜的多因素綜合性狀，葉綠素?zé)晒鈁4]、光合放氧[5]、氣體交換[6]等生理參數(shù)均可反映葉片光合效率。其中，氣體交換參數(shù)憑借實(shí)時無損、直觀準(zhǔn)確的測量技術(shù)優(yōu)勢，在高等植物光合生理研究中應(yīng)用廣泛[6]。甘蔗高光效育種實(shí)踐中，氣體交換參數(shù)具有重要作用。首先，氣體交換參數(shù)可用于甘蔗優(yōu)異種質(zhì)資源篩選。羅俊等[7]發(fā)現(xiàn)甘蔗光合氣體交換參數(shù)在不同品種間存在較大差異，其中的3個參數(shù)可用于品種光合性能的聚類篩選。徐超華等[8]分析了甘蔗近緣屬野生種質(zhì)資源蔗茅（）的光合氣體交換數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)材料間差異較大，并從中篩選出了具有較高光合效率和較高水分利用效率的群體。其次，氣體交換參數(shù)還可用于分析甘蔗光合特性遺傳規(guī)律。呂建林等[9]發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)氣體交換參數(shù)在甘蔗組合間和組合內(nèi)均存在高度分離，從而證明在甘蔗F1代材料中進(jìn)行高光效篩選是可行的，并認(rèn)為凈光速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰效率等3個氣體交換性狀的遺傳差異主要由非加性效應(yīng)引起。羅俊等[10]在實(shí)生苗中發(fā)現(xiàn)甘蔗氣體交換性狀受組合特殊配合力影響大于親本一般配合力。【本研究切入點(diǎn)】光合性能的遺傳變異是高光效育種的基礎(chǔ)。國外甘蔗優(yōu)良品種的引進(jìn)和利用，極大豐富了我國甘蔗雜交育種基因庫，對我國自育甘蔗品種產(chǎn)量、糖分、抗性的提升均做出了重要貢獻(xiàn)。但其在高光效甘蔗新品種培育方面的潛力尚未得到充分利用。要深入挖掘引進(jìn)品種的高光效育種潛力準(zhǔn)確高效的光合氣體交換特性分析是十分必要的工作。目前我國對國外引進(jìn)甘蔗品種的評價多集中在生產(chǎn)特性[11-12]、表型[13-14]和分子遺傳多樣性[15-16]等方面，研究已從不同角度和水平揭示了國外引進(jìn)甘蔗栽培品種中蘊(yùn)含的豐富遺傳變異，但這些變異在光合生理、尤其是氣體交換特性上的具體體現(xiàn)仍是有待研究的問題。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究隨機(jī)選取了國家甘蔗種質(zhì)資源圃內(nèi)保育的50份國外引進(jìn)甘蔗栽培品種，對其光合氣體交換參數(shù)進(jìn)行了測量和分析，旨在探明其氣體交換特性差異，篩選可用于高光效育種的優(yōu)異種質(zhì)資源，并為更大規(guī)模的高光效資源鑒定和品種選育的技術(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)材料為50份國外引進(jìn)甘蔗栽培品種無性系（表1），從國家甘蔗種質(zhì)資源圃中隨機(jī)選取，由國家農(nóng)作物種質(zhì)資源共享平臺提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所國家甘蔗種質(zhì)資源圃內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)地位于北緯23.7°，東經(jīng)103.25°，海拔約1 052 m，屬低緯度亞熱帶高原季風(fēng)氣候，全年以晴天為主，日溫差較大，年溫差較小。年平均氣溫20°C左右，光照充足，年日照時數(shù)2 385 h，無霜期341 d。試驗(yàn)地土壤為砂質(zhì)紅壤，有機(jī)質(zhì)含量21.2 g·kg-1，pH 7.8，全氮、全磷、全鉀含量分別為0.111、0.149、1.200 g·kg-1，其中有效氮、有效磷、有效鉀含量分別為67、18.6、166 mg·kg-1。

試驗(yàn)整體采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，種植行長3 m，行距1.2 m，株距約0.5 m。于2017年3月初，選取健康完整的中上部單芽莖段下種，種植密度90 000芽/hm2。田間管理措施參照常規(guī)甘蔗高產(chǎn)栽培技術(shù)實(shí)行。試驗(yàn)期間各材料均健康生長，未見病蟲害發(fā)生。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

