糜子穗型突變體光合特性比較

王 喆，李 萌，郝瑞麗，陳利青，韓淵懷，張 彬

（1.山西農業大學農學院，山西太谷030801；2.山西農業大學生物工程研究所，山西太谷030801）

糜子（Panicum miliaceum L.）又名黍、稷，為禾本科黍屬，在我國已有10 000 a的栽培史[1-2]，具有生育期短、耐干旱、耐瘠薄的特點，因此，其曾在我國北方大量種植[3-4]。因其蛋白質含量高、抗氧化成分和膳食纖維豐富，被認為是一種功能性食品而受到廣泛關注[5-6]。糜子不僅具有很高的營養價值，還可以入藥。有研究表明，糜子具有預防某些癌癥、心臟病、肝病和糖尿病等功能[7]。此外，糜子還可以釀酒，做成各種小吃，如：年糕、粽子、煎餅等[8]。但糜子落粒性強，且由于其莖稈較高容易倒伏。因此，本研究通過對穗粗突變體和野生型糜子農藝性狀及光合特性的測定，以期發現影響糜子產量和倒伏的主要因素。

李星聰等[9]對15份糜子材料進行了統計分析，結果表明，抗倒伏性好的品種主莖節數較少、株高較低。景小蘭等[10]通過采用不同的種植方式發現，晉黍9號更適合晉中地區種植。雖然糜子營養價值豐富，但糜子突變體的相關研究較少，目前關于作物的研究多集中在水稻、小麥、玉米等主要糧食作物，而水稻和小麥作為人們的主食，高血糖指數較高，是導致人們高血糖的原因之一[11-14]。隨著人口急劇增多、環境不斷惡化，培育高產出、高營養價值和對環境適應能力強的糧食作物新品種顯得尤為重要。

本研究以野生型糜子和穗粗突變體糜子為試驗材料，通過對其表型及不同生長階段相關生理指標比較分析，探究穗粗突變體與野生型糜子的差異，旨在為高產糜子新品種選育提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為野生型糜子（伊選大紅糜）和穗粗突變體，穗粗突變體為野生型糜子經1%的甲基磺酸乙酯（EMS）誘變而來。

1.2 試驗方法

2019年5月將野生型伊選大紅糜和穗粗突變體種植于山西農業大學農學院試驗田，采取常規管理，于晴朗的白天分別測定2個品種拔節期、抽穗期和成熟期的農藝性狀及各植株旗葉的光合指標、水分利用率等光合生理特性。

1.2.1 糜子野生型與穗粗突變體農藝性狀的測定

糜子成熟后，分別隨機選取6株野生型和穗粗突變體糜子，對其株高、旗葉長、旗葉寬、莖粗、穗長等農藝性狀進行測量；收獲后，分別對2個品種的單株穗質量與單穗粒質量進行統計分析[15]。

1.2.2 糜子野生型與穗粗突變體光合色素含量的測定 分別在拔節期、抽穗期和成熟期選取無病害的糜子野生型和穗粗突變體進行取樣，取樣時選擇相同葉位的葉片中部（每個品種取6個樣本），分別裝在預冷的10 mL離心管中，-80℃超低溫冰箱保存。

進行光合色素含量測定時，去掉樣品葉片中脈，每個樣品取0.2 g，用液氮充分研磨后，放入10 mL離心管中，加入95%的乙醇10 mL，在搖床上充分搖勻至組織變白（避光）。以95%的乙醇為參比，用紫外可見分光光度計測量葉綠素提取液在波長470、665、649 nm下的吸光值，每份提取液測3次。

1.2.3 糜子野生型與穗粗突變體光合指標及水分利用率測定 利用便攜式光合儀在晴天測量抽穗期糜子野生型與突變體的凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Cond）和蒸騰速率（Tr）；后對野生型及穗粗突變體水分利用率（WUE）進行分析。

