不同小麥品種種子萌發生長、葉片葉綠素含量和熒光動力學特征差異分析

張 輝,張蓓蓓,景 琦,校思澤,武悅萱

(陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室/寶雞文理學院,陜西 寶雞 721013)

0 前言

小麥作為世界上分布最廣泛的禾本科植物之一,在我國糧食作物種植面積上也名列前茅[1]。小麥品種的選擇無論從生態學角度還是經濟學角度,都具有較高的研究和應用價值[2]。小麥想要取得高產首先要從加強光合作用的“源”能力著手,光合作用的場所是葉綠體,其中,葉片葉綠體中的葉綠素含量直接影響光合產物形成,最終影響產量[3-4]。

葉綠素熒光動力學參數和光合作用關系十分密切,當強光照射植物時,熒光起到保護作用,避免過量光能灼傷光合機構;在自然光照條件下,葉綠素熒光和光合速率一般呈負相關關系。因此葉綠素熒光可以作為探測植物生長狀況和光合特性的重要指標,具有便捷、靈敏、快速、無損傷等特點,其參數包含非常豐富的生理信息,近年來為小麥光合生理的研究提供了技術手段[5-6]。王佩舒等對高溫脅迫下小麥的熒光特征進行了分析,結果顯示反映PSII光合能力的葉綠素熒光參數均隨溫度升高而下降[7];楊霞等對干旱環境下小麥頂二葉葉片的熒光特征進行了研究,結果顯示隨著干旱程度的加劇,葉綠素含量、光量子產額等降低[8];王秀田等研究了低溫馴化對小麥葉綠素熒光的影響,結果顯示隨著溫度的降低,光量子產額等參數值下降[9]。寶雞地區位于東西過渡與南北相銜接地帶,屬長江與黃河水系的分水嶺,多年平均氣溫為11～13 ℃,年降水量為600～900 mm[10]。諸多學者認為,寶雞地區為氣候變化的敏感區,高溫、干旱及低溫極端天氣狀況經常出現,其獨特的自然地理環境在小麥種植栽培選擇上有重要意義[11]。近年來,為了響應小麥栽培和生產的“以市場為導向,以優質為核心,不斷加快小麥市場化進程”的政策[12],本研究以4個小麥品種為研究對象,分析了小麥幼苗期葉片葉綠素含量和熒光動力學參數差異,旨在為小麥種植品種的選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種有4個，為周麥27號、九麥2號、陜墾6號和寶研85號。

1.2 試驗材料處理與培養

于2017年12月15日用12 mm培養皿培養小麥種子,挑選顆粒飽滿、完整的小麥種子,每盤100顆種子,用0.1 %的HgCl2消毒10 min,再用蒸餾水沖洗3遍,然后鋪上濾紙進行培養,所有培養皿放置在寶雞文理學院地理與環境學院實驗室Fytosys人工培養箱內[每天光照時間為12 h,光強為1000 μmol/(m2·s),溫度為25 ℃/15 ℃],每個品種6次重復。每天補水兩次,每天觀測發芽情況；在12月22日進行生長指標(根長、芽長、根重和芽重)、葉綠素含量和熒光動力學參數的測定。

1.3 試驗方法

1.3.1 種子生長指標的測定 芽長為胚軸與芽之間的過渡點開始到芽末端的長度;根長為胚軸與根之間的過渡點開始到根末端的長度[13]。種子生長指標的計算公式如下：

發芽率(%)=7 d發芽種子數/供試種子數×100%[14]；

發芽勢(%)=3 d發芽種子數/供試種子數×100%[15]；

發芽指數GI=∑(Gt/Dt)[14]；

活力指數VI=發芽指數(GI)×芽長度(cm)[16]。

上式中,Gt為第t天的發芽數;Dt為相應的發芽天數。

1.3.2 葉綠素含量的測定 將水培第7天的小麥葉片剪下，稱取0.2 g葉片,用25 mL 95 %乙醇提取葉片葉綠素,并利用分光光度計分別在波長665、649、470 nm處測定吸光度,計算葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素的含量以及葉綠素a/b的值[17]。

