紅富士芽變類型及芽變品種葉片特征與光合特性

吳澤珍，溫 玥，胡 真，王安麗，周文靜，李文勝

(新疆農(nóng)業(yè)大學林學與園藝學院/新疆農(nóng)業(yè)大學特色果樹研究中心，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】光合能力是果樹產(chǎn)量和品質(zhì)形成的基礎(chǔ)，樹體90%以上的干物質(zhì)都來源于葉片的光合產(chǎn)物[1]。葉片是光合作用的主要場所，葉片長度、葉片寬度、葉片厚度等指標與其光合能力密切相關(guān)[2]。葉綠素是葉片光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量高低也會影響葉片的光合效率[3]。研究葉片特征、光合特性及相關(guān)性對優(yōu)良芽變選種有重要作用。【前人研究進展】蘋果是一種高度雜合的多年生木本植物，芽變頻率較高[4]。國內(nèi)外已利用蘋果芽變的普遍性和多樣性，選育了大量的優(yōu)良品種[5]。蘋果芽變選種已成為蘋果優(yōu)良品種的豐富來源。紅富士蘋果經(jīng)過多代持續(xù)芽變選育，其生長特性、結(jié)果習性、果實著色、果實品質(zhì)等性狀得到有效改良[6]。葉片主要是通過氣孔進行蒸騰作用，氣孔導(dǎo)度通常是影響凈光合速率的初始因素[8]。果樹光合作用的主要原料之一是CO2，胞間CO2濃度對凈光合速率有直接影響，從側(cè)面反映果樹光合能力的強弱[9]。水分利用率是植物光合與蒸騰特性的綜合反映，其值大小可以反映植物對逆境適應(yīng)能力的強弱[10]。利用蘋果芽變的重演性，分析芽變的生物學特性，研究優(yōu)良紅富士芽變選種，對優(yōu)質(zhì)、晚熟、耐貯的紅富士蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要意義?！颈狙芯壳腥朦c】紅富士品種在我國蘋果產(chǎn)業(yè)中占比高達69.6%，是栽培面積最大的單一品種，但生產(chǎn)上也還存在著色不良、品質(zhì)不佳等問題[7]。研究紅富士芽變?nèi)~片的生物學特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】優(yōu)選出的3個易著色短枝紅富士芽變類型和2個紅富士芽變品種為材料，對比其葉片特征和光合特性，分析相關(guān)性，為優(yōu)良紅富士芽變選種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗地位于新疆阿克蘇地區(qū)紅旗坡農(nóng)場二分場(N 41°17′15″，E 80°17′33″)，屬暖溫帶大陸性干旱氣候，氣候干燥、晝夜溫差大、降水量稀少、蒸發(fā)量大，年日照時數(shù)2 505～3 136 h，平均日照時2 809 h，數(shù)全年日照百分率在60%～70%，太陽總輻射量為130～140 KW/ cm2，無霜期為190～251 d，年平均降水80.4 mm，年平均氣溫10.8℃，光能資源豐富，年平均≥10℃的穩(wěn)定積溫達3 953℃。土壤類型主要為沙壤土。

2015年優(yōu)選出的3個紅富士短枝芽變類型及芽變品種，芽變類型編號為N1、N2和N3，2個紅富士芽變品種分別為長富2號和新紅1號。供試材料均為20年生，株行距為3 m×5 m。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

每個供試材料選擇3株生長狀況良好、長勢相同且無病蟲害的植株。園地管理、環(huán)境條件基本一致，果園管理水平良好。

1.2.2 測定指標1.2.2.1 葉片指標

每株樹隨機選取新梢上100片健康完整的葉片測定葉片形態(tài)指標。

葉片長度、寬度：游標卡尺測量。

單葉重：電子秤稱重，精確到0.01 g。

葉片厚度：從100個葉片中隨機選取30片疊起，游標卡尺測量厚度，重復(fù)10次，測算平均葉片厚度。

葉面積：用網(wǎng)格紙(1 cm×1 cm)沿葉片邊緣畫出葉片圖形，統(tǒng)計圖形所占的方格數(shù)，計算葉面積。

葉綠素：手持SPAD-502葉綠素儀測定葉綠素含量，每片葉重復(fù)3次，取平均值。

1.2.2.2 光合特性

2019年7月中旬選擇晴朗無風天氣，利用Li-6800便攜式光合測定系統(tǒng)測定光合指標：凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率。每株試驗樹隨機選取樹冠外圍春梢上長勢一致、健康完整的5片葉測定，重復(fù)3次，取平均值。測定時間為10:00～12:00，光源為太陽光，溫度、相對濕度和CO2濃度為自然狀態(tài)。

