不同水分條件下小麥持綠相關(guān)性狀與產(chǎn)量的關(guān)系

陳耀宇，王曙光，閆 雪，梁增浩，史雨剛，孫黛珍

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801）

逆境脅迫尤其是干旱易引起作物葉片褪綠，加快葉片衰老死亡的進程。但是有的基因型作物的葉片衰老起始晚或者衰老速率慢，從而引起植物在花后發(fā)育過程中葉片衰老延遲而且仍保持著光合作用的能力，這種現(xiàn)象稱為持綠[1]。小麥?zhǔn)俏覈闹饕Z食作物之一，干旱是影響小麥產(chǎn)量的主要限制因子，尤其是灌漿期干旱，而持綠與抗旱性密切相關(guān)，是作物的重要抗旱機制[2]。因此，在干旱脅迫和灌溉條件下研究小麥持綠相關(guān)性狀與產(chǎn)量的關(guān)系，對于提高小麥產(chǎn)量具有重要意義。

目前，關(guān)于作物持綠與產(chǎn)量關(guān)系的研究有許多報道，大多研究表明，持綠與籽粒產(chǎn)量正相關(guān)。對于玉米的研究發(fā)現(xiàn)，與正常衰老的玉米相比，持綠玉米的綠葉數(shù)目、葉面積指數(shù)、功能綠葉面積、葉面積比以及在開花期與灌漿期的葉綠素含量都比較高，而且在成熟期持綠玉米葉片的含水量也比較高，衰老相對緩慢[3-5]。RAWSON 等[6]對棉花與高粱的研究表明，葉片的功能綠葉面積（GLAD）取決于葉片衰老的早晚、衰老速率的快慢以及花后0 d 總的綠葉面積，葉片保持光合活性的持續(xù)期與作物產(chǎn)量顯著相關(guān)。對小麥的研究表明，重度干旱脅迫時，具有持綠特性的小麥光合色素（如葉綠素、類胡蘿卜素）的含量顯著高于非持綠性品種[7-9]，而在葉綠素降解過程中發(fā)揮作用的酶，如葉綠素酶與葉綠素降解相關(guān)蛋白酶的活性卻低于非持綠品種，這表明持綠小麥有較高的光合作用能力，從而表現(xiàn)出更強的抗旱性[10]；此外，持綠型小麥與非持綠型相比，花后營養(yǎng)物質(zhì)對籽粒的貢獻率大，且花后營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)運量高[11]。SPANO 等[12]通過對4 個小麥持綠型突變體的研究發(fā)現(xiàn)，小麥旗葉葉綠素含量高的材料光合能力也強，二者表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，在灌漿期至成熟期持綠品種能夠保持較高的光合效率和灌漿持續(xù)期，在干旱脅迫條件下粒質(zhì)量和產(chǎn)量都高于親本。然而另一些研究認(rèn)為，持綠性與產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因子相關(guān)性不顯著[13-14]；劉豐明等[15]研究認(rèn)為，小麥和水稻在灌漿期遇到干旱時，葉片衰老和同化物的再轉(zhuǎn)運呈正相關(guān)。JIANG 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，水稻的持綠性與水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量相關(guān)性狀呈負相關(guān)。顯然，關(guān)于持綠性與產(chǎn)量的關(guān)系仍有很大分歧。

本研究在不同水分條件下研究小麥持綠相關(guān)性狀與產(chǎn)量性狀的相關(guān)性，為揭示其復(fù)雜的關(guān)系提供依據(jù)，為小麥品種選育提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為小麥旱選10 號/魯麥14 DH 群體，其包括150 個家系，群體內(nèi)各株系間變異廣泛[17-18]。

1.2 試驗方法

試驗在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作站進行，于2011 年9月種植，水分處理分為雨養(yǎng)（Drought-Stress，DS）和灌溉（Well-Watered，WW）。每種水分處理下，每個家系種2 行，行長2 m，每行40 粒，點播，重復(fù)3 次，隨機區(qū)組設(shè)計。雨養(yǎng)與灌溉處理均在播前澆足夠的底墑水，雨養(yǎng)處理在播種后僅依靠自然降水，2011 年10 月上旬到2012 年6 月中旬，即小麥生育期內(nèi)降水量約為109 mm；灌溉處理分別在越冬前、拔節(jié)期和灌漿中期澆水灌溉，每次灌溉量為650 m3/hm2。

