小麥育種中弱光和紅光利用改良的探索

王玉泉，楊紫君，趙麗敏，馮素偉，丁位華，金立橋，李淦，王昱潔，茹振鋼

(1.河南科技學院 河南省雜交小麥重點實驗室;生命科技學院，河南 新鄉(xiāng) 453003;2.沈丘縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南 沈丘 466300)

光合作用是作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)，提高光合利用率是提高小麥產(chǎn)量的有效途徑.自20世紀60年代以來，高光效育種一直是生理學家和育種家關(guān)注的焦點[1-2]，其核心是提高光能利用效率[3].光照強度顯著影響光合速率[4]，不同作物及同一作物不同品種間光合效率存在差異，為高光效育種資源篩選提供了可能[5].小麥從播種到收獲的整個生長發(fā)育過程易受弱光影響，如灌漿期光照強度下降，旗葉光合速率顯著降低，光合物質(zhì)積累和運轉(zhuǎn)受到嚴重抑制[6]，導致小麥產(chǎn)量下降，品質(zhì)降低[7-10].植物光合作用不僅受光照強度的制約，而且受光質(zhì)及其比例的影響[11-14].植物光合作用僅能利用紅光和藍紫光，葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，其含量顯著受不同光質(zhì)影響.近年來研究發(fā)現(xiàn)，紅藍組合光更有利于植物生長，增加紅光比例更有利于凈光合速率的提升，而增加藍光則光合速率下降[15-17].因此在小麥育種中，提高小麥弱光和紅光利用能力是高光效育種的核心內(nèi)容.

提高作物的光合效率被認為是大幅度提高單產(chǎn)的有效途徑.在對小麥的研究中，光照強度及不同光質(zhì)與光合作用的關(guān)系已被廣泛報道[18-21].弱光光照時間占據(jù)小麥全生育期2/3以上，對小麥生物量及產(chǎn)量形成發(fā)揮關(guān)鍵作用，而弱光在小麥育種中的應(yīng)用進展較慢.本研究立足新鄉(xiāng)地區(qū)小麥生長發(fā)育關(guān)鍵時期的光照強度及可見光光質(zhì)組成，在小麥育種中對弱光和紅光的利用進行了探討，以期為小麥高光效育種提供思路.

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究所用試驗材料為百農(nóng)160、百農(nóng)4199、百農(nóng)AK58、周麥18、高光3709、寶豐7228、矮早781，其中百農(nóng)160、百農(nóng)AK58和高光3709為百農(nóng)4199的親本，周麥18為河南和國家試驗對照，百農(nóng)4199、百農(nóng)AK58、寶豐7228和矮早781均為河南省推廣面積較大的品種，也是不同時期的代表性品種，百農(nóng)160和高光3709為百農(nóng)4199親本.所有材料均由河南科技學院小麥中心提供.供試材料于2019年和2020年種植在河南科技學院朗公廟試驗基地，每個品種種植4行，行長4 m，每行60粒，正常大田管理.

1.2 光照測定

可見光照強度及光質(zhì)測定采用手持式光譜分析儀(臺灣海博特股份有限公司,HR-350)進行測定.2021年選取小麥越冬期和灌漿期天氣晴朗日期進行可見光光照強度測定，光質(zhì)波長范圍內(nèi)總光量子數(shù)之和為光照強度，測定地點為新鄉(xiāng)(113°55′E，35°18′N).

1.3 光合速率測定

采用便攜式光合儀(美國,Li-6400)測定小麥光合速率，紅光和藍光處理采用LED光源(瑞士，Heliospectra RX30).2019年和2020年分別選取小麥灌漿初期和灌漿中期進行紅光和藍光光質(zhì)處理并測定光合速率.光質(zhì)處理在大田進行，為避免可見光干擾，將待測材料覆蓋1 h后開啟紅光，分別在處理1 h和2 h后選取高度相近的旗葉測定其光合速率，之后將測定葉片取下放入液氮，分析其葉綠素含量變化，藍光處理與紅光處理相同，每個品種5次重復.

1.4 葉綠素含量、葉片顏色測定與數(shù)據(jù)處理

葉綠素提取采用丙酮浸提法，之后利用分光光度計測定663 nm，645 nm該波長下葉綠素溶液的吸光度，葉綠素含量計算參照文獻[18].采用分光測色儀(杭州彩譜科技有限公司，CS-582A)在2020年灌漿初期進行葉片顏色測定，每個品種5次重復.數(shù)據(jù)差異性顯著分析采用 SPSS 21.

2 試驗結(jié)果

2.1 小麥不同生育期可見光光質(zhì)強度變化

小麥越冬期和灌漿期可見光光照強度測定發(fā)現(xiàn)，越冬期光照強度為9 696 μmol·m2·s-1，灌漿期為19 195 μmol·m2·s-1，越冬期光照強度顯著低于灌漿期.越冬期和灌漿期可見光7種光質(zhì)中，紅光光照強度最高，紫光最弱(圖1).

越冬期和灌漿期紅光在不同光質(zhì)中比例最高，紫光最低，紅光比例最高且上午(7:00-9:00)和下午(17:00-19:00)比例增加.紅光越冬期變化幅度為46.8%～67.3%，大于越冬期變化幅度(42.2%～52.9%)見圖2.

可見光不同光質(zhì)日變化表明，紅光比例最大且不同光質(zhì)強度均在中午1點達到頂峰(圖3).因此，可見光7種光質(zhì)中，紅光最強，所占比例最大，且早上和晚上比例稍增加.

2.2 不同品種葉片顏色分析

葉片顏色測定結(jié)果表明，5個品種中，百農(nóng)160顏色最深，測定值為-9.28，其次為百農(nóng)4199，測定值為-9.62，寶豐7228顏色最淺，為-10.76(表1).不同品種葉片顏色差異性分析表明百農(nóng)160和百農(nóng)4199與周麥18、寶豐、矮早781間差異達極顯著水平，而百農(nóng)160和百農(nóng)4199間差異不顯著.

