硬粒小麥不同功能葉光合性狀差異及對產量性狀的影響

趙小光，趙鵬濤，尚 毅，翟周平，張耀文

(陜西省雜交油菜研究中心 小麥研究室，陜西 楊凌 712100)

硬粒小麥又叫杜倫小麥，是四倍體栽培小麥，染色體有28條，與六倍體普通小麥是不同的品種[1]。硬粒小麥是世界重要的糧食作物之一，播種面積約占世界小麥總面積的10%，僅次于普通小麥，位居栽培小麥的第2位[2]。硬粒小麥的營養品質優于普通小麥，小麥籽粒蛋白質含量比普通小麥高1%～2%，含有豐富的賴氨酸和類胡蘿卜素[3]，更具有營養和保健功能。同時硬粒小麥具有較高的加工品質，面筋含量高，是制作通心粉食品的必要原料，所以又稱通心粉小麥，正宗意大利通心面便是以優質專用硬粒小麥為原料制成的。

近年來，隨著代化育種技術的創新，農民多年種植的常規農作物品種在農業生產中逐漸被遺傳改良的高產、優質品種替代，從而造成了推廣品種越來越單一，遺傳多樣性越來越低。目前，普通六倍體小麥在育種過程中大量使用有限的“核心親本”,以及過多使用現代育種技術改良種質資源，減弱了小麥野外自然選擇壓力，使其遺傳基礎日益狹窄[4]，集中表現為品種綜合性狀的退化，抗逆性的減弱，間接導致產量下降，制約了小麥育種進一步的發展。2020年小麥條銹病在中國的大爆發是抗源單一、品種抗性降低的必然結果，給農民造成了巨大的損失。因此，引入小麥近緣屬種，拓寬資源的基因寬度和增加自然遺傳變異對于提高現代栽培小麥的遺傳多樣性和進一步開展小麥高產、抗病、優質育種具有重要意義[5-6]。四倍體硬粒小麥是普通小麥的原始基因庫，由于其基因組與普通小麥完全相同，其優良基因較易轉育利用，因此是改良普通小麥的重要基因資源，具有廣闊的應用前景[7-9]。

目前，國內六倍體普通小麥的產量可達9000 kg/hm2[10],而硬粒小麥的產量僅為6000 kg/hm2[11],與普通小麥存在較大差距，在很大程度上影響了其種植與推廣，且制約了利用硬粒小麥在普通小麥遺傳改良上的應用。盡管前人通過種質篩選、水肥管理、雜交選育等多種手段對硬粒小麥進行了改良，但產量提升效果不是很明顯。而高光效育種是一種新興的育種技術，有望打破這種產量瓶頸，進一步提高作物產量的潛力。研究表明，作物體內90%～95%的干物質是光合作用合成的，因此研究和提高作物的光合效率已經成為作物研究中的熱點問題[12]。作物光能利用率按理論計算可達4%～5%，但在實際生產中作物的光能利用率僅為0.5%～1.0%，如果能將作物光能利用率提高1%，那么作物產量可增加25%～50%，甚至更高[13-14]。開展硬粒小麥高光效育種研究是提高產量的一條有效途徑，前人對硬粒小麥種質改良和產量性狀分析較多[15-16]，而關于硬粒小麥光合性狀的研究較少。本研究以3份農藝性狀優良的豐產型硬粒小麥材料為供試材料，測定了不同功能葉的光合氣體交換參數、綠葉面積、葉綠素含量、干物質積累量、光合有效輻射等光合性狀，同時測定了不同功能葉處理下千粒重、穗粒數、單株產量等產量性狀的變化，通過對光合性狀和產量性狀的差異比較及相關性分析，探討了硬粒小麥不同功能葉光合對產量的影響，以期為硬粒小麥高產品種的篩選及評價提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

3個四倍體硬粒小麥(Triticumdurum)試驗材料均由陜西省雜交油菜研究中心小麥研究室提供。材料代號分別為CD82316、CD84328、CD85007，農藝性狀差異明顯，都為多年選育的優質種質資源。試驗于2019～2020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10行，行長3.0 m，行距0.25 m，試驗設3個重復，田間種植與管理同小麥國家區域試驗標準。

