棉花陸海雜交親本及子代光合葉綠素熒光參數分析

王志軍++謝宗銘++董永梅

摘要：以海島棉（新海22號）、陸地棉（自育品系589）和以其為親本配置的正反交雜種F1、F2為試驗材料，大田自然環境條件下，測定花鈴期倒四葉的葉綠素含量、光合參數、葉綠素熒光參數，結果發現，海島棉的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量、Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fm顯著高于陸地棉（P<0.05）；胞間CO2濃度（Ci）、Fo、Y（NO）、Y（NPQ）顯著低于陸地棉（P<0.05）；葉綠素a/b、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、光合速率（Pn）、水分利用效率（WUE）、ETR、qP、NPQ差異不顯著；陸海雜交F1在Fm、NPQ、Y（NPQ）、Fv/Fm等熒光參數表現出中親優勢，葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Ci）、凈光合速率（Pn）、電子傳遞速率（ETR）表現出超親優勢，其余參數均沒有表現出雜種優勢；陸海雜交F2的大部分光合葉綠素熒光參數表現出不同程度的優勢退化，變化較為復雜，這可能與陸海雜交F2代性狀瘋狂分離有關。通過從光合生理方面挖掘陸海雜交后代潛在優勢，以期探明陸海雜交后代光合及葉綠素熒光參數的雜種優勢表現。

關鍵詞：海島棉；陸地棉；光合作用；葉綠素熒光參數

中圖分類號： S562.03文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0134-04

水稻、玉米、油菜等農作物的雜種優勢利用，已取得了巨大的經濟效益和社會效益，棉花雜種優勢是提高棉花產量、改善纖維品質、增強抗逆性的一種有效途徑。陸地棉產量高、適應性廣，但纖維品質性狀不足，海島棉纖維品質優良，但生育期較長、產量低[1]，棉花海陸雜種表現出巨大的雜種優勢：產量高、鈴多而大、品質好。張小全等研究認為海陸種間雜交在株高、果枝數、果節數、單株結鈴數顯著高于陸陸雜交[2]。菲力申等研究認為陸海雜種F1代較親本在產量和品質性狀均具有超親優勢[3-4]。石玉珍等研究認為海陸雜交種纖維長度、伸長率、整齊度和強度等性狀均具有正向優勢[5]。李哲等研究認為，海陸雜交F1代纖維長度、比強度、馬克隆值3大品質性狀均可達到或超過海島棉親本[6]。對于海島棉及陸海雜交棉的光合及葉綠素熒光參數的研究也有較多報道。鄧仲萀等研究認為，陸海雜種的光合速率介于雙親之間，不表現雜種優勢[7]。姜磊等研究認為，棕色棉與白色棉雜交F1的凈光合速率也沒有表現出明顯的雜種優勢[8]。伍維模等研究認為，吐絮期陸地棉對高光強光能的利用能力強于海島棉，而對低光強光能的利用能力弱于海島棉[9]。關于棉花海陸雜種優勢的研究多集中在農藝性狀的優勢表現，而對于光合特性和葉綠素熒光參數雜種優勢表現的研究仍相對較少，本研究將對陸海雜交種光合葉綠素熒光參數的雜種優勢表現進行深入研究。

本研究將以海島棉、陸地棉為親本，測定了親本與正反交雜種F1、F2代，花鈴期倒四葉的葉綠素含量及光合-葉綠素熒光參數，探討陸海雜交后代光合性能及葉綠素熒光特性的雜種優勢表現，以期從光合生理方面挖掘海陸雜交后代的潛在優勢，進一步為棉花利用雜種優勢提供理論依據。

1材料與方法

1.1植物材料

試驗材料為海島棉（新海22號）、陸地棉（自育品系589）和以其為親本配置的正反交后代F1代和F2代，于2013年5—11月在新疆農墾科學院生物技術研究所試驗地（45°19′ N，86°03′ E，10 ℃以上活動積溫為3 570～3 729 ℃，7月份平均氣溫23.9～25.5 ℃）進行，采用隨機區組設計，行長5 m，膜下滴灌栽培，膜寬2.05 m，1膜3管（滴灌帶）6行，株距10 cm，行距20 cm，每材料播種2行，3次重復，田間管理同大田，灌水方式為有壓滴灌。

1.2測定方法和參數

1.2.1光合色素測定當棉花發育至花鈴期，于09：30取倒四葉，每個材料取3張葉，葉綠素的提取與測定采用高俊鳳的方法[10] 。

1.2.2光合參數隨機選取各材料長勢一致的植株掛牌標記，晴天11：00—13：00，使用德國WALZ公司的GFS-3000光合儀，利用自然光強，大氣CO2濃度約為（370±10） μmol/mol，葉室溫度25 ℃，快速測定標記植株倒四葉的凈光合速率[Pn，μmol/（m2·s）]、氣孔導度[Gs，mmol/（m2·s）]、胞間CO2濃度（Ci，μmol/mol）等光合參數、每個材料測10株，分別取平均值。

