糜子穗型突變體光合特性比較

王 喆，李 萌，郝瑞麗，陳利青，韓淵懷，張 彬

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物工程研究所，山西太谷030801）

糜子（Panicum miliaceum L.）又名黍、稷，為禾本科黍?qū)?，在我?guó)已有10 000 a的栽培史[1-2]，具有生育期短、耐干旱、耐瘠薄的特點(diǎn)，因此，其曾在我國(guó)北方大量種植[3-4]。因其蛋白質(zhì)含量高、抗氧化成分和膳食纖維豐富，被認(rèn)為是一種功能性食品而受到廣泛關(guān)注[5-6]。糜子不僅具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，還可以入藥。有研究表明，糜子具有預(yù)防某些癌癥、心臟病、肝病和糖尿病等功能[7]。此外，糜子還可以釀酒，做成各種小吃，如：年糕、粽子、煎餅等[8]。但糜子落粒性強(qiáng)，且由于其莖稈較高容易倒伏。因此，本研究通過(guò)對(duì)穗粗突變體和野生型糜子農(nóng)藝性狀及光合特性的測(cè)定，以期發(fā)現(xiàn)影響糜子產(chǎn)量和倒伏的主要因素。

李星聰?shù)萚9]對(duì)15份糜子材料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，抗倒伏性好的品種主莖節(jié)數(shù)較少、株高較低。景小蘭等[10]通過(guò)采用不同的種植方式發(fā)現(xiàn)，晉黍9號(hào)更適合晉中地區(qū)種植。雖然糜子營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，但糜子突變體的相關(guān)研究較少，目前關(guān)于作物的研究多集中在水稻、小麥、玉米等主要糧食作物，而水稻和小麥作為人們的主食，高血糖指數(shù)較高，是導(dǎo)致人們高血糖的原因之一[11-14]。隨著人口急劇增多、環(huán)境不斷惡化，培育高產(chǎn)出、高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的糧食作物新品種顯得尤為重要。

本研究以野生型糜子和穗粗突變體糜子為試驗(yàn)材料，通過(guò)對(duì)其表型及不同生長(zhǎng)階段相關(guān)生理指標(biāo)比較分析，探究穗粗突變體與野生型糜子的差異，旨在為高產(chǎn)糜子新品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為野生型糜子（伊選大紅糜）和穗粗突變體，穗粗突變體為野生型糜子經(jīng)1%的甲基磺酸乙酯（EMS）誘變而來(lái)。

1.2 試驗(yàn)方法

2019年5月將野生型伊選大紅糜和穗粗突變體種植于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)田，采取常規(guī)管理，于晴朗的白天分別測(cè)定2個(gè)品種拔節(jié)期、抽穗期和成熟期的農(nóng)藝性狀及各植株旗葉的光合指標(biāo)、水分利用率等光合生理特性。

1.2.1 糜子野生型與穗粗突變體農(nóng)藝性狀的測(cè)定

糜子成熟后，分別隨機(jī)選取6株野生型和穗粗突變體糜子，對(duì)其株高、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、莖粗、穗長(zhǎng)等農(nóng)藝性狀進(jìn)行測(cè)量；收獲后，分別對(duì)2個(gè)品種的單株穗質(zhì)量與單穗粒質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[15]。

1.2.2 糜子野生型與穗粗突變體光合色素含量的測(cè)定 分別在拔節(jié)期、抽穗期和成熟期選取無(wú)病害的糜子野生型和穗粗突變體進(jìn)行取樣，取樣時(shí)選擇相同葉位的葉片中部（每個(gè)品種取6個(gè)樣本），分別裝在預(yù)冷的10 mL離心管中，-80℃超低溫冰箱保存。

進(jìn)行光合色素含量測(cè)定時(shí)，去掉樣品葉片中脈，每個(gè)樣品取0.2 g，用液氮充分研磨后，放入10 mL離心管中，加入95%的乙醇10 mL，在搖床上充分搖勻至組織變白（避光）。以95%的乙醇為參比，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量葉綠素提取液在波長(zhǎng)470、665、649 nm下的吸光值，每份提取液測(cè)3次。

