基于因子和聚類分析的7個烤煙品種光合性能研究

陳小翔 劉化冰 江智敏 徐志強 李波

摘 要：目的：對7個烤煙品種成熟期葉片的光合性能進行評價。方法：采用CIRAS-3光合系統測定不同烤煙品種成熟期葉片的光合參數并進行統計分析。結果：因子分析提取的3個因子可以概括95.74%的光合參數信息，因子1主要受蒸騰速率（Tr）、水分利用效率（WUE）、水蒸氣壓虧缺（VPD）的影響;因子2主要受凈光合速率（Pn）、1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）的影響;因子3主要受胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）的影響。供試品種均表現出較高的因子1得分和較低的因子2得分，云煙87光合因子綜合得分最高，貴煙2號光合因子綜合得分最低?？焖倬垲惡投嘀乇容^將所有材料分為3類，其中云煙87、湘煙6號和NX211受因子1影響較大，水分散失作用較明顯，而貴煙2號、云煙116、RY21受因子2影響較大，2個因子對云煙121的作用均比較明顯。結論：成熟期南陽7個烤煙品種對于水分利用率不同，在栽培措施的制定過程中需注意不同品種成熟期的水分管理。

關鍵詞：烤煙;品種;光合作用;聚類分析;抗逆酶活性

中圖分類號 S572 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）05-0045-06

Abstract： Objective： The photosynthetic performance of the leaves of 7 flue-cured tobacco cultivars at the mature stage was evaluated. Method： The CIRAS-3 photosynthetic system was used to determine the photosynthetic parameters of the leaves of different flue-cured tobacco varieties at maturity stage and statistically analyzed. Result： The three factors extracted by factor analysis can summarize 95.74% of the photosynthetic parameter information， factor 1 is mainly affected by transpiration rate（Tr）; water use efficiency（WUE）; water vapor pressure deficit（VPD）; factor 2 is mainly affected by net photosynthetic rate（Pn）; 1，5-diphosphate ribulose carboxylase/oxygenase（Rubisco）; factor 3 is mainly affected by intercellular CO2 concentration（Ci）; stomatal conductance（Gs）; all tested varieties Shows a higher score for factor 1 and a lower score for factor 2. Yunyan 87 has the highest comprehensive score for photosynthetic factors， and Guiyan 2 has the lowest comprehensive score for photosynthetic factors; rapid clustering and multiple comparisons divide all materials into 3 categories， among which Yunyan 87. Xiangyan 6 and NX211 are more affected by factor 1， and the effect of water loss is more obvious， while Guiyan 2，RY21 and Yunyan 116 are more affected by factor 2. Conclusion： The effects of the two factors on Yunyan 121 are more obvious. Studies have shown that the seven flue-cured tobacco varieties in Nanyang during the maturity stage have different water use efficiency， and it is necessary to pay attention to the water management of different varieties in the maturity stage during the formulation of cultivation measures.

Key words： Flue-cured tobacco; Cultivars; Photosynthesis; Cluster ingestion; Anti-stress enzyme activity

煙草（Nicotiana tabacum L.）是葉用經濟作物，其營養生長較生殖生長更受關注[1]。有研究表明，煙草的生長對周圍光環境的變化較為敏感，是一種喜光植物[2]。光是植物生長和發育的能量來源，光合作用作為植物體內最為重要的代謝過程之一[3]，與煙草生長及發育、產量和品質的形成密切相關[4]。近年來，煙草光合作用的研究主要集中于逆境生理[5-11]、不同種植模式對煙草光合特性的影響[12-17]、特定基因表達對光合特性的影響[18-23]、品種光合特性[24-25]等方面，而缺乏煙草品種間光合特性的系統比較研究。

