小麥遠源雜交種光合性狀的雜種優(yōu)勢分析

趙小光，翟周平，尚 毅，柴 靚，趙鵬濤

（1.陜西省雜交油菜研究中心，陜西 楊凌 712100；2 四川省農業(yè)科學院 作物研究所，四川 成都 610066）

0 引言

遠緣雜交是指在生物分類中種以上物種間進行的雜交，包括同屬生物的種間雜交、不同屬生物的屬間雜交以及更高分類單位之間的物種雜交，如亞族間雜交、族間雜交等，是實現基因在不同物種之間遠緣轉移的一條重要途徑［1-3］。遠緣雜交可以打破生物界種屬間存在的生殖隔離現象，使不同物種各自具有的優(yōu)良基因進行聚合，從而形成新的農藝、品質和產量性狀，同時具有對病蟲害和旱、澇等自然災害更強的抵抗能力［4］。在育種過程中，種質資源是進行種質創(chuàng)新和品種選育的前提，而野生種和近緣種是改良農作物性狀的重要基因來源,也是培育優(yōu)質、高產、抗病、抗逆新品種的物質基礎［5］，遠緣雜交則是實現這一目標的有效途徑。

近年來，隨著農業(yè)科學技術的發(fā)展，化學殺雄［6］、輻射誘變［7］、小孢子培養(yǎng)［8］、轉基因工程［9-10］等新技術極大地加快了育種進程，農戶種植了多年的農家種因為產量較低而被淘汰，逐漸被遺傳改良的高產優(yōu)質品種所替代。然而，現代育種技術也存在一定的缺陷，盡管作物的產量和品質得到了提高，但是卻造成了主流品種的相似化，降低了遺傳多樣性。目前，國內種植的小麥主要為六倍體普通小麥，而四倍體和八倍體小麥在科研領域應用較多，尚未大面積推廣。在普通小麥的育種過程中，首先選擇優(yōu)質的親本資源開展選育工作，由于優(yōu)質親本資源數量較少,導致育成的小麥品種雖然數量較多，但是遺傳距離較近，從而降低了小麥的遺傳多樣性，使其遺傳基礎日益狹窄［11］。同時，由于在種質資源創(chuàng)新時過多地使用現代育種技術，減少了野外自然選擇的壓力，品種表現出綜合性狀退化、抗逆性減弱以及對突發(fā)的病蟲害和極端天氣的抵御能力降低［12］等缺陷，制約了小麥育種進一步的發(fā)展。因此，利用小麥近緣屬種來增加自然遺傳變異對于提高現代栽培小麥的遺傳多樣性和進一步開展小麥高產、抗病、優(yōu)質育種具有重要意義［13-14］。

光合作用是植物進行生命活動和物質積累的能量來源，光合效率的高低與作物最終產量密切相關［15］。光合遺傳研究是利用作物光合特性進行雜種優(yōu)勢評價的一種新方法，是作物遺傳育種研究中的一個新領域［16］，利用光合雜種優(yōu)勢進行高光效育種已經在水稻、大豆、玉米等作物生產上取得了成功。近年來，小麥雜種優(yōu)勢的利用主要集中于常規(guī)育種上，如品質改良、產量提升等，而對于小麥光合特性雜種優(yōu)勢的研究較少［17］。目前，國內外對小麥不同進化材料之間的光合性能進行了較多的報道，探討了不同材料光合性能差異的機制［18-20］，但與小麥高光效育種結合的較少。本研究利用四倍體小麥和六倍體小麥進行遠緣雜交，分別測定親本和F1代雜交種的旗葉光合氣體交換參數、葉綠素濃度、葉面積指數、綠葉面積等光合相關性狀，測定光合速率在不同光照強度和CO2濃度下的響應曲線以及光合日變化，通過遠緣雜交種的光合性狀雜種優(yōu)勢分析，對小麥的光合特性有較全面的了解，以期為充分利用小麥近緣種、擴大普通小麥的遺傳基礎、進行高光效遺傳改良和改善栽培措施等提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料四倍體小麥波引小麥和六倍體小麥陜墾224均由陜西省雜交油菜研究中心小麥研究室提供。2020年4月在大田進行小麥遠緣雜交試驗，以六倍體小麥作為母本，四倍體小麥作為父本進行雜交，收獲種子后于2020年10月播種，2021年4月測定光合性狀。試驗在陜西省楊凌示范區(qū)小麥試驗田進行，田間試驗采用隨機區(qū)組設計,每小區(qū)5行,行長2.00 m，行距0.25 m，試驗重復3次，所有田間管理措施均采用當地常規(guī)管理方法。