1.2.3葉綠素熒光參數選擇晴天09：30—13：00 利用德國WALZ公司的MINI-PAM熒光儀，測量上述標記葉片的葉綠素熒光參數，先暗適應30 min，測定暗適應下的初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）得到Fv/Fm，此時打開光化光，可測定對應光強下葉片的實際光量子產量ΦPSⅡ及其他所有的熒光參數，每個材料測10張葉，取平均值。

1.2.4雜種優勢計算

中親優勢率=F1-MPMP×100%；

超親優勢率=F1-HPHP×100% 。

式中：F1為F1代雜交種觀察值；MP為雙親平均值；HP為高值親本觀察值。

2結果與分析

2.1光合色素

由表1可知，589為陸地棉親本，海島棉新海22號為海島棉親本，589×海島棉（F1）為正交F1，海島棉×589（F1）為反交F1，589×海島棉（F2）為正交F2，海島棉×589（F2）為反交F2。海島棉的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量均顯著高于陸地棉品系589（P<0.05），589分別是新海22號的47%、50%、48%。正交F1葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量的中親優勢率為70%、71%、70%，超親優勢率分別為25%、28%、26%。反交F1中親優勢率分別為32%、21%、30%，超親優勢率分別為-3%、-9%、-4%，正交F2的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量分別比F1降低37.52、15.44、31.08百分點，顯著高于589，但顯著低于海島棉（P<0.05），反交F2的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量與F1代差異不顯著，分別降低885、1.64、7.03百分點，但高于父本589，低于海島棉，差異均顯著（P<0.05）。說明海島棉較陸地棉葉綠素含量高，海島棉做父本時，雜種F1代在葉綠素含量方面有較強的雜種優勢，而且正反交之間差異顯著，F2代時，雜種優勢退化顯著，正反交F2之間差異不顯著。親本及雜種后代的葉綠素a/葉綠素b值差異均不顯著（P<0.05）。

2.2光合參數

由表2可知，陸地棉589和海島棉新海22的蒸騰速率（Tr）、凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、水分利用效率（WUE）等參數無顯著差異；胞間CO2濃度（Gs）海島棉是陸地棉的93.51%，差異顯著（P<0.05）。正反交F1之間光合參數及WUE均無顯著差異（P<0.05）。正交F1的Tr顯著高于雙親，中親優勢率為12.50%，超親優勢率為10.74%，Gs差異均不顯著，中親優勢率10.30%，超親優勢率為2.9%，Pn中親優勢率為12.75，超親優勢率為12.21%，Gs較海島棉升高但差異不顯著，較陸地棉親本顯著降低，是陸地棉親本（589）的73.44%，其他參數與雙親均沒有顯著差異（P<005）。反交F1的Tr顯著高于雙親，中親優勢率為17.92%，超親優勢率為16.08%，Gs的中親優勢率為 19.18%，超親優勢率為11.21%，Pn中親優勢率為17.55%，超親優勢率為16.92%，Ci，WUE與雙親差異均不顯著（P<0.05）。正交F2的Tr比 F1降低26.99百分點、比兩親本降低且差異顯著，Gs比F1下降8.64百分點，比陸地棉親本降低，比海島棉親本升高，差異均不顯著，Ci比F1下降14.58百分點，比兩親本均降低且差異顯著，Pn和F1差異不顯著，比親本升高，差異不顯著，WUE比F1增加26.78百分點，比兩親本顯著升高。反交F2的Tr比F1降低29.58百分點，比兩親本降低，Gs比F1下降22.19百分點，比陸地棉親本降低，但比海島棉親本升高，差異均不顯著、Ci比F1下降16.37百分點，比兩親本均降低且差異顯著，Pn和F1差異不顯著，比親本升高，差異顯著，WUE比F1增加28.70%，比兩親本顯著升高（P<0.05）。

2.3葉綠素熒光參數

Fo為最小熒光，當光系統Ⅱ的所有反應中心均處于開放態時得到Fo。表3親本之間差異顯著，海島棉是589的8106%，正反交F1之間差異不顯著，正交F1中親優勢率為5.69%，負超親優勢率為18.03%，反交F1中親優勢率為-6.79%，負超親優勢率為4.1%，正交F2比F1降低8.19百分點，差異不顯著，較陸地棉親本降低，差異不顯著，較海島棉親本顯著升高，反交F2比F1顯著升高，增幅達23.23百分點，較兩親本均升高。

