糜子不同品種的光合能力和源庫(kù)關(guān)系類型對(duì)產(chǎn)量形成影響的研究

游文萍，張東升，劉昭霖，宗毓錚，郝興宇，李 萍

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

源庫(kù)關(guān)系決定著作物產(chǎn)量的形成，因?yàn)樽魑锶~面積和光合作用會(huì)通過影響作物對(duì)光的捕獲及利用進(jìn)而影響作物碳水化合物的生產(chǎn)，這也常用于表征作物源的大小。而作物產(chǎn)量的形成（庫(kù)建成）主要受到光合碳同化物向果實(shí)器官累積分配［如收獲指數(shù)（harvest index，HI）］的影響［1-4］。之前對(duì)主要糧食作物育種的關(guān)注度在于作物HI的提高，而且相關(guān)研究幾乎已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)上限值。在當(dāng)前作物育種過程中，提高作物產(chǎn)量的合理途徑被認(rèn)為是調(diào)控作物光合作用過程和源庫(kù)關(guān)系，但這需要我們深入了解作物光合作用和源庫(kù)關(guān)系的遺傳變異，并明確它們與作物產(chǎn)量形成的關(guān)系。

作物光合作用受其遺傳特性、環(huán)境因素和管理措施的影響，也會(huì)受到作物源庫(kù)關(guān)系的反饋調(diào)節(jié)［1-2，5-6］。在育種中，葉片光合速率［如最大凈光合速率（Pmax）和凈光合速率（Pn）］的遺傳變異通常被作為選擇優(yōu)良作物品種的前提。然而由于光合作用的多重效應(yīng)，盡管某些物種（如小麥、玉米、大豆和鷹嘴豆）的葉片光合速率與產(chǎn)量存在正相關(guān)關(guān)系，但它們的產(chǎn)量并未顯著增加［7-12］。就光合性狀而言，小麥和棉花的氣孔導(dǎo)度與產(chǎn)量的相關(guān)性最強(qiáng)［12-13］。一般來說，光合遺傳進(jìn)化也常常伴隨著光合速率和蒸騰作用對(duì)氣孔限制的降低。氣孔導(dǎo)度通常控制著蒸騰作用中碳吸收和水分損失之間的平衡，從而影響水分利用效率。而水分利用效率由于其強(qiáng)大的遺傳基礎(chǔ)，一直是作物選擇和育種的目標(biāo)性狀［3-4，14-17］。此外，光合作用還受非氣孔因素［如光系統(tǒng)II（photosystem II，PSII）］的光化學(xué)效率的限制［18］。葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)作為PSII光化學(xué)效率的一種非常靈敏和內(nèi)在的探針，在植物生理學(xué)各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)均有廣泛應(yīng)用［19-21］。葉綠素?zé)晒鈪?shù)中的最大光化學(xué)量子效率（Fv/Fm）值已被廣泛用于測(cè)定并評(píng)價(jià)逆境條件對(duì)光合作用的影響。實(shí)際光化學(xué)量子效率（ФPSII）值可以作為電子通過PSII傳遞的定量指標(biāo)，這與PSII的光化學(xué)效率有關(guān)［22］。光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）通常用來表示反應(yīng)中心的開放程度［23］。非光化學(xué)猝滅系數(shù)（qN）反映了光周期中非光化學(xué)過程的激活，如反式類囊體pH梯度、光抑制過程和非輻射能量耗散熱［24］。

糜子（Panicum miliaceumL.）作為東亞地區(qū)過去10 000年里一直種植的作物［25］，其所含營(yíng)養(yǎng)極為豐富，主要富含膳食纖維、儲(chǔ)存蛋白、抗性淀粉、必需氨基酸、維生素和其他生物活性物質(zhì)［26-27］。糜子對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)的低需求使得它能夠在中國(guó)北部、中亞和俄羅斯等地區(qū)半干旱貧瘠的環(huán)境中生長(zhǎng)［28-29］。目前遺傳改良在減輕干旱條件下作物產(chǎn)量損失方面做出了巨大貢獻(xiàn)［30］，前提是需要我們明確影響作物產(chǎn)量形成的遺傳策略和篩選相關(guān)遺傳性狀。盡管C3（如小麥和棉花）和C4（如玉米）作物的育種已取得了更多進(jìn)展［12，17，31-33］，但未來C4糜子高產(chǎn)抗逆優(yōu)良品種的選育仍然需要我們更深入探究糜子光合及其源庫(kù)關(guān)系的遺傳變異規(guī)律，并明確它們與糜子產(chǎn)量形成的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