本研究將因子分析與聚類分析相結合，對南陽7個烤煙品種的光合性能進行評價，綜合分析不同光合參數對煙草光合性能的作用和影響，并與抗逆相關酶活性進行相關性分析，以期篩選出適宜南陽種植的烤煙品種，為南陽市烤煙品種制定合理的栽培措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗于2019年在河南省南陽市方城縣進行，以云煙87、貴煙2號、湘煙6號等7個烤煙品種為供試材料（表1）;煙株按行距120cm、株距50cm的方式種植。土壤肥力中等，地面平整，排灌方便。

1.2 試驗方法 于2019年8月中旬（成熟期）在氣候相對一致，且晴朗無風的9：00—11：30，隨機選取長勢相對一致的供試材料，取其功能葉片（頂部倒數第3片功能葉）進行測試。各品種選取有代表性的植株各5株，每株重復測定3次，取其平均值。

1.3 測定項目與方法 （1）光合參數：采用CIRAS-3便攜式光合作用測定儀（PP-systems，英國）測定葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2（Ci）等光合參數;測定環境條件嚴格控制，其中光強（PAR）設定為1000μmol/（m2·s），CO2摩爾分數為390μmol/mol，溫度控制在25℃。以連續測定10個循環的平均值作為測試值。（2）酶活性：取測定光合參數的葉片，使用北京索萊寶科技有限公司提供的試劑盒測定1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）及丙二醛（MDA）的活性。

1.4 數據處理 試驗數據采用R語言、SPSS 20.0、Excel 2016進行統計分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 供試烤煙品種葉片光合參數特征 由表2可知，供試烤煙各品種之間的葉片光合參數存在顯著性差異，其中云煙121的凈光合速率（Pn）及氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、1，5-二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）均顯著高于其他供試品種。貴煙2號除水蒸汽壓虧缺（VPD）外，其他光合參數均顯著低于其他供試品種。云煙87的氣孔導度（Gs）、RY21的胞間CO2濃度（Ci）、湘煙6號的蒸騰速率（Tr）分別顯著高于其他供試品種的。

2.2 供試烤煙品種葉片生理特性 通過對7個煙草品種葉片CAT、POD、SOD和MDA酶含量進行分析，結果表明，云煙87和云煙121中CAT、POD酶含量最高，MDA含量最低，與其他品種之間存在顯著差異;貴煙2號、云煙116和RY21中CAT、POD含量最低，MDA含量最高，與其他品種間存在顯著性差異（見圖1）。

2.3 光合參數的主成分分析 依靠不同烤煙品種的葉片光合參數，通過主成分分析確定對光合能力有顯著影響的因素。在光合參數的主成分圖中（圖2）表明，前3個主成分（IPC1、IPC2、IPC3）的方差累計貢獻率達95.74%。第一主成分占比62.04%，Pn、Gs、Tr、Rubisco對IPC1有較強的正向負荷，Tr、VPD對IPC1有較強的逆負荷;第二主分占比26.97%;主要由Pn、Gs、Ci、VPD、WUE、Rubisco構成正向負荷;第三成分占比6.72%，主要由Pn、Gs、Ci、Tr、WUE構成正向負荷。

2.4 主要光合性狀的聚類分析

2.4.1 凈光合速率 通過凈光合速率的聚類分析結果表明（表3），當聚類數為3時，各類群之間的差異達到顯著水平。A類為中等凈光合速率類型，有3個品種云煙87、湘煙6號、NX211;B類為高凈光合速率類型，主要為云煙121品種;C類為低凈光合速率類型，包括貴煙2號、云煙116、RY21。

2.4.2 氣孔導度 當聚類為3時，各類群之間存在顯著差異（表4）。A類為中等氣孔導度類型，包括云煙87、湘煙6號、NX211;B類為低氣孔導度類型，包括貴煙2號、云煙116、RY21;C類為高氣孔導度類型，只有云煙121這1個品種。

2.4.3 胞間CO2濃度的聚類分析 以胞間CO2濃度為依據進行聚類分析（表5），將材料分為3類，A類為低胞間CO2濃度，包括云煙87、貴煙2號;B類為中等胞間CO2濃度，包括湘煙6號、RY21、云煙116、NX211;C類為高胞間CO2濃度，只有云煙121這1個品種。