2017年7月至9月，甘蔗進(jìn)入大伸長期。每一無性系選取長勢具有代表性、均勻一致的植株3株，掛牌標(biāo)識其+1葉進(jìn)行測量，共測量5次。采用LI-6400型便攜式光合儀（Li-Cor，USA）測定光合氣體交換參數(shù)。于天氣晴朗或少云的上午，待葉片經(jīng)自然光誘導(dǎo)充分后進(jìn)行測量，時間為9：30—11：30。以光合儀葉室固定葉片，5—10 min數(shù)值穩(wěn)定后進(jìn)行記錄。

光合儀設(shè)定參數(shù)：氣體流量500 μmol·mol-1，CO2濃度400 μmol·mol-1（由小鋼瓶供給），葉室溫度30°C，光強(qiáng)1 400 μmol·m-2·s-1（使用葉室LED紅藍(lán)光源）。

表1 參試國外引進(jìn)甘蔗栽培品種信息

測定光合氣體交換參數(shù)：凈光速率（photosynthesis，），μmol·m-2·s-1；氣孔導(dǎo)度（stomatal conductance，gs），mol·m-2·s-1；胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，i），μmol mol-1；蒸騰速率（transpiration rate，），mmol·m-2·s-1；葉片固有水分利用效率（intrinsic water use efficiency，WUEintr），μmol·mol-1；瞬時水分利用效率（instantanous water use efficiency，WUEinst），μmol·mol-1。其中，WUEintr=/gs，WUEinst=/E。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析、主成分分析、判別分析。廣義遺傳力計(jì)算參照杜榮騫[17]方法。使用Origin 2017 Pro軟件繪制擬合曲線。使用HemI軟件[18]繪制熱圖，并進(jìn)行聚類分析。原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化為Z分?jǐn)?shù)進(jìn)行主成分分析、判別分析、聚類熱圖繪制。

2 結(jié)果

2.1 光合氣體交換參數(shù)遺傳差異分析

50份國外引進(jìn)甘蔗栽培品種光合氣體交換參數(shù)基因型間差異如表2所示。各材料平均為27.3 μmol·m-2·s-1，最高的無性系VMC87-95（36.2 μmol·m-2·s-1）與最低的CAC113（15.9 μmol·m-2·s-1）間存在2.27倍差異；gs均值為0.229 mol·m-2·s-1，最高為MY5465（0.367 mol·m-2·s-1），最低為CAC113（0.117 mol·m-2·s-1），二者間差異達(dá)3.14倍；i均值為144 μmol·mol-1，最高的MY5465（190 μmol·mol-1）與最低的FR93- 264（103 μmol·mol-1）間差異為1.85倍；均值為3.98 mmol·m-2·s-1，最高為Co330（5.42 mmol·m-2·s-1），最低為CAC113（2.63 mmol·m-2·s-1），差異達(dá)2.06倍；WUEintr均值為126 μmol·mol-1，最高的FR93-264（157 μmol·mol-1）與最低的MY5465（95 μmol·mol-1）間存在1.65倍差異；WUEinst均值為6.86 μmol·mol-1，最高為C2858-74（7.66 μmol·mol-1），與最低的CAC113（5.65 μmol·mol-1）間差異為1.36倍。

倍數(shù)差異和變異系數(shù)均顯示gs為變異最劇烈的參數(shù)，其次為，再次為，其后為i和WUEintr，WUEinst變異程度最小。方差分析結(jié)果顯示，所有光合氣體交換參數(shù)在參試基因型間差異均達(dá)到極顯著水平（＜0.001）?？傮w而言，各參數(shù)廣義遺傳力較高，其中最高為，達(dá)74.8%；其后依次為gs、i、、WUEintr，均達(dá)70%以上；WUEinst最低，亦達(dá)58.8%。

表2 國外引進(jìn)甘蔗栽培品種間氣體交換參數(shù)遺傳差異

***，在＜0.001水平上達(dá)到極顯著差異 ***, statistically significant at<0.001

2.2 光合氣體交換參數(shù)間相關(guān)性

雖然WUEinst為與的比值，但其與的相關(guān)系數(shù)僅為0.008，相關(guān)性不顯著。除此以外，其他光合氣體交換參數(shù)間相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平（表3）。

