新疆雜草黑麥的光合特性分析及綜合評價

崔 敬，穆云森，溫曉蕾，楊燕萍，魏 萊，車永和

(河北科技師范學院農(nóng)學與生物科技學院/河北省作物逆境生物學重點實驗室，河北省秦皇島市 066000)

光合作用是植物進行物質(zhì)積累與生理代謝的基礎(chǔ)[1]，是植物最基本的生理進程[2]。它決定著作物的生長發(fā)育、營養(yǎng)品質(zhì)的好壞和生產(chǎn)力的高低。近些年來，光合作用已經(jīng)成為作物產(chǎn)量提高的一個主要特性，因為傳統(tǒng)的植物育種已經(jīng)使作物的收獲指數(shù)和吸收日光的能力達到了極限[3]，生物量成為了主要育種目標。在作物生物量的提高過程中，改善作物的光合能力起著重要作用。

高光效一直是國際上光合作用研究和遺傳育種研究的熱點問題[4]。研究表明，光合特性是高度可遺傳的，且在可利用的種質(zhì)中存在著顯著的變異[5]。有研究者從馬鈴薯種質(zhì)資源中篩選出5個高光效品系[6]。俄羅斯水稻研究所在不同水稻品種中鑒定了高光合潛力遺傳系統(tǒng)和控制光合效率的多態(tài)性位點的供體和來源[7]。通過對水稻高光效基因型Hd3aKasa進行了分子標記鑒定，開發(fā)出包含4條引物的共顯性分子標記hd3afnp，能夠精確區(qū)分Hd3a基因的2個等位基因和雜合基因型[8]。通過篩選高光效種質(zhì)可為高光效基因精細定位、作物高光效育種拓寬遺傳基礎(chǔ)。

黑麥屬(SecaleL.)是小麥的近緣屬[9]，屬禾本科小麥族[10]，該屬植物在麥類作物遺傳育種和牧草種質(zhì)開發(fā)中占有非常重要的地位。新疆雜草黑麥(Secalecerealsubsp.segetale)為一種雜草型黑麥類型，是我國一種獨特的野生植物資源，具有分蘗多、抗性強、適應性廣等特點[11]，可為小麥的遺傳育種改良提供優(yōu)異的基因資源。目前已有學者在新疆雜草黑麥遺傳多樣性、細胞學、形態(tài)學優(yōu)良性狀的鑒定等方面開展了研究[12-16]。相比于其他作物，黑麥光合方面的研究報道較少。而目前，小麥高光效育種大多以栽培品種為材料，遺傳基礎(chǔ)狹窄，導致種質(zhì)資源匱乏[2]。近年來，很多研究人員在研究過程中將水分利用效率也作為研究光合特性的重要指標[17-18]，因此本課題組對收集保存的新疆雜草黑麥材料進行光合特性及水分利用率分析，發(fā)掘新疆雜草黑麥優(yōu)異的基因資源，以期為麥類作物高光效育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料來自中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所收集和保存的新疆雜草黑麥種質(zhì)資源。本研究隨機選取15個新疆雜草黑麥居群進行分析鑒定(表1)。

表1 新疆雜草黑麥來源信息Table 1 Origination of Secale cereale subsp. segetale

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗地點及自然條件

試驗地點為河北科技師范學院昌黎縣農(nóng)學與生物科技學院試驗站。昌黎縣位于秦皇島西南部沿海地區(qū)(東經(jīng)118°，北緯39°)，屬中國東部的季風地區(qū)為暖溫帶半濕潤大陸性氣候，日照充足。

1.2.2 田間試驗設(shè)計

2019年10月，在實驗室內(nèi)進行育苗，用赤霉素溶液20 mg·L-1于培養(yǎng)皿內(nèi)浸種10 h。將蛭石和河沙(蛭石∶河沙=1∶1)混勻，裝到培養(yǎng)盒內(nèi)，于培養(yǎng)盒的三分之二即可。把浸種后的種子擺到培養(yǎng)土上，要求分布均勻，并在種子上覆一層薄土，放于培養(yǎng)箱進行低溫春化處理。幼苗長到二葉期左右時移栽到試驗田，每份材料單行栽植，3次重復，株距15 cm，行距 20 cm。材料按常規(guī)大田管理措施進行。