1.3 數據處理

采用Excel 2003和SPSS20.0對數據進行統計分析及做圖。

2 結果與分析

2.1 糜子野生型與穗粗突變體農藝性狀差異分析

為探究糜子穗變粗是否會影響植株正常生長，對糜子野生型和穗粗突變體成熟后的植株進行農藝性狀測量。由表1可知，穗粗突變體的株高、旗葉長、旗葉寬、穗長、穗頸長、單株穗質量、單穗粒質量較野生型均有不同程度的減少，僅莖粗有所增加。株高、旗葉寬、穗長、穗頸長、單株穗質量、單穗粒質量均顯著減少；其中，穗長、單株穗質量、單穗粒質量較野生型極顯著降低，分別降低了46.5%、54.2%、59.7%。可見，突變體雖然穗粗，同時莖稈也變粗，但其穗長、穗質量、粒質量等指標均下降，反而使該品種抗倒伏性增強的同時產量減少。

表1 糜子野生型與穗粗突變體農藝性狀比較

2.2 糜子野生型與穗粗突變體光合色素含量差異分析

光合色素的多少直接影響植物有機物的合成，其是否會影響莖稈及籽粒發育、哪種色素的影響較大，還有待進一步探究。為探究野生型和穗粗突變體在光合色素含量方面的差異，本試驗分別對2個品種拔節期、抽穗期和成熟期的葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素含量進行測定，以期發現調控糜子產量和莖粗的主要光合色素，為糜子高產量品種選育奠定基礎。

2.2.1 葉綠素含量差異分析 葉綠素a有助于作物將光能轉化為電能，通過對野生型和突變體葉綠素提取測定發現，在糜子成熟過程中，2個品種葉綠素a含量均呈先上升后下降趨勢（圖1）。拔節期穗粗突變體的葉綠素a含量極顯著低于野生型糜子，且較野生型糜子減少了18.64%；抽穗期也比野生型葉綠素a含量低，但差異不顯著，僅減少了4.32%；成熟期則顯著高于野生型，較野生型葉綠素a含量增加了11.52%。但成熟期糜子已經灌漿完畢，此時葉綠素a的增加對物質積累已經作用甚微。因此，推測糜子有機物的積累主要在拔節期和抽穗期進行，而穗粗突變體可能通過影響葉綠素a的合成，從而影響產量。

葉綠素b可通過吸收光能傳遞到葉綠素a，從而使作物有機物積累[16]，對不同品種葉綠素b含量比較分析，結果表明，隨著糜子成熟，2個品種葉綠素b的含量也呈先上升后下降的趨勢，與葉綠素a一致（圖2）。拔節期穗粗突變體葉綠素b含量顯著低于野生型，較野生型減少了13.62%，抽穗期則較野生型增加3.02%，成熟期的葉綠素b含量較野生型極顯著增加了21.85%。可見，穗粗突變體在拔節期影響葉綠素b的合成，但在抽穗期會促進葉綠素b的合成，對物質積累有促進作用，成熟期的合成對有機物積累作用極少。因此，推測拔節期葉綠素b含量的減少也是突變體產量減少的原因之一。

葉綠素a和葉綠素b的比值反映植物對光能利用的多少。從圖3可以看出，糜子穗粗突變體葉綠素a和葉綠素b含量的比值始終顯著低于野生型，該趨勢可能是由于穗粗突變體的葉綠素a含量低于野生型，而葉綠素b含量高于野生型所致，可見，穗粗突變體光能利用率低，導致其積累物質少，產量降低。另外，2個品種葉綠素a與葉綠素b含量比值均持續減少。因此，推測糜子成熟過程中光能利用率逐漸降低，成熟期最低。

葉綠素作為光合作用的主要物質，直接影響有機物的積累[17-18]。對不同品種總葉綠素含量分析，結果表明，2個品種總葉綠素含量呈先上升后下降的變化趨勢，拔節期和抽穗期穗粗突變體的總葉綠素含量較野生型分別減少了6.1%、5.8%，而成熟期葉綠素含量增加了2%（圖4）。可見，葉綠素總量的減少導致了光合作用效果的降低，從而導致穗粗突變體產量的降低。

2.2.2 類胡蘿卜素含量差異分析 類胡蘿卜素可以保護葉綠素使其免受氧自由基的破壞[19]。從圖5可以看出，僅在拔節期，穗粗突變體的類胡蘿卜素含量顯著低于野生型，且較野生型減少了19.65%，抽穗期和成熟期二者相差不大，較野生型分別減少了2.43%和1.95%。可見，穗粗突變體類胡蘿卜素的減少也是其產量減少的原因之一。