參數(shù)日變化：從08:00至20:00，每隔2 h(即08:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00)測定，每片葉測3次，取平均值。

測定指標有凈光合速率、氣孔導(dǎo)度胞間CO2濃度、蒸騰速率。水分利用率=凈光合速率/蒸騰速率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010整理數(shù)據(jù)，用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進行方差分析及相關(guān)性分析，葉片、光合特征采用平均值±標準誤表示，并利用Microsoft Office Excel 2013制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 5份蘋果葉片特征比較

研究表明，蘋果葉片長度、葉片寬度、葉片厚度和葉面積的差異不顯著，而單葉重、葉綠素含量差異顯著。N1與N2單葉重差異顯著，與其它3份材料(N3、長富2號和新紅1號)差異不顯著，其中N1的葉片最重，為1.09 g，N2最輕，為0.78 g；N1與N2葉片的葉綠素含量差異顯著，與其它3份材料差異也顯著，葉綠素含量由高到低次序為N1>長富2號>新紅1號>N3>N2。表1

表1 5份蘋果葉片特征比較Table 1 The comparison of leaf characteristics of five apple materials

2.2 5份蘋果光合特征參數(shù)比較

研究表明，光合特征參數(shù)差異顯著。N1的凈光合速率明顯高于其它材料，較長富2號和新紅1號分別高32.59%和25.31%，其次為N3和N2，長富2號最低；供試材料氣孔導(dǎo)度也表現(xiàn)出明顯差異，N1葉片的氣孔導(dǎo)度最大，為0.21 mol/(m2·s)，長富2號的最小，為0.16 mol/(m2·s)；胞間CO2濃度N1與N3無顯著性差異，但與N2和長富2號差異顯著，其中長富2號的胞間CO2濃度最高，為241.77 μmol/(m2·s)，N1最低，為224.53 μmol/(m2·s)；供試材料的蒸騰速率差異顯著，新紅1號葉片的蒸騰速率最高，為5.47 mmol/(m2·s)，長富2號最低，為3.77 mmol/(m2·s)；長富2號與其它材料的水分利用率也表現(xiàn)出顯著差異，N2的水分利用率最高，為2.85 μmol/mmol，長富2號最低，為2.07 μmol/mmol。表2

表2 5份蘋果光合特征參數(shù)Table 2 Photosynthetic characteristic parameters of five apple materials

2.3 5份蘋果葉片光合日動態(tài)變化

2.3.1 凈光合速率日動態(tài)變化

研究表明，凈光合速率日變化呈“雙峰型”曲線，表現(xiàn)出明顯的光合“午休”現(xiàn)象，但高峰時間、午休時間和“午休”時的光合速率不同。長富2號和新紅1號凈光合速率高峰分別出現(xiàn)在12:00和18:00；3個紅富士芽變峰值則在12:00和16:00出現(xiàn)。08:00～12:00試材隨著PAR和T的升高而逐漸升高，12:00出現(xiàn)第1次高峰，此時N1的凈光合速率最高，為14.16 μmol/(m2·s)，長富2號最低，為10.68 μmol/(m2·s)；之后隨著PAR和T的升高開始下降，各材料的光合速率也開始下降，14:00時3個芽變材料出現(xiàn)低谷，表現(xiàn)出光合“午休”現(xiàn)象，而長富2號和新紅1號的光合速率則持續(xù)下降，到16:00時才出“午休”現(xiàn)象，晚于芽變材料。因溫度下降，氣孔開放，光合速率上升，光合速率出現(xiàn)次高峰，隨后各材料凈光合速率迅速降低。圖1

圖1 5份蘋果Pn日變化Fig.1 Diurnal changes of net photosynthetic rate of five apple materials

2.3.2 氣孔導(dǎo)度日動態(tài)變化

研究表明，芽變的氣孔導(dǎo)度日變化曲線呈“雙峰型”，長富2號和新紅1號呈“單峰型”。長富2號和新紅1號自08:00起氣孔導(dǎo)度上升，12:00時達到高峰，其峰值分別為0.16和0.18 mol/(m2·s)，因光合有效輻射、氣溫相對較高，氣孔關(guān)閉，氣孔阻力增大，氣孔導(dǎo)度呈下降趨勢。3個紅富士芽變的氣孔導(dǎo)度自08:00起逐漸上升，第1次峰值出現(xiàn)在12:00，此后又開始下降，14:00降至最低，隨后又逐漸上升，16:00出現(xiàn)次高峰，然后快速降低，18:00開始緩慢下降。N1的2次峰值最高，分別為0.21和0.18 mol/(m2·s)，長富2號的2次峰值最低。圖2

