含斑茅血緣甘蔗親本葉片葉綠素熒光特性的研究

邱永生　王勤南　周峰　陳俊呂　劉壯　許環(huán)映　常海龍　張偉　劉少謀

摘 要 為了探究含斑茅血緣甘蔗親本的光合特性，本研究利用葉綠素熒光技術(shù)研究了含斑茅血緣甘蔗親本的葉片葉綠素熒光特性，為含斑茅血緣甘蔗親本抗逆性評價及含斑茅血緣甘蔗品種的選育研究奠定基礎。結(jié)果表明：含斑茅血緣甘蔗親本具有較強的實際光能捕獲效率，能將所捕獲的光能更多地利用于光化學反應，具有較強的光能利用效率、較低的最大電子傳遞速率、較低的最小飽和光強和強光耐受能力，具有較強的光合作用原初光能捕獲效率，較多的ATP和NADPH形成，為碳同化提供充分的能量和還原能力，但其光合機構(gòu)自我保護能力較弱，在光能過剩時用于熱耗散的比例較少。

關鍵詞 斑茅；甘蔗；親本；葉綠素熒光特性

中圖分類號 S566.1 文獻標識碼 A

Abstract The chlorophyll fluorescence characteristics of the leaves of sugarcane with consanguinity of E.arundinaceus were studied to evaluate the stress resistance of sugarcane parents containing consanguinity of E.arundinaceus， and to selectand breed sugarcane varieties containing consanguinity of E. arundinaceus. The results showed thatthe sugarcane containing consanguinity of E. arundinaceus had stronger practical light capture efficiency，and more light was used for photochemical reaction；They had stronger light use efficiency，lower maximum electron transfer rate，weaker ability tolerance on minimum saturation light intensity and strong light；They had stronger primary light capture efficiency in photosynthesis，more ATP and NADPH were produced in the leaves， thus providing sufficient energy and reducing power for carbon assimilation. But the self-protection ability of photosynthetic apparatus was weaker，and the ratio used for heat dissipation was less when the light was excessive.

Key words E. arundinaceus；Sugarcane；Parental；Chlorophyll fluorescence characteristics

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.07.011

光是影響光合作用最重要的因素，光合作用是植物生長和發(fā)育的基礎，是衡量作物光合生產(chǎn)力的重要指標，是決定作物產(chǎn)量和品質(zhì)構(gòu)成的主要因素[1]。由于植物生存條件的不同，所處的光環(huán)境往往是有差異的，光環(huán)境的優(yōu)劣對光能利用效率和作物生產(chǎn)力起著決定性作用[2]。自1960年Kautsk發(fā)現(xiàn)葉綠素熒光產(chǎn)量的變化之后，相關學者就開始通過對葉綠素熒光產(chǎn)量進行研究來獲得植物光合性能信息。經(jīng)過50多年的研究，產(chǎn)生了葉綠素熒光動力學技術(shù)，通過對水稻[3-4]、玉米[5]、小麥[6-7]、番茄[8]、茶葉[2]、橡膠樹[9]、夾竹桃[10]、珊瑚樹[10]、林木[11]等的研究，發(fā)現(xiàn)在測定葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對光能吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用，并在環(huán)境脅迫條件下對植物光合作用、作物增產(chǎn)潛力預測和環(huán)境保護等方面起重要應用。

