不同倍性小麥光合日變化的研究

趙鵬濤,趙小光,張耀文,翟周平,關周博,羅紅煉

(陜西省雜交油菜研究中心 小麥研究室,陜西 楊凌 712100)

異源多倍體化是高等植物重要的進化過程,在天然物種和農作物中廣泛存在[1];自然界中真正的二倍體物種極少,在外界選擇壓力下,逐漸向著多倍體進化[2]。近年來通過對蕓苔屬、小麥、擬南芥、棉花等植物的研究發現,在異源多倍體形成早期經常伴隨著與孟德爾法則不一致的基因組變化,表現在遺傳、轉錄、表達水平等上[3-5],它們有助于多倍體新物種的形成,同時也為植物的長期進化提供了可能的原材料。多倍體小麥是通過異源多倍體化方式進化和培育的典型,特別是六倍體普通小麥是世界范圍種植最廣泛的、最重要的糧食作物之一。研究表明,在小麥從二倍體到八倍體的演化中,小麥產量顯著增加。作為大多數栽培小麥的起源,古老的小麥基因型是在小麥改良中獲得新的遺傳多樣性最有價值、最易得到的來源[6],從而使異源多倍體小麥對復雜多樣的環境條件常表現出更廣泛的適應性和其它有利的農藝性狀。

光合作用是植物進行物質積累與生理代謝的基礎,其效率的高低與產量潛力發揮以及品質優劣密切相關,因此研究作物的光合作用對農業育種工作具有重要的意義[7]。光合作用是一個復雜的生理過程,既與作物自身因素如光合反應酶的活性、葉片葉綠素含量、植株發育時期密切相關,同時又受光照強度、空氣溫度、大氣CO2濃度等外界因素的影響。因此,我們依靠儀器測定的作物瞬時凈光合速率處在一個動態的變化中,并不能真正衡量作物光合能力的強弱,而光合參數的日變化可以更直觀和綜合地反映出作物自身的光合能力及其環境因素的變化[8-9]。近年來國內外不少學者對油菜、谷子、水稻、玉米、大豆、花生、番茄[10-16]等作物的光合日變化進行了大量的研究,發現作物的凈光合速率日變化有很強的規律性,其變化曲線多為雙峰型(C3植物)或單峰型(C4植物)。盡管國內外對小麥的光合日變化也進行了較多的研究[17-20],但是主要圍繞比較單一的實驗材料進行的,而對小麥不同倍性進化材料的光合日變化研究較少,僅有關于八倍體與六倍體普通小麥光合日變化的比較研究[21]。本實驗利用便攜式Li-6400光合作用測定儀在小麥灌漿期分別測定了二倍體、四倍體、六倍體、八倍體小麥旗葉的凈光合速率、蒸騰速率等光合生理參數，以及光合有效輻射、大氣溫度等環境因子的日變化,以期能夠對小麥產量形成關鍵期的光合性狀有全面的了解,從而為小麥的高光效育種提供進一步的理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料二倍體節節麥(Aegilopstauschii)、四倍體硬粒小麥(T.durum)、六倍體普通小麥(T.aestivum)及八倍體小黑麥(Triticale)均由陜西省雜交油菜研究中心小麥研究室提供。試驗于2016～2017年在陜西省楊凌示范區小麥試驗田進行,田間試驗采用隨機區組設計,每小區種植5行小麥,行長2.0 m,行距0.25 m；每個倍體材料重復3次,田間種植與管理同國家小麥區域試驗[22]。

1.2 試驗方法

1.2.1 測定方法 在小麥的灌漿期,選擇生長健壯、均勻一致的單株，用Li-6400便攜式光合作用測定儀對受光方向一致的旗葉進行活體測定,每個倍體材料都測定10株。測定時選用透明葉室,空氣流速設為500 mol/s,溫度設置為大氣溫度。從早上8:00開始測定,直到18:00結束,每小時重復測定1次。葉片夾樣部位選擇旗葉的中段；如果葉片寬度小于2 cm,不能充滿整個葉室,則光合速率等的重計算方法參見文獻[23]。