1.2.3 光合指標測定

在開花期，對新疆雜草黑麥旗葉的光合參數(shù)用GFS-3000光合測定儀(WALZ,German)進行測定。測定時設(shè)置流量為750 mL·min-1，CO2濃度為380 μmol·m-2·s-1，相對濕度為60%；因為光照強度的變化會對測得的數(shù)據(jù)造成影響，所以在測定時須借助GFS-3000光合測定儀配備的光源燈，光照強度設(shè)置為1 200 μmol·m-2·s-1；選在晴天上午9：00-12：00進行測定；每份材料5次重復。測定時待儀器內(nèi)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，讀取旗葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、細胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)等指標的數(shù)值。然后計算水分利用效率(WUE)，WUE=Pn/Tr。

1.2.4 產(chǎn)量相關(guān)性狀測定

參考《小麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[19]考察其產(chǎn)量性狀，在成熟期隨機選取10個單株，風干后測定單株生物量，并對其單株穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等進行考種，數(shù)值取10株的平 均值。

1.3 統(tǒng)計分析

利用SPSS22.0進行方差分析、主成分分析、聚類分析、相關(guān)性分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同新疆雜草黑麥居群光合參數(shù)的差異

方差分析結(jié)果(表2)表明，不同材料間Pn、Tr、Gs和WUE均存在顯著差異，Ci差異不顯著。不同材料間各指標的變異程度不同，其中Pn變異最大，變異系數(shù)為19.47%；Ci變異最小，變異系數(shù)為13.94%。Pn、Tr、Gs和WUE的最高值和最低值之間分別相差1.76倍、1.44倍、 1.68倍和1.55倍。這說明不同新疆雜草黑麥材料的光合特性遺傳變異較大，具有較豐富的遺傳信息。

表2 新疆雜草黑麥光合參數(shù)方差分析Table 2 Analysis of photosynthetic parameters and variance of Secale cereale subsp. segetale

2.2 不同新疆雜草黑麥居群光合參數(shù)的相關(guān)性分析

從相關(guān)性分析結(jié)果(表3)看，新疆雜草黑麥Pn與Tr呈顯著正相關(guān)，與Gs和WUE呈極顯著正相關(guān)，與Ci呈極顯著負相關(guān)；Tr與Gs呈極顯著正相關(guān)；Ci與Gs呈極顯著負相關(guān)。這表明，新疆雜草黑麥的光合指標間相關(guān)性比較強，不同指標間存在信息重疊，因此有必要采用綜合分析方法對整個光合特性進行評價。

表3 新疆雜草黑麥光合參數(shù)相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of photosynthetic parameters of Secale cereal subsp. segetale

2.3 不同新疆雜草黑麥居群光合參數(shù)的主成分分析

先利用極差法對原始數(shù)據(jù)進行標準化(因Ci與Pn呈顯著負相關(guān)，所以計算有別于其他指標)，再進行主成分分析。結(jié)果(表4)表明，5個指標可以轉(zhuǎn)換為兩個主成分。其中，第一主成分的貢獻率達65.126%，其中Pn、Tr和Gs都具有較強的正載荷，Ci具有較強的負載荷，故此主成分主要反映光合能力；第二主成分的貢獻率為 23.547%，其中WUE具有較強的正載荷，該成分主要反映水分利用。這兩個主成分的累計貢獻率為88.673%，說明二者能夠反映新疆雜草黑麥 光合特性的絕大部分信息，可作為評價的綜合 指標。

表4 主成分分析的特征向量和特征根Table 4 Eigenvectors and eigen values of PCA

2.4 不同新疆雜草黑麥居群的綜合評價

根據(jù)各主成分的特征值及其標準值計算不同材料的各主成分值，進而以各主成分的貢獻率為權(quán)重，對兩個主成分進行線性加權(quán)，分別計算15個新疆雜草黑麥居群的綜合評價值并排序(表5)。從綜合評價值看，排在前三位的材料依次為89R66、89R6、89R33，綜合表現(xiàn)較好，其中89R66在第一主成分及綜合得分均排名第一，表明其光合性能最好。綜合表現(xiàn)最差的材料為89R65。

表5 新疆雜草黑麥主成分得分及優(yōu)良排序Table 5 Principal component score and rank of Secale cereal subsp. segetale