1.3 小麥主莖綠葉數(shù)的測量

小麥開花時，每個家系掛牌標(biāo)記10 株，從花后10 d 開始一直到收獲期，參考賈麗[19]的方法每隔5 d 即花后10（DAA10），15（DAA15），20（DAA20），25（DAA25），30 d（DAA30）進行主莖綠葉素（GLNMS）的測定。

1.4 小麥旗葉功能綠葉面積及衰老特征性狀的計算與測定

小麥開花期，每個家系掛牌標(biāo)記10 株長勢一致的；參照文獻[20]的方法，將小麥的功能綠葉面積（GLAD）分為0～9，開花10 d 后，每隔3 d 即花后13（DAA13），16（DAA16），19（DAA19），22（DAA22），25（DAA25），28（DAA28），31 d（DAA31）用目測法測定功能綠葉面積，直到收獲期。進而模擬出符合小麥旗葉GLAD 變化趨勢的Gompertz 類型的曲線方程。

式中，K 為花后0 d GLAD 的極限值；e 為常數(shù)；a，b 為待估參數(shù)；t 為開花后天數(shù)；Y 為花后某一階段的綠葉面積（GLAD）。

首先用最小二乘法求出3 個參數(shù)K，a，b 的初始賦值，再結(jié)合SAS 軟件，求出K，a，b 的實際值；然后利用該曲線方程，獲得花后小麥旗葉GLAD 的變化曲線。再通過對曲線方程求一階、二階導(dǎo)數(shù)，求得小麥旗葉衰老過程中的特征參數(shù)：最大衰老速率（MRS）、衰老起始時間（Ts）、從花后0 d 到衰老速率最大時所用的時間（TMRS）、從花后0 d 到完全衰老之間的時間（To）、達到最大衰老速率時功能綠葉面積的百分比（PGMS）、花后0 d 到旗葉保持3/4 綠葉面積的天數(shù)（75% G）、花后0 d 到旗葉保持1/4 綠葉面積的天數(shù)（25%G）以及75%G 與25%G 之間的天數(shù)（50%G）。

1.5 小麥產(chǎn)量相關(guān)性狀的測量

小麥成熟后，從每個家系的2 行中間隨機選取10 株長勢一致的，晾干考種，統(tǒng)計單株籽粒產(chǎn)量（YPP），并稱取千粒質(zhì)量（TKW），分別計算10 株的平均值，并將其用作每個家系YPP 與TKW 的表型值。

1.6 統(tǒng)計分析

采用Excel 進行產(chǎn)量、持綠相關(guān)性狀基本統(tǒng)計量的分析；并用SPSS 20 進行相關(guān)分析和非線性回歸曲線模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥持綠性狀間的相關(guān)性

2.1.1 小麥旗葉功能綠葉面積（GLAD）與主莖綠葉數(shù)（GLNMS）之間的相關(guān)性 從表1 可以看出，2 種不同水分處理下，DAA20 之前，旗葉GLAD 與GLNMS 相 關(guān) 性 不 顯 著；DAA20 之 后，DAA22 的GLAD 與DAA15，DAA20，DAA25 的GLNMS 呈 極顯著正相關(guān)，DAA25，DAA28 的GLAD 與各個階段的GLNMS 呈顯著或極顯著正相關(guān)，DAA31 的GLAD 與DAA20，DAA25，DAA30 的GLNMS 相 關(guān)性也達到顯著或極顯著水平。

表1 2 種水分條件下DH 群體不同時期GLAD 與GLNMS 和衰老特征性狀以及產(chǎn)量性狀間的相關(guān)系數(shù)

2.1.2 小麥旗葉GLAD 和GLNMS 與衰老特征性狀的相關(guān)性 正常灌溉條件下，DAA10，DAA13，DAA16，DAA19 的GLAD 與各衰老特征性狀間的相關(guān)性不顯著，但隨著花后天數(shù)的增加，DAA22，DAA25，DAA28，DAA31 的GLAD 與各衰老特征性狀呈現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系；而且同一天的GALD 與不同衰老特征性狀相關(guān)性不同，DAA22 的GALD 與最大衰老速率（MRS）呈極顯著負相關(guān)，與除50%G外的其他衰老特征性狀都表現(xiàn)出顯著正相關(guān)（表1）。各階段的GLNMS 與Ts，To，TMRS，75%G 和25%G 呈顯著或極顯著正相關(guān)，DAA25 和DAA30 的GLNMS 與旗葉MRS 呈極顯著負相關(guān)（表2）。