1.2.2 測定指標 測定的指標有：凈光合速率Pn[μmol/(m2·s)]、氣孔導度Gs[mmol/(m2·s)]、胞間CO2濃度Ci(μmol/mol)、蒸騰速率Tr[mmol/(m2·s)]、光合有效輻射PAR[μmol/(m2·s)]、空氣溫度Ta(℃)、大氣CO2濃度Ca(μmol/mol)、空氣相對濕度RH(%)等;水分利用效率WUE的計算公式為：WUE=Pn/Tr[24]。

1.2.3 數據的整理與計算 利用Excel 2003對試驗數據進行初步整理,用SPSS 19.0數據統計軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 環境因子的日變化特征

作物的光合作用日變化在很大程度上受外界環境因子的影響,其中起主要作用的有光合有效輻射(PAR)、空氣溫度(Ta)、大氣CO2濃度(Ca)和空氣相對濕度(RH)[23]。從圖1-A中可以看出:PAR在一日內的變化表現為明顯的單峰曲線,從早晨開始逐漸上升,到12:00時達到最高值,然后逐漸下降；Ta的日變化趨勢與PAR一致,也表現為單峰曲線,不過變化的幅度較PAR小,且峰值出現的時間比PAR延遲,出現在14:00。在圖1-B中,Ca的日變化規律與前兩者明顯不同,從早晨開始急劇下降,在10:00以后下降趨勢緩慢,且在一日內始終處于下降中。這主要是由于整個生態系統中綠色植物的光合作用對大氣中CO2的消耗,從而造成Ca的持續下降。而RH的日變化則與PAR和Ta相反,表現為倒拋物線,在14:00出現最低值,它的變化規律主要受Ta的影響,即溫度越高,空氣濕度越低。

圖1 不同環境因子的日變化

2.2 不同倍體小麥光合參數的日變化比較

2.2.1 不同多倍體小麥凈光合速率的日變化 凈光合速率(Pn)是作物的一系列生理和生態因子綜合作用的瞬時表現形式,Pn日變化可以更直觀地反映出作物利用光能的強弱,常被用來作為分析作物生長及產量形成的主要參考標準。由圖2可以看出,4種倍體的小麥均存在光午休現象,且上午的光合效率高于下午。在上午,二倍體和八倍體小麥的Pn高于四倍體和六倍體的;在下午,二倍體小麥的Pn下降比較明顯,低于其他3種材料的,而八倍體的Pn仍然高于其他幾個多倍體材料的。另外,二倍體、四倍體、八倍體的Pn日變化第一個峰值均出現在10:00,而六倍體的峰值則出現在11:00;二倍體、四倍體的光午休點出現在14:00,而六倍體和八倍體則出現在15:00。因此,隨著小麥倍體的不斷進化,高倍體小麥材料對光午休的抵抗能力明顯增強,其下午的光合效率比低倍體材料也有明顯的提高。

2.2.2 不同多倍體小麥氣孔導度和蒸騰速率的日變化 作物的氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)都與氣孔的開放程度密切相關,而氣孔的開閉又受到一日內溫度和濕度等外界因子的調節。從圖3-A可以看出,4種倍體小麥的Gs日變化規律與Pn的日變化規律基本一致,都表現為雙峰曲線。從早上開始,隨著光照的刺激和氣溫的升高,小麥葉片的Gs逐漸升高,二倍體和四倍體在10:00達到峰值,而六倍體和八倍體在11:00達到峰值。在中午時刻,由于溫度過高,植物為了避免過量失水,氣孔部分關閉,所以氣孔導度在中午出現明顯的下降,二倍體和四倍體在13:00出現最低值,而六倍體和八倍體在14:00出現最低值。

圖2 不同多倍體小麥凈光合速率的日變化

從圖3-B可以看出： Tr的日變化趨勢與Gs相似,4種多倍體小麥的Tr日變化均表現為雙峰曲線,即在11:00時Tr達到最大值；隨著氣孔的關閉,Tr在13:00均達到最低值；然后又逐漸升高,在15:00達到第二峰值。與Pn日變化不同的是,Gs和Tr的日變化在上午和下午差異不是很大,而4種倍體小麥的Pn在上午的平均值都明顯高于下午的。

