不同水分條件下小麥持綠相關性狀與產量的關系

陳耀宇，王曙光，閆 雪，梁增浩，史雨剛，孫黛珍

（山西農業大學農學院，山西太谷030801）

逆境脅迫尤其是干旱易引起作物葉片褪綠，加快葉片衰老死亡的進程。但是有的基因型作物的葉片衰老起始晚或者衰老速率慢，從而引起植物在花后發育過程中葉片衰老延遲而且仍保持著光合作用的能力，這種現象稱為持綠[1]。小麥是我國的主要糧食作物之一，干旱是影響小麥產量的主要限制因子，尤其是灌漿期干旱，而持綠與抗旱性密切相關，是作物的重要抗旱機制[2]。因此，在干旱脅迫和灌溉條件下研究小麥持綠相關性狀與產量的關系，對于提高小麥產量具有重要意義。

目前，關于作物持綠與產量關系的研究有許多報道，大多研究表明，持綠與籽粒產量正相關。對于玉米的研究發現，與正常衰老的玉米相比，持綠玉米的綠葉數目、葉面積指數、功能綠葉面積、葉面積比以及在開花期與灌漿期的葉綠素含量都比較高，而且在成熟期持綠玉米葉片的含水量也比較高，衰老相對緩慢[3-5]。RAWSON 等[6]對棉花與高粱的研究表明，葉片的功能綠葉面積（GLAD）取決于葉片衰老的早晚、衰老速率的快慢以及花后0 d 總的綠葉面積，葉片保持光合活性的持續期與作物產量顯著相關。對小麥的研究表明，重度干旱脅迫時，具有持綠特性的小麥光合色素（如葉綠素、類胡蘿卜素）的含量顯著高于非持綠性品種[7-9]，而在葉綠素降解過程中發揮作用的酶，如葉綠素酶與葉綠素降解相關蛋白酶的活性卻低于非持綠品種，這表明持綠小麥有較高的光合作用能力，從而表現出更強的抗旱性[10]；此外，持綠型小麥與非持綠型相比，花后營養物質對籽粒的貢獻率大，且花后營養器官轉運量高[11]。SPANO 等[12]通過對4 個小麥持綠型突變體的研究發現，小麥旗葉葉綠素含量高的材料光合能力也強，二者表現出正相關關系，在灌漿期至成熟期持綠品種能夠保持較高的光合效率和灌漿持續期，在干旱脅迫條件下粒質量和產量都高于親本。然而另一些研究認為，持綠性與產量和產量構成因子相關性不顯著[13-14]；劉豐明等[15]研究認為，小麥和水稻在灌漿期遇到干旱時，葉片衰老和同化物的再轉運呈正相關。JIANG 等[16]研究發現，水稻的持綠性與水稻產量和產量相關性狀呈負相關。顯然，關于持綠性與產量的關系仍有很大分歧。

本研究在不同水分條件下研究小麥持綠相關性狀與產量性狀的相關性，為揭示其復雜的關系提供依據，為小麥品種選育提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為小麥旱選10 號/魯麥14 DH 群體，其包括150 個家系，群體內各株系間變異廣泛[17-18]。

1.2 試驗方法

試驗在山西農業大學農作站進行，于2011 年9月種植，水分處理分為雨養（Drought-Stress，DS）和灌溉（Well-Watered，WW）。每種水分處理下，每個家系種2 行，行長2 m，每行40 粒，點播，重復3 次，隨機區組設計。雨養與灌溉處理均在播前澆足夠的底墑水，雨養處理在播種后僅依靠自然降水，2011 年10 月上旬到2012 年6 月中旬，即小麥生育期內降水量約為109 mm；灌溉處理分別在越冬前、拔節期和灌漿中期澆水灌溉，每次灌溉量為650 m3/hm2。

1.3 小麥主莖綠葉數的測量

小麥開花時，每個家系掛牌標記10 株，從花后10 d 開始一直到收獲期，參考賈麗[19]的方法每隔5 d 即花后10（DAA10），15（DAA15），20（DAA20），25（DAA25），30 d（DAA30）進行主莖綠葉素（GLNMS）的測定。

1.4 小麥旗葉功能綠葉面積及衰老特征性狀的計算與測定

小麥開花期，每個家系掛牌標記10 株長勢一致的；參照文獻[20]的方法，將小麥的功能綠葉面積（GLAD）分為0～9，開花10 d 后，每隔3 d 即花后13（DAA13），16（DAA16），19（DAA19），22（DAA22），25（DAA25），28（DAA28），31 d（DAA31）用目測法測定功能綠葉面積，直到收獲期。進而模擬出符合小麥旗葉GLAD 變化趨勢的Gompertz 類型的曲線方程。