田間試驗(yàn)于2012年在北京昌平中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院（北緯40.13°，東經(jīng)116.14°）試驗(yàn)站進(jìn)行。該區(qū)氣候?yàn)槭芗撅L(fēng)影響的大陸性氣候，春季干燥，夏季炎熱（k?PPen-geiger分類［34］）。糜子生長(zhǎng)季時(shí)的降水量為（286±16）mm，氣溫為（22.9±3.2）℃。土壤質(zhì)地為褐色潮土（pH值8.3），有機(jī)質(zhì)含量為12.30 g/kg，土壤全氮含量為0.81 g/kg，土壤總磷含量為0.69 g/kg，土壤全鉀含量為14.50 g/kg。

1.2 試驗(yàn)詳情

本試驗(yàn)選用生長(zhǎng)在我國(guó)半干旱地區(qū)不同地方的9個(gè)糜子品種作為供試試驗(yàn)品種，分別為內(nèi)蒙古紅糜子（M1）、雁黍7號(hào)（M2）、伊糜5號(hào)（M3）、紫桿白黍（M4）、靖遠(yuǎn)中集青糜（M5）、白黍子（M6）、寧糜14（M7）、一點(diǎn)青（M8）、昌圖紅糜子（M9），它們均來自中國(guó)北京農(nóng)作物種質(zhì)資源中心。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，每組地塊面積為30 m2。糜子種植密度為80株/m2，行距為0.3 m，其在糜子整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)均不額外灌溉和施肥。

1.3 氣體交換測(cè)量

使用便攜式氣體交換系統(tǒng)（LI-COR 6400；LI-COR，Lincoln，Neb.）進(jìn)行氣體交換測(cè)量。葉室內(nèi)的CO2濃度由LI-COR的CO2注射系統(tǒng)控制在400 μmol/mol，光量子通量密度（photosynthetic photon flux density，PPFD）為1 600 μmol/m2/s，由內(nèi)置的LED燈（紅/藍(lán)）提供，葉室溫度設(shè)定為25℃。在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)過渡期（不同品種糜子播種后的40 d左右），于晴天上午9:00—11:30在作物冠層內(nèi)隨機(jī)選取6片最上部完全展開的糜子旗葉，測(cè)定其Pn、氣孔導(dǎo)度（gs）、蒸騰速率（E）和胞間 CO2濃度（Ci）等氣體交換參數(shù)，然后計(jì)算糜子的氣孔水汽壓（gsw=1.6×gs），由此計(jì)算單葉水分利用效率（WUE=Pn/E）和內(nèi)在水分利用效率（iWUE=Pn/gsw）。另外在每個(gè)糜子樣品上取3片完全展開的旗葉，測(cè)定不同品種糜子的光響應(yīng)曲線。葉室內(nèi)CO2濃度為400 μmol/mol，初始PPFD設(shè)置為1 600 μmol/m2/s，依次為1 300、1 100、900、700、500、300、200、100、50 μmol/m2/s，在光合速率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

1.4 葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量

在測(cè)定氣體交換參數(shù)的同時(shí)，利用微型脈沖振幅調(diào)制熒光分析儀（Mini-PAM，Walz，Effeltrich，Germany）測(cè)定相同樣葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)［Fv/Fm、ФPSII、電子傳遞速率（electron transport rate，ETR）、qP和qN］，評(píng)估葉片PSII的光合性能［35-36］。所有的葉綠素?zé)晒鈪?shù)根據(jù)Rascher等［37］和Huang等［38］描述的公式進(jìn)行計(jì)算。

1.5 葉面積、干物質(zhì)量、產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素

測(cè)定了氣體交換和熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)后，計(jì)數(shù)供試糜子品種單株葉片數(shù)量，測(cè)定葉片長(zhǎng)度（length，L）和寬度（width，W），根據(jù)LA=L×W×a（a表示糜子的形狀系數(shù)，本試驗(yàn)中為0.75）計(jì)算單株葉面積（leaf area，LA）。在成熟期，糜子于2012年9月11日進(jìn)行人工收獲。風(fēng)干后，從各處理樣品中隨機(jī)抽取10株糜子，測(cè)定株高、穗長(zhǎng)、單株籽粒數(shù)和籽粒千粒重。通過每株籽粒重和整株干重計(jì)算單株產(chǎn)量和干物質(zhì)量。HI是單株產(chǎn)量和單株干物質(zhì)量的比值。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)所有統(tǒng)計(jì)分析在統(tǒng)計(jì)軟件R（https://cran.r-project.org/）平臺(tái)進(jìn)行。方差分析為單因素ANOVA分析，多重比較采用P=0.05水平的最小顯著性差異檢驗(yàn)。變異系數(shù)為平均值與標(biāo)準(zhǔn)差之比。用非線性混合效應(yīng)模型擬合實(shí)測(cè)的光響應(yīng)數(shù)據(jù)。選用非直角雙曲線函數(shù)，并利用R中的nlme包對(duì)其參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。采用R中的corrplot包進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析以明確氣體交換參數(shù)、熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)、葉面積、干物質(zhì)量、產(chǎn)量以及產(chǎn)量構(gòu)成因素間的相關(guān)性，通過t檢驗(yàn)確定相關(guān)分析的顯著性差異（P≤0.05）。

