不同基因型綠豆光合特性分析

申慧芳，郭 鋒

（1.山西農業大學基礎部，山西太谷030801；2.山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

綠豆是我國的主要雜糧作物之一，其在全國各地均有種植，不僅在種植業結構調整和現代高效農業發展中占據重要作用，而且其籽粒營養豐富，除具有較高的食用價值外，還具有較高的藥用價值和保健作用，可作為藥食同源雙重功效的食品資源，在現代保健功能型食品開發中占有重要地位[1-3]。我國是全球主要的綠豆生產國和出口國，綠豆是我國傳統出口創匯豆種。近年來，國內消費和國際市場的需求量持續增加，產品附加值不斷提高，綠豆成為農民脫貧致富的首選作物[4-7]。光合作用是作物生長發育和干物質形成過程的重要生理基礎，光合能力的強弱是作物產量形成的物質基礎，光合速率則是衡量光合作用程度的常用指標。葉綠素是存在植物體內進行光合作用的光敏催化劑，其含量的多少直接反映植物光合能力的大小[8-11]，而高光合速率的品種能夠提高光合利用效率和單位面積產量[8，12]。

此外，凈光合速率的大小可以反映植物葉片光合同化作用的強弱；胞間CO2濃度的變化方向是確定光合速率變化的主要原因；蒸騰速率可以用來衡量植物在一定時間內蒸騰作用，蒸騰作用通過植物根部吸收水分，促進植物對礦物質與有機物運輸，降低葉片溫度，因此蒸騰作用對植物生產發育具有重要作用；氣孔導度表示氣孔張開的程度，直接影響胞間CO2濃度和蒸騰速率的大小，從而影響光合速率；水分利用效率表示單位蒸騰耗水量的光合作用量或生長量，同時也是反映植物耐旱性的一個有效指標，其值越高，表明在同等耗水量的情況下，作物生產效率越高，產量越高[8]。

高小麗等[9]對4個不同基因型綠豆葉片光合性能的研究發現，在開花結莢期間，較高的葉綠素含量和功能葉片的光合生產能力對籽粒產量形成具有重要作用。李松雪[13]研究發現，綠豆產量與結莢期葉片凈光合速率呈現出顯著的正相關，與鼓粒期葉片凈光合速率呈現極顯著的正相關水平，說明雖然結莢期葉片凈光合速率對產量形成的影響較大，但鼓粒期葉片凈光合速率與產量形成更為密切。但是，也有研究表明[12]，綠豆產量與光合速率在結莢盛期呈不顯著正相關，在盛花期和鼓粒盛期則分別呈極顯著和顯著正相關。在種質資源評價上，經常利用主成分和聚類分析法來對作物不同品種進行綜合評價[14-18]，一些研究者利用主成分及聚類分析對不同品種綠豆資源的農藝性狀和光合特性進行了評價分析[8，14，19-21]。

本試驗選取32個不同基因型的綠豆品種為材料，于開花結莢期研究不同基因型綠豆的葉綠素含量和光合生理特性，并對這些光合生理指標進行相關性分析、主成分分析和聚類分析，旨在評價篩選出高光合效率的綠豆種質資源，為綠豆優良品種選育與高效栽培提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗共選用32份不同基因型綠豆品種（表1），分別由河北省農林科學院、河北省張家口市農業科學院、江蘇省農業科學院、山西農業大學（山西省農業科學院）高粱研究所和基礎部雜糧誘變育種課題組提供。

表1 供試綠豆品種

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組排列，3次重復，2020年在山西農業大學太谷校區附近桃園堡村農田進行。小區面積為8 m2（2 m×4 m），6行區，行距0.33 m，人工進行分行條播，播后覆土鎮壓。于5月20日播種，苗齊后單株定苗，株距0.25 m。試驗地肥力中等，整個生育期管理同大田。