式中，K 為花后0 d GLAD 的極限值；e 為常數；a，b 為待估參數；t 為開花后天數；Y 為花后某一階段的綠葉面積（GLAD）。

首先用最小二乘法求出3 個參數K，a，b 的初始賦值，再結合SAS 軟件，求出K，a，b 的實際值；然后利用該曲線方程，獲得花后小麥旗葉GLAD 的變化曲線。再通過對曲線方程求一階、二階導數，求得小麥旗葉衰老過程中的特征參數：最大衰老速率（MRS）、衰老起始時間（Ts）、從花后0 d 到衰老速率最大時所用的時間（TMRS）、從花后0 d 到完全衰老之間的時間（To）、達到最大衰老速率時功能綠葉面積的百分比（PGMS）、花后0 d 到旗葉保持3/4 綠葉面積的天數（75% G）、花后0 d 到旗葉保持1/4 綠葉面積的天數（25%G）以及75%G 與25%G 之間的天數（50%G）。

1.5 小麥產量相關性狀的測量

小麥成熟后，從每個家系的2 行中間隨機選取10 株長勢一致的，晾干考種，統計單株籽粒產量（YPP），并稱取千粒質量（TKW），分別計算10 株的平均值，并將其用作每個家系YPP 與TKW 的表型值。

1.6 統計分析

采用Excel 進行產量、持綠相關性狀基本統計量的分析；并用SPSS 20 進行相關分析和非線性回歸曲線模擬。

2 結果與分析

2.1 小麥持綠性狀間的相關性

2.1.1 小麥旗葉功能綠葉面積（GLAD）與主莖綠葉數（GLNMS）之間的相關性 從表1 可以看出，2 種不同水分處理下，DAA20 之前，旗葉GLAD 與GLNMS 相 關 性 不 顯 著；DAA20 之 后，DAA22 的GLAD 與DAA15，DAA20，DAA25 的GLNMS 呈 極顯著正相關，DAA25，DAA28 的GLAD 與各個階段的GLNMS 呈顯著或極顯著正相關，DAA31 的GLAD 與DAA20，DAA25，DAA30 的GLNMS 相 關性也達到顯著或極顯著水平。

表1 2 種水分條件下DH 群體不同時期GLAD 與GLNMS 和衰老特征性狀以及產量性狀間的相關系數

2.1.2 小麥旗葉GLAD 和GLNMS 與衰老特征性狀的相關性 正常灌溉條件下，DAA10，DAA13，DAA16，DAA19 的GLAD 與各衰老特征性狀間的相關性不顯著，但隨著花后天數的增加，DAA22，DAA25，DAA28，DAA31 的GLAD 與各衰老特征性狀呈現出顯著相關關系；而且同一天的GALD 與不同衰老特征性狀相關性不同，DAA22 的GALD 與最大衰老速率（MRS）呈極顯著負相關，與除50%G外的其他衰老特征性狀都表現出顯著正相關（表1）。各階段的GLNMS 與Ts，To，TMRS，75%G 和25%G 呈顯著或極顯著正相關，DAA25 和DAA30 的GLNMS 與旗葉MRS 呈極顯著負相關（表2）。

表2 2 種水分條件下DH 群體不同時期GLNMS 與產量性狀、衰老特征性狀的相關性

雨養條件下，每個時期的GLAD 都與衰老特征性狀顯著相關，其中，與MRS 呈現出顯著或極顯著負相關，與其他衰老特征性狀呈顯著正相關。DAA20，DAA25 和DAA30 的GLNMS 與Ts，TMRS，75%G 和25%G 呈顯著正相關，而與MRS 呈現出顯著或極顯著負相關。

2.1.3 小麥旗葉衰老特征性狀彼此之間的相關性2 種不同水分處理下，75%G 與多數衰老特征性狀都呈極顯著正相關，包括Ts，To，PGMS 和TMRS，但在正常灌溉處理下與MRS 的相關性與此相反，呈顯著負相關；MRS 與25% G 呈極顯著負相關，Ts，To 和TMRS 與25%G 呈極顯著正相關；50%G與多數衰老特征性狀都呈極顯著正相關，包括To，PGMS 和TMRS，而與MRS 和Ts 呈極顯著負相關；MRS 和Ts 與PGMS 呈極顯著負相關；MRS 與Ts 呈極顯著正相關，但與TMRS，To 呈極顯著負相關，這表明具有較大的最大衰老速率（MRS）的家系，衰老的起始時間晚，衰老過程卻比較快，能很快達到最大衰老速率。Ts 和To 與TMRS 呈極顯著正相關，但Ts 與To 僅在干旱脅迫下呈極顯著正相關（表3）。

