速效氮對葉色突變體谷子苗期光合生理的影響

袁 蕊，楊宗鵬，聶磊云，胡曉雪，李 萍

（1.山西農業大學農學院，山西太谷030801；2.鄉寧縣農業局，山西鄉寧042100；3.山西省農業科學院果樹研究所，山西太谷030800）

速效氮對葉色突變體谷子苗期光合生理的影響

袁 蕊1，楊宗鵬2，聶磊云2，胡曉雪1，李 萍1

（1.山西農業大學農學院，山西太谷030801；2.鄉寧縣農業局，山西鄉寧042100；3.山西省農業科學院果樹研究所，山西太谷030800）

葉色突變體具有易于辨識的表型，在理論研究和實際應用方面都具有重要價值。對EMS誘變的晉谷21號突變體庫中篩選獲得葉色突變體進行葉面噴施速效氮肥試驗。結果表明，速效氮使葉色突變體谷子的凈光合速率（Pn）增加了78.58%、水分利用率（WUE）增加了57.34%，但氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）均沒有顯著變化；葉色突變體谷子葉片光系統II最大的（潛在）光化學量子效率（Fv/Fm）、葉片光系統II有效光化學量子效率（Fv′/Fm′）、光系統II實際光化學量子效率（ΦPSI）I和電子傳遞速率（ETR）分別比對照增加了33.06%，28.89%，15.88%，15.88%，光化學淬滅系數（qP）和非光化學淬滅系數（qN）無顯著變化；速效氮能增加葉色突變體谷子葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素a+b的含量，但類胡蘿卜素施肥處理與對照間差異不明顯。總之，速效氮能夠提高葉色突變體谷子的光合作用，改善葉色突變帶來的不利影響，從而促進生長。

速效氮；葉色突變體谷子；苗期；光合生理；葉綠素熒光參數

谷子（Setaria italica）是我國最古老的旱作糧食作物之一，為華夏民族幾千年來的傳統主食，含有豐富的氨基酸、維生素類及鈣鐵等微量元素，且其氨基酸含量高于其他禾谷類作物[1]。晉谷21號，原名晉汾7號，是山西省農業科學院經濟作物研究所利用鈷60γ射線輻射晉汾52號干種子選育而成。晉谷21號誘變育成后，20多年來一直被公認為頂級米質品種，以晉谷21號為原料生產加工出的小米，熬成的小米粥味道香濃且適口品質好，不僅含有豐富的氨基酸和微量元素，還具有抗癌、防衰老的作用，曾5次獲全國農業博覽會優質谷米金獎[2-3]。雖然山西有一大批中晚熟品種在抗病性、抗旱性、抗倒伏性、產量水平等方面較晉谷21號有顯著優勢，但因其品質不及晉谷21號而未得到大面積推廣，晉谷21號在生產上仍占主導地位[4-5]。

EMS（甲基磺酸乙酯）作為一種有效的化學誘變劑，具有成本低、操作簡單、誘變率高等特點，已被廣泛應用在玉米[6]、水稻[7]、小麥[8]等農作物的誘變育種工作中。利用EMS誘導谷子突變，可創造全新的遺傳類型，豐富谷子種質資源。深入研究突變體谷子的生理，有利于提高谷子生長潛力，增加谷子產量。因此，利用EMS誘變晉谷21號，構建谷子突變體庫，以充分利用優異品質基因資源，加速谷子品質育種進程，也可為谷子的研究奠定基礎[9-10]。

谷子葉色突變體，其主要特點是葉色表型發生變化，影響葉綠素的合成，改變葉綠素含量，使葉色出現黃化、白化、色淺、條紋等不同癥狀[11-13]。植物光合作用主要在植物葉片中進行，研究證明，葉色突變體能一定程度上決定光合效率[14]。元素氮對作物生長起著非常重要的作用，是植物進行光合作用起決定性的葉綠素組成部分。

本試驗就速效氮對經EMS誘變的晉谷21號葉色突變體進行光合生理研究，以期能為豐富谷子育種材料及探索葉色突變體的突變機制奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西農業大學進行，該地位于山西省晉中市太谷縣（37.42°N，112.58°E）。供試用土壤為沙、土、基質（體積比為1∶10∶10），有機質含量2.37%，全N含量1.12 g/kg，速效N含量45.28 mg/kg，速效P含量25.65 mg/kg，速效K含量280.5 mg/kg，混勻。

