利用葉綠素熒光技術早期快速鑒定甘蔗品種的耐旱性

安東升，盧李威，黃文甫，孔 冉，嚴程明，趙寶山，蘇俊波*

(1中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所/國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展長期固定觀測湛江試驗站，廣東湛江 524091；2柳城縣甘蔗研究中心，廣西柳城 545200；3廣西洋浦南華甘蔗研究院，廣西南寧 530021)

0 引言

甘蔗作為重要的糖料作物，在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中處于重要地位。由于華南地區(qū)降水豐富，而降水時空與季節(jié)分布嚴重不均，季節(jié)性干旱對華南地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響呈不斷上升趨勢，秋旱逐漸取代冬春連旱成為華南地區(qū)主要面臨的災害之一[1]。而干旱指數(shù)變化趨勢顯示，受干旱影響最顯著的區(qū)域為滇黔——廣西丘陵地區(qū)[2]。季節(jié)性干旱對甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)的影響僅次于病蟲害，尤其是在種植面積占全國70%的廣西丘陵地區(qū)，秋季降雨僅能滿足春植甘蔗成熟所需水量的35.7%[3]。此外，由于我國85%以上的蔗區(qū)分布在無灌溉條件的旱坡地，由于極旱而造成的作物死亡絕收和季節(jié)性灌溉不足導致甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)的下降成為影響甘蔗產(chǎn)區(qū)發(fā)展的主要原因之一[4]。

光合作用是作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成的基礎，植物對干旱脅迫的應激反應表現(xiàn)為氣孔導度下降，此時若干旱脅迫消除，植物葉片的光合能力很快恢復至正常水平[5]；隨著干旱脅迫的持續(xù)和加劇，由于光合器官損傷導致光合代謝過程受到抑制，進而引起電子傳遞受阻[6]，此時即便干旱脅迫解除，植株也很難恢復到正常水平。研究表明，C4作物的光合作用對干旱脅迫更為敏感[7]，并且當干旱脅迫超出作物抗性的上限后，由于光合代謝途徑受到抑制，因此干旱脅迫對作物造成的傷害很難恢復[8]。處于較長時期的干旱，除了對甘蔗生長和產(chǎn)量受到影響之外，蔗糖品質(zhì)也發(fā)生顯著下降[9]。作為檢測光合作用的探針，葉綠素熒光技術能夠快速無損地檢測作物光合系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀況，近年來，隨著植物生理生態(tài)學領域?qū)θ~綠素熒光的深入了解及其檢測儀器的研究、開發(fā)和應用，作為體外、快速、無損反映光合作用的探針，葉綠素熒光參數(shù)被廣泛用于描述植物光系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀況[10-11]。干旱脅迫引起葉綠素熒光參數(shù)發(fā)生變化在許多作物應對干旱脅迫的研究中都有報道[12-13]，且其變化幅度因品種耐旱性強弱而異[14]。

目前對甘蔗抗旱性鑒定的研究集中于以出芽率、分蘗率、莖徑、產(chǎn)量構成等為主的農(nóng)藝性狀指標[15]，以相對含水量、丙二醛含量、脯氨酸含量、過氧化物酶活性、細胞質(zhì)膜透性等為主的生理指標[16-17]以及分子生物學指標，包括水分虧缺下解毒代謝(清除活性氧分子)相關酶合成[18]、中度脅迫下水通道蛋白合成[19-20]、重度脅迫下多胺合成相關的基因表達[21]。安東升[22-23]等人對干旱脅迫下耐旱與非耐旱甘蔗品種葉綠素熒光特性進行了較為系統(tǒng)的研究，分析了耐旱與非耐旱甘蔗品種對干旱脅迫的額差異化應對策略。本研究從光合系統(tǒng)能量分配特性入手，在模擬試驗測定干旱脅迫初期反映光系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀況、光保能力與開始積累生理損傷的關鍵葉綠素熒光參數(shù)的變化，進而對甘蔗新品種的耐旱性進行評價與排序的基礎上，進一步通過田間干旱試驗獲得的產(chǎn)量與品質(zhì)數(shù)據(jù)進行驗證，以期實現(xiàn)對甘蔗新品種耐旱性的早期鑒定。