1.2 測定方法

1.2.1 硬粒小麥不同功能葉的光合氣體交換參數的測定 在灌漿中期，選擇健壯無病、發育一致的單株，用Li-6400便攜式光合作用測定儀分別對每個材料的旗葉、倒2葉和倒3葉進行測定，葉片夾樣部位選擇葉片的中段，選用6400-02B LED紅藍光源葉室，光照強度控制為1300 μmol/(m2·s)；葉室溫度控制為25 ℃，測定時間為上午8：30～11：30，每個材料測定10個單株。測定的氣體交換參數：凈光合速率[Pn，μmol/(m2·s)]、蒸騰速率[Tr，mmol/(m2·s)]、氣孔導度[Gs，mmol/(m2·s)]、胞間CO2濃度(Ci，μmol/mL)、水分利用效率(WUE)按照公式WUE=Pn/Tr[17]進行計算。

1.2.2 硬粒小麥不同功能葉光合相關性狀的測定 在灌漿中期，每個硬粒小麥材料選取10個均勻一致的代表性單株，用葉綠素測定儀(SPAD502)分別測定旗葉、倒2葉和倒3葉的葉綠素含量，均勻地在每片葉子選點進行測定，然后取平均數進行統計分析；用LI-3000C葉面積儀分別對每個單株的旗葉、倒2葉和倒3葉進行測定，取平均數進行統計分析；用LAI-2200冠層分析儀(外接PAR光量子傳感器)分別測定每個材料的小麥頂層、旗葉層、倒2葉層、倒3葉層的光合有效輻射，測定時間為8：00～18：00，每小時測定1次。

1.2.3 硬粒小麥不同功能葉處理后的產量性狀的測定 在灌漿初期，每個硬粒小麥材料分別設4個處理，處理A：正常對照；處理B：只剪去旗葉；處理C：只剪去倒2葉；處理D：只剪去倒3葉。每個處理選擇10個均勻一致的代表性單株。在成熟期分別稱量每個處理的生物學產量、籽粒產量，計算經濟系數；統計每穗粒數和千粒重，然后取平均值進行統計分析。

1.3 數據處理

試驗數據利用Excel 2003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 硬粒小麥不同功能葉光合氣體交換參數的差異分析

小麥的灌漿期是光合作用的關鍵時期，該時期進行光合作用的葉片有旗葉、倒2葉和倒3葉，光合產物可以高效地從光合器官轉運到營養器官里，促進小麥籽粒中營養物質的積累，對小麥產量的貢獻至關重要。從表1可以看出，3個硬粒小麥材料的不同功能葉之間的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均表現出顯著性差異。凈光合速率在不同功能葉中的大小表現為旗葉>倒2葉>倒3葉，3個品種的旗葉凈光合速率均值為14.83 μmol/(m2·s)，倒2葉凈光合速率均值為12.54 μmol/(m2·s)，倒3葉凈光合速率均值為7.97 μmol/(m2·s)。不同功能葉的氣孔導度和蒸騰速率也表現出與凈光合速率相同的規律，數值大小也表現為旗葉>倒2葉>倒3葉，氣孔導度和蒸騰速率在旗葉、倒2葉和倒3葉的均值分別為0.24、0.18、0.11 mmol/(m2·s) 和4.07、3.40、2.34 mmol/(m2·s)。胞間CO2濃度在不同功能葉之間無顯著性差異，水分利用效率在材料CD82316里表現為旗葉>倒2葉>倒3葉，在另外2個材料里無顯著性差異。由此可知，3個硬粒小麥材料的旗葉光合效率最高，倒2葉其次，倒3葉最低，旗葉的光合作用在該時期最強，是灌漿期的主要光合器官。

表1 不同功能葉的光合氣體交換參數的比較

2.2 硬粒小麥不同功能葉的葉綠素含量和葉面積差異分析

從圖1A可以看出，3個硬粒小麥各自的功能葉之間葉綠素含量(SPAD值)有差異但不顯著，均表現為倒2葉>旗葉>倒3葉，3個材料的葉綠素含量均值在旗葉、倒2葉和倒3葉中分別為56.32、57.49和55.45，表明葉綠素含量不是影響不同功能葉光合的主要因素。不同功能葉之間的葉綠素含量差異是由葉片發育進度的不一致和測定時期不同而導致的，旗葉發育最晚，葉綠素正處于合成階段，倒3葉在該時期已經出現老化，葉綠素開始降解，所以表現為倒2葉的葉綠素含量最高。