1.2 試驗材料

從山西農業大學晉谷21號EMS突變體試驗田中，觀察發現有植株從苗期開始表現出葉色黃化現象。谷子成熟時，單獨收獲葉色黃化的植株，晾干后，對這些葉色黃化的植株進行脫粒，將種粒裝于牛皮紙袋中備用。

1.3 試驗設計

谷子播種于長×寬×高為25 cm×25 cm×30 cm花盆中，且底部有排水孔，裝土25 cm深，將種子均勻地播撒在花盆中，然后覆土2 cm左右，共6盆。出苗后，葉片達到3～4片時，分別進行H2O處理（每盆噴施200 mL的蒸餾水，CK）和速效氮肥處理（每盆噴施200 mL的氮肥，2 g速效氮溶于200 mL蒸餾水中），每個處理3次重復。每15 d施肥一次。

1.4 測定內容及方法

1.4.1 光合作用的測定 在播種后第28天，葉片達到8～9片時，每盆分別選取有代表性的葉色突變體谷子6株，測定完全展開的幼嫩功能葉。用便攜式光合氣體分析系統（Li 6400，Li-Cor Inc，Lincoln NE，USA）進行測定，設置紅藍光源，光強1 400 μmol/（m2·s），葉室溫度25℃。記錄凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr），計算水分利用效率（WUE，WUE＝Pn/Tr），測定時間為9：00—12：00[15]。1.4.2 葉綠素熒光參數的測定 播種后第28天，葉片達到8～9片時，每盆分別選取有代表性的葉色突變體谷子6株，測定完全展開的幼嫩功能葉。將便攜式光合氣體分析系統（Li 6400，Li-Cor Inc，Lincoln NE，USA）換為葉綠素熒光葉室，光強1 400 μmol/（m2·s），葉室溫度25℃。先測量光反應，然后用錫紙把葉片包裹至少20 min，再進行暗反應的測定。記錄葉綠素初始熒光（F0）、最大熒光（Fm），光下最小熒光（F0′）和光下最大熒光（Fm′）、穩態熒光（Fs），并計算出光系統II最大的（潛在）光化學量子效率（Fv/Fm）、光系統II有效光化學量子效率（Fv′/Fm′）、葉片光系統II實際光化學量子效率（ΦPSII）、光化學淬滅系數（qP）、非光化學淬滅系數（qN）、電子傳遞速率（ETR）等葉綠素熒光參數，測定時間為9：00—12：00[16]。

1.4.3 光合色素含量的測定 播種12 d后，谷子葉片達到3～4片時，開始第1次噴施速效氮，以后每15 d噴施一次。葉片噴施速效氮后約7 d取材，連續取材6次，每盆分別選取有代表性的葉色突變體谷子6株，取完全展開的幼嫩功能葉，測定旗葉色素含量，取平均值，方法參照文獻[17]進行。

1.5 數據處理

數據的整理和圖表的繪制均采用Excel；顯著性檢驗采用SPSS軟件，其中P＜0.05水平的視為顯著，P＜0.01水平的視為極顯著。

2 結果與分析

2.1 速效氮對葉色突變體谷子光合作用的影響

由圖1可知，速效氮使葉色突變體谷子凈光合速率（Pn）和水分利用率（WUE）分別比CK增加了78.58%（圖1-a）和57.34%（圖1-e）；胞間CO2濃度（Ci）（圖1-c）、氣孔導度（Gs）（圖1-b）、蒸騰速率（Tr）（圖1-d）均沒有明顯變化。

2.2 速效氮對葉色突變體谷子葉綠素熒光動力參數的影響

從表1可以看出，葉色突變體谷子葉片光系統II最大的（潛在）光化學量子效率（Fv/Fm）和葉片光系統II有效光化學量子效率（Fv′/Fm′）分別比對照極顯著增加了33.06%和28.89%；光系統II實際光化學量子效率（ΦPSII）和電子傳遞速率（ETR）均比對照顯著增加了15.88%；光化學淬滅系數（qP）和非光化學淬滅系數（qN）無顯著變化。

表1 速效氮對葉色突變體谷子葉綠素熒光動力參數的影響

2.3 速效氮對葉色突變體谷子光和色素的影響

從圖2可以看出，速效氮能增加葉色突變體谷子葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素a+b的含量，其中，葉綠素a含量在第47天極顯著增加了76.13%（圖2-a）；葉綠素b含量在第33天顯著增加了42.08%（圖2-b）；葉綠素a+b總含量在第47天極顯著增加了64.60%（圖2-c）；類胡蘿卜素含量無明顯變化（圖2-d）。