1.3 測定項目及方法

將采集的鮮樣葉片切成細絲，用95%的乙醇進行提取，參照文獻[22]的方法進行葉綠素含量的測定。

在開花結莢期，用yaxin-1101型便攜式光合儀，選擇晴天于8：30—11：00測定地上部完全伸展功能葉（倒3葉復葉中間小葉）[23-24]的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci），并計算水分利用效率（WUE）[8，10，23]。每個重復隨機選取5株，取其平均值。

1.4 數據分析

每個處理的指標值均為3次重復的算術平均值，采用Microsoft Excel 2010對試驗數據進行整理，采用SPSS 25.0統計軟件進行相關性和聚類分析。對供試的32個綠豆品種之間的Chl、Pn、Tr、Gs、Ci和WUE，共6個指標先進行相關分析，數據進行標準化和正向化處理后，進行主成分分析，得到特征值、方差貢獻率、累計方差貢獻率及特征向量，獲得各品種各主成分得分和綜合得分，再采用歐氏距離法進行聚類分析得到樹狀圖。

2 結果與分析

2.1 不同基因型綠豆葉片葉綠素含量及光合指標分析

不同基因型綠豆葉片葉綠素含量如表2所示，開花結莢期不同綠豆品種間葉綠素含量差異較大，差異性方差分析發現（表3），品種間差異達極顯著水平（P＜0.01），32個綠豆品種葉片的葉綠素含量的變幅為0.77～1.47 mg/g，大部分品種葉綠素含量在1.00～1.20 mg/g，32個品種葉綠素含量的均值為1.18 mg/g，變異系數為14.22%。其中，葉綠素含量較高的品種依次為明綠8號＞霸縣綠豆＞張綠1號，明綠8號葉綠素含量高達1.47 mg/g，分別比含量較低的同綠1號和保綠942高47.51%和42.53%。

由表2可知，不同品種間光合生理指標差異較大，品種間差異達極顯著水平（表3）。Pn、Tr、Gs和Ci平均值分別為12.28 μmol/（m2·s）、4.10 mmol/（m2·s）和196.67 mmol/（m2·s）、296.11 μmol/mol，變異系數分別為28.98%、20.53%、26.54%和10.38%；32個綠 豆 品 種 中，Pn、Tr、Gs和Ci的 最 大 值 分 別 為17.62 μmol/（m2·s）（C5635）、5.57 mmol/（m2·s）（明綠8號）、317.33 mmol/（m2·s）（明綠8號）和358.4 μmol/mol（保綠942），分別比4個相應指標的最小值高68.73%（蘇綠5號）、55.12%（張綠2號）、64.23%（晉綠7號）和37.75%（張綠2號）。

表2 不同基因型綠豆光合指標值

續表2

此外，不同品種間綠豆葉片WUE有所差異，而且有的品種間差異較大。由方差分析可知（表3），WUE的F值為13.046，P值小于0.01，說明不同品種綠豆之間的WUE差異極顯著。WUE排名前3的品種依次為張綠2號＞C5635＞保綠942，其中，最大值是最小值的5倍。

表3 不同品種綠豆光合性狀方差分析

2.2 光合生理指標之間相關性分析

由綠豆葉片Chl、Pn、Tr、Gs、Ci和WUE之間的相關分析（表4）可知，Pn與Chl含量呈顯著正相關，與Tr、Gs和WUE呈極顯著正相關，與Ci呈極顯著負相關；Tr與Gs呈極顯著正相關，與Ci濃度呈顯著正相關；Ci與WUE呈極顯著負相關。

表4 不同光合生理指標間相關性分析

2.3 光合生理指標主成分分析與聚類分析

主成分分析結果顯示（表5），前3個主成分的累積貢獻率已達到96.076%，即可代表綠豆光合特性，其中，第1主成分占43.8071%，Tr是第1主成分的主要因子，為正載荷；第2主成分占38.2912%，Chl和WUE是第2主成分的主要因子，Chl有較強的正載荷，WUE有較強的負載荷；第3主成分占13.9778%，Pn和Gs是主要因子，Gs為較強的負載荷，Pn有較強的正載荷。