1.2 試驗方法

在小麥灌漿期，用Li-6400光合儀測定親本及雜交種的旗葉光合氣體交換參數，選用紅藍光源，光照設為1200 μmol/(m2·s)；溫度設為28 ℃，測定時間為上午8：00~12：00，每種材料測定10個單株。測定指標包括：凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率，水分利用效率（WUE）按照WUE=凈光合速率/蒸騰速率［21］進行計算，對于旗葉不能充滿葉室的葉片，需要測量葉面積后用光合儀重新計算參數。

在小麥灌漿期，用葉綠素測定儀SPAD502測定3種小麥材料的旗葉葉綠素含量，每種材料測定10個單株，在每個葉片上均勻選取8個點進行測定，取平均數值進行記錄；用Li-3000C葉面積儀測定3種小麥材料的旗葉面積和總葉面積，每種材料測定10株；用LAI-2200冠層分析儀在每種材料的種植小區(qū)測定葉面積指數；灌漿后期，每種材料選取10個單株，烘干后稱重，即為干物質積累量，試驗重復3次。

在小麥灌漿期，用Li-6400光合儀測定3種小麥材料旗葉的光響應曲線，選用紅藍光源，葉室溫度設為28 ℃，葉室CO2濃度控制為400 μmol/mL，夾住旗葉后在1200 μmol/(m2·s)光照下適應15 min后，采用自動光曲線程序進行測定，然后計算光飽和點、光補償點、光量子效率等［22］，每種材料測定5個單株；測定CO2響應曲線時，葉室溫度設為28 ℃，光照設為1200 μmol/(m2·s)，夾住旗葉后在1000 μmol/mL CO2濃度下適應15 min后采用自動CO2曲線測定程序進行測定，然后計算CO2飽和點、羧化效率、CO2補償點等［23］，每種材料測定5個單株。在晴朗的天氣條件下用Li-6400光合儀測定光合日變化，選用透明葉室，空氣流速設為500 mol/s，從上午8：00開始測定，直到18：00結束，每小時測定1次。

1.3 數據處理

光合作用雜種優(yōu)勢的計算公式為：中親優(yōu)勢(%)=(雜交種光合指標值-雙親光合指標均值)/雙親光合指標均值×100%［24］；超親優(yōu)勢(%)=(雜交種光合指標值-高親本光合指標值)/高親本光合指標值×100%［25］。測定數據利用Excel 2003軟件進行整理，用SPSS 11.9統(tǒng)計軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 光合氣體交換參數的雜種優(yōu)勢分析

從表1可以看出，小麥雜交種的氣孔導度和水分利用效率均顯著高于2個親本，雜交種的凈光合速率處于2個親本之間，雜交種的蒸騰速率高于父本，與母本無顯著差異，而胞間CO2濃度則表現為雜交種低于母本，與父本無顯著差異。通過分析可以得出，小麥雜交種的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、胞間CO2濃度、水分利用效率的中親優(yōu)勢分別為1.62%、29.55%、17.66%、-3.62%、3.00%，超親優(yōu)勢分別為-3.38%、26.67%、3.07%、-7.27%、2.88%。遠緣雜交種凈光合速率的中親優(yōu)勢較弱，超親優(yōu)勢表現為負向雜種優(yōu)勢，而氣孔導度、蒸騰速率和水分利用效率均表現為正向雜種優(yōu)勢。因為胞間CO2濃度越低，表明葉肉細胞里被同化的CO2越多，光合效率越高，所以雜交種的胞間CO2濃度具有負向雜種優(yōu)勢，也是光合能力提升的表現。因此，通過遠緣雜交提高了小麥后代的光合作用，其中氣孔導度提升效果最為顯著，凈光合速率的改變最小。

表1 小麥遠緣雜交種和親本的光合氣體交換參數

2.2 光合相關性狀的雜種優(yōu)勢分析

從表2可以看出，小麥雜交種的旗葉面積、總葉面積、葉面積指數和干物質積累量均顯著高于2個親本，而葉綠素含量則高于母本，低于父本。通過分析可以得出，小麥雜交種葉綠素含量、旗葉面積、總葉面積、葉面積指數和干物質積累量的中親優(yōu)勢分別為-1.95%、64.40%、80.05%、13.28%、33.14%，超親優(yōu)勢分別為-8.21%、62.17%、65.63%、8.92%、16.62%。除葉綠素含量外，雜交種的其余4個光合相關性狀的雜種優(yōu)勢均表現為正向優(yōu)勢，旗葉面積和總葉面積的雜種優(yōu)勢最為顯著，中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢均超過了50%。總葉面積是決定作物接受光照量的決定因素，所以葉面積指標具有正向雜種優(yōu)勢，這也表明了小麥雜交種的光合相關性狀得到了提升。