除WUEinst外，gs與其他氣體交換參數(shù)間的相關(guān)性均較強(qiáng)。其中，與、i、呈正相關(guān)，與WUEintr呈負(fù)相關(guān)。這些相關(guān)關(guān)系均為非線性，使用指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)衍生的超越方程可較好描述其函數(shù)關(guān)系（圖1-a—圖1-d）。與間同樣存在較強(qiáng)的非線性正相關(guān)關(guān)系，可以冪函數(shù)方程= 167.360.12- 170.16（2=0.85）擬合（圖1-e)。WUEintr與、gs、i、均呈負(fù)相關(guān)，其中，與i的相關(guān)性極強(qiáng)，使用線性方程= -0.68+ 222.92進(jìn)行擬合，2可達(dá)0.90（圖1-f）。雖然同為水分利用效率，WUEinst與WUEintr相關(guān)系數(shù)較低，相關(guān)性較弱。

2.3 光合氣體交換參數(shù)主成分分析

表4表明，以特征根≥1且積累貢獻(xiàn)率≥85%為判別條件，共可提取兩項(xiàng)主成分因子。PC1特征根達(dá)3.459，對總體方差的貢獻(xiàn)率高達(dá)57.651%；PC2特征根為1.907，所含方差占總方差的31.777%。兩項(xiàng)主成分因子共解釋了89.427%的總體變異，表明主成分因子提取是有效的，包含了本試驗(yàn)國外引進(jìn)甘蔗栽培品種光合氣體交換數(shù)據(jù)的主要信息。

圖1 氣體交換參數(shù)間相關(guān)關(guān)系

表3 光合氣體交換參數(shù)間相關(guān)系數(shù)

表中數(shù)字為皮爾森相關(guān)系數(shù)，相關(guān)顯著性雙側(cè)檢驗(yàn)。**，在＜0.01水平達(dá)到極顯著相關(guān)；ns，相關(guān)性不顯著

Pearson’s correlation coefficients were shown with numbers in above table. Significance was two-tailed tested. **, statistically significant at<0.01; ns, not significant

表4 光合氣體交換參數(shù)主成分因子得分及載荷

主成分因子PC1的載荷主要來自、gs、，且均為正向（表4）。值為葉片CO2同化速率的直接體現(xiàn)，gs、為葉片固碳性能的重要組成部分和表征因子，與具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（表3，圖1-a—圖1-e）?？梢姡琍C1因子可稱為“碳同化性能”。主成分因子PC2主要由WUEinst和WUEintr提供正向載荷，其負(fù)向載荷主要由i承擔(dān)（表4）。i與WUEintr間存在極顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（表2，圖1-f），為WUEintr的負(fù)向指征。因此，PC2因子可稱為“水分利用效率”。

根據(jù)各基因型的主成分因子得分分析因子間相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)PC1與PC2間無相關(guān)關(guān)系，彼此獨(dú)立（2= 0.02，= 0.85）（圖2）。這為同時具有優(yōu)異碳同化性能和水分利用效率的優(yōu)異材料篩選提供了可能。

圖2 主成分因子間關(guān)系

2.4 聚類與判別分析

R型聚類結(jié)果顯示，6項(xiàng)氣體交換參數(shù)中，、gs、i、等固碳相關(guān)參數(shù)聚成一組，WUEintr、WUEinst等兩項(xiàng)水分利用效率參數(shù)聚成一組（圖3）。Q型聚類中，50個基因型總體劃分為兩個群。其中一個群包含I、II 2個組，另一個群由III、IV、V 3個組組成。熱圖中，兩個群特征差異明顯，其中一個群固碳相關(guān)指標(biāo)水平較弱，水分利用效率較高，另一個群則相反（圖3）?？傮w而言，聚類結(jié)果與主成分因子分析結(jié)果較為一致。

圖3 國外引進(jìn)甘蔗栽培品種氣體交換參數(shù)聚類熱圖

以上述聚類結(jié)果作為先驗(yàn)概率，使用步進(jìn)法對Q型聚類結(jié)果進(jìn)行貝葉斯判別分析。經(jīng)Wilk’s Lambda檢驗(yàn)，gs、、WUEintr、WUEinst等4項(xiàng)參數(shù)作為引入變量進(jìn)入判別模型，其在各組分類判別函數(shù)中的系數(shù)如表5所示。上述模型判別結(jié)果顯示分組正判率為100%，說明圖3所示聚類結(jié)果是可靠的。