2.2 小麥持綠性狀與產量性狀間的相關性

2.2.1 小麥旗葉GLAD 與產量性狀的相關性 正常灌溉條件下，DAA22 的GLAD 與單株產量呈顯著正相關，而在其他時期，GLAD 與單株產量的相關性均未達到顯著性水平；DAA16，DAA19，DAA22的GLAD 與千粒質量呈顯著正相關。雨養條件下，DAA16，DAA28，DAA31 的GLAD 與單株產量呈顯著和極顯著正相關；DAA16，DAA19，DAA22，DAA25，DAA28，DAA31 這6 個時期的GLAD 與千粒質量呈顯著或極顯著相關。顯然2 種水分條件下，大多數時期的GLAD 與千粒質量都呈顯著正相關，尤以雨養條件下表現突出，但與單株產量的相關性在大多數時期不顯著（表1）。

2.2.2 小麥GLNMS 與產量性狀的相關性 正常灌溉條件下，DAA15，DAA20 和DAA30 這3 個時期的GLNMS 與單株產量呈顯著或極顯著正相關；DAA10，DAA15 和DAA20 時的GLNMS 與千粒質量呈顯著或極顯著正相關。但干旱脅迫下，雖然GLNMS 與單株產量無顯著相關關系，但DAA20，DAA25 和DAA30 時的GLNMS 與千粒質量呈顯著或極顯著正相關（表2）。

2.2.3 小麥旗葉衰老特征性狀與產量性狀之間的相關性 正常灌溉條件下，衰老特征性狀50%G 和Ts 與單株產量呈極顯著正相關，最大衰老速率（MRS）與單株產量呈極顯著負相關，而PGMS，TMRS，75%G 和25%G 與單株產量的相關性不顯著。Ts，75%G，50%G 與千粒質量均呈極顯著正相關，但在MRS 與千粒質量之間表現出極顯著負相關，而其他特征性狀與千粒質量相關性不顯著。雨養條件下，50%G 和Ts 與單株產量呈極顯著和顯著正相關，MRS 與單株產量呈顯著負相關，而其他特征性狀與單株產量間相關性不顯著；千粒質量與75%G，Ts 呈極顯著和顯著正相關，與其他衰老特征性狀之間相關性不顯著（表3）。

表3 2 種水分條件下DH 群體衰老特征性狀之間以及與產量性狀間的相關系數

3 討論

3.1 持綠相關性狀間的相互關系

THOMAS 等[21]根據植物衰老特征將持綠性分為4 種類型，其中，第1 種類型整葉衰老癥狀延遲出現和第2 種類型衰老癥狀按時出現，但衰老速度緩慢，屬于功能性持綠型，分別由于控制衰老過程起始晚和速率慢，而延長了光合時間，合成更多的光合產物。根據THOMAS 等[21]的分類，功能性持綠型在外觀形態上表現為功能綠葉面積（GLAD）大，衰老過程中葉片葉綠素含量高等特點。JOSHI 等[22]將作物的葉片和穗子的綠色面積分為0～9（修正后為1～10），其中，綠色面積＜3～6 為持綠型、2＜綠色面積＜3 為中度持綠型、1＜綠色面積＜2 為中度非持綠型、0＜綠色面積＜1 為非持綠型。VERMA等[23]研究認為，花后旗葉綠色部分的面積所占葉片總面積的比列，可以用來作為小麥持綠性的評價因素。YANG 等[24]以灌漿持續期作為評價小麥持綠性的指標。薛暉等[11]以籽粒生理成熟期的綠葉數和功能綠葉面積作為劃分標準。在玉米上，用相對綠葉面積（花后某時刻綠葉面積占最大綠葉面積的百分比）、保綠度（生理成熟期綠葉面積占最大綠葉面積的百分比）來評價玉米的持綠性[25]。由于葉片的衰老是一個程序性死亡過程，持綠性與整個衰老過程息息相關，顯然用某一生長階段的葉綠素含量或綠葉面積來表述作物的持綠性有些欠缺。本研究在觀測小麥整個灌漿期的旗葉功能葉面積、主莖綠葉數的基礎上，通過非線性回歸分析得到衰老特征參數，并分析其相關性。并且發現，2 種水分條件下，DAA20 以后的功能綠葉面積（GLAD）與主莖綠葉數（GLNMS）呈現出顯著相關關系；DAA22 功能綠葉面積與衰老特征參數呈顯著或極顯著相關；DAA25 主莖綠葉數與衰老特征參數呈顯著或極顯著相關。因此，為了簡便，可以利用灌漿后期的旗葉功能綠葉面積或主莖綠葉數評價小麥的持綠性。但是將旗葉功能綠葉面積、主莖綠葉數與衰老特征參數等綜合起來研究，可以更加確切的闡述不同小麥品種或品系的持綠性。

