玉米葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定與分析

吳菲菲，曹永仁，滕延福

（1.下蜀鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，江蘇 句容 212400；2.鎮(zhèn)江新區(qū)社會(huì)發(fā)展局，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

從生理結(jié)構(gòu)上來(lái)看玉米是C4 植物，C4 植物具有較強(qiáng)的光合作用，同時(shí)光合速率比C3 植物快許多，尤其是在CO2濃度低的環(huán)境下，相差更是懸殊。C4 植物對(duì)CO2的利用率也較C3 植物高，即使在CO2濃度低的情況下依然可以進(jìn)行光合作用，這是因?yàn)镃4 植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)和CO2飽和點(diǎn)比較低。作為高光效C4 作物，玉米CO2濃縮機(jī)制使其能利用強(qiáng)光實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。提高種植密度雖能增加玉米的產(chǎn)量，但易造成葉片相互遮蔽，影響葉片對(duì)光能的吸收，繼而影響玉米產(chǎn)量?？焖贉y(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以準(zhǔn)確快速地探測(cè)植株光能轉(zhuǎn)化利用效率，本研究欲以葉綠素?zé)晒鈪?shù)為工具，篩選玉米密植條件下高光能利用率種質(zhì)，探究相關(guān)基因資源培育育種新材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1998 年開始，世界玉米總產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)稻谷和小麥，居世界首位[1]。一直以來(lái)，如何提高玉米的產(chǎn)量是廣大科研工作者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資開展玉米基因組學(xué)研究，這對(duì)玉米的遺傳改良和產(chǎn)量提高具有重要和深遠(yuǎn)意義。

光合作用是綠色植物吸收光能，同化二氧化碳和水，制造有機(jī)物質(zhì)并釋放氧氣的過(guò)程。長(zhǎng)期以來(lái)，通過(guò)常規(guī)育種手段或轉(zhuǎn)基因方法提高光合作用、實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)，一直是光合作用研究和作物遺傳育種等領(lǐng)域?qū)＜谊P(guān)注的熱點(diǎn)[2]。因此，明確光合作用與產(chǎn)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)光合作用系統(tǒng)的控制基因，不僅能揭示光合器官高效吸能、傳能和轉(zhuǎn)能過(guò)程的機(jī)理，還能為大幅度提高農(nóng)作物光能利用率、進(jìn)而提高產(chǎn)量提供理論依據(jù)。光合作用是決定玉米產(chǎn)量的一個(gè)重要因素。依靠分子標(biāo)記技術(shù)和常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合，對(duì)玉米光合功能相關(guān)性狀進(jìn)行QTL 定位研究是進(jìn)一步提高玉米產(chǎn)量的前提。

光合作用是光合器官將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程。光合器官天線色素分子吸收的光能主要用于反應(yīng)中心的光化學(xué)反應(yīng)，剩余的能量則以葉綠素?zé)晒?、熱耗散等方式耗散掉，三者之間存在此消彼長(zhǎng)的相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。因此，葉綠素?zé)晒獾淖兓梢苑从吵龉夂献饔玫淖兓?。植物發(fā)出的熒光強(qiáng)度隨時(shí)間變化而變化，從暗適應(yīng)到暴露在光下，熒光強(qiáng)度先快速上升，然后漸漸下降。熒光隨時(shí)間變化的曲線稱為葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線。在曲線上升階段，熒光由最小熒光FO，相繼經(jīng)過(guò)兩個(gè)拐點(diǎn)FJ 和FI，最后達(dá)到最高峰FP。該階段稱作OJIP 曲線（如圖1 所示），主要反映光系統(tǒng)II（PSII）原初光化學(xué)反應(yīng)及光合器官結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的變化[3]。PSII 的功能會(huì)因植物自身或外界環(huán)境的變化而改變，例如，植物本身的生理衰老、逆境脅迫、缺素、高低溫、鹽害以及干旱等條件都會(huì)影響PSII 的功能。當(dāng)外界環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，葉綠素?zé)晒饪梢栽谝欢ǔ潭壬戏从抄h(huán)境因子對(duì)植物生長(zhǎng)變化的影響。通過(guò)分析在不同環(huán)境下植物葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的變化，可以探究植物內(nèi)部和外界環(huán)境因子對(duì)PSII 功能的影響以及光合機(jī)構(gòu)對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制。

圖1 用連續(xù)激發(fā)式熒光儀測(cè)定的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線