表2 小麥遠緣雜交種和親本的光合相關性狀

2.3 不同光照強度影響下的雜種優(yōu)勢分析

由表3可知，3種小麥材料在光響應曲線下的光量子效率、最大凈光合速率和平均凈光合速率變化一致，均表現為母本>父本>雜交種，說明母本六倍體小麥具有較高的光能轉化和利用效率，可以將接收到的外界光照較多地轉化為化學能貯存起來。遠緣雜交種的光量子效率、最大凈光合速率和平均凈光合速率的中親優(yōu)勢分別為-16.87%、-15.84%、-13.80%，超親優(yōu)勢為分別-18.05%、-20.89%、-19.86%，雜種優(yōu)勢均為負向優(yōu)勢，表明小麥遠緣雜交種的光能轉化和利用效率均低于親本。小麥雜交種的暗呼吸速率、光補償點、光飽和點均顯著高于2個親本，中親優(yōu)勢分別為9.96%、25.06%、8.80%，超親優(yōu)勢為分別5.34%、24.87%、3.98%。雜交種的暗呼吸速率雜種優(yōu)勢為正，表明在進行光合作用時，通過光呼吸途徑消耗的能量比親本高。小麥雜交種的光飽和點雜種優(yōu)勢為正，表明雜交種相比親本材料，可以在中午高光照強度條件下進行正常的光合作用，對光照強度的適應范圍擴大，受光的抑制作用較小。

表3 小麥遠緣雜交種和親本的光響應參數

2.4 不同CO2濃度影響下的雜種優(yōu)勢分析

從表4可以看出，3種小麥材料在CO2響應曲線下的羧化效率、最大凈光合速率和平均凈光合速率變化一致，均表現為雜交種＞母本＞父本，遠緣雜交種的羧化效率、最大凈光合速率和平均凈光合速率的中親優(yōu)勢分別為32.73%、42.67%、50.26%，超親優(yōu)勢為分別20.51%、26.56%、17.78%，雜種優(yōu)勢均為正向優(yōu)勢，且優(yōu)勢顯著，表明遠緣雜交種CO2的利用和轉化效率較親本有了較大的提高。小麥雜交種的CO2補償點低于2個親本，中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢分別為-16.47%和-16.88%。雜交種的CO2飽和點低于母本，高于父本，中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢分別為-5.33%和-14.61%。由于3種小麥材料的CO2飽和點均遠高于外界的大氣CO2濃度，所以CO2飽和點雜種優(yōu)勢為負對小麥的光合作用不產生影響，而雜交種相比親本具有低CO2補償點，表明遠緣雜交后對CO2的抗逆性較強，在較低CO2濃度下仍可以進行光合作用，具有較高的光合潛力。

表4 小麥遠緣雜交種和親本的CO2響應參數

2.5 光合日變化的雜種優(yōu)勢分析

作物的凈光合速率代表某一個時間點的瞬時光合效率，在1日內處于一個動態(tài)的變化過程中，而光合日變化能綜合反映出植物自身的光合能力和隨環(huán)境因素的變化趨勢。從圖1可以看出，小麥雜交種凈光合速率的中親優(yōu)勢的在1日內的變化波動較大，最低值為0.60%，最高值為15.89%，平均值為5.11%。超親優(yōu)勢變化較為平緩，在1日內均表現為負向雜種優(yōu)勢，變化范圍為-8.67%～-1.17%,平均值為-4.84%?？梢钥闯?，雜種優(yōu)勢分別在上午和下午光合作用最佳時期比較低，而在中午“光合午休”時期則表現最高。通過遠緣雜交，小麥后代的凈光合速率盡管提升不是很明顯，但是明顯降低了“光合午休”的作用，使雜交種在1日內的光合作用一直處于一個較活躍的狀態(tài)。