2.5 不同新疆雜草黑麥居群的聚類分析

以新疆雜草黑麥5個光合參數(shù)的綜合評價值為依據(jù)，采用歐氏距離對15個新疆雜草黑麥居群進行系統(tǒng)聚類分析。當Euclidean距離為10時，可將15個參試居群分成三類(圖1)。其中，第Ⅰ類包含4個居群，分別為89R39、89R47、89R65、89R43，其Pn、Tr、Gs和WUE均較低，Ci較高，綜合評價值排名靠后；第Ⅱ類包含6個居群，分別為89R57、90R33、89R54、89R14、89R48、90R2，其Pn、Tr、Gs和Ci較低，但WUE較高WUE，綜合評價值排名居中；第Ⅲ類包含5個居群，分別為89R6、89R33、89R59、89R30、89R66，Pn、Tr、Gs和WUE均較高，Ci較低，綜合評價值排名靠前。

圖1 基于綜合評價值的15個新疆雜草黑麥居群的聚類圖Fig.1 Cluster diagram of 15 Secale cereal subsp. segetale based on comprehensive evaluation value

2.6 不同新疆雜草黑麥居群的產(chǎn)量性狀的比較

對15個新疆雜草黑麥的產(chǎn)量性狀進行方差分析，結(jié)果(表6)表明，不同材料間單株穗數(shù)和單株生物量存在顯著差異，穗粒數(shù)和千粒重差異不顯著。結(jié)合圖1聚類分析結(jié)果，第Ⅰ類中89R39、89R47、89R65、89R43的單株穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、單株生物量均處于較低水平，其中89R65的單株穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、單株生物量最低。第Ⅱ類中89R57、90R33、90R2、89R54的單株穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、單株生物量都處于較低水平；89R14、89R48的穗粒數(shù)、千粒重、單株生物量也較低，但其單株穗數(shù)處于較高水平；第Ⅱ類材料相比與第Ⅰ類群中的材料產(chǎn)量性狀并無明顯差異。第Ⅲ類中的89R66、89R6、89R33、89R59、89R30的單株穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和單株生物量都較高，其中89R66的穗粒數(shù)、千粒重和單株生物量最高。綜合來看，所選新疆雜草黑麥材料產(chǎn)量相關(guān)性狀的差異與其光合特性基本對應，說明第Ⅲ類群的材料與第Ⅰ、Ⅱ類群的材料相比較，不僅綜合光合特性表現(xiàn)突出，產(chǎn)量相關(guān)性狀和生物量也表現(xiàn)較好。

表6 新疆雜草黑麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的比較Table 6 Comparison of yield components of Secale cereal subsp. segetale

3 討 論

3.1 高光效種質(zhì)資源光合指標的選擇

同一種作物不同品種間的光合性狀差異較大[20]，說明可選擇種質(zhì)資源的范圍較廣，遺傳基礎(chǔ)豐富。在二倍體、四倍體、六倍體、八倍體小麥材料間，Pn差異顯著，Tr、Ci、Gs、WUE差異均不顯著[21]，而在甘薯種質(zhì)間7個光合參數(shù)均存在極顯著差異[22]。本研究中，15份雜草型黑麥材料間Pn、Tr、Ci均存在顯著差異。這說明不同植物的光合遺傳特性表現(xiàn)不一樣。

葉片的光合速率是反映光合機構(gòu)運轉(zhuǎn)狀況的一個重要指標[23]，但不同作物的光合速率與其他光合參數(shù)之間的關(guān)系不盡相同。如，大豆種質(zhì)的Pn與Gs、WUE呈顯著正相關(guān)，而與Ci與Tr相關(guān)不顯著[24]；高粱的Pn與Tr、Gs、WUE均呈顯著正相關(guān)，而與Ci呈極顯著負相關(guān)[25]。本研究表明，黑麥材料的Pn與Tr、Ci、WUE均呈顯著正相關(guān)，與Ci呈極顯著負相關(guān)，這與高粱的表現(xiàn)相一致，也說明說明水分蒸騰、氣孔開度等因素對新疆雜草黑麥的凈光合速率都有較大影響，所以黑麥高光效品種選育應綜合考慮光合參數(shù)。