圖1 不同功能葉的葉綠素含量和葉面積的比較

不同功能葉的葉面積則存在顯著性差異，從圖1B可以看出，3個硬粒小麥的不同功能葉面積變化規律相同，均表現為旗葉>倒2葉>倒3葉，旗葉、倒2葉和倒3葉的葉面積均值分別為25.77、21.52和17.34 cm2。不同功能葉面積的差異與凈光合速率的差異是一致的，兩者共同作用使得硬粒小麥旗葉的光合效率高于其他功能葉，成為灌漿期的重要光合器官。

2.3 硬粒小麥不同功能葉的光合有效輻射分析

光照是植物進行光合作用的能量源泉，光能在光合器官里轉化為化學能，最終運輸到營養器官里成為營養物質儲存起來，所以植物接收光照的多少直接影響光合作用的強弱。從圖2可以看出，硬粒小麥的不同功能葉在一日內接收的光合有效輻射差異極顯著，且變化規律一致。旗葉的光合有效輻射受外界光照影響最為明顯，在一日內隨著外界頂層的光合有效輻射變化而變化，分別在中午12：00達到峰值。而倒2葉和倒3葉收到的影響較小，變化較為平緩，盡管12：00過后外界光合有效輻射開始減弱，但是由于太陽斜射的原因，倒2葉的光合有效輻射反而有所提高，在13：00～15：00表現出較高值。

小麥頂層的光合有效輻射一日內均值為1245.36 μmol/(m2·s)，CD82316、CD84328、CD85007的旗葉光合有效輻射的一日內均值分別為838.45、867.73、768.82 μmol/(m2·s)，分別占頂層光合有效輻射的67.32%、69.68%和61.73%。3個材料的倒2葉光合有效輻射的一日內均值分別為299.91、291.27、230.64 μmol/(m2·s)，分別占頂層光合有效輻射的24.08%、23.39%和18.51%。3個材料的倒3葉光合有效輻射一日內均值分別為130.73、104.55、112.27 μmol/(m2·s)，分別占頂層光合有效輻射的10.50%、8.39%和9.01%。由此可以看出，由于旗葉處于較高層，只受到小麥穗粒的遮光影響，因此接收到的光合有效輻射較多，外界光照有約2/3可以照射到該層，而倒2葉和倒3葉位置靠下，既受到穗粒遮光，同時受到旗葉和小麥主莖遮光，外界光照僅有約1/4可以照射到倒2葉層，有約1/10可以照射到倒3葉層(圖2)。

圖2 不同功能葉的光合有效輻射的日變化

2.4 硬粒小麥不同功能葉處理后產量性狀的變化分析

從表2可以看出，不同功能葉處理后，3個硬粒小麥的產量性狀有所改變，且變化規律一致。經濟系數和每穗粒數在每個材料的不同處理間基本無差異，CD82316的經濟系數和每穗粒數均值分別為0.27和20.13，CD84328的經濟系數和每穗粒數均值分別為0.36和32.19，CD85007經濟系數和每穗粒數均值分別為0.39和41.62，表明硬粒小麥的經濟系數和每穗粒數主要受材料自身遺傳特性的影響，體現為不同材料之間的差異，而同一材料里不同功能葉的光合作用對其變化基本沒有影響。

表2 不同功能葉處理后的產量性狀比較

籽粒重、生物學產量和千粒重在不同的功能葉處理后差異則較大，CD82316處理B(去掉旗葉)、處理C(去掉倒2葉)、處理D(去掉倒3葉)的籽粒重比處理A(對照)分別下降了18.45%、3.88%、0.97%，CD84328處理B、處理C、處理D的籽粒重比處理A分別下降了15.91%、11.36%、6.82%，CD85007處理B、處理C、處理D的籽粒重比處理A分別下降了21.63%、12.50%、9.62%，表明旗葉處理后籽粒重減少量明顯高于倒2葉和倒3葉的處理。生物學產量在不同的處理后也變現出相同的規律，CD82316處理B、處理C、處理D的生物學產量比處理A分別下降了15.04%、5.27%、2.37%，CD84328處理B、處理C、處理D的生物學產量比處理A分別下降了16.77%、12.68%、11.45%，CD85007處理B、處理C、處理D的生物學產量比處理A分別下降了24.53%、10.67%、8.24%。CD82316處理B、處理C、處理D的千粒重比處理A分別下降了13.30%、6.34%、4.62%，CD84328處理B、處理C、處理D的千粒重比處理A分別下降了7.89%、6.47%、1.74%，CD85007處理B、處理C、處理D的千粒重比處理A分別下降了15.27%、7.43%、6.20%。由此可知，旗葉處理后籽粒重、生物學產量和千粒重均下降明顯，表明在硬粒小麥灌漿期，旗葉的光合作用對產量性狀的影響要明顯大于倒2葉和倒3葉。