1.3.3 葉綠素熒光參數的測定和快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的繪制 在水培小麥第7天上午9:00,隨機選取不同品種小麥葉片,首先進行20 min的暗適應,然后利用FluroPen 100 MAX(FP100,捷克)進行葉綠素熒光參數的測定,利用3個葉片熒光參數的平均值繪制葉綠素熒光誘導動力學曲線(OJIP),熒光參數如表1所示[18]。為了去除葉片雜質和其他因素的影響,對o-p曲線標準化，得到相對可變熒光Vo-p的時間對應曲線,其計算公式為:Vo-p=(Ft-Fo)/(Fp-Fo)= (Ft-Fo)/(Fm-Fo)。

1.4 數據處理

利用Excel 2010進行基礎數據整理;用SPSS 21.0進行one way-ANOVA分析；用LSD法對各個參數進行差異顯著性檢驗和多重比較;采用Origin 8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同小麥品種種子萌發、生長差異分析

將不同小麥品種的種子萌發、生長差異列于表2。由表2可以看出：不同品種間發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數和根重差異均達到極顯著水平,芽重差異達到顯著水平；在各品種中，以九麥2號的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、根重和芽重最高，以周麥27號的發芽率、發芽勢、活力指數、發芽指數最低，以陜墾2號的根重和芽重較低。

表1 葉片葉綠素熒光基本參數和衍生參數分析

表2 不同小麥品種種子萌發、生長差異分析結果

2.2 不同小麥品種葉片葉綠素含量差異分析

由表3可以看出：4個小麥品種的葉片葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量均達到顯著差異,以九麥2號、寶研85號的葉綠素含量較高,以周麥27號的葉綠素含量最低；不同品種間葉綠素a/b值未達到顯著差異。

表3 不同小麥品種葉片葉綠素含量(鮮重)差異分析結果

2.3 不同小麥品種葉片葉綠素基本熒光參數差異分析

由表4看出：不同小麥品種間葉綠素基本熒光參數都達到顯著差異,各熒光參數強度以九麥2號最高,以寶研85號次之; J點(FJ)熒光強度以周麥27號最低,I點(FI)和P點(Fm)熒光強度以陜墾2號最低。

2.4 不同小麥品種葉片葉綠素熒光誘導動力學曲線差異分析

圖1為4個小麥品種葉片的OJIP曲線,由圖1和表4可見,不同品種葉片OJIP曲線各時間點和形態有所差異,O點和P點以九麥2號的熒光強度最強,寶研85號次之,陜墾2號最低。通過O點差異開始,隨著J點和I點差異的積累,到達P點時差異達到最大。

表4 不同小麥品種葉片葉綠素基本熒光參數差異分析結果

圖1 不同小麥品種葉片葉綠素熒光誘導動力學曲線形態

為了更準確地分析各小麥品種間熒光動力學的差異性,對圖1中的曲線進行標準化，得到O-P段標準化后的相對可變熒光曲線(圖2)。由圖2可以看出,標準化后不同品種間O點無差異,J點以陜墾2號的相對熒光強度最高,I點以九麥2號的相對熒光強度最強。

圖2 不同小麥品種葉片葉綠素熒光誘導動力學曲線標準化后O-P段形態

2.5 不同小麥品種葉片葉綠素熒光衍生參數差異分析

對不同小麥品種葉片葉綠素熒光衍生參數進行差異分析,結果列于表5。由表5可知,不同品種間Fv/Fo差異顯著,代表了PSⅡ反應中心的活性,以寶研85號最高,九麥2號最低。Tro/RC代表了被單位反應中心捕獲的光量,各品種以九麥2號最高;單位反應中心用于電子傳遞的能量ETo/RC以九麥2號最高;單位反應中心熱耗散的能量DIo/RC以陜墾2號最高,九麥2號最低。以吸收光能為基礎的性能指數(PIABS)以陜墾2號最低;φPo為最大光量子產量，其在不同小麥品種間差異不顯著；φo以九麥2號最高,以陜墾2號最低;用于電子傳遞的量子產額(φEo)以九麥2號最高,以陜墾2號最低;用于熱耗散的量子比率(φDo)以陜墾2號最高,以九麥2號最低。

2.6 不同小麥品種葉片葉綠素熒光參數與種子萌發指標及葉片葉綠素含量間的相關性分析

由表6可以看出,葉片葉綠素熒光參數與種子萌發指標達到極顯著正相關關系(P<0.01),與葉片葉綠素含量也達到顯著正相關關系,且與葉綠素b含量的相關性較強,與葉綠素a/b呈負相關關系。種子萌發指標與葉綠素含量呈現顯著的正相關關系,活力指數與葉綠素a/b呈顯著負相關(P<0.05,r=-0.50)。

