高粱葉片光合生理指標(biāo)比較研究

譚燕　李延玲　康晨　孫守鈞　羅峰

摘要：文章選擇不同類型的11份高粱品種（系、組合）作為供試材料，測(cè)定高粱開花期、乳熟期、蠟熟期和完熟期4個(gè)生育時(shí)期的旗葉以下7片葉的光合生理指標(biāo)，分析其與穗質(zhì)量的關(guān)系。結(jié)果表明，氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量相關(guān)程度最高，且氣孔導(dǎo)度與凈光合速率的相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，乳熟期為高粱光合速率測(cè)定的最佳生育時(shí)期，乳熟期旗葉以下第2片葉的氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量的相關(guān)最為密切，由此確定旗葉以下第2片葉為光合速率測(cè)定的最佳葉位葉片，建立了單葉氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量的回歸模型。

關(guān)鍵詞：高粱；株型性狀；葉片；光合生理指標(biāo)

中圖分類號(hào)：S514文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

光合作用是作物生長(zhǎng)過程中最重要的活動(dòng)，光合效率的高低對(duì)作物的產(chǎn)量有直接影響。董樹亭等[1]通過相關(guān)研究證明作物生物學(xué)產(chǎn)量有90%～95%以上來(lái)自光合作用；李少昆等[2]研究證明了光合速率與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系；董彩霞等[3]對(duì)小麥苗期光合速率與籽粒產(chǎn)量關(guān)系進(jìn)行了研究，指出光合速率與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。研究表明，光合作用是高粱產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，高粱葉片的光合作用對(duì)產(chǎn)量形成有重要的作用[4]。相關(guān)研究表明，作物光能利用率很低，一般只有0.1%～2%，在一些高產(chǎn)作物和高產(chǎn)田條件下，光能利用率也只有3%左右，而理想的光能利用率為3%～5%[5]。目前，我國(guó)在農(nóng)作物高光效育種研究中，已經(jīng)在小麥等作物上取得了良好的效果，培育出多種高光效的作物品種，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量和光合效率的共同提高[6]。

高粱作為C4植物，光合效率較高，對(duì)高粱進(jìn)行高光效育種有兩個(gè)方面：一是株型育種，選育理想株型，提高群體光合效率。通過栽培措施改善群體結(jié)構(gòu)，提高葉片對(duì)光能的捕獲能力[7]。作物的受光形態(tài)與光能利用率關(guān)系密切，合理的株型可有效增加光合作用面積，延長(zhǎng)光合作用時(shí)間，從而提高作物的光合效率，也有利于光合產(chǎn)物在作物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移運(yùn)輸，最大限度地提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[8]。二是提高個(gè)體光合效率育種，即對(duì)個(gè)體光合效率相關(guān)性狀進(jìn)行遺傳改良。目前，大部分對(duì)光合作用的研究均以凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度為主要指標(biāo)進(jìn)行分析，盡管已取得顯著的成果，但研究范圍較窄，不能完整地表征作物進(jìn)行光合作用的狀態(tài)，因此本研究從生育時(shí)期、葉片位置等方面對(duì)高粱葉片的11個(gè)光合生理指標(biāo)進(jìn)行分析，為建立高粱表征植物葉片的光合作用測(cè)定體系奠定基礎(chǔ)。

1? 材料和方法

1.1? ?試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以3種不同類型的高粱為供試材料：第一類為甜高粱（植株高大，葉片寬厚，葉夾角較大），品種為“麗歐”；第二類為飼草高粱（植株較高，葉片窄長(zhǎng)，葉夾角中等），主要品種包括“07-4”“GL498”“GL503”“GL505”；第三類為粒用高粱（植株矮小，葉片寬厚上沖，葉夾角較小），包括3份高粱恢復(fù)系材料“引-20”“引-31”“引-65”（由美國(guó)普渡大學(xué)引進(jìn)）以及以它們?yōu)楦副尽⒁愿吡恍坌圆挥?14A（簡(jiǎn)寫為3A，下同）為母本配制的3個(gè)雜交組合“3A/引-20”“3A/引-31”“3A/引-65”。供試品種（系、組合）編號(hào)為：1、“3A/引-20”（3A/Y-20）；2、“3A/引-31”（3A/Y-31）；3、“3A/引-65”（3A/Y-65）；4、“引-20”（Y-20）；5、“引-31”（Y-31）；6、“引-65”（Y-65）；7、“麗歐”（Lio）；8、“07-41”；9、“GL498”；10、“GL503”；11、“GL505”。