斑茅（S. arundinaceum Retz）是甘蔗的近緣屬植物，具有生長旺盛、抗旱耐貧瘠、抗病抗蟲性強、適應性廣、生態(tài)競爭能力強等優(yōu)異性狀。因此，斑茅越來越受到國內(nèi)外甘蔗界育種家的重視，期望通過甘蔗與斑茅的遠緣雜交，將斑茅的特異性狀導入甘蔗，尋求甘蔗育種新的突破。廣州甘蔗糖業(yè)研究所海南甘蔗育種場從20世紀50 年代中期開始進行斑茅與甘蔗的遠緣雜交利用研究，但直到2001年才突破甘蔗與斑茅雜交第1代雜種（F1）雜交不孕的難題，獲得第2代雜種（BC1），2003年成功育成一批第3 代雜種（BC2）。現(xiàn)已將回交世代推進到BC5及保存了大量的育種中間材料，并已篩選出農(nóng)藝性狀較優(yōu)的含斑茅血緣的甘蔗優(yōu)良親本，供給全國各育種單位利用。目前，國內(nèi)外對影響甘蔗常用親本光合作用的因素及其相互關系的研究報道不少[12-16]。但是，關于含斑茅血緣親本與甘蔗常用親本葉綠素熒光特性方面的研究少有報道。因此，筆者采用葉綠素熒光分析技術(shù)，分析了含斑茅血緣親本與甘蔗常用親本之間的光合能力差異性，以期為含斑茅血緣甘蔗品種選育、栽培或抗逆品種鑒定和篩選提供相應的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗時間、地點 本試驗于2013年8月在廣州甘蔗糖業(yè)研究所海南甘蔗育種場（農(nóng)業(yè)部廣東甘蔗種質(zhì)資源與利用科學觀測實驗站）的大田甘蔗親本圃進行。

1.1.2 試驗材料 供試材料為甘蔗親本CP72-1210、粵糖93-159及含斑茅血緣甘蔗親本崖城07-71、崖城06-166和崖城04-55，選擇生長狀況基本一致的植株，設3個重復，每個重復3株，每株選擇相同部位，用于葉片測量。

1.2 方法

于2013年8月26日采用PAM-2500便攜式熒光儀（德國Walz公司）測定葉綠素熒光動力學參數(shù)。選擇晴朗無雨的晚上19：00～22：00進行測量，0～40 s用小于0.05 μmol/（m2.s）的測量光照射葉片，測定Fo值，后用9 000 μmol/（m2.s）的飽和脈沖光照射0.8 s，測定Fm，用公式Fv/Fm計算暗適應葉片PSⅡ最大光化學潛力；然后，打開測量光合作用光[380 μmol/（m2.s）]使其成60°角照射在所測葉片上，每隔20 s照射1次飽和脈沖光，測量Fm，導出報告文件記錄光適應葉片最大熒光（Fm）、最小熒光（Fo）、 可變熒光（Fv）、電子傳遞速率（ETR）、光化學熒光猝滅（qP）和非光化學熒光猝滅（qN）。利用以下熒光參數(shù)公式計算出相應指標：PSⅡ最大光化學潛力（Fv/Fm），PSⅡ潛在光化學效率（Fv/Fo），PSⅡ有效光化學效率（Fv′/Fm′）=（Fm′-Fo′）/Fm′，則PSⅡ吸收光能分配百分率（Pc）計算公式為：Pc=qPxFv′/Fm′，PSⅡ反應中心非光化學耗散（Ex）計算公式為：Ex=（1-qP）xFv′/Fm′。光響應曲線參數(shù)（Light Curve）包括α（光能利用效率）、ETRm（最大電子傳遞效率）、Ik（最小飽和光強）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Eilers and Peeters（Ecological Modelling 42（1988）199-215）公式對光響應曲線參數(shù)α、ETRm、Ik進行光響應曲線擬合計算。所有數(shù)據(jù)均取9次數(shù)據(jù)的平均值，并用SPSS軟件的Duncan鄧肯氏測驗后，用Excel軟件作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同甘蔗親本葉片葉綠素熒光參數(shù)比較

由表1可知，不同甘蔗親本葉片的Fo和Fm之間差異不顯著，其中，F(xiàn)o平均值表現(xiàn)為粵糖93-159>崖城04-55>崖城06-166>崖城07-71>CP72-1210；Fm平均值表現(xiàn)為崖城04-55>粵糖93-159>崖城06-166>崖城07-71>CP72-1210。不同甘蔗親本葉片F(xiàn)v/Fm、Fv和Fv/Fo之間差異顯著，其中崖城04-55、崖城06-166的Fv/Fm和Fv/Fo與CP72-1210差異顯著，崖城04-55、粵糖93-159的Fv與CP72-1210 差異顯著。

