初花期大白菜隨體單體和三體的光合生理特性比較

摘要：以大白菜隨體單體、三體和二倍體為試材，在自然條件下，對(duì)初花期功能葉的凈光合速率、光合速率日變化、需光規(guī)律、葉綠素含量、希爾反應(yīng)活性等生理生化指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明：隨體染色體的缺失或附加對(duì)光合速率都有負(fù)效應(yīng)， 且缺失比附加一條隨體染色體對(duì)初花期的大白菜光合速率的負(fù)面影響更大;隨體單體和三體大白菜的光合速率日變化均呈典型的不對(duì)稱雙峰曲線，但隨體單體的“午休”現(xiàn)象不如隨體三體和二倍體明顯；隨體單體和三體的光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)均高于二倍體；隨體染色體的缺失或附加對(duì)葉綠素a和b都有正效應(yīng)，但對(duì)葉綠素a/b的比值具有負(fù)效應(yīng)；隨體染色體的缺失或附加均對(duì)希爾反應(yīng)活性有負(fù)效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：大白菜；初花期；隨體單體；隨體三體；光合作用

中圖分類號(hào)：S634.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2011.01.004

Comparison of Photosynthetic and Physiological Characteristics of Satellite Chromosome Monosome， Trisome of Chinese Cabbage in Initial Flowering Stag

FU Ya-li1，2， LIU Tie-zheng3， SHEN Shu-xing2， CHEN Xue-ping2

(1.Shijiazhuang Academy of Agriculture Sciences， Shijiazhuang， Hebei 050041，China; 2.College of Horticulture， Agricultural University of Hebei， Baoding， Hebei 071001，China;3.Shijiazhuang Fruit Institute， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Shijiazhuang， Hebei 050061，China)

Abstract：Based on the experiment of photosynthetic rate， diurnal photosynthetic variation，light response curve， chlorophyll content and Hill reaction activity of the satellite chromosome monosome (sat-monosome)， diploid and trisome (sat-trisome) of Chinese cabbage， we researched the effect of additioning or dropping of satellite chromosome on the photosynthetic characteristics. The results showed that the additioning or dropping of sat-chromosome had a negative effect on the Pn， chla/b content and Hill reaction activity， but a positive effect on chlorophyll content. The curves of diurnal change of Pn of three lines were similar， all showed typical two peaks. The light compensation point and light saturation point of Monosome and Trisome were higher than Diploid.

Key words: chinese cabbage; initial flowering stage ;satellite chromosome monosome; trisome; photosynthesis

農(nóng)作物高光效育種是在光合生理研究與提高光能利用率技術(shù)途徑研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種現(xiàn)代育種新技術(shù)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，光合效率直接關(guān)系到最終產(chǎn)量，大于90%的作物干質(zhì)量直接來自于光合作用。因此，許多國(guó)家的研究人員已經(jīng)積極地參與到新的育種方法的研究中，目的是改善作物的光合能力。

直至20世紀(jì)30年代雜種優(yōu)勢(shì)的利用，使常規(guī)育種手段選育作物新品種達(dá)到了高潮。而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過染色體工程等生物技術(shù)改善作物光合生理生化過程，提高作物的光合生產(chǎn)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高光效遺傳改良將為進(jìn)一步增加產(chǎn)量和品質(zhì)開辟了一條新的途徑。但這需要把光合特性同核質(zhì)基因組聯(lián)系在一起進(jìn)行研究，明確遺傳背景對(duì)光合作用的效應(yīng)，有關(guān)這方面的研究在小麥上已有報(bào)道[1-2]。在大白菜上的研究主要集中在外部環(huán)境條件對(duì)光合作用的影響[3-5]，關(guān)于大白菜核基因?qū)夂献饔糜绊懙南到y(tǒng)研究尚未見報(bào)道。