1.2? ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016—2017年在天津市靜海區(qū)良種場(chǎng)進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤為黏質(zhì)土，輕度鹽漬化，土壤肥力均勻，前茬作物為玉米。2016—2017年均于5月15日播種，采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，各品種（系、組合）各種植3行，雜交后代種植30行，行長(zhǎng)10 m，行距0.5 m，株距0.25 m。其他管理同一般大田。

1.3? ?光合生理指標(biāo)的測(cè)定

待供試品種（系、組合）抽穗后，每個(gè)品種（系、組合）選取長(zhǎng)勢(shì)一致、無(wú)病蟲害的3株植株，掛上標(biāo)牌，分別在開花期、乳熟期、蠟熟期、完熟期4個(gè)生育時(shí)期的初始期進(jìn)行光合生理指標(biāo)的測(cè)定。測(cè)定時(shí)，同一個(gè)品種（系、組合）不同時(shí)期葉片測(cè)定的點(diǎn)位一致，測(cè)定時(shí)間相同，最多用時(shí)30 min。使用CRIAS-2便攜式光合儀，在上午9：00—11：30測(cè)定高粱從旗葉開始依次往下的7片葉（葉片編號(hào)依次為1、2、3、4、5、6、7）的光合生理指標(biāo)，主要包括：參比CO2濃度（CO2R）、參比CO2濃度落差（CO2D）、光合有效輻射（PAR）、參比空氣濕度（MBR）、參比空氣濕度落差（MBD）、葉室溫度（TC）、蒸騰速率（EVAP）、氣孔導(dǎo)度（GS）、葉片溫度（TL）、凈光合速率（PN）、細(xì)胞間CO2濃度（CI）。每片葉測(cè)量3次，取3株的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，待植株成熟后，測(cè)定穗質(zhì)量。

1.4? ?數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel2007和SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? ?高粱葉片的光合生理指標(biāo)

2016年高粱穗質(zhì)量與下列5個(gè)光合生理指標(biāo)有極顯著的相關(guān)關(guān)系（圖1），即分別與氣孔導(dǎo)度（GS）呈極顯著正相關(guān)（0.547**），與參比空氣濕度落差（MBD）呈極顯著正相關(guān)（0.518**），與蒸騰速率（EVAP）呈極顯著正相關(guān)（0.517**），與參比二氧化碳落差（CO2D）呈極顯著負(fù)相關(guān)（-0.464**），與凈光合速率（PN）呈極顯著正相關(guān)（0.457**）；2017年高粱穗質(zhì)量與氣孔導(dǎo)度（GS）相關(guān)程度最高（圖2），呈極顯著正相關(guān)（0.812**），其次為蒸騰速率（EVAP）（0.759**）、參比空氣濕度落差（MBD）（0.739**）；穗粒質(zhì)量與氣孔導(dǎo)度（GS）也具有較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.773**。綜合2016—2017年兩年間數(shù)據(jù)，氣孔導(dǎo)度和葉片的凈光合速率可作為高粱高光效育種的主要光合生理指標(biāo)。

2.2? ?不同類型高粱氣孔導(dǎo)度和凈光合速率的差異

比較

不同類型高粱之間的氣孔導(dǎo)度和凈光合速率差異顯著（圖3和圖4）。根據(jù)氣孔導(dǎo)度和凈光合速率的變化，可將11份高粱品種（系、組合）劃分為兩類，甜高粱和粒用高粱為一類（編號(hào)1、2、3、4、5、6、7），飼草高粱為一類（編號(hào)8、9、10、11）。不同類型高粱間的差異主要表現(xiàn)為粒用高粱的氣孔導(dǎo)度和凈光合速率明顯高于飼草高粱，其中氣孔導(dǎo)度最大值是粒用高粱組合“3A/引-65”，為589.61 mmol·（m2·s）-1，最小值是飼草高粱“GL505”，為198.45 mmol·（m2·s）-1。凈光合速率最大值是“3A/引-65”組合，為14.731 5 μmolCO2·（m2·s）-1，最小值是“GL505”，為4.887 8 μmolCO2·（m2·s）-1。