1 材料與方法

1.1 參試材料與試驗地概況

供試品種為中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所選育的熱甘1號和柳城縣甘蔗研究中心選育的桂柳07150，以耐旱品種新臺糖22號與非耐旱品種新臺糖16號作為對照。桶栽試驗于2022年3月在廣東湛江中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境與作物高效用水試驗基地(21°08′N，110°16′E，海拔16 m)干旱模擬設施中進行自然干旱脅迫試驗，田間試驗于2022年10～11月在廣西扶綏縣東門鎮(zhèn)洋浦農(nóng)業(yè)甘蔗基地(22°20′N，107°05′E，海拔246 m)進行。田間試驗選用新臺糖22號作為對照。

1.2 實驗方法

1.2.1 干旱模擬試驗

干旱模擬試驗采用桶栽方式于2022年3月19～23日進行，干旱脅迫模擬設施溫度控制為25～33℃，光合有效輻射(PAR)為0～1500 μmol/m2/s，栽培桶口徑40 cm、底徑30 cm、高35 cm，栽培基質(zhì)為紅壤∶河沙∶有機肥=7∶2∶1。每桶種植2段，每段1個芽，每個品種種植10桶，挑選生長均勻一致的3桶進行自然干旱脅迫試驗。采用ZD-06土壤濕度檢測儀測定土壤相對含水量rSWC，待rSWC降至50%時采用Dual-PAM-100葉綠素熒光儀在暗室中測定+1葉片額定光強下(PAR=0、36、94、172、272、421、611、759、923、1178、1455、1809 μmol/m2/s)葉綠素熒光參數(shù)，包括潛在最大光合效率Fv/Fm、實際光化學效率Y(II)、可調(diào)節(jié)行能量耗散Y(NPQ)、非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)[24]與光合電子流ETR(II)=PAR×0.84×0.5×Y(II)，其中，0.84為經(jīng)驗性吸光系數(shù)，0.5為假設天線色素吸收的光能被2個光系統(tǒng)平均分配[25]；

參考葉子飄[26]等人研究結果，采用直角雙曲線修正模型擬合J與PAR之間的關系，擬合初始光能利用效率αe、飽和光強PARsat及最大電子傳遞速率Jmax，詳見式(1～3)。

其中，βe和γe代表植物天線色素分子參數(shù)，其中J即為ETR(II)。

1.2.1 田間試驗

田間試驗于2022年2月25日在廣西扶綏東門鎮(zhèn)甘蔗新品種種植基地下種，采用寬窄行1.3 m+0.5 m雙行下種，用種量88900芽/hm2，每個品種種植3個小區(qū)，每個小區(qū)面積72 m2。于同年11月3～5日測定rSWC(每個小區(qū)3個點)，并采用便攜式葉綠素熒光儀(MINI-PAM-II)測定上部全展葉片葉綠素熒光參數(shù)，于12月15日每個小區(qū)連續(xù)取20株調(diào)查株高、莖徑、有效莖數(shù)、單莖重、產(chǎn)量、田間糖錘度。田間試驗環(huán)境背景數(shù)據(jù)由小型氣象站獲取。

1.3 統(tǒng)計分析方法

圖1 田間試驗環(huán)境溫度及降雨情況

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)整理與相關性分析，利用Slide Write Plus for Windows (Version 7.0)進行曲線與參數(shù)擬合。