表2 2 種水分條件下DH 群體不同時期GLNMS 與產(chǎn)量性狀、衰老特征性狀的相關(guān)性

雨養(yǎng)條件下，每個時期的GLAD 都與衰老特征性狀顯著相關(guān)，其中，與MRS 呈現(xiàn)出顯著或極顯著負相關(guān)，與其他衰老特征性狀呈顯著正相關(guān)。DAA20，DAA25 和DAA30 的GLNMS 與Ts，TMRS，75%G 和25%G 呈顯著正相關(guān)，而與MRS 呈現(xiàn)出顯著或極顯著負相關(guān)。

2.1.3 小麥旗葉衰老特征性狀彼此之間的相關(guān)性2 種不同水分處理下，75%G 與多數(shù)衰老特征性狀都呈極顯著正相關(guān)，包括Ts，To，PGMS 和TMRS，但在正常灌溉處理下與MRS 的相關(guān)性與此相反，呈顯著負相關(guān)；MRS 與25% G 呈極顯著負相關(guān)，Ts，To 和TMRS 與25%G 呈極顯著正相關(guān)；50%G與多數(shù)衰老特征性狀都呈極顯著正相關(guān)，包括To，PGMS 和TMRS，而與MRS 和Ts 呈極顯著負相關(guān)；MRS 和Ts 與PGMS 呈極顯著負相關(guān)；MRS 與Ts 呈極顯著正相關(guān)，但與TMRS，To 呈極顯著負相關(guān)，這表明具有較大的最大衰老速率（MRS）的家系，衰老的起始時間晚，衰老過程卻比較快，能很快達到最大衰老速率。Ts 和To 與TMRS 呈極顯著正相關(guān)，但Ts 與To 僅在干旱脅迫下呈極顯著正相關(guān)（表3）。

2.2 小麥持綠性狀與產(chǎn)量性狀間的相關(guān)性

2.2.1 小麥旗葉GLAD 與產(chǎn)量性狀的相關(guān)性 正常灌溉條件下，DAA22 的GLAD 與單株產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，而在其他時期，GLAD 與單株產(chǎn)量的相關(guān)性均未達到顯著性水平；DAA16，DAA19，DAA22的GLAD 與千粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)。雨養(yǎng)條件下，DAA16，DAA28，DAA31 的GLAD 與單株產(chǎn)量呈顯著和極顯著正相關(guān)；DAA16，DAA19，DAA22，DAA25，DAA28，DAA31 這6 個時期的GLAD 與千粒質(zhì)量呈顯著或極顯著相關(guān)。顯然2 種水分條件下，大多數(shù)時期的GLAD 與千粒質(zhì)量都呈顯著正相關(guān)，尤以雨養(yǎng)條件下表現(xiàn)突出，但與單株產(chǎn)量的相關(guān)性在大多數(shù)時期不顯著（表1）。

2.2.2 小麥GLNMS 與產(chǎn)量性狀的相關(guān)性 正常灌溉條件下，DAA15，DAA20 和DAA30 這3 個時期的GLNMS 與單株產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)；DAA10，DAA15 和DAA20 時的GLNMS 與千粒質(zhì)量呈顯著或極顯著正相關(guān)。但干旱脅迫下，雖然GLNMS 與單株產(chǎn)量無顯著相關(guān)關(guān)系，但DAA20，DAA25 和DAA30 時的GLNMS 與千粒質(zhì)量呈顯著或極顯著正相關(guān)（表2）。