1.2.3 糜子野生型與穗粗突變體光合指標(biāo)及水分利用率測(cè)定 利用便攜式光合儀在晴天測(cè)量抽穗期糜子野生型與突變體的凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Cond）和蒸騰速率（Tr）；后對(duì)野生型及穗粗突變體水分利用率（WUE）進(jìn)行分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 糜子野生型與穗粗突變體農(nóng)藝性狀差異分析

為探究糜子穗變粗是否會(huì)影響植株正常生長(zhǎng)，對(duì)糜子野生型和穗粗突變體成熟后的植株進(jìn)行農(nóng)藝性狀測(cè)量。由表1可知，穗粗突變體的株高、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、穗長(zhǎng)、穗頸長(zhǎng)、單株穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量較野生型均有不同程度的減少，僅莖粗有所增加。株高、旗葉寬、穗長(zhǎng)、穗頸長(zhǎng)、單株穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量均顯著減少；其中，穗長(zhǎng)、單株穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量較野生型極顯著降低，分別降低了46.5%、54.2%、59.7%。可見(jiàn)，突變體雖然穗粗，同時(shí)莖稈也變粗，但其穗長(zhǎng)、穗質(zhì)量、粒質(zhì)量等指標(biāo)均下降，反而使該品種抗倒伏性增強(qiáng)的同時(shí)產(chǎn)量減少。

表1 糜子野生型與穗粗突變體農(nóng)藝性狀比較

2.2 糜子野生型與穗粗突變體光合色素含量差異分析

光合色素的多少直接影響植物有機(jī)物的合成，其是否會(huì)影響莖稈及籽粒發(fā)育、哪種色素的影響較大，還有待進(jìn)一步探究。為探究野生型和穗粗突變體在光合色素含量方面的差異，本試驗(yàn)分別對(duì)2個(gè)品種拔節(jié)期、抽穗期和成熟期的葉綠素a、葉綠素b及類(lèi)胡蘿卜素含量進(jìn)行測(cè)定，以期發(fā)現(xiàn)調(diào)控糜子產(chǎn)量和莖粗的主要光合色素，為糜子高產(chǎn)量品種選育奠定基礎(chǔ)。

2.2.1 葉綠素含量差異分析 葉綠素a有助于作物將光能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)對(duì)野生型和突變體葉綠素提取測(cè)定發(fā)現(xiàn)，在糜子成熟過(guò)程中，2個(gè)品種葉綠素a含量均呈先上升后下降趨勢(shì)（圖1）。拔節(jié)期穗粗突變體的葉綠素a含量極顯著低于野生型糜子，且較野生型糜子減少了18.64%；抽穗期也比野生型葉綠素a含量低，但差異不顯著，僅減少了4.32%；成熟期則顯著高于野生型，較野生型葉綠素a含量增加了11.52%。但成熟期糜子已經(jīng)灌漿完畢，此時(shí)葉綠素a的增加對(duì)物質(zhì)積累已經(jīng)作用甚微。因此，推測(cè)糜子有機(jī)物的積累主要在拔節(jié)期和抽穗期進(jìn)行，而穗粗突變體可能通過(guò)影響葉綠素a的合成，從而影響產(chǎn)量。

葉綠素b可通過(guò)吸收光能傳遞到葉綠素a，從而使作物有機(jī)物積累[16]，對(duì)不同品種葉綠素b含量比較分析，結(jié)果表明，隨著糜子成熟，2個(gè)品種葉綠素b的含量也呈先上升后下降的趨勢(shì)，與葉綠素a一致（圖2）。拔節(jié)期穗粗突變體葉綠素b含量顯著低于野生型，較野生型減少了13.62%，抽穗期則較野生型增加3.02%，成熟期的葉綠素b含量較野生型極顯著增加了21.85%?？梢?jiàn)，穗粗突變體在拔節(jié)期影響葉綠素b的合成，但在抽穗期會(huì)促進(jìn)葉綠素b的合成，對(duì)物質(zhì)積累有促進(jìn)作用，成熟期的合成對(duì)有機(jī)物積累作用極少。因此，推測(cè)拔節(jié)期葉綠素b含量的減少也是突變體產(chǎn)量減少的原因之一。

