低溫弱光下杭椒類辣椒不同世代間光合特性的比較

呂曉菡，傅鴻妃，吳根良，陳建瑛

(杭州市農業科學研究院 蔬菜研究所， 浙江 杭州 310024)

辣椒(CapsicumannuumL．)是茄科辣椒屬，起源于中美洲和南美洲的熱帶與亞熱帶地區，為典型的喜溫性蔬菜，不耐低溫，是我國栽培面積最大的蔬菜種類之一[1-2]。杭椒類辣椒是杭州及周邊地區傳統優勢辣椒品種，在全國負有盛名，一道“杭椒牛柳”已成為其金招牌。目前，杭椒類辣椒早就不再局限于江浙滬地區，在湖北、安徽、海南、福建、山東等多個省市及地區均有大規模種植。據統計，杭椒類辣椒品種種子每年銷售已突破5 000 kg，種植面積達1萬hm2以上，而且種植區域和面積還在不斷擴大。杭椒類辣椒的最大優勢在于品質好，種植效益高，特別是早春設施栽培，春節前后杭州市場辣椒的市場成交價超過10元·kg-1。然而，由于目前設施栽培大多以非加溫的日光溫室和塑料大棚為主，冬季和早春時節，江浙滬地區容易出現連陰雨天氣。大量研究表明，當低溫弱光逆境較輕時，植物葉片氣孔關閉，光合作用減弱；當低溫弱光逆境較嚴重時，光合作用碳同化關鍵酶RuBP羧化酶和其他一些酶的活性明顯下降，并進一步減緩光合作用產物淀粉等的運輸，造成對光合作用的反饋抑制，顯著降低凈光合速率，導致植株生長減慢，甚至停止生長[3-5]。因此，低溫弱光脅迫一直是早春設施杭椒類辣椒生產中一種較為普遍的逆境，對其生產造成很大的限制。

光合作用是對低溫弱光反應最敏感的生理過程之一。朱為民等[6]提出可將光合特性作為番茄設施專用品種選育的指標，王可玢等[7]提出葉綠素a熒光誘導動力學方法是鑒定番茄抗冷性的一個快速、靈敏和可靠的方法。近年來，有關低溫弱光對辣椒光合速率的影響已有諸多報道，但對低溫弱光下辣椒不同世代光合特性的差異卻鮮有報道。本研究以杭椒類辣椒為材料，從植株光合特性入手，研究低溫弱光下辣椒親本與子代光合參數和葉綠素熒光參數的差異，以期初步獲得探索杭椒類辣椒耐低溫弱光遺傳機理的新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

選取杭椒類辣椒7份，分別為杭椒12號、杭椒2731、杭椒206、杭二♀-1-1-后-后、03-11-2-后-7-1-1、吉林2015、杭椒73-1-1。其親緣關系如圖1所示，其中，杭二♀-1-1-后-后、03-11-2-后-7-1-1為母本，吉林2015、杭椒73-1-1為父本，杭椒12號、杭椒2731、杭椒206為雜交F1代。供試辣椒種質于2016年8月中下旬在杭州市農業科學研究院蔬菜所試驗基地內開始栽培。先將各辣椒種質進行穴盤育苗，然后移植入設施大棚內繼續栽培備用。

圖1 供試辣椒的親緣關系

1.2 試驗方法

低溫處理：用溫濕度儀每隔2 h測定棚內的溫度，由于試驗于2016年12月至翌年1月進行，葉綠素熒光參數測定前的15 d棚內晝夜平均溫度始終低于或接近于5 ℃/3 ℃(晝溫/夜溫)。

弱光處理：在光合參數和葉綠素熒光參數測定前15 d，用遮陽網對大棚進行適當覆蓋，并用光照測定儀測定光照強度，使棚內的光照強度始終在1 000 lx以下。

1.3 光合參數的測定

光合參數的測定參照文獻[8]的方法。低溫弱光處理10 d后，選取不同處理植株功能葉(從基部向上數第5葉或第6葉)，利用便攜式LI-6400光合儀(美國LI-COR公司)，通過控光進行光響應曲線測定。每個材料每處理下測定重復3～4片葉，取平均值。在CO2濃度400 μmol·mol-1下，葉室光合有效輻射(PAR)設置梯度為0、20、50、100、200、500、1 000、1 500、2 000 μmol m-2·s-1，測定凈光合速率(net photosynthesis rate，Pn)、氣孔導度(stomatal conductance，Gs)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)和蒸騰速率(transpiration rate，Tr)等參數。

1.4 葉綠素熒光參數的測定

葉綠素熒光參數的測定參照文獻[9]的方法。低溫處理10 d后，在不同低溫弱光處理下，采用便攜式LI-6400光合儀進行光強響應曲線、快速動力學曲線的測定，所有指標均重復3～5次，取平均值。選取不同處理植株功能葉(從基部向上數第5葉或第6葉)測定。測定前幼苗先暗適應1 h，然后關閉便攜式LI-6400光合儀的內置光源，測定初始熒光(initial fluorescence，Fo)、最大熒光(maximal fluorescence，Fm)、PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel SAS統計軟件，運用方差分析處理和分析數據，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較不同處理之間的差異性，結果用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同世代辣椒材料光合參數的差異