各基因型的聚類分組的氣體交換特征如表6所示。I組包含7個基因型，、gs、、WUEinst均為5組中最低，i和WUEintr為中等水平，表明該組材料固碳性能和水分利用高效率均較差，屬氣體交換性能最差的類型；II組包含11個基因型，其中6項(xiàng)氣體交換性狀均屬中等水平，表明該組材料為固碳性能和水分利用效率較為均衡的類型；III組包含6個基因型，和均較低，WUEintr和WUEinst為各組最高，可視為水分利用效率的極端材料；IV組包含11個基因型，具有中等水平的和較高的gs、，但其i過高，WUEintr和WUEinst均較屬最低水平，為氣體交換性能較差的類型；V組包含16個基因型，其、gs和均為最高水平，i和WUEinst較高，WUEintr較低，綜合認(rèn)為該組材料為固碳性能的極端類型，同時具一定水平的水分利用效率。

表5 各組判別函數(shù)系數(shù)

II組和V組具有進(jìn)一步篩選的價值，且所含材料較多，可各自劃分出II-a、II-b、V-a、V-b等4個亞組（圖3，表6）。其中，II-a亞組包含B4362、B51-410、US67-22、BH10-12、C323-87、Co685等6個基因型，總體表現(xiàn)為高，i低，gs和適中，WUEintr和WUEinst為4個亞組中最高，同時具有優(yōu)異的固碳性能和水分利用效率，為本研究中氣體交換特征較為理想的一組材料。

表6 聚類分組氣體交換特征

表中數(shù)字為各組均值，使用Duncan法進(jìn)行多重比較，不同字母表示組間差異在＜0.05上達(dá)到顯著水平

Mean values of each group were shown in the table. Multiple comparison was conducted using Duncan’s method. Different letters mean statistical significance between groups at0.05

3 討論

3.1 國外引進(jìn)甘蔗栽培品種光合氣體交換參數(shù)遺傳變異

光合作用為作物生長和產(chǎn)量形成提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。作為主要光合器官，葉片的固碳作用為高等植物積累了近90%的生物量[2-3]。葉片光合能力的遺傳改良，已成為作物高光效育種的熱點(diǎn)方向之一[3]。本文對50份國外引進(jìn)甘蔗栽培品種的葉片氣體交換參數(shù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)中存在巨大變異，且廣義遺傳力較高（表2）。這表明遺傳因素，而非環(huán)境飾變，是國外引進(jìn)甘蔗品種葉片氣體交換參數(shù)變異產(chǎn)生的主要原因。

前人利用國外引進(jìn)栽培品種開展了甘蔗葉片光合效率研究[7,10]，也顯示了氣體交換參數(shù)在不同材料間存在顯著差異，但未解釋其產(chǎn)生的原因。Jackson[19]和LI等[20]此前的工作表明遺傳差異對甘蔗及近緣屬植物葉片光合水平差異的形成具有決定性作用，但所用無性系群體由多個種屬材料混合而成，遺傳背景復(fù)雜，天然具有較高的異質(zhì)性。本研究在遺傳背景相對狹窄的國外引進(jìn)栽培品種無性系群體中，揭示了由其內(nèi)在遺傳差異導(dǎo)致的氣體交換參數(shù)的巨大變異。原種和近緣屬資源的雜交利用可拓寬甘蔗種質(zhì)基礎(chǔ)，但作為高代材料，現(xiàn)有國外引進(jìn)甘蔗栽培品種亦可為我國甘蔗高光效育種提供較為豐富的遺傳資源，種質(zhì)創(chuàng)新與品種選育實(shí)踐中應(yīng)予關(guān)注。

3.2 優(yōu)異基因型篩選及其氣體交換特征

優(yōu)異資源的鑒定與篩選是開展甘蔗高光效品種選育的基礎(chǔ)與前提。從氣體交換角度來看，光合作用即為一個“以散失自身水分為代價吸收外界CO2”的過程[21]。前人的報(bào)道[7-8,22]和本文主成分分析結(jié)果（表4）也顯示，CO2固定和水分散失是葉片光合氣體交換的兩大主題。因此，高光效優(yōu)異材料的篩選，不應(yīng)一味追求光合速率，而應(yīng)注重碳同化性能與水分利用效率的平衡。借助聚類分析和判別分析，筆者篩選和鑒定出了可供甘蔗高光效育種優(yōu)先選擇的6份材料，分別為B4362、B51-410、US67-22、BH10-12、C323-87，以及Co685。這一組材料的氣體交換特征在于固碳性能優(yōu)異，同時水分利用效率極佳（表6），在較高水平上取得了二者間平衡。