2.4.4 蒸騰速率 當聚類數為4時，各類群之間存在顯著差異（表6）。A類為中等蒸騰速率類型，包括云煙87、貴煙2號、云煙116;B類為中等蒸騰速率類型，包括云煙121、NX211;C類低蒸騰速率類型，為RY21品種;D類為高蒸騰速率類型，為湘煙6號。

2.4.5 水分利用效率 通過水分利用效率的聚類分析（表7），將煙草品種分為2類，A類為低水分利用效率，包括云煙87、云煙121、湘煙6號、NX211、貴煙2號、云煙116;B類為高水分利用效率，為RY21品種。

2.4.6 水蒸氣壓虧缺 通過水蒸氣壓虧缺的聚類分析（表8），當聚類數為3時，各類群之間存在顯著差異。A類為中等水蒸氣壓虧缺，包括云煙87、云煙121、貴煙2號、云煙116、NX211;B類為高水蒸氣壓虧缺，為湘煙6號;C類為低水蒸氣壓虧缺，為RY21。

2.4.7 1，5-二磷酸核酮糖羧化酶 通過1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的聚類分析（表9），將7個品種分為3類。A類為云煙87、云煙121;B類為湘煙6號、NX211;C類為貴煙2號、RY21、云煙116。

2.5 7個主要光合性狀的聚類分析 利用凈光合效率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、水分利用效率（WUE）、水蒸氣壓虧缺（VPD）、1，5-二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）等7個光合參數對煙草品種進行聚類分析（圖3），可將其分為3類。A類包括云煙87、湘江6號、NX211等3個品種，具有低水蒸氣壓虧缺、1，5-二磷酸核酮糖羧化酶含量高、蒸騰速率高，水分利用效率低等特點;B類包括云煙121這1個品種，高凈光合效率，高胞間CO2濃度，氣孔導度大等特點;C類包括貴煙2號、云煙116、RY21等3個品種，具有低凈光合速率、低蒸騰速率、高水分利用效率、高水蒸氣壓虧缺和1，5-二磷酸核酮糖羧化酶含量低等特點。

2.6 光合參數與抗逆酶活性的相關性 對光合參數和抗逆酶活性進行Pearson相關性分析，結果如圖4所示。圖中求得顏色為藍色，說明2個參數之間存在正相關，若為紅色，則為負相關，且顏色越深或球的面積越大表示相關性越強。圖中如果參數之間顯示球體，則表明相關性已達到顯著水平，不顯示球體則表明未達到顯著水平。凈光合速率（Pn）與氣孔導度（Gs）、1，5-二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）、胞間CO2濃度（Ci）極顯著正相關，對應為藍色球體，與水蒸氣壓虧缺（VPD）、水分利用效率（WUE）、丙二醛酶（MDA）存在極顯著負相關，因此為紅色球體。氣孔導度（Gs）與胞間 CO2濃度（Ci）和1，5-二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）存在極顯著正相關。蒸騰速率（Tr）與水蒸氣壓虧缺（VPD）、丙二醛酶（MDA）存在極顯著負相關，與水分利用效率（WUE）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）;超氧化物歧化酶（SOD）之間存在極顯著正相關。水蒸氣壓虧缺（VPD）與二醛酶（MDA）存在極顯著正相關，與水分利用效率（WUE）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）;超氧化物歧化酶（SOD）之間存在極顯著負相關。水分利用效率（WUE）與過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）;超氧化物歧化酶（SOD）存在極顯著正相關。

2.7 供試烤煙品種葉片光合參數的因子分析

2.7.1 因子分析適宜性檢驗 KMO統計量和Bartlett′s球形檢驗結果顯示KMO=0.52，Bartlett′s球形檢驗卡方統計量=282.09，單側P=0.00，所用數據適合做因子分析（表10）。