葉綠素a和葉綠素b的比值反映植物對(duì)光能利用的多少。從圖3可以看出，糜子穗粗突變體葉綠素a和葉綠素b含量的比值始終顯著低于野生型，該趨勢(shì)可能是由于穗粗突變體的葉綠素a含量低于野生型，而葉綠素b含量高于野生型所致，可見(jiàn)，穗粗突變體光能利用率低，導(dǎo)致其積累物質(zhì)少，產(chǎn)量降低。另外，2個(gè)品種葉綠素a與葉綠素b含量比值均持續(xù)減少。因此，推測(cè)糜子成熟過(guò)程中光能利用率逐漸降低，成熟期最低。

葉綠素作為光合作用的主要物質(zhì)，直接影響有機(jī)物的積累[17-18]。對(duì)不同品種總?cè)~綠素含量分析，結(jié)果表明，2個(gè)品種總?cè)~綠素含量呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，拔節(jié)期和抽穗期穗粗突變體的總?cè)~綠素含量較野生型分別減少了6.1%、5.8%，而成熟期葉綠素含量增加了2%（圖4）?？梢?jiàn)，葉綠素總量的減少導(dǎo)致了光合作用效果的降低，從而導(dǎo)致穗粗突變體產(chǎn)量的降低。

2.2.2 類(lèi)胡蘿卜素含量差異分析 類(lèi)胡蘿卜素可以保護(hù)葉綠素使其免受氧自由基的破壞[19]。從圖5可以看出，僅在拔節(jié)期，穗粗突變體的類(lèi)胡蘿卜素含量顯著低于野生型，且較野生型減少了19.65%，抽穗期和成熟期二者相差不大，較野生型分別減少了2.43%和1.95%?？梢?jiàn)，穗粗突變體類(lèi)胡蘿卜素的減少也是其產(chǎn)量減少的原因之一。

2.3 糜子野生型和穗粗突變體葉綠素與類(lèi)胡蘿卜素含量相關(guān)性分析

類(lèi)胡蘿卜素和葉綠素b均可吸收光能并傳遞給葉綠素a促進(jìn)光能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物。對(duì)2個(gè)品種不同生長(zhǎng)階段類(lèi)胡蘿卜素含量與葉綠素含量分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉綠素a含量與葉綠素b含量呈極顯著正相關(guān)，與類(lèi)胡蘿卜素含量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.934、0.795；葉綠素b含量與類(lèi)胡蘿卜素含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.829（表2）。

表2 葉綠素與類(lèi)胡蘿卜素含量相關(guān)性分析

2.4 糜子野生型與穗粗突變體光合指標(biāo)和水分利用率差異分析

糜子光合作用的強(qiáng)弱決定著糜子有機(jī)物的積累程度，而光合特性指標(biāo)能直觀反映植株的光合能力[20-21]。此外，高水分利用率有助于增強(qiáng)作物的抗旱性，從而提高作物產(chǎn)量[22-23]。抽穗期是糜子籽粒開(kāi)始發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，通過(guò)光合儀對(duì)野生型和穗粗突變體糜子抽穗期的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間CO2濃度及蒸騰速率等光合指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表3所示。

表3 糜子野生型與穗粗突變體光合指標(biāo)和水分利用率比較

從表3可以看出，凈光合速率方面，野生型為11.277μmol/（m2·s），穗粗突變體為11.603μmol/（m2·s），較野生型增加了2.89%；穗粗突變體的氣孔導(dǎo)度較野生型也增加了30.98%；而穗粗突變體的胞間CO2濃度和蒸騰速率較野生型分別顯著增加了50.16%和51.26%，水分利用率則顯著低于糜子野生型。由此可見(jiàn)，穗粗品種產(chǎn)量低的原因并不是由于光合指標(biāo)導(dǎo)致的，相反其可能促進(jìn)了穗粗品種的莖稈變粗；而水分利用率低可能是其產(chǎn)量減少的原因之一。