其中Pn為葉片凈光合速率（μmol/m2/s），I是被吸收的PPFD（μmol/m2/s），估算為入射PPFD與葉片吸收系數(shù)0.88的乘積。Pmax是指葉片最大凈光合速率（μmol/m2/s），α是表觀量子效率，θ是曲率參數(shù)，反映光合曲線彎曲程度的凸度，Rd是暗呼吸（μmol/m2/s）。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pmax和氣體交換參數(shù)

用非直角雙曲線函數(shù)擬合光合作用對(duì)光的響應(yīng)，結(jié)果表明，R2大于0.9時(shí)，擬合效果良好（圖1）。不同品種糜子的Pmax和氣體交換參數(shù)有顯著差異，而α和Rd差異不顯著（表1和表2），表明糜子利用強(qiáng)光的能力具有明顯的遺傳變異。就氣體交換參數(shù)而言，3個(gè)糜子品種M6、M8和M9的Pn相對(duì)最高，為高光合品種。而M1和M2的Pn相對(duì)最低，為低光合品種。M3、M4、M5和M7的光合能力處于中等水平，為中等光合品種（表2）。Pn與gs（P＜0.05）和Ci（P＜0.05）相關(guān)，而gs與E和WUE有較好的相關(guān)性（圖2）。

圖1 不同品種糜子的光響應(yīng)曲線Fig.1 Photosynthetic light response curves of different broomcorn millet varieties

表1 不同品種糜子的光響應(yīng)曲線參數(shù)Tab.1 The parameters of photosynthetic light response curve for different broomcorn millet varieties

表2 不同品種糜子的氣體交換參數(shù)Tab.2 The gas exchange parameters of different broomcorn millet varieties

2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)、光合、葉面積和HI與產(chǎn)量的相關(guān)性

不同品種的糜子PSII光化學(xué)效率具有顯著的差異。除Fv/Fm和qN外，糜子的ФPSII、ETR和qP表現(xiàn)出顯著的品種差異（表3）。在所有測(cè)試的糜子品種中，Pn與ETR、ФPSII和qP呈正相關(guān)（P＜ 0.05），E與ETR、ФPSII呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜ 0.01）（圖2）。

表3 不同品種糜子的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Tab.3 The chlorophyll fluorescence parameters of different broomcorn millet varieties

在所有供試品種中，糜子單株產(chǎn)量與HI、單株干物質(zhì)量、穗長(zhǎng)、單穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與粒重?zé)o顯著相關(guān)性。不同品種糜子的單株干物質(zhì)量和產(chǎn)量與Pn、gs、Ci和E均呈顯著負(fù)相關(guān)，與iWUE、WUE、qP、qN和ФPSII呈顯著正相關(guān)。糜子單株干物質(zhì)量與單株葉面積呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（圖2）。

2.3 葉面積、株高、干物質(zhì)量和HI

葉面積和株高影響植株的光截獲，進(jìn)而影響碳水化合物的生產(chǎn)。糜子單株葉面積以M2和M3顯著最大，M1和M9顯著最小，M4、M5、M6、M7和M8居中（圖3a）。糜子株高以M1、M2、M7和M8顯著較高，M9最低，其他品種的株高居中（圖3b）。產(chǎn)量由干物質(zhì)量和HI的值決定。M5、M7和M9的干物質(zhì)量顯著較大，而M1、M3和M6顯著較小，其他品種居中（圖4a）。糜子的HI值以M1、M3、M6、M9顯著較低，M4、M5、M7、M8顯著較高（圖4b）。

圖3 不同品種糜子的單株葉面積和株高Fig.3 The leaf area per plant and plant height of different broomcorn millet varieties

圖4 不同糜子品種單株干物質(zhì)量及HIFig.4 The dry matter per plant and HI of different broomcorn millet varieties

2.4 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素

單株產(chǎn)量與穗長(zhǎng)、單穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與粒重?zé)o顯著相關(guān)性（圖2）。產(chǎn)量和每穗粒數(shù)的變異系數(shù)分別為0.39和0.38，高于粒重的變異系數(shù)0.05。單穗粒數(shù)越少，單株產(chǎn)量越低，如M1、M3、M6、M9，單穗粒數(shù)均小于400粒，單株產(chǎn)量均小于3.0 g。單穗粒數(shù)多的品種單株產(chǎn)量高，特別是M5和M7，單穗粒數(shù)大于600粒，單株產(chǎn)量最高（表4）。

表4 不同品種糜子的產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量Tab.4 Yield components and yield of different broomcorn millet varieties