由表1可見，在相同的低溫弱光逆境下，不論是不同世代間，還是親本間、F1代間，辣椒植株的光補償點(light compensation point，LCP)、光飽和點(light saturation point，LSP)、光飽和時光合速率等指標均出現明顯差異。這可以初步說明，低溫弱光脅迫可以通過直接影響光合機構的結構和活性來影響辣椒幼苗光合作用，在同一低溫弱光逆境下，不同基因型的辣椒材料對逆境的耐受性有明顯差異。另外，從表1中還可以發現，3個F1代的LCP、LSP、光飽和時光合速率指標大致居于父母本指標之間，其中，杭椒12號和杭椒206與其母本杭二♀-1-1-后-后、03-11-2-后-7-1-1更為接近。

表1 低溫弱光下辣椒植株的光補償點、光飽和點和光飽和時光合速率

注：測定時CO2濃度為(400 ± 10)μmol·mol-1，溫度(10 ± 1)℃；表中數據為平均值±標準差。

逆境脅迫導致植物光合速率降低的原因包括氣孔和非氣孔因素。由圖2可知，在低溫弱光脅迫下，隨著PAR的降低，葉片的Pn、Gs和Tr均減小，同時Ci逐漸增大，說明弱光下辣椒光合作用的主要限制因素是非氣孔因素，如RuBP羧化酶受限制、無機磷限制、光化學機構受到破壞和光合產物運輸減慢等原因減緩了光合作用，阻礙了光能對CO2的利用，造成細胞間隙CO2積累[10-11]。另外，對低溫弱光下不同世代辣椒材料Pn、Ci、Gs、Tr變化進行分析發現，隨著PAR的不斷變化，3個F1代的Pn、Ci、Gs、Tr值始終居于其父母本之間或接近于其中一方(圖2)。這說明，在低溫弱光下，杭椒類辣椒對光的吸收能力可以在世代間穩定遺傳。

圖2 不同辣椒幼苗在低溫弱光下 Pn、Ci、Gs、Tr的變化

2.2 辣椒幼苗Fo、Fm、Fv/Fm的比較

基礎熒光Fo表示PSⅡ反應中心全部開放，即原初電子受體Q全部氧化時的熒光水平，最大熒光Fm是PS反應中心完全關閉時的熒光產量，反映了通過PSⅡ的電子傳遞情況[12-13]。由圖3可知，低溫弱光下，3個F1代的Fo、Fm值都較接近于其親本，推測在低溫弱光下，杭椒類辣椒植株PSⅡ反應中心的電子傳遞能力可以在世代間穩定遺傳。

圖3 不同辣椒幼苗在低溫弱光下的Fo、Fm和Fv/Fm

最大光化學效率Fv/Fm指PSⅡ最大光化學效率(PSⅡ原初光能轉化效率)，它的變化代表PSⅡ光化學效率的變化，其值越低證明其發生光抑制的程度越高。由圖3可知，3個F1代中，杭椒2731最大光化學效率最高，4個親本材料中杭椒73-1-1的最大光化學效率最高，而杭椒73-1-1正是F1代杭椒2731的父本，這充分說明在低溫弱光下，杭椒類辣椒植株的光能利用率和光合潛能可以在世代間穩定遺傳。另外，母本同為杭二♀-1-1-后-后的F1代杭椒12號和杭椒2731的Fv/Fm值差異較大，而二者的父本(吉林2015、杭椒73-1-1)則差異較小。父本(杭椒73-1-1)相同的F1代，母本(杭二♀-1-1-后-后)Fv/Fm值低的F1代杭椒2731的Fv/Fm反而比母本(03-11-2-后-7-1-1)Fv/Fm值較高。說明F1代的光能利用率和光合潛能并不是簡單地遺傳自親本的其中一方，而可能是父母本效應互作的結果。

3 討論

低溫弱光一直是制約越冬早春杭椒保護地生產的關鍵因子，因此，探索杭椒類辣椒耐低溫弱光能力能否在世代間穩定遺傳及其遺傳機理，是選育耐低溫弱光杭椒新品種的關鍵。光合參數和葉綠素熒光參數是鑒定植株耐低溫弱光能力的重要指標。本研究發現，低溫弱光脅迫導致杭椒類辣椒植株光合速率下降的因素是非氣孔因素，可能是RuBP羧化受限制、光化學機構受到破壞等原因減緩了整個光合作用途徑的運行，結果造成胞間CO2積累。另外，杭椒F1代植株的光合參數和葉綠素熒光參數均接近于其親本，說明杭椒類辣椒植株在低溫弱光下對光的吸收能力、電子傳遞能力及光能利用能力均可以被穩定地遺傳給下一代，表明杭椒類辣椒

對低溫弱光的耐受能力是可以在世代間穩定遺傳的，親本耐低溫弱光能力強，通常其F1代也具有較高的耐低溫弱光能力。另外，F1代的耐低溫弱光能力并不是簡單的遺傳自親本的其中一方，或者是父母本效應的簡單疊加，而可能是一個復雜的父母本效應互作的結果，可能與父母本的特殊配合力有關，具體機理還需要繼續研究。

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