3 結(jié)論與討論

糜子起源于我國(guó)，多分布于干旱和半干旱地區(qū)[9]。隨著人們生活品質(zhì)的提高及國(guó)家對(duì)雜糧生產(chǎn)的重視，糜子和糜子相關(guān)產(chǎn)業(yè)擁有很大潛力[24-25]。但由于其抗倒伏性差，且種植面積有限，糜子的產(chǎn)量和品質(zhì)不斷下降[26-28]。因此，尋找具有高產(chǎn)、抗倒伏等優(yōu)良性狀的糜子品種顯得尤為重要。

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)成熟期糜子野生型和穗粗突變體相關(guān)農(nóng)藝性狀統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，糜子穗粗突變體的農(nóng)藝性狀較差，僅莖粗高于野生型，可見(jiàn)，突變體較野生型抗倒伏性強(qiáng)，但產(chǎn)量少，這與李星聰?shù)萚9]對(duì)不同糜子品種農(nóng)藝性狀的分析結(jié)果一致，因此，推測(cè)穗粗突變體在突變過(guò)程中抑制了除莖粗外的其他農(nóng)藝性狀相關(guān)基因的表達(dá)，從而導(dǎo)致產(chǎn)量降低。對(duì)2個(gè)品種拔節(jié)期、抽穗期和成熟期光合色素分析結(jié)果表明，光合色素含量均于抽穗期達(dá)到最高，這與前人研究結(jié)果一致[29]，且成熟期糜子的光能利用率最低。因此，推測(cè)糜子有機(jī)物的合成主要在拔節(jié)期和抽穗期進(jìn)行，且葉綠素a、葉綠素b和類(lèi)胡蘿卜素的含量均會(huì)影響穗粗突變體的產(chǎn)量。此外，總?cè)~綠素含量隨著糜子成熟呈先上升后下降趨勢(shì)，這與韓浩坤等[16]的研究結(jié)果一致。對(duì)2個(gè)品種抽穗期光合指標(biāo)和水分利用率分析結(jié)果表明，突變體光合指標(biāo)均比野生型高，尤其胞間CO2濃度和蒸騰速率均顯著高于野生型，但有機(jī)物的積累和產(chǎn)量的提高主要與凈光合速率有關(guān)，凈光合速率越大，植株組織有機(jī)物積累量越多，產(chǎn)量也可能隨之增加。穗粗突變體凈光合速率雖相對(duì)較高，但產(chǎn)量低，因此，推測(cè)穗粗突變體可能由于葉綠素含量較低或農(nóng)藝性狀相關(guān)基因的改變導(dǎo)致其產(chǎn)量減少。穗粗突變體的水分利用率則顯著低于野生型?？梢?jiàn)，水分利用率越高越有利于糜子籽粒有機(jī)物積累，這與王國(guó)棟等[30]對(duì)玉米的研究結(jié)果一致。

本研究結(jié)果表明，穗粗突變體產(chǎn)量低，抗倒伏性強(qiáng)。通過(guò)對(duì)糜子光合特性分析發(fā)現(xiàn)，糜子有機(jī)物的積累主要在拔節(jié)期和抽穗期進(jìn)行，光合色素含量均會(huì)影響突變體糜子產(chǎn)量，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等光合指標(biāo)主要促進(jìn)糜子莖稈有機(jī)物積累，使穗粗突變體莖稈變粗，同時(shí)，通過(guò)提高糜子的水分利用率可以使其產(chǎn)量提高。因此，可通過(guò)對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行定位，利用基因工程技術(shù)調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)水平，使糜子在抗倒伏性增強(qiáng)的同時(shí)產(chǎn)量提高，為糜子分子育種奠定基礎(chǔ)。