圖3 不同多倍體小麥氣孔導度和蒸騰速率的日變化

2.2.3 不同多倍體小麥胞間CO2濃度的日變化 胞間CO2濃度(Ci)作為植物進行光合作用的直接碳源,其數值高低直接影響著作物光合效率的高低。從圖4可以看出,不同多倍體小麥的Ci日變化趨勢基本一致,均表現為倒拋物線。從早上開始,隨著小麥光合作用的增強,Ci一直處于下降的趨勢。到了中午時刻,盡管小麥的Pn由于受光午休影響開始下降,光合作用對Ci的消耗降低,然而葉片的氣孔大部分關閉,從外界交換來的CO2也處于減少中,在兩者的共同作用下,Ci繼續下降,一直到14:00達到最低值；此后隨著光午休的減弱,胞間CO2濃度逐漸升高。此外，六倍體和八倍體在早上各時間點的Ci低于二倍體和四倍體的,表明前兩者對碳源的利用效率要高于后兩者的。

圖4 不同多倍體小麥胞間CO2濃度的日變化

2.2.4 不同多倍體小麥水分利用效率的日變化 從圖5可以看出,不同多倍體小麥的水分利用效率(WUE)日變化趨勢基本一致,從早上開始一直處于下降中,在中午過后下降趨勢基本平緩。二倍體和四倍體小麥的WUE在一日中一直低于六倍體和八倍體的,六倍體小麥的WUE在早上低于八倍體,而在下午高于八倍體,表明隨著小麥倍體的進化,多倍體材料對水分的利用效率得到了提高,從而更能適應高溫和干旱的環境。

2.3 小麥凈光合速率與影響因子的相關性分析

對不同多倍體小麥一日內各時間點的凈光合速率Pn與相關氣體交換參數以及環境因子進行了相關性分析,結果(表1)表明:4種多倍體小麥的Pn在一日內與Gs呈極顯著正相關(P<0.01),因此Pn的日變化主要受到Gs的調節。另外二倍體和四倍體的Pn還與RH和WUE顯著相關(P<0.05),說明這兩種倍體小麥Pn的日變化在很大程度上受到外界和自身水分的調節。而六倍體和八倍體小麥的Pn與環境因子均無顯著性相關,說明兩者對環境的抗逆性較強,光合能力主要與自身的生理代謝相關。

圖5 不同多倍體小麥水分利用效率的日變化

表1 不同倍體小麥凈光合速率與其影響因子間的相關系數

注:“*”表示在0.05水平上顯著相關；“**”表示在0.01水平上極顯著相關。

3 討論

異源多倍體化是形成新物種的一種有效手段,已經在育種上得到了廣泛的應用,形成了豐富的種質資源和新品種。在小麥上,六倍體小麥已經大面積種植,八倍體小麥在某些農藝和品質性狀上也表現出獨有的優勢,逐漸被小麥育種家重視。本試驗發現:小麥從二倍體進化到八倍體,其Pn得到了逐步提高,對CO2和水分的利用率也得到了提高,對環境的適應性明顯增強;六倍體和八倍體小麥的光合效率比二倍體和四倍體小麥有了明顯的改良。這與魏愛麗等的報道結果[21]一致。另外八倍體小麥材料的光午休時間較其他3種多倍體材料延遲且縮短,因此我們可以借鑒該方法減弱小麥的光午休現象,進一步提高小麥的總體光合效率。由中國科學院遺傳與發育生物學研究所選育的雜交種小麥“小偃101”在中午強光下的光合效率超過其雙親,從而有效地提高了該作物的最終產量,在多點預先試驗中比對照增產10%左右[25]。

目前,我國的小麥單產量已經取得了巨大的突破,在理想的條件下可以達到7500 kg/hm2,然而距離國外的最高產量紀錄還有不小的差距,所以我國的小麥產量還有很大的提升潛力。因此,在傳統的抗逆、品質、早熟等育種的基礎上,應輔助高光效育種手段,提高親本資源的光合能力,通過雜交改良提高后代對光的截獲和利用能力,降低光午休和光抑制等負效應,最大程度地將光能轉化為小麥的化學能貯存起來,從而最終提高小麥的產量。