表5 不同小麥品種葉片葉綠素基本熒光衍生參數差異分析結果

表6 小麥葉片葉綠素熒光參數與種子萌發指標及葉片葉綠素含量之間的相關系數

3 結論與討論

小麥被認為是世界上最重要的谷物,其中,我國小麥總種植面積約2419萬hm2,產量約12885萬t,陜西省小麥種植面積約110萬hm2,產量約450萬t[19]。小麥地方品種的萌發特性和幼苗相關參數變化很大,萌發期和幼苗期是其生長發育的初始階段,該階段萌發特性和生長發育性能直接關系到小麥后期的成苗與產量[20]。本試驗結果顯示，在人工氣候箱培養條件下，4個小麥品種間萌發指標呈顯著差異,以九麥2號的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數最高，以周麥27號的發芽率、發芽勢、活力指數、發芽指數最低(表2)。這與Datta等的研究結果相似,表明這些試驗指標與小麥的基因型有關[21]。

小麥產量和生物量的積累主要依靠葉片的光合作用,因此葉片葉綠素含量可作為判斷小麥生長發育狀況的重要參考指標[22]。本研究結果表明，在相同環境條件下，不同小麥品種的葉片葉綠素含量達到了顯著差異,其中以九麥2號、寶研85號的葉綠素含量較高,以周麥27號的葉綠素含量最低(表3)。生物量積累(根重和芽重)結果顯示,不同小麥品種間差異顯著,也以九麥2號的值最大。該結果主要是由基因型不同造成的。

前人對小麥葉片葉綠素熒光參數的研究結果[22]顯示:不同品種小麥的葉綠素熒光特性有明顯的差異。在本試驗中，熒光參數強度以九麥2號最高,寶研85號次之; J點(FJ)熒光強度以周麥27號最低,I點(FI)和P點(Fm)熒光強度以陜墾2號最低(表4)。說明基因型差異可造成小麥葉綠素熒光強度的差異。對葉片進行快速熒光動力學誘導時,雖然光照面積和強度完全相同,但是不同基因型小麥葉片的OJIP曲線差異性較大。在本研究中，不同品種小麥葉片熒光誘導動力學曲線有典型的O、J、I、P相,不同品種在各時間點和形態上有所差異,O點和P點以九麥2號的熒光強度最強,寶研85號次之,陜墾2號最低(圖1);J點處熒光強度以九麥2號最強；J-I段和I-P段以九麥2號的次級醌受體(QB)和質體醌庫(PQ庫)的還原情況較好。但是試驗中有一些不可避免的干擾因素,為了去除這些干擾因素,對熒光強度運用Fm-Fo進行標準化處理。從圖2可以看出，標準化后不同品種間葉綠素相對熒光強度在O點無差異,在J點(VJ)以陜墾2號較高,說明陜墾2號的PSⅡ受體側QA向QB傳遞受阻,PQ庫接受電子能力降低;以九麥2號的VJ值較低,表示該品種PSⅡ受體側電子由QA向QB傳遞過程沒有受到明顯的抑制作用[23]。

能量模型表明植物PSⅡ系統中的位點對不同外界環境和基因型的敏感性有所不同[24]。本試驗結果(表5)顯示葉片的Tro/RC、ETo/RC、φo、φEo以陜墾2號較低,說明該品種的活性反應中心(RCs)轉變為非活性的反應中心,從而降低了PSⅡ的能量捕獲和電子傳輸；DIo/RC、φDo以陜墾2號最高，這與前人對小麥葉片的研究結果[25]相似。葉片葉綠素a主要與光能的吸收和轉換有關,葉綠素b主要與光能的吸收和傳遞有關。本文結果顯示，小麥葉片葉綠素含量與熒光參數之間呈顯著的正相關關系(表6),說明葉綠素含量及熒光參數值均可作為植物光合作用及生長發育的生理指標,指導農業生產。

總之，小麥不同基因型在種子萌發生長過程和光合作用中有一定的差異性,以九麥2號的萌發生長和光合作用較強,以陜墾2號較弱；小麥葉片葉綠素含量與光合熒光參數之間存在正相關關系,可作為常規指標共同運用在小麥品種的選擇和栽培工作方面。