在2017年的試驗(yàn)中，氣孔導(dǎo)度最大值是“麗歐”，為567.68 mmol·（m2·s）-1，最小值是“GL505”，為100.92 mmol·（m2·s）-1；在凈光合速率的變化中，最大值是“引-65”恢復(fù)系，為16.20 μmolCO2·（m2·s）-1，最小值是“GL498”，為5.92 μmolCO2·（m2·s）-1。氣孔導(dǎo)度和凈光合速率這2個(gè)指標(biāo)在高粱多份材料中均表現(xiàn)一致。

2.3? ?不同類型高粱葉位氣孔導(dǎo)度和凈光合速率的

變化

通過測(cè)定高粱旗葉以下（含旗葉）1～7片葉的光合生理指標(biāo)，比較不同類型高粱在不同生育時(shí)期氣孔導(dǎo)度和凈光合速率的變化（圖5～7）。結(jié)果表明，氣孔導(dǎo)度在不種類型高粱的不同生育時(shí)期差異較大，其中開花期和乳熟期較高，進(jìn)入蠟熟期后變化平緩。甜高粱乳熟期的氣孔導(dǎo)度較高，而飼草高粱和粒用高粱開花期的氣孔導(dǎo)度較高。3種類型高粱葉片的氣孔導(dǎo)度自上而下有降低趨勢(shì)，但第1葉和第2葉變化較大。

凈光合速率在不同類型的高粱間、不同品種間、不同葉位間變化較大，且變化幅度遠(yuǎn)超過氣孔導(dǎo)度。本研究選用6個(gè)粒用高粱材料（3個(gè)雜交種、3個(gè)恢復(fù)系）進(jìn)行分析，高粱同一品種不同生育時(shí)期各葉位葉片凈光合速率的變化趨勢(shì)不盡一致（圖8），開花期和乳熟期各葉位間變化幅度較大，只有“3A/引-65”和“3A/引-20”2個(gè)組合表現(xiàn)一致，進(jìn)入蠟熟期以后各品種各葉位的變化平緩，而且高粱雜交組合和相應(yīng)的親本恢復(fù)系未表現(xiàn)出一致的規(guī)律性。這說明凈光合速率的瞬時(shí)變化速率較快，用凈光合速率作為高粱高光效育種的篩選指標(biāo)不易控制。

2.4? ?高粱氣孔導(dǎo)度和凈光合速率的日變化分析

高粱不同品種（系、組合）的氣孔導(dǎo)度和凈光合速率日變化數(shù)據(jù)的測(cè)定選擇在乳熟期進(jìn)行，分別在9：00、10：00、11：00、14：00、16：00進(jìn)行測(cè)定（因高粱在中午氣孔關(guān)閉，故12：00不作測(cè)定）。從“引-65”和“引-20”2個(gè)恢復(fù)系的氣孔導(dǎo)度（GS）和凈光合速率（PN）日變化來(lái)看（圖9和圖10），下午高粱葉片的光合生理指標(biāo)變化趨勢(shì)明顯低于上午，整體趨勢(shì)表現(xiàn)為先增加后下降趨勢(shì)，有明顯的峰值，并且2個(gè)指標(biāo)的最大值均出現(xiàn)在第2葉?！耙?65”最大值出現(xiàn)在上午11：00，凈光合速率為1 846.6 mmol·（m2·s）-1，氣孔導(dǎo)度為34.68 molCO2·（m2·s）-1；“引-20”最大值出現(xiàn)在上午10：00，凈光合速率為1 492.8 mmol·（m2·s）-1，氣孔導(dǎo)度為46.76 μmolCO2·（m2·s）-1，可以看出氣孔導(dǎo)度（GS）和凈光合速率（PN）的變化趨勢(shì)高度相似，并且氣孔導(dǎo)度（GS）的變化更具有穩(wěn)定性，所以選擇氣孔導(dǎo)度作為表征葉片光合作用的指標(biāo)。