Fm為暗適應樣品的最大熒光，當光系統Ⅱ的所有反應中心均處于關閉狀態時測得Fm，親本之間差異顯著，589是海島棉的84.90%，正反交F1之間沒有顯著差異。正交F1中親優勢率為8.61%，超親優勢率為0.41%，反交F1中親優勢率為1.18%，負超親優勢率為6.46%，正交F2較F1下降達1415百分點，較陸地棉親本升高，比海島棉親本降低，差異均不顯著，反交F2較F1顯著增高，增幅13.38百分點，較兩親本均增高。

ΦPSⅡ是光系統Ⅱ的實際量子產量，親本之間差異顯著，589是海島棉的88.36%，正反交F1之間沒有顯著差異。正交F1中親優勢率為-0.59%，超親優勢率為-6.82%，反交F1中親優勢率為2.33%，超親優勢率為-3.77%，正反交F2之間也沒有顯著差異，正交F2較F1下降3.31百分點，差異不顯著，較親本589升高，較海島棉下降，反交F2較F1降低105百分點，差異也不顯著，較589升高，較海島棉下降。

ETR及相對電子傳遞速率，在光化光強為 1 116 μmol/（m2·s） 下測定，親本之間沒有顯著差異，589是海島棉的87.05%，正反交F1之間也沒有顯著差異，正交F1中親優勢率為21.66%，超親優勢率為15.52%，反交F1中親優勢率為24.21%，超親優勢率為16.17%，正反交F2之間差異顯著，正交F2是反交的184.48%，正交F2較F1顯著升高16.30百分點，較雙親顯著升高，反交F2較F1下降62.03百分點，較雙親下降，但差異不顯著（P<0.05）。

qP是光化學淬滅系數，由光合作用引起的熒光淬滅，反映了光合活性的高低。由表3可以看出，親本之間qP差異不顯著，589是海島棉的98.65%，正反交F1之間差異也不顯著，正交F1中親優勢率為-1.09%，超親優勢率為-1.77%，反交F1中親優勢率為0.05%，負超親優勢率為0.63%，正反交F2之間差異顯著，正交F2較F1降低2.27百分點，較雙親較低，反交F2較F1上升1.46百分點，較雙親增高。

NPQ為非光化學熒光淬滅，反映了植物耗散過剩光能為熱的能力，是衡量植物光保護能力的重要指標。由表3可知，親本之間NPQ差異不顯著（P<0.05），海島棉NPQ是589的3571%，正反交F1代差異也不顯著，正交F1中親優勢率為49.47%，超親優勢率為1.43%，反交F1中親優勢率為1759%，負超親優勢率為20%，正反交F2之間差異不顯著，正交F2較F1下降12.68百分點，較親本589降低，較海島棉親本升高，反交F2較F1增高39.13百分點，較雙親升高。

Y（NO）為非調節性能量耗散，是光損傷的重要指標，親本之間差異顯著，海島棉是589的71.9%，正反交F1之間差異不顯著，正交F1中親優勢率為-0.64%，負超親優勢率為14.6%，反交F1中親優勢率為-7.8%，負超親優勢率為208%，正交F2較F1升高11.11百分點，較親本589降低，較海島棉升高，反交F2和F1無顯著差異，較親本589降低，較海島棉升高。

3結論與討論

海島棉的品質優于陸地棉，纖維長、細度高、強度大，是重要的紡織品原料[7]。陸地棉皮棉產量高，但品質較差，陸地棉與海島棉種間的雜種一代，可綜合雙親的優良性狀，利用其雜種優勢，在保持高產的同時，可提高纖維品質，被認為是一條可行的途徑[12]。

葉綠素含量與光合作用密切相關，是衡量光合作用強弱的重要因素[13-14]。植物葉綠素含量及葉綠素a/葉綠素b值變化是植物本身的遺傳特性[15]，同時在一定程度上受環境條件的影響[16-18]。本研究結果表明，花鈴期海島棉（新海22號）的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量均高于陸地棉（589），這與張亞黎等研究發現海島棉新海22光合色素含量高于陸地棉新陸早13的結果[15]一致。陸海雜交F1表現出超親優勢，優勢率為25%～28%，海陸雜交F1葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量高于陸地棉但低于海島棉，正反交之間有顯著差異（P<0.05）正反交F2優勢退化明顯，略高于陸地棉親本，但顯著低于海島棉，說明以海島棉做父本，陸海雜交F1代葉綠素含量具有明顯優勢。

