不同基因型綠豆光合特性分析

申慧芳，郭 鋒

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)部，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

綠豆是我國的主要雜糧作物之一，其在全國各地均有種植，不僅在種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)發(fā)展中占據(jù)重要作用，而且其籽粒營養(yǎng)豐富，除具有較高的食用價值外，還具有較高的藥用價值和保健作用，可作為藥食同源雙重功效的食品資源，在現(xiàn)代保健功能型食品開發(fā)中占有重要地位[1-3]。我國是全球主要的綠豆生產(chǎn)國和出口國，綠豆是我國傳統(tǒng)出口創(chuàng)匯豆種。近年來，國內(nèi)消費(fèi)和國際市場的需求量持續(xù)增加，產(chǎn)品附加值不斷提高，綠豆成為農(nóng)民脫貧致富的首選作物[4-7]。光合作用是作物生長發(fā)育和干物質(zhì)形成過程的重要生理基礎(chǔ)，光合能力的強(qiáng)弱是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，光合速率則是衡量光合作用程度的常用指標(biāo)。葉綠素是存在植物體內(nèi)進(jìn)行光合作用的光敏催化劑，其含量的多少直接反映植物光合能力的大小[8-11]，而高光合速率的品種能夠提高光合利用效率和單位面積產(chǎn)量[8，12]。

此外，凈光合速率的大小可以反映植物葉片光合同化作用的強(qiáng)弱；胞間CO2濃度的變化方向是確定光合速率變化的主要原因；蒸騰速率可以用來衡量植物在一定時間內(nèi)蒸騰作用，蒸騰作用通過植物根部吸收水分，促進(jìn)植物對礦物質(zhì)與有機(jī)物運(yùn)輸，降低葉片溫度，因此蒸騰作用對植物生產(chǎn)發(fā)育具有重要作用；氣孔導(dǎo)度表示氣孔張開的程度，直接影響胞間CO2濃度和蒸騰速率的大小，從而影響光合速率；水分利用效率表示單位蒸騰耗水量的光合作用量或生長量，同時也是反映植物耐旱性的一個有效指標(biāo)，其值越高，表明在同等耗水量的情況下，作物生產(chǎn)效率越高，產(chǎn)量越高[8]。

高小麗等[9]對4個不同基因型綠豆葉片光合性能的研究發(fā)現(xiàn)，在開花結(jié)莢期間，較高的葉綠素含量和功能葉片的光合生產(chǎn)能力對籽粒產(chǎn)量形成具有重要作用。李松雪[13]研究發(fā)現(xiàn)，綠豆產(chǎn)量與結(jié)莢期葉片凈光合速率呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，與鼓粒期葉片凈光合速率呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)水平，說明雖然結(jié)莢期葉片凈光合速率對產(chǎn)量形成的影響較大，但鼓粒期葉片凈光合速率與產(chǎn)量形成更為密切。但是，也有研究表明[12]，綠豆產(chǎn)量與光合速率在結(jié)莢盛期呈不顯著正相關(guān)，在盛花期和鼓粒盛期則分別呈極顯著和顯著正相關(guān)。在種質(zhì)資源評價上，經(jīng)常利用主成分和聚類分析法來對作物不同品種進(jìn)行綜合評價[14-18]，一些研究者利用主成分及聚類分析對不同品種綠豆資源的農(nóng)藝性狀和光合特性進(jìn)行了評價分析[8，14，19-21]。

本試驗選取32個不同基因型的綠豆品種為材料，于開花結(jié)莢期研究不同基因型綠豆的葉綠素含量和光合生理特性，并對這些光合生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析，旨在評價篩選出高光合效率的綠豆種質(zhì)資源，為綠豆優(yōu)良品種選育與高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗共選用32份不同基因型綠豆品種（表1），分別由河北省農(nóng)林科學(xué)院、河北省張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院、江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院）高粱研究所和基礎(chǔ)部雜糧誘變育種課題組提供。

表1 供試綠豆品種

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，2020年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)太谷校區(qū)附近桃園堡村農(nóng)田進(jìn)行。小區(qū)面積為8 m2（2 m×4 m），6行區(qū)，行距0.33 m，人工進(jìn)行分行條播，播后覆土鎮(zhèn)壓。于5月20日播種，苗齊后單株定苗，株距0.25 m。試驗地肥力中等，整個生育期管理同大田。