本研究以大白菜隨體單體(少一條隨體染色體)、隨體三體（多一條隨體染色體）及其二倍體（正常的兩條隨體染色體）為試材，從染色體水平上開展隨體染色體對(duì)光合作用影響的研究，以期為利用染色體工程創(chuàng)建大白菜高光效種質(zhì)和開展高光效育種提供理論依據(jù)。

1材料和方法

1.1供試材料

供試材料為通過大白菜同源四倍體游離小孢子培養(yǎng)獲得的隨體單體株系（含一條隨體染色體）隨體三體株系（含三條隨體染色體）和同批獲得的染色體數(shù)目正常的小孢子植株雙體株系（即二倍體，含兩條隨體染色體）為對(duì)照。所用材料的試管苗于12月份接種到生根培養(yǎng)基上（1/2 Ms+0.2 mg/LNAA+3% 蔗糖+0.7% 瓊脂），待根長(zhǎng)達(dá)0.5～1 cm時(shí)經(jīng)煉苗后，于次年春季1月份栽入陽畦春化，3月中旬定植到露地，常規(guī)管理。4—5月份進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。選取種株初花期的功能葉的葉片，用于光合性能、光合生理指標(biāo)的測(cè)定。

1.2測(cè)試方法

采用英國(guó)PP-Systems公司生產(chǎn)的Ciras-2型便攜式光合系統(tǒng)測(cè)定。選晴天進(jìn)行光合特性參數(shù)的測(cè)定。光合速率日變化測(cè)定時(shí)間為7:00—17:00，每隔1 h測(cè)定1次；需光規(guī)律的測(cè)定用光合測(cè)定系統(tǒng)的自動(dòng)可調(diào)光源，光照強(qiáng)度（PAR）在0～

2 000 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)，每200 μmol·m-2·s-1為1個(gè)梯度進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，制作Pn－PAR（凈光合速率－光合有效輻射）的響應(yīng)曲線，得光飽和點(diǎn)，以Pn－PAR響應(yīng)曲線中光強(qiáng)低于400 μmol·m-2·s-1得數(shù)據(jù)直線回歸求得光補(bǔ)償點(diǎn)。

葉綠素含量的測(cè)定參照沈偉其［6］的混合液法測(cè)定。將白菜葉片剪碎，浸入到酒精∶丙酮∶水＝4.5∶4.5∶1混合液中，密封避光條件下，待葉組織變白后，用752型分光光度計(jì)在波長(zhǎng)645 nm和663 nm下比色測(cè)定。

葉綠體活性用葉濟(jì)宇的希爾反應(yīng)活力的分光光度法測(cè)定［7］。反應(yīng)體系的組成為：0.05 mol·L-1Tris-HCl (pH7.6) 0.1 mL，0.05 mol·L-1 MgCl2 0.1 mL，0.1 mol·L-1NaCl 0.1 mL， 0.01 mol·L-1 K3Fe(CN)6 0.1 mL，葉綠體懸浮液100~200 mg·L-1 0.1 mL和H2O 0.5 mL。分照光和暗對(duì)照兩組，經(jīng)過照光后，用10％的三氯乙酸終止反應(yīng)。離心，取上清液作Fe(CN)64-分析。用752型分光光度計(jì)在波長(zhǎng)520 nm 處比色測(cè)定。

2結(jié)果與分析

2.1隨體單體、三體和二倍體的光合速率

自然栽培條件下，選取初花期的大白菜3個(gè)株系種株的功能葉的葉片進(jìn)行光合速率測(cè)定，結(jié)果見表1，初花期三株系間光合速率存在著一定的差異。隨體單體和隨體三體的凈光合速率較二倍體都有不同程度的降低。隨體單體較對(duì)照降低了16%，隨體三體降低了11%。這說明，隨體染色體的缺失或附加對(duì)光合速率都有負(fù)效應(yīng)。而且缺失比附加一條隨體染色體對(duì)初花期的大白菜光合速率的負(fù)面影響更大。