圖1 小麥遠緣雜交種凈光合光速的雜種優(yōu)勢日變化

3 討論

遠緣雜交是形成一種新物種的有效手段,已經在育種上得到了廣泛的應用，拓寬了種質資源的基因庫，增加了遺傳多樣性，形成了豐富的種質資源和新品種［26-28］。在小麥的進化上，六倍體普通小麥來源于二倍體小麥和四倍體小麥的遠緣雜交，目前是世界上種植面積最大的小麥類型。同時，通過遠緣雜交還可以將小麥野生種的優(yōu)良基因導入栽培小麥中,如抗蚜蟲、抗條銹病、抗白粉病等抗病基因和不育系的恢復基因，以及耐寒、耐旱等基因［29］。這些異源多倍體基因的導入加速了小麥新資源的形成，在小麥育種中得到了廣泛應用。本研究通過遠緣雜交種光合性狀的雜種優(yōu)勢分析可以看出，光合氣體交換參數中，凈光合速率的雜種優(yōu)勢較弱，僅中親優(yōu)勢為1.62%，而其余4個參數的雜種優(yōu)勢都比較強，中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢變化一致，整體上看雜交種后代的光合效率較親本有所提高。葉片指標中，旗葉面積、總葉面積、葉面積指數和干物質積累量均表現出顯著的正向雜種優(yōu)勢，從而保證了雜交種可以在相同時間里獲得足夠多的光照，為進行光合作用提供能量來源。然而葉綠素含量具有負向雜種優(yōu)勢，主要與雜交種的營養(yǎng)體和葉面積變大有關，這也是凈光合速率雜種優(yōu)勢較弱的一個原因。通過分析可知，遠緣雜交后，小麥后代的光合作用得到了提升，但是需要在后續(xù)的選育中加強對葉片葉綠率含量的篩選，從而提高葉片的凈光合速率，進一步改良小麥的光合能力。

植物的光合作用是一個復雜的生理生化反應，小麥的光合能力既受自身遺傳因素的影響，在很大程度上還受外界環(huán)境中光照強度、CO2濃度、溫度和濕度等因素的影響［20］。通過光響應參數雜種優(yōu)勢分析可以看出，雖然遠緣雜交種的凈光合速率雜種優(yōu)勢為負向優(yōu)勢，但是對光照強度的適應范圍擴大，可以在正午高光照強度下進行光合作用，受光的抑制作用減小，提高了它對光的抗逆性。通過CO2參數雜種優(yōu)勢分析可以看出，遠緣雜交種不僅CO2的利用效率較親本有所提高，同時對CO2的抗逆性增強，在低CO2濃度下其光合作用不受抑制，具有較高的光合潛力。小麥為典型的C3植物，在中午具有“光合午休”現象，“光合午休”的存在明顯抑制了小麥1日內光合作用的進行和產物的積累［30］，通過雜種優(yōu)勢的光合日變化分析可以看出，遠緣雜交種的“光合午休”現象有所減弱，可以使小麥在1日內維持較長的正常光合作用。所以通過遠緣雜交，提高了小麥后代光合作用對環(huán)境因子的抗逆性，對環(huán)境的適應性增強，使影響小麥光合特性的內因和外因均得到了改良。

4 結論

本研究對遠緣雜交種和2個親本的光合氣體交換參數、葉綠素濃度、葉面積等光合性狀和不同光照強度、不同CO2濃度、1日內不同時間凈光合速率進行了比較，并分析各性狀的雜種優(yōu)勢。雜交種的凈光合速率雜種優(yōu)勢較弱，氣孔導度、蒸騰速率和水分利用效率表現為正向雜種優(yōu)勢；葉綠素濃度表現為負向雜種優(yōu)勢，而旗葉面積、總葉面積、葉面積指數、干物質積累量均表現為正向雜種優(yōu)勢；光量子效率為負向雜種優(yōu)勢，暗呼吸速率、光補償點、光飽和點表現為正向雜種優(yōu)勢；羧化效率為正向雜種優(yōu)勢，而CO2補償點和CO2飽和點為負向雜種優(yōu)勢；凈光合速率的中親優(yōu)勢在1日內均表現為正向雜種優(yōu)勢，而超親優(yōu)勢在1日內均表現為負向雜種優(yōu)勢。所以通過遠緣雜交，主要提高了后代光合作用的抗逆性，在小麥的高光效育種中，可以通過遠緣雜交技術來提高種質資源對環(huán)境的適應性，提高光能利用率，選育高光效種質資源，再結合傳統(tǒng)的選育手段，提高小麥的抗逆性和產量。