圖2 5份蘋果Gs日變化Fig.2 Diurnal changes of stalemate stalemat conductance rate of five apple materials

2.3.3 胞間CO2濃度日動態(tài)變化

研究表明，胞間CO2濃度日變化規(guī)律基本相似，表現(xiàn)出與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度日變化相反趨勢，呈“W型”。08:00～12:00胞間CO2濃度隨著光合有效輻射和凈光合速率的增加呈下降趨勢，08:00～10:00下降較緩，12:00時出現(xiàn)第1次低谷，隨后逐漸上升，14:00出現(xiàn)高峰，此后逐漸下降，在18:00出現(xiàn)第2次低谷，隨后又上升。圖3

圖3 5份蘋果CO2日變化Fig.3 Diurnal changes of inter cellular CO2 concentration rate of five apple materials

2.3.4 蒸騰速率日動態(tài)變化

研究表明，蒸騰速率的日變化曲線均呈“單峰型”，14:00時長富2號和新紅1號蒸騰速率最高，而3個紅富士芽變的蒸騰速率高峰出現(xiàn)在16:00，其中N1蒸騰速率最高，達8.64 mmol/(m2·s)，長富2號最低，為3.77 mmol/(m2·s)。自08:00起，各供材料隨著氣溫和光合有效輻射的增加，蒸騰速率逐漸上升，芽變材料和品種材料分別在14:00和16:00達到高峰，此后逐漸下降。圖4

圖4 5份蘋果Tr日變化Fig.4 Diurnal changes of stalemate transpiration rate of five apple materials

2.3.5 水分利用率日動態(tài)變化

研究表明，水分利用率日變化規(guī)律基本相近，呈“雙峰”型。自08:00時水分利用率逐漸上升，10:00達到高峰，之后水分利用率明顯下降，紅富士芽變14:00出現(xiàn)低谷，而長富2號和新紅1號則在16:00最低，水分利用率緩慢上升，第2次高峰出現(xiàn)在18:00，隨后迅速下降。圖5

圖5 5份蘋果WUE日變化Fig.5 Diurnal changes of stalemate water use efficiency rate of five apple materials

2.4 光合特性與葉片特征參數(shù)相關(guān)性

研究表明，凈光合速率與氣孔導(dǎo)度、葉綠素含量、水分利用率和蒸騰速率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與胞間CO2濃度呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，其中氣孔導(dǎo)度相關(guān)系數(shù)最高，為0.747，其次為葉綠素含量、水分利用率、蒸騰速率。氣孔導(dǎo)度與葉綠素含量、蒸騰速率和水分利用率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；胞間CO2濃度與葉綠素含量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與蒸騰速率呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，蒸騰速率與葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)(P< 0.01)，與水分利用率呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。葉面積與葉片寬度、單葉重及葉片長度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；單葉重與葉片長度、葉片寬度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。表3

表3 光合特性及與其葉片特征參數(shù)間相關(guān)性Table 3 Correlation analysis of photosynthetic characteristics and leaf characteristic parameters of five apple materials

3 討 論

3.1 光合作用是果樹生長發(fā)育的基礎(chǔ)，而葉片是植物接受光的器官，葉片形態(tài)、葉綠素含量等均會影響植物光合能力[11-12 ]。不同生長型自身的遺傳對葉片特征的影響很大，普通型、短枝型和柱型蘋果的葉片特征之間存在很大差異，短枝型的葉片質(zhì)量較為突出，比葉重較大，短枝型光合性能較高[13-14 ]。研究發(fā)現(xiàn)，供試材料葉片長度、葉片寬度、葉片厚度和葉面積之間沒有明顯差異，而單葉重、葉綠素含量存在明顯差異(P<0.05)，N1單葉重、葉綠素含量分別為1.09 g、57.42，其有利于同化產(chǎn)物的積累，具有較高的光合效能。光合作用不僅受葉片自身因素影響，還受氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度等因素影響。各供試材料光合特征參數(shù)存在明顯差異，N1凈光合速率、氣孔導(dǎo)度分別為14.16、0.21 μmol/(m2·s)，明顯高于其他材料，而胞間CO2濃度為224.53 μmol/(m2·s)，顯著低于長富2號，其在“午休”期間氣孔閉合的條件下對胞間CO2的利用能力較強，表現(xiàn)出較強的光合能力。