2.2 不同甘蔗親本光響應曲線參數(shù)比較

由表2可知，不同甘蔗親本光響應曲線參數(shù)α和ETRm之間差異顯著，其中崖城07-71的參數(shù)α與粵糖93-159差異顯著，平均值表現(xiàn)為崖城07-71>崖城06-166>崖城04-55>CP72-1210>粵糖93-159；CP72-1210的參數(shù)ETRm與崖城06-166差異顯著，平均值表現(xiàn)為CP72-1210>崖城04-55>粵糖93-159>崖城07-71>崖城06-166。不同甘蔗親本的參數(shù)IK間則差異不顯著，平均值表現(xiàn)為粵糖93-159>CP72-1210>崖城04-55>崖城07-71>崖城06-166.

2.3 不同甘蔗親本葉片PSⅡ的實際光合量子產(chǎn)量[Y（Ⅱ）]

由圖1可知，光照5 min后從暗處轉(zhuǎn)到光下時，所有親本PSⅡ的實際光合量子產(chǎn)量[Y（Ⅱ）]均升高，后迅速下降，40 s后Y（Ⅱ）開始上升，160 s后趨于穩(wěn)定。Y（Ⅱ）由高到低為：崖城06-166>崖城07-71>粵糖93-159>崖城04-55或CP72-1210（崖城04-55和CP72-1210趨于相同）。

2.4 不同甘蔗親本葉片光化學熒光猝滅系數(shù)（qP）和非光化學熒光猝滅系數(shù)（qN）

由圖2可知，光照5 min后從暗處轉(zhuǎn)到光下時，所有親本qP均升高，后迅速下降，60 s后趨于相對穩(wěn)定。qP由高到低表現(xiàn)為CP72-120或粵糖93-159（CP72-1210和粵糖93-159趨于相同）>崖城07-71>崖城04-55>崖城06-166。由圖3可知，光照5 min后從暗處轉(zhuǎn)到光下時，所有甘蔗親本qN隨著光照時間的延長呈逐漸上升趨勢。160 s后qN由高到低表現(xiàn)為粵糖93-159>崖城04-55>CP72-1210>崖城07-71>崖城06-166。

2.5 不同甘蔗親本葉片調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y（NPQ）和非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y（NO）

由圖4可知，光照5 min后從暗處轉(zhuǎn)到光下時，所有甘蔗親本Y（NPQ）隨著光照時間的延長呈逐漸上升趨勢。160 s后Y（NPQ）由高到低表現(xiàn)為粵糖93-159>崖城04-55>CP72-1210>崖城07-71>崖城06-166。由圖5可知，光照5 min后從暗處轉(zhuǎn)到光下時，所有親本Y（NQ）均較高，后迅速下降，60 s后趨于相對穩(wěn)定。Y（NQ）由高到低表現(xiàn)為崖城06-166>崖城07-71>CP72-1210>崖城04-55>粵糖93-159。

2.6 不同甘蔗親本PSⅡ反應中心能量分配

由圖6可知，光照5 min后從暗處轉(zhuǎn)到光下時，所有甘蔗親本PSⅡ吸收光能分配百分率（Pc）均迅速下降，隨后逐漸上升，80 s后趨于穩(wěn)定。60～100 s，Pc由高到低表現(xiàn)為CP72-1210>崖城07-71>崖城04-55>粵糖93-159>崖城06-166，140 s后Pc由高到低為：粵糖93-159>CP72-1210>崖城07-71>崖城06-166>崖城04-55。由圖7可知，從暗處轉(zhuǎn)到光下時，所有甘蔗親本非光化學耗散（Ex）迅速上升，隨后逐漸下降，100 s后趨于穩(wěn)定。80～200 s，Ex由高到低表現(xiàn)為崖城06-166>崖城04-55>崖城07-71>粵糖93-159>CP72-1210；200 s后Ex由高到低表現(xiàn)為崖城06-166>崖城04-55>崖城07-71>CP72-1210>粵糖93-159。