2.3 糜子野生型和穗粗突變體葉綠素與類胡蘿卜素含量相關性分析

類胡蘿卜素和葉綠素b均可吸收光能并傳遞給葉綠素a促進光能轉化為有機物。對2個品種不同生長階段類胡蘿卜素含量與葉綠素含量分析結果發現，葉綠素a含量與葉綠素b含量呈極顯著正相關，與類胡蘿卜素含量呈正相關，相關系數分別為0.934、0.795；葉綠素b含量與類胡蘿卜素含量呈顯著正相關，相關系數為0.829（表2）。

表2 葉綠素與類胡蘿卜素含量相關性分析

2.4 糜子野生型與穗粗突變體光合指標和水分利用率差異分析

糜子光合作用的強弱決定著糜子有機物的積累程度，而光合特性指標能直觀反映植株的光合能力[20-21]。此外，高水分利用率有助于增強作物的抗旱性，從而提高作物產量[22-23]。抽穗期是糜子籽粒開始發育的關鍵時期，通過光合儀對野生型和穗粗突變體糜子抽穗期的凈光合速率、氣孔導度、細胞間CO2濃度及蒸騰速率等光合指標進行測定，結果如表3所示。

表3 糜子野生型與穗粗突變體光合指標和水分利用率比較

從表3可以看出，凈光合速率方面，野生型為11.277μmol/（m2·s），穗粗突變體為11.603μmol/（m2·s），較野生型增加了2.89%；穗粗突變體的氣孔導度較野生型也增加了30.98%；而穗粗突變體的胞間CO2濃度和蒸騰速率較野生型分別顯著增加了50.16%和51.26%，水分利用率則顯著低于糜子野生型。由此可見，穗粗品種產量低的原因并不是由于光合指標導致的，相反其可能促進了穗粗品種的莖稈變粗；而水分利用率低可能是其產量減少的原因之一。

3 結論與討論

糜子起源于我國，多分布于干旱和半干旱地區[9]。隨著人們生活品質的提高及國家對雜糧生產的重視，糜子和糜子相關產業擁有很大潛力[24-25]。但由于其抗倒伏性差，且種植面積有限，糜子的產量和品質不斷下降[26-28]。因此，尋找具有高產、抗倒伏等優良性狀的糜子品種顯得尤為重要。

本試驗通過對成熟期糜子野生型和穗粗突變體相關農藝性狀統計分析發現，糜子穗粗突變體的農藝性狀較差，僅莖粗高于野生型，可見，突變體較野生型抗倒伏性強，但產量少，這與李星聰等[9]對不同糜子品種農藝性狀的分析結果一致，因此，推測穗粗突變體在突變過程中抑制了除莖粗外的其他農藝性狀相關基因的表達，從而導致產量降低。對2個品種拔節期、抽穗期和成熟期光合色素分析結果表明，光合色素含量均于抽穗期達到最高，這與前人研究結果一致[29]，且成熟期糜子的光能利用率最低。因此，推測糜子有機物的合成主要在拔節期和抽穗期進行，且葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量均會影響穗粗突變體的產量。此外，總葉綠素含量隨著糜子成熟呈先上升后下降趨勢，這與韓浩坤等[16]的研究結果一致。對2個品種抽穗期光合指標和水分利用率分析結果表明，突變體光合指標均比野生型高，尤其胞間CO2濃度和蒸騰速率均顯著高于野生型，但有機物的積累和產量的提高主要與凈光合速率有關，凈光合速率越大，植株組織有機物積累量越多，產量也可能隨之增加。穗粗突變體凈光合速率雖相對較高，但產量低，因此，推測穗粗突變體可能由于葉綠素含量較低或農藝性狀相關基因的改變導致其產量減少。穗粗突變體的水分利用率則顯著低于野生型。可見，水分利用率越高越有利于糜子籽粒有機物積累，這與王國棟等[30]對玉米的研究結果一致。

本研究結果表明，穗粗突變體產量低，抗倒伏性強。通過對糜子光合特性分析發現，糜子有機物的積累主要在拔節期和抽穗期進行，光合色素含量均會影響突變體糜子產量，凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率等光合指標主要促進糜子莖稈有機物積累，使穗粗突變體莖稈變粗，同時，通過提高糜子的水分利用率可以使其產量提高。因此，可通過對相關基因進行定位，利用基因工程技術調節相關基因的表達水平，使糜子在抗倒伏性增強的同時產量提高，為糜子分子育種奠定基礎。