2.2.3 小麥旗葉衰老特征性狀與產(chǎn)量性狀之間的相關(guān)性 正常灌溉條件下，衰老特征性狀50%G 和Ts 與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，最大衰老速率（MRS）與單株產(chǎn)量呈極顯著負相關(guān)，而PGMS，TMRS，75%G 和25%G 與單株產(chǎn)量的相關(guān)性不顯著。Ts，75%G，50%G 與千粒質(zhì)量均呈極顯著正相關(guān)，但在MRS 與千粒質(zhì)量之間表現(xiàn)出極顯著負相關(guān)，而其他特征性狀與千粒質(zhì)量相關(guān)性不顯著。雨養(yǎng)條件下，50%G 和Ts 與單株產(chǎn)量呈極顯著和顯著正相關(guān)，MRS 與單株產(chǎn)量呈顯著負相關(guān)，而其他特征性狀與單株產(chǎn)量間相關(guān)性不顯著；千粒質(zhì)量與75%G，Ts 呈極顯著和顯著正相關(guān)，與其他衰老特征性狀之間相關(guān)性不顯著（表3）。

表3 2 種水分條件下DH 群體衰老特征性狀之間以及與產(chǎn)量性狀間的相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 持綠相關(guān)性狀間的相互關(guān)系

THOMAS 等[21]根據(jù)植物衰老特征將持綠性分為4 種類型，其中，第1 種類型整葉衰老癥狀延遲出現(xiàn)和第2 種類型衰老癥狀按時出現(xiàn)，但衰老速度緩慢，屬于功能性持綠型，分別由于控制衰老過程起始晚和速率慢，而延長了光合時間，合成更多的光合產(chǎn)物。根據(jù)THOMAS 等[21]的分類，功能性持綠型在外觀形態(tài)上表現(xiàn)為功能綠葉面積（GLAD）大，衰老過程中葉片葉綠素含量高等特點。JOSHI 等[22]將作物的葉片和穗子的綠色面積分為0～9（修正后為1～10），其中，綠色面積＜3～6 為持綠型、2＜綠色面積＜3 為中度持綠型、1＜綠色面積＜2 為中度非持綠型、0＜綠色面積＜1 為非持綠型。VERMA等[23]研究認(rèn)為，花后旗葉綠色部分的面積所占葉片總面積的比列，可以用來作為小麥持綠性的評價因素。YANG 等[24]以灌漿持續(xù)期作為評價小麥持綠性的指標(biāo)。薛暉等[11]以籽粒生理成熟期的綠葉數(shù)和功能綠葉面積作為劃分標(biāo)準(zhǔn)。在玉米上，用相對綠葉面積（花后某時刻綠葉面積占最大綠葉面積的百分比）、保綠度（生理成熟期綠葉面積占最大綠葉面積的百分比）來評價玉米的持綠性[25]。由于葉片的衰老是一個程序性死亡過程，持綠性與整個衰老過程息息相關(guān)，顯然用某一生長階段的葉綠素含量或綠葉面積來表述作物的持綠性有些欠缺。本研究在觀測小麥整個灌漿期的旗葉功能葉面積、主莖綠葉數(shù)的基礎(chǔ)上，通過非線性回歸分析得到衰老特征參數(shù)，并分析其相關(guān)性。并且發(fā)現(xiàn)，2 種水分條件下，DAA20 以后的功能綠葉面積（GLAD）與主莖綠葉數(shù)（GLNMS）呈現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系；DAA22 功能綠葉面積與衰老特征參數(shù)呈顯著或極顯著相關(guān)；DAA25 主莖綠葉數(shù)與衰老特征參數(shù)呈顯著或極顯著相關(guān)。因此，為了簡便，可以利用灌漿后期的旗葉功能綠葉面積或主莖綠葉數(shù)評價小麥的持綠性。但是將旗葉功能綠葉面積、主莖綠葉數(shù)與衰老特征參數(shù)等綜合起來研究，可以更加確切的闡述不同小麥品種或品系的持綠性。

通過對衰老特征性狀彼此之間的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)最大衰老速率（MRS）與達到最大衰老速率的時間（TMRS）和完全衰老時間（To）呈顯著和極顯著負相關(guān)，與衰老起始時間（Ts）呈極顯著正相關(guān)，表明具有較大的最大衰老速率（MRS）的家系，衰老的發(fā)生時間較晚，但是會在較短時間內(nèi)完全衰老，這可能與六倍體小麥在長期進化過程中形成的對環(huán)境適應(yīng)性有關(guān)。