1 材料和方法

葉綠素?zé)晒鈪?shù)差異的分析選用玉米自交系自然群體材料。試驗(yàn)材料2019 年7 月播種于小紀(jì)試驗(yàn)田中，行長(zhǎng)5 m，行距60 cm，株距25 cm，每行15 株，兩個(gè)重復(fù)（E1）。2020 年4 月再將相同種子播種于灣頭試驗(yàn)田中，行長(zhǎng)4.5 cm，小行行距30 cm，大行行距90 cm，株距25 cm，每行20 株，兩個(gè)重復(fù)（E2）。田間管理同一般大田，開花期任其自由授粉。

1.1 性狀測(cè)定

OJIP 參數(shù)采用植物效率分析儀（Handy PEA，Hansatech Instruments，UK）測(cè)定。在玉米灌漿期，每份材料選取6 株典型植株測(cè)定，每株測(cè)定1 次，測(cè)定的植株葉片為穗位葉的中間部分，室溫25 ℃下進(jìn)行，早晨太陽(yáng)升起前從植株上取下葉片，用濕沙布包裹置于黑暗中30 min 以上，使其充分暗適應(yīng)，測(cè)定時(shí)用作用光（3 000 μmol·m-2·s-1）照射經(jīng)暗適應(yīng)的葉片1 s，記錄下OJIP 曲線。根據(jù)曲線上若干特征信號(hào)點(diǎn)，可以構(gòu)造出多種葉綠素?zé)晒鈪?shù)。選取OJIP 曲線上5 個(gè)特征信號(hào)點(diǎn)，計(jì)算出OJIP 參數(shù)TRo/ABS、ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo、RC/CSo 和PIcs（見表1）。以上參數(shù)可以用來(lái)分析光合機(jī)構(gòu)的比活性，即活躍的單位反應(yīng)中心（RC）和葉片單位面積（CS） 的 量 子 效 率（ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo、RC/CSo），以及單位面積反應(yīng)中心的數(shù)量（RC/CSo），以單位面積為基礎(chǔ)的性能指數(shù)（PIcs）。比活性可以準(zhǔn)確地反映光合機(jī)構(gòu)對(duì)光能吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化和耗散的情況。其中PIcs 是性能指標(biāo)，對(duì)各種條件的變化反映更敏感，能綜合的反應(yīng)光合機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，通常作為篩選優(yōu)良種質(zhì)的首要參考指標(biāo)。

表1 葉綠素?zé)晒鈪?shù)說(shuō)明

1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 軟件, 并用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 16.0 的相應(yīng)程序完成對(duì)OJIP 參數(shù)的表型數(shù)據(jù)進(jìn)行等性狀的方差分析、相關(guān)分析、描述統(tǒng)計(jì)和遺傳力估計(jì)。

2 結(jié)果與分析

用SPSS16.0 完成對(duì)自交系組成的自然群體的葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（結(jié)果見表2），從表2可以看出各參數(shù)的基因型方差均達(dá)到極顯著水平，基因型對(duì)玉米各熒光參數(shù)的影響是極顯著的。兩個(gè)環(huán)境中熒光參數(shù)PIcs 的變異范圍最大。兩個(gè)環(huán)境間各參數(shù)的廣義遺傳力（Hb2）在52.74%～79.17%，兩個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)聯(lián)合方差分析的遺傳力在58.55%～77.06%。各參數(shù)的基因型方差（σ2g）、基因型與環(huán)境互作方差（σ2ge）均達(dá)到極顯著水平，說(shuō)明玉米葉綠素?zé)晒鈪?shù)受基因型控制，但基因型與環(huán)境之間同樣存在顯著地互作效應(yīng)。

表2 玉米葉綠素?zé)晒鈪?shù)的統(tǒng)計(jì)分析及遺傳力估計(jì)

3 結(jié) 語(yǔ)

植物生長(zhǎng)依靠光合作用。光合色素元素和葉綠素?zé)晒鈪?shù)是植物葉片中非常重要的性狀，它們決定著葉片內(nèi)部光合作用器官元件的健康及完整性，決定了葉片能否順利的進(jìn)行光合作用。因此，葉綠素?zé)晒獾奶卣髂軌蚺袛嘀参矬w光合作用的效率，能決定農(nóng)作物的生產(chǎn)率和產(chǎn)量。對(duì)于玉米作物來(lái)講，光合作用的提高是增加玉米產(chǎn)量的決定因素之一。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)玉米光合作用的研究還停留在生理水平階段，傳統(tǒng)的雜交育種至今未能改善玉米的光能利用率；而利用快速葉綠素?zé)晒夥治鰞x在玉米灌漿期測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，能初步篩選出高光合性能的玉米種質(zhì)材料，這些高光合性能的種質(zhì)，可用作高光合分子育種的親本材料，為下一步的育種工作奠定基礎(chǔ)。