3? 最佳測(cè)定時(shí)期

3.1? ?不同類型高粱在不同生育時(shí)期氣孔導(dǎo)度和凈

光合速率的變化情況

為進(jìn)一步比較不同類型高粱氣孔導(dǎo)度和凈光合速率在不同時(shí)期的變化情況，對(duì)11個(gè)品種（系、組合）進(jìn)行了分類比較（圖11和圖12）。

結(jié)果表明，粒用高粱和飼草高粱這兩類高粱的氣孔導(dǎo)度在開花期較高，以飼草高粱最為顯著，并表現(xiàn)出隨生育進(jìn)程延遲大體上呈遞減趨勢(shì)。凈光合速率在兩類高粱中存在差異，未表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。凈光合速率，粒用高粱的最高時(shí)期出現(xiàn)在蠟熟期，而飼草高粱則出現(xiàn)在開花期，且隨生育進(jìn)程延遲而明顯遞減。氣孔導(dǎo)度和凈光合速率這2個(gè)光合生理指標(biāo)在不同品種間和不同時(shí)期間差異明顯。通過以上分析進(jìn)一步證明，高粱光合生理指標(biāo)在生育進(jìn)程中都在不斷變化，且受到環(huán)境因子的影響，這為育種篩選帶來(lái)了困難，所以選定測(cè)定時(shí)期尤為重要。

3.2? ?高粱適宜光合生理指標(biāo)測(cè)定時(shí)期的確定

高粱籽粒產(chǎn)量的形成主要是在開花期以后，因此選擇開花期、乳熟期、蠟熟期、完熟期4個(gè)時(shí)期的葉片氣孔導(dǎo)度和穗質(zhì)量進(jìn)行相關(guān)分析，得出相關(guān)系數(shù)依次為0.399**、0.539**、0.381*、0.410*，其中乳熟期葉片的氣孔導(dǎo)度變化與穗質(zhì)量的關(guān)系最為密切，其次為開花期，均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，蠟熟期相關(guān)性最低。4個(gè)時(shí)期的葉片凈光合速率與穗質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)依次為0.367*、0.558**、0.319、0.383*，其中乳熟期的葉片凈光合速率與穗質(zhì)量的相關(guān)性最高，達(dá)到極顯著水平。因此，選擇乳熟期為高粱最佳的測(cè)定時(shí)期。

3.3? ?高粱代表性葉片的選擇

3.3.1 各葉片氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量的相關(guān)性分析 測(cè)定有代表性的葉片是提高育種效率的重要手段，試驗(yàn)共測(cè)定旗葉以下（含旗葉）7片葉的氣孔導(dǎo)度。通過分析葉片氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量的相關(guān)性，可以發(fā)現(xiàn)第2葉、第3葉和第6葉的氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量呈顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.716*、0.642*、0.606*，2片葉的均值對(duì)穗質(zhì)量影響較大的主要為前4片葉，其中與穗質(zhì)量相關(guān)性最高的為第2、3片葉的均值，相關(guān)系數(shù)為0.697*（表1）。

3.3.2 乳熟期高粱不同葉位葉片氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量的逐步回歸分析 為進(jìn)一步確定乳熟期影響高粱穗質(zhì)量的具體葉片并分析它們之間的數(shù)量關(guān)系，采用逐步回歸分析的方法對(duì)2016—2017年兩年間數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[9]，除去未通過顯著性檢驗(yàn)的葉片，建立最優(yōu)的回歸方程。高粱乳熟期不同葉位葉片氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量關(guān)系的預(yù)測(cè)模型為：

Y=a+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5+b6x6+b7x7（Y為穗質(zhì)量，a為常數(shù)，X為乳熟期某一葉片的氣孔導(dǎo)度）

不同葉位氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量的回歸方程如下：

Y=26.325+0.200x1+0.331x2+0.056x3+0.012x4+0.063x5-0.112x6-0.162x7

通過進(jìn)一步逐步回歸，得到逐步回歸方程如下：

Y=29.789+0.330x2

模型擬合優(yōu)度檢驗(yàn)及方差分析結(jié)果顯示（表2），本次預(yù)測(cè)模型通過顯著性檢驗(yàn)，為可用模型。根據(jù)擬合優(yōu)度R2越接近1模型越適合的條件，選擇模型1為最優(yōu)模型，調(diào)整后R2為0.846，表明高粱第2片葉氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量關(guān)系預(yù)測(cè)模型的可信度達(dá)84.6%，因此選擇第2片葉為主要測(cè)定葉片。