3 小結與討論

本研究在灌漿期對3個硬粒小麥材料不同功能葉的光合氣體交換參數、葉綠素含量、葉面積的差異和不同功能葉層光合有效輻射的日變化進行了分析，結果表明，旗葉的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和葉面積均顯著高于倒2葉和倒3葉，所以旗葉作為灌漿期的主要光合功能葉，是該時期小麥生長發育的首要能量合成場所，對小麥的生長發育至關重要，在普通六倍體小麥的光合研究中，往往也是以旗葉作為功能葉進行研究的[18-19]。通過光合有效輻射日變化可以看出，旗葉層可以獲取外界大部分的光合有效輻射，從能量源頭上保證了旗葉可以高效進行光合作用。倒2葉層和倒3葉層因為遮光原因，獲取的光合有效輻射分別僅為旗葉層的1/6和1/15,即使在中午外界高光照強度下，倒2葉層和倒3葉層接收到的光合有效輻射與早、晚相差不大，從而使光合作用受到了極大的限制。灌漿期是小麥籽粒產量重要形成時期，凈光合速率、葉面積、光合有效輻射3種光合優勢因子有機結合，共同促進旗葉高效地進行光合作用，將太陽能轉化為有機物轉運到小麥籽粒中，所以旗葉光合效率的高低，直接影響到硬粒小麥的最終產量。

與普通六倍體小麥一樣，硬粒小麥產量要素也是由單株穗數、每穗粒數和千粒重構成，產量構成三要素既受外界環境影響外，又與硬粒小麥自身的遺傳特性有關[20]，所以前人多是通過精細控制水肥、改變栽培技術、改良種質資源等方式來改變產量要素[21-22]，從而達到提高小麥產量的目的。在本研究中，不同處理后硬粒小麥功能葉的缺失造成光合作用的減弱，光合產物合成受阻，減少了有機物向營養器官的轉運，籽粒的發育受到了影響。從本研究結果可以看出，不同處理下千粒重都比正常對照低，因此，硬粒小麥籽粒產量降低的主要原因就是千粒重的降低造成的。旗葉處理后，3個材料千粒重平均比對照下降了12.15%，倒2葉和倒3葉處理后千粒重平均分別比對照下降了6.75%和4.19%，表明在灌漿期旗葉對硬粒小麥籽粒產量的影響遠大于其他功能葉，因而開展旗葉功能的光合研究和提高旗葉光合效率是提高硬粒小麥產量的有效途徑。

目前，我國的普通小麥產量已經取得了巨大的進步，達到了發達國家產量水平，2020年全國多地都出現了冬小麥高產記錄，最高產量突破到12840 kg/hm2，但硬粒小麥的產量多年未取得進展，產量僅為普通高產小麥的一半，通過傳統育種手段實現硬粒小麥增產已經不是很明顯。盡管我國有大面積的硬粒小麥適生區，生長環境優越，但是因為產量原因種植面積很小，極大制約了我國高端面粉產業的發展。硬粒小麥光合速率低于六倍體普通小麥[23]，作為C3作物存在明顯的光午休現象[24]，通過改變這些不足都可以有效地提高硬粒小麥的光合效率，從而提高小麥的產量。因此，硬粒小麥在抗倒、優質、抗病等傳統育種的基礎上，應借助高光效育種手段，提高種質資源的光合能力，利用雜交改良提高子代的對光的截獲和利用能力，降低光午休和光呼吸等負作用，高效率地將光能轉化為化學能貯存在營養器官里起來，從而達到硬粒小麥增產的目的。

4 結論

3個硬粒小麥材料旗葉的凈光合速率、葉面積和接收到的光合有效輻射均明顯高于倒2葉和倒3葉，是小麥灌漿期的主要光合器官。旗葉的光合作用對產量的影響最為明顯，旗葉光合作用的降低會造成籽粒千粒重的降低，最終影響到硬粒小麥產量。因此，硬粒小麥的高光效育種應該首先對旗葉進行改良，提高灌漿期旗葉的光能利用率，選育高光效種質資源，再結合傳統的選育手段，從而提高硬粒小麥的產量。