2.2隨體單體、三體和二倍體葉片光合速率日變化

初花期對(duì)三株系的功能葉葉片的凈光合速率日變化進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見圖1。三株系的光合速率日變化均呈典型的不對(duì)稱雙峰曲線，這與張振賢等[3]、魏珉等[5]對(duì)大白菜光合作用日變化的研究結(jié)果相一致。雙峰曲線的峰值分別出現(xiàn)在10時(shí)和16時(shí)，在第一個(gè)峰值，隨體單體、三體和二倍體的光合速率分別為15.3，18.2，22.8 μmolCO2·m-2·s-1，在第二個(gè)峰值光合速率分別為11.5，9.7，14.7 μmolCO2·m-2·s-1，第一個(gè)峰值大于第二個(gè)峰值。三株系均有“午休”現(xiàn)象，但隨體單體的“午休”現(xiàn)象不如隨體三體和二倍體明顯。從上午光合速率達(dá)到高峰至下午15時(shí)達(dá)低谷，三者的光合速率下降幅度不同，隨體單體、三體和二倍體光合速率下降幅度分別為32.7%、50%、54.4%。植物的光合“午休”現(xiàn)象是受生物節(jié)律（生物鐘）調(diào)節(jié)和控制的一種生物學(xué)現(xiàn)象，是對(duì)晴天午后高溫、強(qiáng)光照環(huán)境的一種適應(yīng)的表現(xiàn)。隨體單體在中午高溫強(qiáng)光條件下，“午休”現(xiàn)象不明顯，說明其對(duì)高溫強(qiáng)光反應(yīng)不敏感，受光抑制不明顯。

2.3光照強(qiáng)度對(duì)隨體單體、三體和二倍體光合速率的影響

光是光合作用的能量來源。光照強(qiáng)度對(duì)植物的光合作用特性有顯著的影響。初花期，用變化光強(qiáng)的方法測(cè)定了三株系功能葉的光強(qiáng)－光合響應(yīng)曲線見圖2，結(jié)果表明，三株系的光光合響應(yīng)曲線的大致趨勢(shì)基本相似，在(26±2) ℃條件下，光強(qiáng)在400 μmol·m-2·s-1以下，光合速率都是隨光照強(qiáng)度的增加近直線上升，超過400 μmol·m-2·s-1時(shí)上升幅度減小。對(duì)曲線的回歸分析計(jì)算得出三株系的擬合方程、光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)(如表2~表3)。隨體單體和隨體三體的光補(bǔ)償點(diǎn)高于二倍體，光飽和點(diǎn)也要高于二倍體，說明隨體染色體的缺失或附加改變了大白菜種株對(duì)光照強(qiáng)度的要求，弱光下不利于生長(zhǎng)，而對(duì)強(qiáng)光適應(yīng)能力更強(qiáng)。隨體單體和三體中午光合速率日變化下降幅度低可能與其有較高的光飽和點(diǎn)有關(guān)。

2.4 隨體單體、三體和二倍體功能葉葉片葉綠素含量的比較

葉綠素是包含在光合器官中最典型的色素。從表4可以看出，初花期，隨體單體和三體的葉綠素a和葉綠素b含量均顯著或極顯著高于二倍體，但葉綠素a/b的比值卻極顯著低于二倍體，這表明缺失或附加一條隨體染色體對(duì)葉綠素a和b都有正效應(yīng)，并且對(duì)葉綠素b含量增加的效應(yīng)要大于對(duì)葉綠素a增加的效應(yīng)，結(jié)果導(dǎo)致隨體單體、三體葉綠素a/b低于二倍體。前人研究表明，葉綠素a/b比值能夠反映葉綠體垛疊膜區(qū)與非垛疊膜區(qū)的相對(duì)比率，其值與類囊體垛疊程度呈反比[8]，即葉綠素a/b比值越低，類囊體垛疊程度越高。從隨體單體、三體的葉綠素a/b比值來看，說明隨體染色體的缺失或附加對(duì)葉綠體中類囊體的垛疊有正效應(yīng)。因此，類囊體垛疊程度越高，光能利用率越高，捕光越多，而葉綠體較少用于PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)[9]。