2 結果與分析

2.1 模擬干旱脅迫下不同甘蔗品種葉綠素熒光特性分析

4個甘蔗品種的Y(II)均隨PAR的增加而下降，下降幅度表現(xiàn)為：熱甘1號＜桂柳07150＜新臺糖22號＜新臺糖16號(圖2A)；4個甘蔗品種的ETR(II)則隨著PAR的增加呈先上升后下降的趨勢，當PAR在200～600 μmol/m2/s時，ETR(II)表現(xiàn)為：熱甘1號＜桂柳07150＜新臺糖16號＜新臺糖22號，當PAR＞600 μmol/m2/s時，只有熱甘1號的ETR(II)顯著下降，而在其余3個品種之間差異不顯著(圖2B)；隨著PAR的增加，4個甘蔗品種的Y(NPQ)均呈上升趨勢，2個新品種甘蔗的Y(NPQ)均高于對照，總體上表現(xiàn)為：桂柳07150＞熱甘1號＞新臺糖22號＞新臺糖16號，說明在干旱脅迫下，新品種甘蔗葉片的光保護能力高于對照(圖2C)；而Y(NO)則表現(xiàn)為：桂柳07150＜熱甘1號＜新臺糖22號＜新臺糖16號，并在不同品種間差異顯著(圖2D)，而Fv/Fm則表現(xiàn)為新臺糖16號顯著低于其他3個品種(圖2E)，說明在rSWC降至60%時，2個新品種受到光抑制的程度顯著低于對照，且只有新臺糖16號出現(xiàn)實質(zhì)性的光損傷。

圖2 模擬干旱脅迫下能量代謝在不同甘蔗品種間的變化

與新臺糖16號相比，2個新品種和新臺糖22號均表現(xiàn)出較低的αe和較高的PARsat，而Jmax則表現(xiàn)出新臺糖22號≈新臺糖16號＞桂柳07150＞熱甘1號，說明干旱脅迫下新臺糖22號和新臺糖16號依舊保持較高的電子傳遞能力，新臺糖16號具有最高的初始光能利用率，而熱甘1號承受強光的能力最高(表1)。

表1 模擬與田間干旱脅迫下土壤相對含水量與各熒光擬合參數(shù)的變化

綜上，桂柳07150的Y(NPQ)最高而Y(NO)最低，表明干旱脅迫下其光系統(tǒng)受到干旱脅迫的影響最小，耐旱性表現(xiàn)為：桂柳07150＞熱甘1號＞新臺糖22號＞新臺糖16號。

2.2 不同甘蔗品種葉綠素熒光參數(shù)響應田間干旱脅迫的差異分析

當田間土壤相對含水量下降至48.3%±5.9%時，3個品種甘蔗的ETR(II)隨著PAR的增加呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，總體上表現(xiàn)為：桂柳07150＞熱甘1號＞新臺糖22號(圖3)。田間擬合的αe和PARsat在3個甘蔗品種的之間的差異可以忽略不計，而Jmax也表現(xiàn)為：桂柳07150＞熱甘1號＞新臺糖22號，說明田間干旱脅迫下，3個甘蔗品種對強光的耐受能力相當，但桂柳07150和熱甘1號的光能轉(zhuǎn)化效率高于新臺糖22號(表1)。

圖3 田間干旱脅迫下能量代謝在不同甘蔗品種間的變化

2.3 不同甘蔗品種經(jīng)濟性狀響應田間干旱脅迫的差異分析

根據(jù)田間觀測結果(表2)，本茬甘蔗經(jīng)歷了較嚴重的秋旱，9、10、11、12月的降雨量分別為8.3、2.3、0、0 mm。收獲時2個新品種的株高略低于新臺糖22號，而莖徑略高于新臺糖22號，但株高和莖徑在3個甘蔗品種之間的差異均不顯著。桂柳07150的單莖重和田間糖錘度顯著高于新臺糖22號，熱甘1號的有效莖數(shù)顯著高于新臺糖22號，2個新品種的產(chǎn)量均顯著高于新臺糖22號，熱甘1號和桂柳07150的與對照相比增產(chǎn)率分別達到14.8%和15.7%。