3 討論

氮素是葉綠素的組成成分，葉綠素a、葉綠素b都是含氮化合物。綠色植物進行光合作用，使光能轉變為化學能都是借助于葉綠素的作用。氮也是植物體內維生素和能量系統的組成部分，是影響植物正常生長發育的重要營養因子[18]。許多研究表明，葉片的氮含量與光合能力呈正相關性[19-20]。本研究結果表明，速效氮使葉色突變體谷子凈光合速率（Pn）、水分利用率（WUE）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）均有不同程度的增加，但胞間CO2濃度（Ci）減少，說明增施氮肥可以提高谷子旗葉對胞間CO2的同化能力，因此，合理噴施速效氮能提高葉色突變體的光合能力。

葉綠素熒光動力學是以植物體內存在的葉綠素熒光作為檢測對象來觀測植物體的生理狀況，其中，光系統II的最大量子產量（Fv/Fm）反映了植物潛在的最大光合能力，Fv′/Fm′是指光下開放狀態的PSII反應中心的激發能捕獲效率，光系統II的實際量子產量（ΦPSII）是表示植物光合能力的一個重要指標，電子傳遞效率（ETR）是與光照強度密切相關，光化學淬滅系數（qP）和非光化學淬滅系數（qN）是植物葉綠體能量耗散的途徑之一[21-23]。葉色突變體谷子幼苗葉片各熒光參數對施氮處理反應明顯，其中，葉片Fv/Fm，Fv'/Fm'，ΦPSII，ETR，qP和qN均隨施氮量的增加而升高，表明速效氮能提高葉色突變體谷子幼苗光化學效率，促進光合電子傳遞，提高光合利用效率。葉綠素是最重要的光合色素之一，能反映植物光合能力[24]。速效氮能增加葉色突變體谷子幼苗葉片葉綠素含量，葉片吸光強度和葉肉細胞光合活性增強，最終使凈光合速率增加。

綜上所述，速效氮能提高葉色突變體谷子幼苗葉片的氣體交換系數及葉綠素熒光參數等，增強葉色突變體谷子幼苗期的光合作用和生產力，促進植株生長，可為葉色突變體谷子苗期管理提供參考。

［1］史更生，史關燕，史乾，等.晉谷21號優良品質的分析與研究[J].雜糧作物，2001，21（4）：18-19.

［2］習現民.中國谷子產業與產業技術體系[M].北京：中國農業科學技術出版社，2011：52-58.

［3］王玉文，王彥龍，田崗，等.對我省谷子品質改良的思考[J].山西農業科學，2004，32（1）：13-17.

［4］田崗，王玉文，李會霞，等.山西省谷子產業現狀及發展對策[J].山西農業科學，2013，41（3）：299-300.

［5］樊修武，池寶亮，張冬梅，等.谷子雜交種灌漿期光合性能研究[J].山西農業科學，2011，39（3）：227-229.

［6］石海春，譚義川，夏偉，等.19份玉米EMS誘變系的遺傳差異評價[J].華北農學報，2016，31（1）：110-116.

［7］王峰，徐飚，楊正林.EMS誘變水稻矮生資源的鑒定評價[J].核農學報，2011，25（2）：197-201.

［8］張維宏，安哲，范學鋒，等.EMS誘導小麥TcLr19感葉銹病突變體的篩選[J].華北農學報，2016，31（4）：88-93.

［9］劉美桃.晉谷21 EMS突變體庫的構建與特征分析[D].太谷：山西農業大學，2014.

［10］郭建秋，雷全奎，楊小蘭，等.植物突變體庫的構建及突變體檢測研究進展[J].河南農業科學，2010（10）：150-155.

［11］HIROKI S，KENSUKE K，YUZURU T，et al.The virescent-2 mutation inhibits translation of plastid transcripts for the plastid genetic system at an early stage of chloroplast differentiation[J]. Plant cell physiology，2004，45（8）：958-996.

［12］IHNATOWICZ A，PESARESI P.Mutants for photosystem I subunit D of Arabidopsis thaliana：effects on photosynthesis，photosystem I stability and expression of nuclear genes for chloroplast functions [J].Plant Journal，2004，37（6）：839-852.

［13］NAGATA N，TANAKA R，SATOTH S，et al.Identification of a vinyl reductase gene for chlorophyll synthesis in Arabidopsis thaiiana and implications for the evolution of Pro chlorococus species[J].Plant cell，2005，17（1）：233-240.