1.3 測定項目及方法

將采集的鮮樣葉片切成細(xì)絲，用95%的乙醇進(jìn)行提取，參照文獻(xiàn)[22]的方法進(jìn)行葉綠素含量的測定。

在開花結(jié)莢期，用yaxin-1101型便攜式光合儀，選擇晴天于8：30—11：00測定地上部完全伸展功能葉（倒3葉復(fù)葉中間小葉）[23-24]的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci），并計算水分利用效率（WUE）[8，10，23]。每個重復(fù)隨機(jī)選取5株，取其平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

每個處理的指標(biāo)值均為3次重復(fù)的算術(shù)平均值，采用Microsoft Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 25.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行相關(guān)性和聚類分析。對供試的32個綠豆品種之間的Chl、Pn、Tr、Gs、Ci和WUE，共6個指標(biāo)先進(jìn)行相關(guān)分析，數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和正向化處理后，進(jìn)行主成分分析，得到特征值、方差貢獻(xiàn)率、累計方差貢獻(xiàn)率及特征向量，獲得各品種各主成分得分和綜合得分，再采用歐氏距離法進(jìn)行聚類分析得到樹狀圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基因型綠豆葉片葉綠素含量及光合指標(biāo)分析

不同基因型綠豆葉片葉綠素含量如表2所示，開花結(jié)莢期不同綠豆品種間葉綠素含量差異較大，差異性方差分析發(fā)現(xiàn)（表3），品種間差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01），32個綠豆品種葉片的葉綠素含量的變幅為0.77～1.47 mg/g，大部分品種葉綠素含量在1.00～1.20 mg/g，32個品種葉綠素含量的均值為1.18 mg/g，變異系數(shù)為14.22%。其中，葉綠素含量較高的品種依次為明綠8號＞霸縣綠豆＞張綠1號，明綠8號葉綠素含量高達(dá)1.47 mg/g，分別比含量較低的同綠1號和保綠942高47.51%和42.53%。

由表2可知，不同品種間光合生理指標(biāo)差異較大，品種間差異達(dá)極顯著水平（表3）。Pn、Tr、Gs和Ci平均值分別為12.28 μmol/（m2·s）、4.10 mmol/（m2·s）和196.67 mmol/（m2·s）、296.11 μmol/mol，變異系數(shù)分別為28.98%、20.53%、26.54%和10.38%；32個綠 豆 品 種 中，Pn、Tr、Gs和Ci的 最 大 值 分 別 為17.62 μmol/（m2·s）（C5635）、5.57 mmol/（m2·s）（明綠8號）、317.33 mmol/（m2·s）（明綠8號）和358.4 μmol/mol（保綠942），分別比4個相應(yīng)指標(biāo)的最小值高68.73%（蘇綠5號）、55.12%（張綠2號）、64.23%（晉綠7號）和37.75%（張綠2號）。

表2 不同基因型綠豆光合指標(biāo)值

續(xù)表2

此外，不同品種間綠豆葉片WUE有所差異，而且有的品種間差異較大。由方差分析可知（表3），WUE的F值為13.046，P值小于0.01，說明不同品種綠豆之間的WUE差異極顯著。WUE排名前3的品種依次為張綠2號＞C5635＞保綠942，其中，最大值是最小值的5倍。

表3 不同品種綠豆光合性狀方差分析

2.2 光合生理指標(biāo)之間相關(guān)性分析

由綠豆葉片Chl、Pn、Tr、Gs、Ci和WUE之間的相關(guān)分析（表4）可知，Pn與Chl含量呈顯著正相關(guān)，與Tr、Gs和WUE呈極顯著正相關(guān)，與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)；Tr與Gs呈極顯著正相關(guān)，與Ci濃度呈顯著正相關(guān)；Ci與WUE呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表4 不同光合生理指標(biāo)間相關(guān)性分析

2.3 光合生理指標(biāo)主成分分析與聚類分析

主成分分析結(jié)果顯示（表5），前3個主成分的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)到96.076%，即可代表綠豆光合特性，其中，第1主成分占43.8071%，Tr是第1主成分的主要因子，為正載荷；第2主成分占38.2912%，Chl和WUE是第2主成分的主要因子，Chl有較強(qiáng)的正載荷，WUE有較強(qiáng)的負(fù)載荷；第3主成分占13.9778%，Pn和Gs是主要因子，Gs為較強(qiáng)的負(fù)載荷，Pn有較強(qiáng)的正載荷。