表2 田間干旱脅迫對不同甘蔗品種經(jīng)濟性狀的影響

3 討論與結論

Fv/Fm能夠有效衡量葉綠素含量，是一個穩(wěn)定衡量甘蔗響應干旱脅迫的重要參數(shù)，耐旱性越差的品種遭受干旱脅迫后Fv/Fm下降越快[27]；模擬試驗結果表明，在干旱脅迫的前中期，只有新臺糖16號的Fv/Fm顯著下降，而其他3個品種之間的差異不顯著，表明2個新品種桂柳07150和熱甘1號至少與新臺糖22號的耐旱程度相當。而Y(NO)和Y(NPQ)的測定結果均顯示為桂柳07150＞熱甘1號＞新臺糖22號＞新臺糖16號，且在各品種之間差異顯著；Y(NO)的升高代表光合系統(tǒng)開始積累并將要出現(xiàn)生理損傷，Y(NPQ)的下降表示光保護機制無法應對多余的能量[22]，而不同甘蔗品種對強光的耐受性也表現(xiàn)出相同的變化趨勢，即PARsat表現(xiàn)為桂柳07150＞熱甘1號＞新臺糖22號＞新臺糖16號，據(jù)此我們認為2個新品種桂柳07150和熱甘1號對干旱的抵抗能力高于新臺糖22號。

而干旱脅迫下Jmax的下降并不一定代表了耐旱性差，非耐旱甘蔗品種在干旱脅迫早期會提高水分消耗維持相對較高的光化學效率，但生理損傷來得更快；而耐旱品種傾向于快速減小水分散失，啟動保護機制以應對隨之而來的中旱及重旱[23]。因此，我們認為判斷甘蔗耐旱與否，首先比較Fv/Fm與Y(NO)，在二者處于同等水平的基礎上，進一步應用其他參數(shù)。例如桂柳07150和熱甘1號的Fv/Fm與差異不顯著，Jmax和Y(NO)均表現(xiàn)為桂柳07150＞熱甘1號，代表了面對干旱脅迫時，相較于熱甘1號，桂柳07150能夠以更小的損傷換來更多的光合電子流，說明桂柳07150的耐旱性優(yōu)于熱甘1號。

田間試驗結果顯示，桂柳07150的Jmax高于新臺糖22號，代表了與新臺糖22號相比，桂柳07150能夠利用更多的光能進行碳同化，解釋了桂柳07150的單莖重、產(chǎn)量和田間糖錘度顯著高于新臺糖22號。熱甘1號的Jmax在桂柳07150和新臺糖22號之間，決定了其單莖重和田間糖錘度與桂柳07150和新臺糖22號相比均不顯著，但因其有效莖數(shù)顯著高于新臺糖22號，而有效莖數(shù)是決定甘蔗產(chǎn)量的另一重要因素，遭遇干旱脅迫會造成甘蔗有效莖數(shù)減少，不同品種損失程度不同[28]，這是熱甘1號的產(chǎn)量顯著高于新臺糖22號的主要原因。由于新臺糖16號在生產(chǎn)中已經(jīng)不在應用，因此該材料只用來做盆栽試驗的對照，未參與生產(chǎn)田驗證。

綜上，田間干旱試驗結果能夠支持基于葉綠素熒光特性的不同甘蔗品種耐旱性排序，并在一定程度上對甘蔗耐旱的生理機制進行補充佐證，即耐旱品種對干旱脅迫的的策略是對干旱脅迫響應迅速，快速減小耗水、啟動保護機制、推遲生理損傷，有助于脅迫解除后的快速恢復[23]。因此，應用葉綠素熒光參數(shù)鑒定甘蔗耐旱性的具體步驟為：①根據(jù)干旱脅迫下不同品種甘蔗測得的Y(NO)與Fv/Fm2個參數(shù)進行排序，Y(NO)值越高、Fv/Fm值越小說明甘蔗耐旱性越差；②若供試甘蔗品種Y(NO)與Fv/Fm2個參數(shù)差異不顯著，則進一步對PARsat、Jmax和αe進行綜合分析，選擇高值的品種，因為其值越高，說明在同等干旱脅迫下光合能力越強。該方法尚需通過在更多的甘蔗品種耐旱性評價中加以應用與驗證，方能在甘蔗新品種耐旱性的早期、快速評價中發(fā)揮重要作用。