圖2 不同品種糜子的氣體交換參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、單株葉面積、株高、單株干物質(zhì)量、HI、單株產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)（＊＊P＜0.01；＊P＜0.05）Fig.2 Pearson correlation coefficient between gas exchange parameters, chlorophyll fluorescence parameters, leaf area per plant, plant height, dry matter per plant, harvest index, yield per plant and yield components of different broomcorn millet cultivars (＊＊P＜0.01; ＊P＜0.05)

3 討論

光合作用是作物碳水化合物形成的唯一途徑，在作物生長(zhǎng)發(fā)育過中影響著碳水化合物的形成，也與產(chǎn)量有著密切關(guān)系［39-44］，通過提高作物光合能力進(jìn)而增加生物量和產(chǎn)量已經(jīng)成為未來育種的主要目標(biāo)。作物Pn和Pmax常常被認(rèn)為具有一定的遺傳變異能力，能夠作為作物品種選育的關(guān)鍵光合性狀。一些研究發(fā)現(xiàn)，作物的Pn與產(chǎn)量之間存在顯著正相關(guān)，但這種關(guān)系似乎并不穩(wěn)定，因?yàn)橐灿醒芯勘砻鳎ㄐ←?、水稻、大豆和棉花等這些作物的凈光合速率與產(chǎn)量缺乏正相關(guān)關(guān)系或呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系［12］。在本研究中我們發(fā)現(xiàn)，Pn和Pmax的確表現(xiàn)出明顯的遺傳變異，但它們與單株產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)（圖2）。該結(jié)果可能與葉面積引發(fā)的多效性有關(guān)，因?yàn)榕c單葉光合相比，作物產(chǎn)量與作物冠層光合能力表現(xiàn)出了更好的正相關(guān)關(guān)系［12］。WUE，尤其是iWUE，也一直被認(rèn)為是作物品種選育的關(guān)鍵目標(biāo)。許多研究都發(fā)現(xiàn)iWUE與作物產(chǎn)量之間存在穩(wěn)定的相關(guān)性［45］。本試驗(yàn)中，糜子的WUE和iWUE與單株產(chǎn)量表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，這可能意味著水分利用效率（如WUE或iWUE）可以作為糜子品種選育的關(guān)鍵性狀。另外，盡管有研究表明，糜子的Pn與gs和Ci有顯著相關(guān)性［43］，但我們的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)糜子gs與E的相關(guān)性比gs與Pn的相關(guān)性更好，這意味著干旱地區(qū)糜子gs對(duì)水的敏感程度可能高于對(duì)CO2的敏感程度［46-48］。

植物源庫(kù)關(guān)系影響植物的生理代謝過程，從而影響同化物的生產(chǎn)和運(yùn)輸。強(qiáng)源可以給庫(kù)提供更多的光合產(chǎn)物，而強(qiáng)庫(kù)可以調(diào)節(jié)源產(chǎn)生代謝物的輸出速度和輸出方向［49-50］。因此，源庫(kù)關(guān)系是影響作物碳水化合物生產(chǎn)和分配的重要因素，最終會(huì)影響作物產(chǎn)量的形成。在當(dāng)前研究中，糜子源庫(kù)關(guān)系表現(xiàn)出明顯的品種依賴性。一些品種源弱庫(kù)強(qiáng)，產(chǎn)量較低，如內(nèi)蒙古紅糜子（M1）的葉面積和葉光合速率較小，源限明顯，干物質(zhì)累積較低，盡管HI相對(duì)較大，但單株粒數(shù)仍較少，產(chǎn)量較低。一些品種源強(qiáng)庫(kù)弱，產(chǎn)量較低，如白黍子（M6）的光合速率和單株葉面積都相對(duì)較高，而昌圖紅糜子（M9）光合速率最高，它們干物質(zhì)累積多，但由于HI和穗粒數(shù)較小，即受到庫(kù)強(qiáng)度的限制，其產(chǎn)量也相對(duì)較小。一些源庫(kù)關(guān)系較好的品種，如靖遠(yuǎn)中集青糜（M5）和寧糜14（M7），雖然它們的源強(qiáng)（葉光合速率和葉面積）和庫(kù)容（HI）并不是最大的，但是有相對(duì)較多的光合同化物在果實(shí)中分配，使得它們籽粒數(shù)最多，因此產(chǎn)量也最高。

本研究對(duì)不同品種糜子的光合生理作用和源庫(kù)關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和分析，為糜子的研究提供了一定的理論依據(jù)，但源庫(kù)關(guān)系與產(chǎn)量的關(guān)系是比較復(fù)雜的過程，中間還有很多生理活動(dòng)需要我們更深入細(xì)致的研究。這有待我們?cè)诮窈蟮难芯恐虚_展更深入更細(xì)致的科學(xué)試驗(yàn)，為糜子的生產(chǎn)和育種工作提供保障。