表5 不同光合生理指標(biāo)主成分分析

將不同品種綠豆的前3個主成分分析因子得分通過加權(quán)特征值計算獲得綜合得分，不同品種綜合得分排序結(jié)果如表6所示，綜合得分排在前3位的品種分別為明綠8號、晉綠4號和冀綠0810，表明這3個品種的綜合光合性狀較優(yōu)，且明綠8號光合性能最優(yōu)。

表6 基于主成分分析的不同綠豆品種間光合性狀綜合比較

結(jié)合相關(guān)性與主成分分析可以得出，Chl、Pn、Tr以及WUE是綠豆光合特性的主導(dǎo)因子，利用這4個光合指標(biāo)對32個綠豆品種進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)把分類截值定在10時，可以將32個不同基因型綠豆品種分為4類：第1類只含1個品種（張綠2號），為高水分利用率、高葉綠素含量、中等光合速率和低蒸騰速率品種；第2類為中等水分利用率、中等葉綠素含量、高光合速率和高蒸騰速率，包含15個品種（鸚哥6號、蘇綠2號、黑綠豆（張家口）、早2、冀綠0810、C5635、霸縣綠豆、冀綠7號、同綠1號、保德9815、明綠5號、明綠8號、中科5號、晉綠4號和晉綠2號）；第3類為低水分利用率、中等葉綠素含量、中等光合速率和中等蒸騰速率，包含13個品種（蘇黑綠2號、黃綠豆（張家口）、冀黑綠0506、冀綠13號、晉綠6號、晉綠7號、灘綠116、晉綠8號、隰縣綠豆、冀綠8902-19、冀綠9號和晉綠3號）；第4類為低水分利用率、低葉綠素含量、低光合速率和高蒸騰速率，包含3個品種（蘇綠5號、保綠942和冀綠1號）。

3 結(jié)論與討論

本研究中，不同綠豆品種之間光合生理指標(biāo)參數(shù)存在顯著差異，相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，本研究所用的綠豆品種葉片Pn與Chl、Tr、Gs和WUE呈顯著或極顯著正相關(guān)，與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)，與段義忠等[8]、高小麗等[9]的研究結(jié)論相似。但王營營等[14]研究發(fā)現(xiàn)，Pn與Gs、Tr、Ci呈極顯著正相關(guān)，與WUE無顯著相關(guān)性，研究結(jié)果不盡一致的原因可能與所用品種類型的生長習(xí)性及生長環(huán)境有關(guān)。

利用主成分分析對綠豆不同品種進(jìn)行綜合評價已有報道，王營營等[14]對3種不同生長習(xí)性的18個綠豆品種的光合性狀指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析，結(jié)果表明，Tr和WUE為2個主成分的主導(dǎo)因子，對綠豆光合性狀劃分起主要作用；對不同品種主成分綜合得分進(jìn)行聚類分析，消除了光合指標(biāo)間相關(guān)性的影響，結(jié)果表明，與通過單一的凈光合速率指標(biāo)評價相比更為準(zhǔn)確。故本研究對32個綠豆品種的光合性狀指標(biāo)（Chl、Pn、Tr、Gs、Ci和WUE）進(jìn)行主成分分析，發(fā)現(xiàn)Chl、Pn、Tr以及WUE是影響綠豆光合特性的主導(dǎo)因子；由聚類分析結(jié)果可知，32個綠豆品種分為4類。值得注意的是，主成分分析綜合排名前3的品種依次為明綠8號、晉綠4號和冀綠0810，且在聚類分析中聚為一簇，表明這3個品種光合性能較高，在育種中可作為優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源來培育高光合速率的綠豆品種。此外，植物葉片水分利用效率植物光合、蒸騰特性可作為反映植物耐旱性的有效指標(biāo)，在相同條件下，水分利用效率高的植物固定單位數(shù)量CO2所需水量少，其抗旱能力強(qiáng)[9]。本研究發(fā)現(xiàn)，張綠2號、C5635、冀綠7號（J7）晉綠2號（JL2）等品種水分利用率較高，可以考慮用作抗旱性品種選育的種質(zhì)資源。

本研究對32個綠豆品種花莢期葉片的Chl、Pn、Tr、Gs、Ci和WUE等光合生理指標(biāo)的差異性分析結(jié)果表明，不同綠豆品種之間光合性能差異較大。統(tǒng)計分析表明，明綠8號、晉綠4號和冀綠0810綜合光合性能表現(xiàn)較為突出，可作為選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)綠豆新品種首選親本材料，同時張綠2號可在綠豆抗旱育種中作為親本材料進(jìn)行改良。