通過對衰老特征性狀彼此之間的相關性分析，發現最大衰老速率（MRS）與達到最大衰老速率的時間（TMRS）和完全衰老時間（To）呈顯著和極顯著負相關，與衰老起始時間（Ts）呈極顯著正相關，表明具有較大的最大衰老速率（MRS）的家系，衰老的發生時間較晚，但是會在較短時間內完全衰老，這可能與六倍體小麥在長期進化過程中形成的對環境適應性有關。

3.2 GLAD，GLNMS 及衰老特征性狀與產量性狀的關系

本研究發現，正常灌溉處理下，GLAD 對粒質量具有正向效應，表現在DAA16，DAA19，DAA22，但與單株產量的相關性不顯著；干旱脅迫下，GLAD 與DAA16，DAA19，DAA22，DAA25，DAA28 和DAA31時的千粒質量呈顯著正相關，但與單株產量僅在DAA28 和DAA31 時相關性顯著，可以看出，GLAD對正常灌溉下的灌漿中期和干旱脅迫下的灌漿中后期的粒質量起重要作用，但對單株產量僅在干旱脅迫的后期影響較大。

眾所周知，植物的光合作用主要發生在綠色葉片上。在小麥的灌漿期內綠葉的數量以及持綠時間會影響光合作用與同化物的產生、運輸和積累，進而影響產量。本研究發現，干旱脅迫下，DAA20，DAA25 和DAA30 的GLNMS 與千粒質量呈顯著或極顯著正相關；正常灌溉條件下，DAA15，DAA20和DAA30 時GLNMS 與單株產量呈顯著或極顯著正相關，DAA10，DAA15 和DAA20 時的GLNMS 與千粒質量也呈顯著或極顯著正相關。因此，與GLAD 相似，灌漿期間GLNMS 對千粒質量的影響較大。

本研究發現，小麥旗葉最大衰老速率（MRS）出現在DAA20；正常灌溉條件下，MRS 與單株產量和千粒質量呈極顯著負相關；干旱脅迫下，MRS 對單株產量的負向效應也達到極顯著水平。當小麥旗葉達到MRS 時，GLAD 與GLNMS 都呈現出下降趨勢，如果這個時期GLAD 越大或GLNMS 越多，光合產物就越多，小麥的粒質量和單株產量就越高。2 種水分條件下，50%G 和衰老起始時間（Ts）都對產量相關性狀具有顯著的正向效應，而50%G 出現時間大概在DAA24 左右，該時期正處于灌漿的漸增期，是粒質量形成的關鍵時期，且前人研究發現該時期的灌漿速率對粒質量的影響要高于灌漿持續期[18]，故適當延長50%G 時間段將有利于小麥粒質量和產量的提高。本研究還發現，完全衰老時間（To）與產量性狀的相關性不顯著，可以推斷雖然延長小麥收獲期可能會對產量有一定的影響，但不顯著，因此，生產上不能過于強調持綠，應該選擇適當的成熟期，才能得到理想的結果。綜上所述，對小麥產量影響比較大的衰老特征性狀是MRS 和Ts。因此，可以將MRS 和Ts 作為篩選持綠性品種的參考指標，MRS 較大或者衰老起始較早的品種，單株產量或者千粒質量較低。蔡慶生等[26]研究發現，隨著灌漿速率的增加，小麥粒質量也隨之增加，二者顯著正相關，而灌漿持續時間與粒質量無相關性。段國輝等[27]研究表明，灌漿速率是影響小麥灌漿期各階段粒質量的主要因素，而灌漿時間對其影響不大。葉片衰老即持綠與灌漿速率相匹配，并且具有相同的數學模型和原理[24，28]，持綠性較好即為功能性持綠型，這種類型葉片衰老緩慢，光合作用較旺盛，灌漿速率較快，積累的干物質較多，這與THOMAS 等[21]的持綠類型的劃分相吻合。

4 結論

本研究結果表明，灌溉和雨養條件下，衰老起始時間（Ts）與最大衰老速率（MRS）是影響小麥產量的2 個最主要的衰老特征性狀。育種實踐中應該選育衰老起始晚，功能綠葉面積大，衰老緩慢即最大衰老速率較小的品種。