由于碳同化性能與水分利用效率可各自獨(dú)立在基因型間變化（圖2），二者間的平衡是可以達(dá)成的。但更多情況下，植物固碳能力和水分利用效率間的矛盾難以調(diào)和[23]。本文和其他大量研究[8,19-20]結(jié)果表明，光合速率與固有水分利用效率間存在中等以上強(qiáng)度（＞0.5）的顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（表2），即為該矛盾的具體體現(xiàn)。本研究中部分材料取得了二者的平衡，應(yīng)為人工選擇壓力間接作用的結(jié)果。參試材料雖為不同國家的不同育種機(jī)構(gòu)育成，但均由常規(guī)選擇方法選育，無一為專門的高光效育種計(jì)劃的產(chǎn)物。甘蔗的常規(guī)選育是基于表型的，而部分表型性狀，尤其是葉部表型，與其光合能力緊密相關(guān)。如葉片厚度可決定單位面積葉片的Rubisco酶含量，從而影響光合速率[1-2]；而葉型則與耐旱性有關(guān)，葉片長寬比與水分利用效率具有一定正相關(guān)關(guān)系[2]。相關(guān)表型性狀的綜合考量，可間接完成作物葉片固碳能力和水分利用效率的微妙調(diào)和與平衡[24-25]。以上6個優(yōu)異基因型固碳能力與水分利用效率在較高水平達(dá)成平衡，即為表型選擇壓力間接塑造甘蔗葉片氣體交換生理特征的典型體現(xiàn)。

3.3 甘蔗大規(guī)模高光效種質(zhì)資源篩選方案優(yōu)化

氣體交換數(shù)據(jù)是目前評價葉片光合能力的主流標(biāo)準(zhǔn)[6]，但其測量結(jié)果易受環(huán)境影響。云層遮蓋、日光角度、植株自身和鄰株的遮光、空氣流動等難以避免的擾動，都將通過氣孔行為對各氣體交換參數(shù)數(shù)值產(chǎn)生影響[3,22]。廣義遺傳力可反映環(huán)境方差在總體方差中的比例[17]，因此可作為氣體交換數(shù)據(jù)質(zhì)量的衡量指標(biāo)[20]。為取得更高的廣義遺傳力，往往需要提高測量強(qiáng)度[17]。這使得氣體交換測量成為一項(xiàng)勞動密集工作，對大規(guī)模的高光效材料篩選猶是如此。

根據(jù)全生長期測量結(jié)果，LI等[20]預(yù)計(jì)甘蔗每個基因型約需至少20次測量才能令Hb達(dá)到70%。但本研究僅以每個基因型15次（3棵植株×5次測量/株）的測量強(qiáng)度便獲得了這一水平的廣義遺傳力（表2），這可能與選擇在大伸長期進(jìn)行集中測量有關(guān)。這一時期，同一品種的各植株長勢趨于一致，而不同品種的生長狀態(tài)差異愈發(fā)凸顯[1-2]，測量結(jié)果能夠充分體現(xiàn)遺傳效應(yīng)帶來的差異，壓縮環(huán)境方差所占比例。我們結(jié)合嚴(yán)格控制儀器測量參數(shù)以避免誤差項(xiàng)過大，最終以較低的測量強(qiáng)度取得了較好的測量結(jié)果。

僅針對氣孔導(dǎo)度開展篩選，亦被證明是有效的替代方案。這一方案的優(yōu)勢在于氣孔導(dǎo)度直接或間接測量設(shè)備價格均遠(yuǎn)低于光合儀，且測量更為快捷便利。研究機(jī)構(gòu)可負(fù)擔(dān)多臺，并以更快的單葉測量速度提高測量通量，從而滿足大規(guī)模篩選的需求。氣孔行為對葉片光合水平的關(guān)鍵影響，是該方案合理性的基礎(chǔ)。以本文為例，氣孔導(dǎo)度在所有氣體交換參數(shù)中遺傳變異最為強(qiáng)烈（表2），對其他參數(shù)具有顯著調(diào)節(jié)作用（圖1），同時還是“碳同化性能”主成分因子的主要載荷性狀（表4）和聚類結(jié)果的判別性狀（表5）。在水稻（）[26]、小麥（）[27]、馬鈴薯（）[28]等作物的生理選育中，針對氣孔導(dǎo)度的篩選已得到實(shí)際運(yùn)用。甘蔗中，Basnayake[29]和Luo[30]已明確提出氣孔導(dǎo)度可作為耐旱品種選育指標(biāo)。鑒于適宜的氣孔導(dǎo)度亦為本文6份優(yōu)異材料氣體交換的顯著特征，筆者認(rèn)為這一替代方案對甘蔗高光效種質(zhì)篩選同樣具有應(yīng)用潛力。