3.2 高光效種質(zhì)資源的分類及篩選

光合作用是作物生長發(fā)育和籽粒形成的主要來源[26]。高光效種質(zhì)資源的收集與利用是育種工作的基礎(chǔ)[27-28]。以往育種人員將高光效與高光合速率兩個概念混淆，認為高的光合速率就是高光效，但隨著研究的不斷深入，兩者的區(qū)別也漸漸明朗，明確了高光效種質(zhì)是綜合性狀指標均表現(xiàn)良好的種質(zhì)[29]。有研究對蔗茅不同種質(zhì)資源進行主成分分析，選出2個主成分即光合效率與水分利用效率，然后通過系統(tǒng)聚類將其分為五大類群[30]，該研究與本研究得出的結(jié)果一致。也有研究人員認為氣孔行為是影響葉片光合的關(guān)鍵因素，僅針對Gs進行篩選，這一方案也已在小麥[31]、水稻[32]等作物中得到應用。

本研究中對15份新疆雜草黑麥材料光合參數(shù)進行主成分分析，剔除次要信息，以綜合指標代表的原來大部分信息，并進行綜合評分排序。其中提取的2個主成分光合因子與水分因子反映了原有全部指標88.89%的信息，通過對其得分進行線性加權(quán)得到各個材料的綜合評分并進行排序，其結(jié)果能直觀反映出各個新疆雜草黑麥種質(zhì)的綜合特性。因此，高光效優(yōu)異種質(zhì)的篩選也不應一味追求高的光合效率，應注重碳同化性能和水分利用效率的平衡。本研究聚類分析中，按照其綜合得分將15份材料分成了3類，其中第Ⅲ類群具有較高Pn、Tr、Gs和WUE的特點。所篩選出的材料在于固碳性能好，且水分利用效率表現(xiàn)優(yōu)異，二者間達到了平衡，屬于比較理想的高光效材料。本研究進一步結(jié)合不同材料產(chǎn)量相關(guān)性狀進行分析，明確第Ⅲ類群的材料綜合表現(xiàn)較好，也表明對新疆雜草黑麥光合特性的綜合評價分析具有重要的意義。

3.3 新疆雜草黑麥種質(zhì)資源的進一步研究與 利用

在相關(guān)研究中，對小麥及其他不同倍性近緣物種進行了光合方面的探討，而缺少對野生植物資源的深入研究利用。本研究在野生植物新疆雜草黑麥中進行光合生理方面的研究，旨在解決高光效種質(zhì)資源匱乏的問題。故在當前小麥在提高收獲指數(shù)方面的遺傳潛力已基本耗盡的情況下[33]，應進一步加強在野生近緣種屬中對高光效種質(zhì)資源的篩選，拓寬遺傳基礎(chǔ)。

作為野生近緣植物物種在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中貢獻巨大，在提高作物的適應性、抗性、產(chǎn)量、品質(zhì)等方面具重要作用[34]。新疆雜草黑麥含有豐富的遺傳多樣性，可作為麥類作物育種改良的重要基因資源。目前，由于自然及人為因素的破壞，新疆雜草黑麥正以很快的速度逐年減少[35]。新疆雜草黑麥作為我國珍貴稀缺的遺傳基因資源，所以要在開發(fā)利用資源的同時注意加強對新疆雜草黑麥種質(zhì)資源的保護，要重視從野生黑麥中發(fā)掘高光效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)資源，并創(chuàng)新種質(zhì)。隨著現(xiàn)代分子生物技術(shù)的發(fā)展，育種進程不斷加快，水平不斷提高，利用現(xiàn)代生物技術(shù)對新疆雜草黑麥進行更加深入、更加系統(tǒng)的研究，將為黑麥及小麥的遺傳育種提供更多借鑒和開拓新的途徑；同時對擴大種質(zhì)資源、提高資源利用率具有重要意義。

4 結(jié) 論

綜合主成分得分、聚類分析及產(chǎn)量性狀的比較得出第Ⅲ類群中包含的5個居群89R6、89R33、89R59、89R30、89R66，綜合表現(xiàn)突出，這些材料可以作為高光效種質(zhì)，結(jié)合光合遺傳規(guī)律及配合力效應，適用于開展高光效遺傳及育種研究工作。