3 討論與結(jié)論

植物對光能的利用情況可以通過對葉綠素熒光特征變化進行分析獲得[17]。可變熒光（Fv）表示PSⅡ反應中心各指標的大小與PSⅡ中原初電子受體（QA）的氧化還原狀態(tài)密切相關[18]。鄭蓉等[19]對5屬9個竹種的葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm、Fo、Fm、Fv、Fv/Fo進行測定比較發(fā)現(xiàn)，葉綠素熒光參數(shù)在屬間、種間存在較大差異。沈宗根等[20]對3種石斛的葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm、Fo、Fm、Fv、Fv/Fo進行測定比較發(fā)現(xiàn)，美花石斛的Fv/Fm和Fv/Fo值高于春石斛，其在PSⅡ中具有較高的實際光能捕獲效率，可將所捕獲的光能更多地用于光化學反應。王世偉等[21]對5個棗品種的葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm、Fo、Fm、Fv、Fv/Fo進行測定比較發(fā)現(xiàn)，其在棗品種間差異極顯著，其中駿棗Fv/Fm值在參試品種中較高，在耐光抑制和光合能力方面有較明顯的優(yōu)勢。以上結(jié)果表明不同種屬間或品種間的葉綠素熒光參數(shù)存在著差異，影響其在不同逆境條件下的適應能力。本研究結(jié)果表明，崖城04-55、崖城06-166的Fv/Fm和Fv/Fo顯著高于CP72-1210，說明含斑茅血緣甘蔗親本具有較強的實際光能捕獲效率，能將所捕獲的光能更多地用于光化學反應。

光響應曲線反映植物當前狀態(tài)下光合作用的信息[22]。通過對光響應曲線進行擬合，可得到參數(shù)α（光能利用效率）、ETRm（最大電子傳遞速率）和Ik（最小飽和光強，反映對強光的耐受能力）。本研究表明，崖城07-71的α（光能利用效率）顯著高于粵糖93-159，CP72-1210的ETRm（最大電子傳遞速率）顯著高于崖城06-166，說明含斑茅甘蔗血緣親本具有較強的光能利用效率、較低的最大電子傳遞速率、較低的最小飽和光強和較強的強光耐受能力。

Y（Ⅱ）用來反應光下葉片的實際光能轉(zhuǎn)化效率；Ex用來反應PSⅡ反應中心中既不能用于光合電子傳遞也不能用于非光化學耗散的過剩光能[23]；Pc用來反應植物吸收光能用于光化學反應的能量比例。馬瑞娟等[24]對6個桃品種研究發(fā)現(xiàn)，不同桃品種間Y（Ⅱ）值存在顯著性差異。林達定等[25]對芳樟不同無性系的研究表明，各無性系間Y（Ⅱ）差異不明顯，其葉片所捕獲的光能轉(zhuǎn)化為光化學能的效率較低。本研究表明，含斑茅血緣甘蔗親本Y（Ⅱ）值遠大于甘蔗常用親本，具有較強的光合作用原初光能捕獲效率，較多的ATP和NADPH形成，為碳同化提供充分的能量和還原能力，但葉片吸收的光能中用于光化學反應的部分較少。

qN反映的是植物光合機構(gòu)的自我保護能力；qP反映了植物光合活性的高低；Y（NPQ）反應植物通過自身調(diào)節(jié)過剩光能的能力，是光保護的重要指標；Y（NO）是植物光損傷的重要指標[25]。于鳳等[26]研究表明，達烏里胡枝子和紫花苜蓿的qN較高，能耗散掉過剩光能，避免了沙地強光環(huán)境對光合機構(gòu)的破壞，具有較強的光保護能力。賀立紅等[27]對銀杏4個品種葉綠素熒光進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)“順德清暉園銀杏”和“大龍眼”的qN較高，對自身光合機構(gòu)的保護作用較強。史發(fā)猛等[9]研究表明，3個橡膠樹品種中RRIM600的qN、Y（NPQ）、qP都高于其他2個品種，具有較強的光能自我調(diào)節(jié)能力，對環(huán)境有較強的適應能力，在光能過剩時以熱能耗散的光能所占比例較大。本研究結(jié)果表明，含斑茅血緣甘蔗親本在光合機構(gòu)中的自我保護能力較弱，在光能過剩時以熱能耗散的光能所占比例較少。

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