4 結(jié)論

通過50份國外引進(jìn)甘蔗栽培品種的葉片氣體交換測量和分析發(fā)現(xiàn)，凈光速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、固有水分利用效率和瞬時水分利用效率等6項(xiàng)參數(shù)存在極顯著差異，材料間遺傳差異是其產(chǎn)生的主要原因。各基因型間，碳同化性能與水分利用效率可以兼顧，B4362、B51-410、US67-22、BH10-12、C323-87、Co685等6份材料碳同化性能和水分利用效率俱佳，可供高光效育種利用。本文研究結(jié)果還為甘蔗高光效育種大規(guī)模氣體交換測量提出了優(yōu)化方案。

致謝：感謝澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization，CSIRO）高級研究員Phillip Jackson博士對本文的幫助。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Genetic Variations and Cluster Analysis of Photosynthetic Gas Exchange Parameters in Exotic Sugarcane Cultivars

LI ChunJia, QIN Wei, XU ChaoHua, LIU HongBo, MAO Jun, LU Xin

(Sugarcane Research Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences/Yunnan Key Laboratory of Sugarcane Genetic Improvement, Kaiyuan 661699, Yunnan)

【Objective】To identify genotypes with high photosynthesis capacity and to optimize methods for further screening, genetic variations of photosynthetic gas exchange parameters among exotic sugarcane cultivars was investigated. 【Method】Using a LI-6400 portable photosynthesis system, gas exchange measurements were conducted on the youngest fully-expanded leaves of 50 cultivars introduced from abroad at their grand-growth stage. Six parameters were measured, namely photosynthesis (), stomatal conductance (gs), intercellular CO2concentration (i), transpiration rate (), intrinsic water use efficiency (WUEintr), and instantaneous water use efficiency (WUEinst). Key statistics were determined including broad sense heritability, correlations among parameters. Besides, variation in responses among cultivars was characterized using principal component analysis, while cluster and discriminant analysis were conducted for elite screening. 【Result】 Significant genetic variation was found for every parameter, with the order (highest to lowest variation) being gs,,,i, WUEintr, to WUEinst. Broad heritability was high (>70%) for all parameters except WUEinst(which was 58.8%). There were significant correlations between all the parameters except that between WUEinstand. Stomatal conductance had strong nonlinear relationships with other parameters, consistent with its pivotal role in regulating leaf gas exchange. Two principal components were extracted through principal component analysis, which could be interpreted as being predominately related to "carbon assimilation" and "water use efficiency" respectively. These two components varied independently among the clones, indicating the possibility of screening for elites harboring both high carbon assimilation and high water use efficiency. Cluster analysis identified a group of six genotypes which had both high carbon assimilation and water use efficiency. 【Conclusion】 Significant variation due to genetic differences in gas exchange parameters exists among exotic sugarcane cultivars. An elite group of cultivars with both high carbon assimilation and water use efficiency were identified, including B4362, B51-410, US67-22, BH10-12, C323-87, and Co685. Methods to optimize large-scale screening in sugarcane breeding programs for favorable photosynthetic capacity were also determined and discussed.

spp.; exotic cultivars; photosynthetic gas exchange parameters; genetic variation; clustering-based screening

2017-11-29；

2018-03-06

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃面上項(xiàng)目（2016FB067，2017FB054）、福建農(nóng)林大學(xué)國家甘蔗工程技術(shù)研究中心開放課題基金（2016.2.1）、農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)項(xiàng)目（2017NWB017）、云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科技人才培養(yǎng)專項(xiàng)

李純佳，E-mail：lcjzt@163.com。

陸鑫，E-mail：xinlu_ky@126.com