2.5隨體單體、三體和二倍體功能葉葉片的希爾反應(yīng)活力比較

對(duì)初花期的三個(gè)株系的功能葉片的希爾反應(yīng)活性進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果見表5，隨體單體和三體的希爾反應(yīng)活性顯著低于二倍體，分別比二倍體降低43.3%和31.7%。說明隨體染色體的缺失或附加均對(duì)希爾反應(yīng)活性具有負(fù)效應(yīng)，且隨體染色體缺失的負(fù)面影響更大。這與三者的凈光合速率的比較結(jié)果一致。因此，隨體單體和三體光合速率低的原因之一是因?yàn)槠湎柗磻?yīng)活性低所致。

3討論

正常的大白菜核內(nèi)染色體數(shù)目為2n=20，其中第10對(duì)染色體為一對(duì)帶有2個(gè)隨體的染色體，即隨體染色體。朱鳳綏等[10]認(rèn)為“植物的種或品種的染色體組型是相對(duì)穩(wěn)定的，也包括隨體染色體數(shù)目的相對(duì)穩(wěn)定”。因此，隨體染色體對(duì)保持物種的遺傳穩(wěn)定性方面具有很大的作用。張榮銑等[11]研究指出帶有Rht3基因的4B染色體對(duì)光合作用有正效應(yīng)并具有累加作用。而對(duì)于帶有不同數(shù)目隨體的隨體三體、二倍體和隨體單體的大白菜來說，其光合速率并不存在類似的基因劑量效應(yīng)，而是都不同程度的低于具有兩個(gè)隨體染色體植株的二倍體。這說明隨體染色體上不帶有與光合作用直接相關(guān)的基因。

葉綠素是光合作用中最重要的色素分子。許多研究表明，葉綠素含量與光合速率呈正比。葉綠素含量越高，光合作用越強(qiáng)。而從本試驗(yàn)的結(jié)果來看，隨體單體和三體的葉綠素含量都不同程度的高于二倍體，但光合速率卻低于二倍體。原因可能是以前的比較大多是同一染色體倍性之間或同一品種在不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的研究（包括對(duì)大白菜的研究）。蔣觀敏等[12]在比較同源四倍體高粱與二倍體高粱的生理特性方面時(shí)指出，旗葉期，四倍體高粱葉片葉綠素含量高于二倍體，而光合速率卻低于二倍體。同時(shí)指出，chl a/b值均表現(xiàn)四倍體小于二倍體。本試驗(yàn)中也得出類似結(jié)果，即隨體單體、三體的葉綠素含量高于二倍體，而chl a/b值卻低于二倍體。因此，當(dāng)葉綠素含量超過光合作用的需要量時(shí)，a與b的組成比例可能成為影響光合作用的一個(gè)內(nèi)在因子。

另外，根據(jù)Anderson和Aro的研究[8]，chl a/b的比值越低，越有利于類囊體的垛疊，有更發(fā)達(dá)的基粒片層。因而有利于光能的吸收和傳遞。但因?yàn)橛绊懝夂献饔玫囊蜃雍芏啵@可能不是決定隨體單體、三體光合作用的主導(dǎo)因素。因而最終光合作用表現(xiàn)出劣勢(shì)。有研究表明，chl a/b比值減少時(shí)，可提高光合活性[13]。劉振業(yè)等[14] 對(duì)水稻不同品種的測(cè)定表明，降低chl a/b比值，有利于光合速率的提高，chl a/b的比值是一個(gè)較穩(wěn)定的遺傳性狀。婁義龍等[15]在研究煙草光合作用的遺傳時(shí)也認(rèn)為，chl a/b的變異系數(shù)很小，可視為一個(gè)穩(wěn)定遺傳的常數(shù)。因此在育種工作中，可以把選擇chl a/b的比值低的品種作為高光效育種的一個(gè)初選指標(biāo)。

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