表1 不同品種越冬期葉片顏色

2.3 紅光和藍光處理下的光合速率

不同光質(zhì)處理下的下光合速率測定結(jié)果表明，無論灌漿初期還是中期，不同光質(zhì)處理下，品種間光合效率測定存在差異.綜合來看，紅光下的光合效率高于藍光下的光合效率，不同品種間，紅光處理下百農(nóng)4199灌漿初期和灌漿中期的光合效率均顯著高于矮早781和寶豐7228(表2).藍光處理1 h和2 h時，百農(nóng)4199的光合效率均高于矮早781和寶豐7228，但差異不顯著.灌漿期百農(nóng)4199旗葉顏色顯著較781和寶豐7228濃綠，差異極顯著(表3).

表2 紅光和藍光處理下不同品種的光合效率

表3 不同品種灌漿期旗葉顏色

2.4 不同光質(zhì)處理的葉綠素a與葉綠素b的比值變化

在進行紅光和藍光處理時，同時分析了旗葉葉綠素a與葉綠素b的比值變化，結(jié)果表明灌漿初期紅光處理1 h和2 h時，百農(nóng)4199旗葉葉綠素a與葉綠素b的比值分別為2019年為1.64和1.79，2020為1.37和1.38，兩年均顯著低于矮早 781(2019年為1.83和1.85，2020年為1.61和1.71)和寶豐7228(2019年為1.88和1.87，2020年為1.69和1.73)(表4).藍光處理1 h和2 h時，百農(nóng)4199旗葉葉綠素a與葉綠素b的比值均低于矮早781和寶豐728，但差異不顯著.

表4 紅光和藍光處理下不同品種的葉綠素a與葉綠素b的比值

3 討 論

光照強度影響植物光合效率.弱光光照時間占據(jù)小麥全生育期2/3以上，是影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因子[7-8].不同生育時期光照強度分析顯示越冬期光照強度顯著弱于灌漿期(圖1，圖2).苗期光照弱，小苗弱光利用能力差導致苗小、苗弱、生物量小，不利于后期發(fā)育及產(chǎn)量的提高，因此提高小麥苗期的弱光利用能力是弱光遺傳改良的重要內(nèi)容.小麥品種矮抗58、周麥18、百農(nóng)207、百農(nóng)4199、周麥22、周麥16、中麥895等均為河南省推廣面積比較大的品種，對這些品種苗期特性的分析表明50%以上的品種葉色較深，冬前生物量較大，推測大品種的弱光利用能力較強，積累了較多的光合產(chǎn)物，有助于安全越冬，表明提升小麥苗期的耐弱光能力已經(jīng)成為育種家的共識[22].7種光質(zhì)比例日變化表明不論是在小麥越冬期還是灌漿期，紅光在可見光中比例均最大，且早上和下午比例上升.3個品種在紅光和藍光處理1 h和2 h的光合效率檢測結(jié)果表明，紅光的光合效率高于藍光.因此，改良小麥品種耐弱光能力，提升紅光利用效率是小麥高光合育種的重要方向之一.

葉色深反映了植物耐弱光能力強[23].本研究使用的5個材料中，百農(nóng)160和百農(nóng)4199葉片顏色最深，與另外3個品種差異極顯著，表明百農(nóng)4199繼承了百農(nóng)160葉片顏色的遺傳特征(表2).已有研究表明百農(nóng)160和百農(nóng)4199不同發(fā)育時期光合效顯著高于百農(nóng)AK58，光合效率日變化也表明早上和下午百農(nóng)160和百農(nóng)4199光合效率顯著高于其他品種[24].紅光和藍光光質(zhì)處理不同時間的光合效率測定表明，灌漿初期百農(nóng)4199紅光處理下的光合效率顯著高于矮早781和寶豐7228(表4)，而其顏色顯著比矮早781和寶豐7228濃綠(表3)，表明光合效率與旗葉顏色深淺具有一致性.葉綠素b是捕光天線復合體(light-harvesting complex,LHC)的重要組成部分，研究發(fā)現(xiàn)，當植物生長在弱光下時，葉綠素b的合成加快，天線大小也隨之增大[25-26]，弱光下，葉綠素b含量升高且其比值降低是植物利用弱光能力強的判斷指標.百農(nóng)4199紅光處理的葉綠素a與葉綠素b的比值顯著低于矮早781和寶豐7228，而其光合效率顯著高于矮早781和寶豐7228，表明百農(nóng)4199耐弱光的能力較強，此可能與其旗葉顏色較深有關(guān).

綜上，依據(jù)新鄉(xiāng)本地光照特點及不同光質(zhì)的光合效率差異，以提高小麥耐弱光和耐強光能力為重點，將葉片顏色和葉綠素a與葉綠素b的比值作為高光效育種的選擇依據(jù)，培育了高光效小麥新品種百農(nóng)4199.研究結(jié)果顯示，百農(nóng)4199光補償點低，飽和點高，不同發(fā)育時期光合效率顯著高于對照品種周麥18和矮抗58，產(chǎn)量較周麥18增產(chǎn)6.2%，且灌漿速率快，籽粒品質(zhì)超國家1級麥標準，表明百農(nóng)4199弱光利用能力和紅光的光合效率獲得較大的提升，為小麥高光效育種提供了新的思路[24].在育種實踐中，通過百農(nóng)4199弱光和紅光利用能力的探索，將葉片顏色深，葉綠素a與葉綠素b的比值作為高光效選擇的依據(jù)亦是可行的，為育種家提供了簡單有效的田間選擇依據(jù).