［14］曹莉，王輝，孫道杰，等.小麥黃化突變體光合作用及葉綠素熒光特性研究[J].西北植物學報，2006，26（10）：2083-2087.

［15］郝興宇，李萍，林而達，等.大氣CO2濃度升高對谷子生長發育與光合生理的影響[J].核農學報，2010，24（3）：589-593.

［16］王晨光，郝興宇，李紅英，等.CO2濃度升高對大豆光合作用和葉綠素熒光的影響[J].核農學報，2015，29（8）：1583-1588.

［17］LICHTENTHALER H K.Chlorophylls and carotenoids：Pigments of photosynthetic inembranes[J].Methods Enzymol，2014，148：350-382.

［18］栗娜娜，郭世榮.氮素營養對青花菜葉片光合特性的影響[J].內蒙古農業大學學報（自然科學版），2007，28（3）：140-144．

［19］郭二輝，胡穎，田朝陽，等.土壤氮素與水分對植物光合生理生態的影響研究[J].安徽農業科學，2008，36（26）：11211-11213.

［20］NICODEMUS MA，SALIFUF K，JACOBS D F.Growth，nutrition，and photosynthetic response of black walnut to varying nitrogen sources and rates[J].Journal of Plant Nutrition，2008，31（11）：1917-1936.

［21］張朝軒，楊天儀，吳淑杭.微生物肥料對土壤生態及葡萄葉片葉綠素熒光特性的影響[J].天津農業科學，2011，17（1）：92-95.

［22］馬新，李明，朱耀軍，等.干旱脅迫下文冠果光合指標的變化研究[J].河南農業科學，2017，46（1）：122-126．

［23］朱延姝，于麗姣，樊金娟，等.玉米幼苗葉片葉綠素熒光參數變化規律研究[J].河南農業科學，2011，40（6）：26-38，42．

［24］云建英，楊甲定，趙哈林.干旱和高溫對植物光合作用的影響機制研究進展[J].西北植物學報，2006，26（3）：641-648.

Effects of Available Nitrogen on Photosynthetic Physiological of Leaf Color Mutant Millet during Seedling Stage

YUANRui1，YANGZongpeng2，NIE Leiyun2，HUXiaoxue1，LI Ping1

（1.College ofAgronomy，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.Xiangning County Agricultural Bureau，Xiangning 042100，China；3.Institute ofPomology，Shanxi Academy ofAgricultural Sciences，Taigu 030800，China）

The leaf color mutant has a phenotype which is easy to identify,and it has important value in both theoretical research and practical application.In this experiment,the leafcolor mutant was selected from the mutant library ofthe Jingu 21 mutant which was induced by EMS mutation.The results showed that available nitrogen in creased the net photosynthetic rate（Pn）and water use efficiency（WUE）ofleafcolor mutant millet by 78.58%,57.34%,respectively.Stomatal conductance（Gs）,transpiration rate（Tr）and intercellular CO2concentration（Ci）were no significant changes.Photosystem II（potential）maximum photochemical efficiency（Fv/Fm）,leaf photosystem II photochemical efficiency ofquantum efficiency（Fv'/Fm'）,the actual photochemical quantum efficiency ofphotosystem II（ΦPSII）,and electron transport rate（ETR）of leaf color mutant millet leaves increased by 33.06%,28.89%,15.88%,15.88%, respectively.Photochemical quenching coefficient（qP）and non photochemical quenching coefficient（qN）showed no significant changes.Available nitrogen could increase chlorophyll a,chlorophyll b and chlorophyll a+b content of leaf color mutant millet,but the carotenoids no significant changes.In short,available nitrogen can improve the photosynthesis of leaf color mutant millet,improve the adverse effects ofleafcolor mutation,and promote the growth.

available nitrogen;leaf color mutant millet;seedling stage;photosynthetic physiology;the chlorophyll fluorescence parameters

S515

A

1002-2481（2017）03-0346-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.03.07

2016-11-10

國家重點基礎發展計劃項目（2012CB955904）；國家科技支撐計劃項目（2013BAD11B03-8）；山西省科技攻關項目（20150311006-2）；國家自然科學基金項目（31601212，31501276）；山西農業大學博士引進人才項目（2013YT05）

袁 蕊（1989-），女，山東菏澤人，在讀碩士，研究方向：植物生理生態。李 萍為通信作者。