表5 不同光合生理指標主成分分析

將不同品種綠豆的前3個主成分分析因子得分通過加權特征值計算獲得綜合得分，不同品種綜合得分排序結果如表6所示，綜合得分排在前3位的品種分別為明綠8號、晉綠4號和冀綠0810，表明這3個品種的綜合光合性狀較優，且明綠8號光合性能最優。

表6 基于主成分分析的不同綠豆品種間光合性狀綜合比較

結合相關性與主成分分析可以得出，Chl、Pn、Tr以及WUE是綠豆光合特性的主導因子，利用這4個光合指標對32個綠豆品種進行聚類分析，結果如圖1所示。

由圖1可知，當把分類截值定在10時，可以將32個不同基因型綠豆品種分為4類：第1類只含1個品種（張綠2號），為高水分利用率、高葉綠素含量、中等光合速率和低蒸騰速率品種；第2類為中等水分利用率、中等葉綠素含量、高光合速率和高蒸騰速率，包含15個品種（鸚哥6號、蘇綠2號、黑綠豆（張家口）、早2、冀綠0810、C5635、霸縣綠豆、冀綠7號、同綠1號、保德9815、明綠5號、明綠8號、中科5號、晉綠4號和晉綠2號）；第3類為低水分利用率、中等葉綠素含量、中等光合速率和中等蒸騰速率，包含13個品種（蘇黑綠2號、黃綠豆（張家口）、冀黑綠0506、冀綠13號、晉綠6號、晉綠7號、灘綠116、晉綠8號、隰縣綠豆、冀綠8902-19、冀綠9號和晉綠3號）；第4類為低水分利用率、低葉綠素含量、低光合速率和高蒸騰速率，包含3個品種（蘇綠5號、保綠942和冀綠1號）。

3 結論與討論

本研究中，不同綠豆品種之間光合生理指標參數存在顯著差異，相關性分析發現，本研究所用的綠豆品種葉片Pn與Chl、Tr、Gs和WUE呈顯著或極顯著正相關，與Ci呈極顯著負相關，與段義忠等[8]、高小麗等[9]的研究結論相似。但王營營等[14]研究發現，Pn與Gs、Tr、Ci呈極顯著正相關，與WUE無顯著相關性，研究結果不盡一致的原因可能與所用品種類型的生長習性及生長環境有關。

利用主成分分析對綠豆不同品種進行綜合評價已有報道，王營營等[14]對3種不同生長習性的18個綠豆品種的光合性狀指標進行了主成分分析，結果表明，Tr和WUE為2個主成分的主導因子，對綠豆光合性狀劃分起主要作用；對不同品種主成分綜合得分進行聚類分析，消除了光合指標間相關性的影響，結果表明，與通過單一的凈光合速率指標評價相比更為準確。故本研究對32個綠豆品種的光合性狀指標（Chl、Pn、Tr、Gs、Ci和WUE）進行主成分分析，發現Chl、Pn、Tr以及WUE是影響綠豆光合特性的主導因子；由聚類分析結果可知，32個綠豆品種分為4類。值得注意的是，主成分分析綜合排名前3的品種依次為明綠8號、晉綠4號和冀綠0810，且在聚類分析中聚為一簇，表明這3個品種光合性能較高，在育種中可作為優質種質資源來培育高光合速率的綠豆品種。此外，植物葉片水分利用效率植物光合、蒸騰特性可作為反映植物耐旱性的有效指標，在相同條件下，水分利用效率高的植物固定單位數量CO2所需水量少，其抗旱能力強[9]。本研究發現，張綠2號、C5635、冀綠7號（J7）晉綠2號（JL2）等品種水分利用率較高，可以考慮用作抗旱性品種選育的種質資源。

本研究對32個綠豆品種花莢期葉片的Chl、Pn、Tr、Gs、Ci和WUE等光合生理指標的差異性分析結果表明，不同綠豆品種之間光合性能差異較大。統計分析表明，明綠8號、晉綠4號和冀綠0810綜合光合性能表現較為突出，可作為選育優質高產綠豆新品種首選親本材料，同時張綠2號可在綠豆抗旱育種中作為親本材料進行改良。