2.7.2 公因子提取 因子分析結果解釋的總方差見表11。根據初始特征值大于1，因子累計貢獻率大于93%，提取到2個因子。經方差極大正交旋轉后的因子荷載矩陣見表12。各變量在主因子上的負荷顯示：因子1（F1）中Gs、Tr具有較大的正載荷，VPD具有較大的負載荷;因子2（F2）中WUE、CE具有較大的正載荷。說明提取到的因子1主要受Gs、Tr和VPD影響，而因子2主要受WUE和CE影響。由此可見，因子1主要體現植物的“水分散失“，而因子2主要體現植物的”水分利用“，即植物體內的水分利用調節能力。

2.7.3 公因子得分 根據表13中的因子得分矩陣，獲得旋轉后的各因子線性組合表達式（1）、（2），并根據表4的方差貢獻率按（3）計算各烤煙品種葉片光合參數的因子得分，結果見表14。

由表14可知：供試品種均表現出較高的因子1得分，而因子2得分則相對較低，說明供試烤煙品種在成熟期均表現出較高的水分散失性能，其氣孔導度、蒸騰速率較高，但水分利用率較低。其中，貴煙2號的光合因子綜合得分最低，因子1得分最低，因子2得分相對較高，表明其水分利用率較高，節水抗旱性可能相對較高;云煙87與之相反，光合因子綜合得分最高，其在成熟期節水抗旱性能可能相對較弱。

3 討論

植物的光合能力受環境和遺傳因素的雙重制約，環境的改變、品種基因型的差異都是導致光合性能差異的主要原因[3]。煙草生物學產量的90%～95%來自于光合作用產物，葉片占全株光合面積的92%左右，葉片是作物進行光合作用的最主要場所，并且栽培煙草的目的主要是收獲其葉片。作物的光合特性往往與產量性狀相聯系且是穩定遺傳的，提高煙草光合性能是提高煙葉產量和品質的基礎[26-27]，優越的光合特性也可以作為選育及評價的新品種的指標之一。

關于煙草品種光合特征分析的報道主要集中于不同類型[28]方面，而本研究對南陽不同烤煙品種葉片的光合性能進行了系統比較研究，更具有地方代表性和實際指導意義。研究結果顯示：不同烤煙品種在凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）等光合參數間差異較大，這與朱列書[29]的研究結果相似，煙草的光合特性與基因型密切相關。此外，研究發現供試烤煙品種受水蒸汽壓虧缺（VPD）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、水分利用率（WUE）等水分相關因子的影響較大，這可能與成熟期烤煙葉片凈光合速率下降有關[28]?？緹煿夂弦蜃泳C合得分以云煙87最高，表明成熟期云煙87水分散失嚴重可能會表現出較強的耗水能力，供水不及時會導致葉片成熟度不夠。貴煙2號綜合得分最低，說明其在成熟期有較高的水分利用率，抗旱能力相對較強，不易受到干旱脅迫。聚類分析顯示：湘煙6號、NX211與云煙87分為同一類型，說明上述品種與云煙87在成熟期有相近的光合特性，而云煙116與貴煙2號、RY21類似。因此，在品種引進篩選時需注意成熟期水分管理工作。

4 結論

云煙87、貴煙2號、湘煙6號等7個烤煙品種的光合性狀之間存在顯著差異。凈光合速率與氣孔導度、胞間CO2濃度及蒸騰速率之間存在極顯著正相關，與水分利用效率、水蒸氣壓虧缺存在極顯著負相關。7個烤煙品種以7個光合參數通過因子與聚類分析可分為3類，其中云煙87、湘煙6號和NX211在成熟期水分散失作用較明顯，耗水能力較強;貴煙2號、云煙116、RY21有較高的水分利用率，抗旱能力較強;云煙121受2個因子共同影響，其在成熟期光合性能中水分利用與散失特征不明顯。

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