3.2 GLAD，GLNMS 及衰老特征性狀與產(chǎn)量性狀的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)，正常灌溉處理下，GLAD 對粒質(zhì)量具有正向效應(yīng)，表現(xiàn)在DAA16，DAA19，DAA22，但與單株產(chǎn)量的相關(guān)性不顯著；干旱脅迫下，GLAD 與DAA16，DAA19，DAA22，DAA25，DAA28 和DAA31時的千粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，但與單株產(chǎn)量僅在DAA28 和DAA31 時相關(guān)性顯著，可以看出，GLAD對正常灌溉下的灌漿中期和干旱脅迫下的灌漿中后期的粒質(zhì)量起重要作用，但對單株產(chǎn)量僅在干旱脅迫的后期影響較大。

眾所周知，植物的光合作用主要發(fā)生在綠色葉片上。在小麥的灌漿期內(nèi)綠葉的數(shù)量以及持綠時間會影響光合作用與同化物的產(chǎn)生、運輸和積累，進而影響產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，DAA20，DAA25 和DAA30 的GLNMS 與千粒質(zhì)量呈顯著或極顯著正相關(guān)；正常灌溉條件下，DAA15，DAA20和DAA30 時GLNMS 與單株產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)，DAA10，DAA15 和DAA20 時的GLNMS 與千粒質(zhì)量也呈顯著或極顯著正相關(guān)。因此，與GLAD 相似，灌漿期間GLNMS 對千粒質(zhì)量的影響較大。

本研究發(fā)現(xiàn)，小麥旗葉最大衰老速率（MRS）出現(xiàn)在DAA20；正常灌溉條件下，MRS 與單株產(chǎn)量和千粒質(zhì)量呈極顯著負相關(guān)；干旱脅迫下，MRS 對單株產(chǎn)量的負向效應(yīng)也達到極顯著水平。當(dāng)小麥旗葉達到MRS 時，GLAD 與GLNMS 都呈現(xiàn)出下降趨勢，如果這個時期GLAD 越大或GLNMS 越多，光合產(chǎn)物就越多，小麥的粒質(zhì)量和單株產(chǎn)量就越高。2 種水分條件下，50%G 和衰老起始時間（Ts）都對產(chǎn)量相關(guān)性狀具有顯著的正向效應(yīng)，而50%G 出現(xiàn)時間大概在DAA24 左右，該時期正處于灌漿的漸增期，是粒質(zhì)量形成的關(guān)鍵時期，且前人研究發(fā)現(xiàn)該時期的灌漿速率對粒質(zhì)量的影響要高于灌漿持續(xù)期[18]，故適當(dāng)延長50%G 時間段將有利于小麥粒質(zhì)量和產(chǎn)量的提高。本研究還發(fā)現(xiàn)，完全衰老時間（To）與產(chǎn)量性狀的相關(guān)性不顯著，可以推斷雖然延長小麥?zhǔn)斋@期可能會對產(chǎn)量有一定的影響，但不顯著，因此，生產(chǎn)上不能過于強調(diào)持綠，應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)某墒炱?，才能得到理想的結(jié)果。綜上所述，對小麥產(chǎn)量影響比較大的衰老特征性狀是MRS 和Ts。因此，可以將MRS 和Ts 作為篩選持綠性品種的參考指標(biāo)，MRS 較大或者衰老起始較早的品種，單株產(chǎn)量或者千粒質(zhì)量較低。蔡慶生等[26]研究發(fā)現(xiàn)，隨著灌漿速率的增加，小麥粒質(zhì)量也隨之增加，二者顯著正相關(guān)，而灌漿持續(xù)時間與粒質(zhì)量無相關(guān)性。段國輝等[27]研究表明，灌漿速率是影響小麥灌漿期各階段粒質(zhì)量的主要因素，而灌漿時間對其影響不大。葉片衰老即持綠與灌漿速率相匹配，并且具有相同的數(shù)學(xué)模型和原理[24，28]，持綠性較好即為功能性持綠型，這種類型葉片衰老緩慢，光合作用較旺盛，灌漿速率較快，積累的干物質(zhì)較多，這與THOMAS 等[21]的持綠類型的劃分相吻合。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，灌溉和雨養(yǎng)條件下，衰老起始時間（Ts）與最大衰老速率（MRS）是影響小麥產(chǎn)量的2 個最主要的衰老特征性狀。育種實踐中應(yīng)該選育衰老起始晚，功能綠葉面積大，衰老緩慢即最大衰老速率較小的品種。