已有研究表明，海島棉葉片的實際光合能力低于陸地棉，但兩者具有相似的光合潛力[19]。張亞黎等研究發現，早晨和下午外界光強較低時，海島棉新海22號和陸地棉新陸早13號的Pn無明顯差異外，其余時間段新海22號葉片的Pn值顯著低于新陸早13號。本研究結果表明，陸地棉589Pn、Gs、Ci、WUE略高于海島棉新海22號，但差異不顯著（P<0.05），Tr低于新海22號。Gs反映外界環境CO2通過氣孔進入到葉肉細胞葉綠體羧化部位的限制程度，是決定Pn高低的一個重要因素[20]，新海22號Gs下降，導致Pn的降低，而Tr卻高于陸地棉，可能與海島棉葉片柵欄組織較薄以及葉片形態有關。正反交F1在Tr、Gs、Pn、WUE等光合參數表現出雜種優勢，和Chen等研究認為雜種棉通過維持相對較高的光合能力來提高皮棉產量的研究結果[21]一致，正反交F2表現出明顯的優勢退化現象，但WUE顯著增加，可能與陸海雜交后代葉型改變有關。

葉綠素熒光是光合作用的有效探針，通過對各種熒光參數的分析，可以得到有關光能利用途徑的信息[22]。Fo和Fm分別是暗適下的最小熒光和最大熒光，它們是光系統Ⅱ（PSⅡ）反應中心處于完全開放和關閉時的熒光產量，Fo和Fm在陸海雜交F1代并未表現出明顯優勢，海島棉做父本，雜交F2代的Fo和Fm值高于F1和親本，ΦPSⅡ=Yield=（Fm′-Fs）/Fm′[23]任一光照狀態下PSⅡ的實際量子產量，在相同環境條件下，海島棉的實際量子產量顯著高于陸地棉，正反交F1的實際量子產量介于兩者之間，沒有表現出雜種優勢，正反交F2的實際量子產量也介于海島棉和陸地棉之間。ETR代表了光電子傳遞的能力[24]，雜種F1表現出了一些優勢，但不明顯，陸海雜交F2顯著高于F1和親本，反交F2電子傳遞速率顯著降低，因此可以選用陸地棉做母本，比較容易選育高光效品種。qP=（Fm′-Fs）/Fv′=1-（Fs-Fo′）/（Fm′-Fo′）[25]（基于“沼澤模型”）即由光合作用引起的熒光淬滅，反映了光合活性的高低，植物吸收的光能主要用于光化學反應、熒光、熱耗散，本研究發現，海島棉新海22號和陸地棉589光化學熒光淬滅系數qP差異不顯著，正反交F1沒有表現出雜種優勢，陸海雜交F2的qP顯著降低，但其電子傳遞能力顯著高于親本和F1，說明雖然光合電子傳遞能力較強，但其吸收的光能用于光化學反應的比例較低。NPQ=（Fm-Fm′）/Fm′=Fm/Fm′-1[25]反映了植物耗散過剩光能為熱的能力，是衡量植物光保護能力的重要指標。589的NPQ值顯著高于海島棉，說明其可將過剩光能轉化為熱耗散，避免強光損傷，進行自我保護的能力較強，而陸海雜交后代則差異不顯著，也沒有雜種優勢。Y（NO）[26]是指除了熱擴散以外的熒光淬滅部分，若Y（NO）較高，表明入射光強超過了植物能接受的程度。這時，植物可能已經受到損傷，或者（盡管還未受到損傷）繼續照光的話植物將要受到損傷，是光損傷的重要指標。陸地棉589的Y（NO）顯著高于海島棉，一方面說明其耗散的過剩光能較多，另一方面也說明其受到強光損傷的幾率也在增大，陸海雜交后代的Y（NO）值介于陸地棉和海島棉之間，且沒有表現出雜種優勢。Y（NPQ）[26]與光保護機制相關的所有熱擴散，若Y（NPQ）較高，一方面表明植物接受的光強過剩，另一方面則說明植物仍可以通過調節（如將過剩光能耗散為熱）來保護自身，是光保護的重要指標，陸地棉的Y（NPQ）值顯著強于海島棉，說明其進行光保護的能力高于海島棉，當強光照射時，可將過剩光能轉化為熱擴散的能力高于海島棉，從另外一個方面可說明陸地棉適應環境的能力較強，陸海雜種后代沒有表現出雜種優勢。Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm是PSⅡ[23]的最大量子效率，反映植物潛在最大光合能力，高等植物一般在 0.8～0.84 之間，當植物受到脅迫（stress）時，Fv/Fm顯著下降，陸地棉Fv/Fm值顯著低于海島棉，說明海島棉的最大光合能力顯著高于陸地棉，陸海雜種后代的Fv/Fm介于陸地棉和海島棉之間，也沒有表現出明顯的雜種優勢。

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