4? 結(jié)論與討論

4.1? ?結(jié) 論

綜合2016—2017年試驗(yàn)，在高粱11個(gè)光合生理指標(biāo)與穗質(zhì)量的相關(guān)關(guān)系分析中，葉片氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量相關(guān)程度最高，兩年結(jié)果均達(dá)到極顯著正相關(guān)關(guān)系（0.547**和0.812**），氣孔導(dǎo)度和凈光合速率也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（0.789**和0.604**）。分析氣孔導(dǎo)度和凈光合速率的日變化情況，二者的變化趨勢(shì)高度相似，但氣孔導(dǎo)度（GS）的變化更具有穩(wěn)定性。因此，選擇氣孔導(dǎo)度作為高粱高光效種質(zhì)的主要光合生理指標(biāo)。

高粱籽粒產(chǎn)量的形成主要是在開花期以后，通過分析開花期、乳熟期、蠟熟期、完熟期4個(gè)時(shí)期葉片的氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量的相關(guān)性，得出4個(gè)時(shí)期二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.399**、0.539**、0.381*、0.410*，乳熟期葉片的氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量的關(guān)系最為密切，因此確定乳熟期為高粱最佳測(cè)定時(shí)期。

試驗(yàn)表明，高粱不同葉片的氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量的相關(guān)性不同，其中旗葉以下第2片葉的氣孔導(dǎo)度與穗質(zhì)量相關(guān)程度較高，2016年和2017年二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.716*和0.622*；逐步回歸分析結(jié)果顯示，第2片葉氣孔導(dǎo)度對(duì)穗質(zhì)量的決定系數(shù)達(dá)到84.6%，由此確定第2片葉為高粱主要測(cè)定葉片。

綜上所述，本研究得出以下結(jié)論：篩選出氣孔導(dǎo)度作為選擇高粱高光效種質(zhì)的主要光合生理指標(biāo)，確定乳熟期為高粱光合速率測(cè)定的最佳生育時(shí)期，旗葉以下的第2片葉為光合速率測(cè)定的最佳葉片，其氣孔導(dǎo)度能更加靈敏、準(zhǔn)確、客觀地表征葉片進(jìn)行光合作用的狀態(tài)，對(duì)高粱高光效育種具有一定的參考價(jià)值。

4.2? ?討 論

作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)是光合作用，光合效率直接影響著作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，并反映其光能利用率。作物光合作用的差異不僅受作物自身的遺傳特性和植物學(xué)特征的影響，還受到外界生態(tài)環(huán)境的影響。高粱屬于C4作物，不同品種、不同葉位光合速率的變化均存在顯著差異，這些為高粱高光效育種提供了選擇。

前人對(duì)作物光合速率的研究一般包括以下指標(biāo)：蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、葉片溫度、凈光合速率、細(xì)胞間CO2濃度，并沒有結(jié)合所有光合指標(biāo)來(lái)分析作物葉片當(dāng)時(shí)復(fù)雜的光合狀態(tài)。特別是光合速率受環(huán)境影響較大，不同時(shí)期表現(xiàn)出顯著的差異，測(cè)定結(jié)論無(wú)法應(yīng)用。本研究綜合考慮高粱光合作用測(cè)定指標(biāo)、測(cè)定時(shí)間、測(cè)定葉片，分析各指標(biāo)不同生育時(shí)期的變化差異，不同時(shí)期各指標(biāo)與產(chǎn)量性狀的相關(guān)關(guān)系，選擇一種相對(duì)穩(wěn)定的指標(biāo)，建立與產(chǎn)量性狀的回歸模型，為確定高粱高光效育種的有效方法提供參考。

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收稿日期：2021-05-20

主要作者簡(jiǎn)介：譚燕（1994—），女，在讀博士生，主要從事作物遺傳育種改良、水稻等方面研究。E-mail：529283778@qq.com