3.2 光合日變化既反映環(huán)境對光合作用的影響，是果樹對生態(tài)環(huán)境適應(yīng)能力的主要表現(xiàn)，大多數(shù)果樹光合日變化呈“單峰型”或“雙峰型”曲線[15-16 ]。在試驗中，各供試材料凈光合速率日變化呈“雙峰型”曲線，表現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象。這與多數(shù)人研究的結(jié)果一致[17-19 ]。也有研究表明，“午休”現(xiàn)象越明顯、降幅越大，對強光或空氣濕度的適應(yīng)能力越差[20]。從供試材料光合速率日動態(tài)變化來看，N1的2次峰值分別為14.15、12.13 μmol/(m2·s)，均較高于其他材料，其適應(yīng)強光能力較強，具有較高的光合能力，而長富2號的Pn值一直較低，且“午休”現(xiàn)象比較明顯，日平均值也較低，表明其光合能力較弱。光合“午休”原因有氣孔限制、非氣孔限制，如果氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度都隨凈光合速率降低而降低，是由氣孔因素引起；如果氣孔導(dǎo)度降低，胞間CO2濃度升高，則為非氣孔因素[21-22 ]。在試驗中，氣孔導(dǎo)度隨凈光合速率升高而升高，而胞間CO2濃度沒有升高，反而降低，芽變光合“午休”主要是非氣孔因素造成的，屬于非氣孔限制。這與曹生奎等[23 ]研究結(jié)果相似。蒸騰速率大小可以反映植物調(diào)節(jié)水分能力以及適應(yīng)逆境能力的強弱[ 24]。該試驗結(jié)果表明，N1的蒸騰速率、凈光合速率日均值分別為4.16、7.61 μmol/(m2·s)，均高于其他供試材料，表明其對分水利用效率較好，耐旱的能力較強，其次為N3，而長富2號耐旱能力最弱。

3.3 有研究表明，光合指標間及其與葉片特征參數(shù)之間有密切聯(lián)系[25-26 ]。研究發(fā)現(xiàn)，供試材料的凈光合速率與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用率、葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)，與單葉重呈顯著正相關(guān)，與胞間CO2濃度呈極顯著負相關(guān)，與氣孔導(dǎo)度相關(guān)系數(shù)最高，其次為葉綠素含量、水分利用率、蒸騰速率，說明凈光合速率受氣孔導(dǎo)度影響最大，葉綠素含量次之。這與魏書鑾等[27 ]結(jié)果研究相似。

4 結(jié) 論

4.1 3個紅富士芽變類型和2個芽變品種的葉片長度、葉片寬度、葉片厚度和葉面積的之間無明顯差異；N1與N2的單葉重之間差異顯著，其中N1的葉片最重，為1.09 g；N1與N2、N3、長富2號和新紅1號的葉綠素含量之間差異顯著，葉綠素含量最高的是N1，為57.42 SPAD。

4.2 3個紅富士芽變類型和2個芽變品種的光合特征參數(shù)之間有明顯差異。N1的凈光合速率為14.16 μmol/(m2·s)，明顯高于N2、N3、新紅1號和長富2號；N1葉片的氣孔導(dǎo)度最大，為0.21 mol/(m2·s)，長富2號的最小，為0.16 mol/(m2·s)；長富2號的胞間CO2濃度最高，為241.77 μmol/(m2·s)，N1最低，為224.53 μmol/(m2·s)。；新紅1號和N1的葉片蒸騰速率較高，分別為5.47 mmol/(m2·s)、5.25 mmol/(m2·s)，長富2號最低，為3.77 mmol/(m2·s)，；N2的水分利用率較高，為2.85 μmol/mmol，其次為N1和N3，其值均為2.75 μmol/mmol，長富2號最低，為2.07 μmol/mmol。

4.3 3個紅富士芽變類型和2個芽變品種葉片的凈光合速率、水分利用率日變化均呈雙峰型曲線；N1、N2和N3的氣孔導(dǎo)度日變化曲線呈雙峰型，長富2號和新紅1號呈單峰型；3個紅富士芽變類型和2個芽變品種的胞間CO2濃度日變化呈W型；蒸騰速率的日變化曲線均呈單峰型。

4.4 3個紅富士芽變類型和2個芽變品種的凈光合速率與氣孔導(dǎo)度、葉綠素含量、水分利用率、蒸騰速率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與胞間CO2濃度呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，其中氣孔導(dǎo)度相關(guān)系數(shù)最高，為0.747，其次為葉綠素含量、水分利用率、蒸騰速率，其值分別為0.653、0.619和0.511。

芽變N1的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、單葉重和葉綠素含量明顯高于N2、N3、新紅1號和長富2號，表現(xiàn)較強的光合能力。