玉米雜交種及其親本灌漿期棒三葉光合特性差異比較分析

張遠航 ，師趙康 ，趙澤群 ，王 雯 ，馮萬軍

（1.山西農業大學農學院，山西 太谷 030801；2.山西農業大學農業生物工程研究所，山西 太谷 030801）

雜種優勢（Hybrid vigor或Heterosis）是生物界廣泛存在的一種生物學現象，指2個遺傳背景不同的親本雜交產生的F1，在生長勢、抗逆性、繁殖力、適應性、產量和品質等性狀上優于親本的現象[1]。迄今為止，有關雜種優勢的遺傳機制涉及顯性、超顯性和上位性等[2]，但其形成的分子機理仍不清楚。玉米是雜種優勢利用最早、并在世界范圍內普及推廣取得最有成效的作物，現已成為研究雜種優勢形成機理的重要模式植物。

葉片是植物進行光合作用的主要場所，并可通過蒸騰作用提供根系從外界吸收水和礦質營養的動力，對植物生長發育及產量形成發揮重要功能。研究發現，2個葉片數相近親本的雜交后代的葉片數存在一定變異，可能與數個雜種優勢位點的加性效應有關[3]，而雜交種F1的葉面積較2個親本也表現出顯著的雜種優勢[4]，這可能源于雜交種葉片細胞數目的增加而非細胞大小。在玉米中，穗位葉和結實雌穗上下節的葉片（棒三葉）是其主要的光合層，在干物質積累特別是產量形成過程中發揮主要作用[5]。眾多研究表明，光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間 CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）及水分利用效率（WUE）等是鑒定植物光合能力的有效參數[6]。然而迄今為止，多數研究針對玉米穗位葉的光合特性展開，而有關綜合分析雜交種與親本棒三葉形態、葉綠素含量及光合特性的研究鮮有報道。

本研究以2個玉米雜交組合為研究對象，通過對其灌漿盛期棒三葉的葉片形態、葉綠素含量以及光合特性表現差異進行分析，旨在為解析玉米棒三葉雜種優勢形成的生物學機理奠定基礎，也為培育光合能力高效的玉米新品種積累有價值的資料。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究選用 PH6WC（母本）、PH4CV（父本）及其雜交種先玉335和唐65、昌7-2及其雜交種唐65/昌7-2共6個基因型為試驗材料。其中，昌7-2為鄭單958父本，唐65為自主選育自交系。

1.2 試驗設計

于2016年將供試材料在山西農業大學農作站分小區點播，每基因型種植6行，株行距分別為30，50 cm。玉米種植區土質為輕壤土，播前施加東方紅玉米專用復合肥750 kg/hm2（含氮、磷、鉀肥的量分別為 105，120，112.5 kg/hm2），玉米生長期間在大喇叭口期和抽雄期分別澆灌一次。其他管理措施同一般試驗田。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 葉片性狀測定 在各玉米自交系吐絲期15 d，每個玉米基因型選定10株，用直尺測量各自交系棒三葉的長和寬。隨后對光合特性進行測定，待光合參數測定完成后，隨機將選定葉片等量分為2組，分別測定其葉綠素含量和干質量。將待稱質量的葉片放置于鼓風干燥箱，120℃殺青30 min，隨后80℃烘至恒質量，稱質量。

1.3.2 葉綠素含量測定 將選定各基因型新鮮棒三葉剪碎，稱取0.5 g放置于試管中，加95%乙醇10 mL，于陰暗處靜置提取，直到材料變白，再將其過濾，得到葉綠素色素提取液，將其定容至100 mL。取出1 mL葉綠素色素提取液，利用分光光度計，在663，645 nm這2個波長下測定吸光值。

1.3.3 光合參數的測定 在當日9：00—11：00，采用Li-6400便攜式光合作用測定儀（LI-COR Inc.Lincoln，Nebraska，USA）測定6個玉米基因型棒三葉凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）4個光合參數，光合參數的測定條件為紅藍光源，光強（PFD）為 1 200～1 500 μmol/（m2·s），葉室溫度為（28±5）℃，CO2流速在 350～400 μmol/s，每基因型測定 5 株。

1.4 數據處理

采用DPS數據處理系統對測定的所有數據進行統計分析，再利用Excel軟件整理數據并繪制相關圖表。根據測量數據計算各性狀雜交種中親優勢和超親優勢，中親優勢（MPH）是指雜交種F1的某個數量性狀數值超過雙親平均數（MP）的百分率。

超親優勢（BPH）指雜交種F1的某個數量性狀數值超過最優親本（HP）的百分率。

式中，F1表示雜交種；P1，P2分別表示雙親不同性狀的值；HP表示最優親本不同性狀的值。

2 結果與分析

2.1 2個玉米雜交組合棒三葉葉片形態雜種優勢分析

以唐65/昌7-2和PH6WC/PH4CV這2個玉米雜交組合為研究對象，對其灌漿期棒三葉的葉片長、寬、葉面積以及干質量分析發現（圖1），2個雜交種在4個性狀上都存在顯著或極顯著超親優勢。在葉片長度和寬度2個性狀上，2個雜交種的棒三葉相較于其親本均以寬度優勢更為顯著，其中，又以先玉335穗位葉的超親優勢最大，達到31.73%，其穗上下兩葉的超親優勢僅有15%左右，而唐65/昌7-2在3個葉片的寬度上超親優勢均在20%以上；在葉長上，除了先玉335穗位葉和穗下葉超親優勢值較小（8.20%和5.09%）外，其余葉片超親優勢值均在10%以上，且以唐65/昌7-2穗下葉超親優勢值為最大，達到13.55%。由于葉面積是綜合了葉長和葉寬2個性狀的結果，因此，2個雜交種的葉片面積均較其親本極顯著增大，且其中親或超親優勢值均相對于葉長、葉寬明顯提高。葉面積大小是決定其生物量多少的直接原因。對葉片干質量與葉片雜種優勢比較發現，二者并不全吻合，并且有幾個葉片在2個性狀上雜種優勢表現差異還比較大。唐65/昌7-2穗位葉葉面積與干質量的超親優勢分別為37.78%和8.9%，而先玉335穗位葉和穗上葉其超親優勢則分別為43.71%，40.81%和40.46%，15.65%，這可能與葉片含水量甚至葉片厚度存在差異有關，其還有待進一步研究。從葉片表型比較來看，2個雜交組合以PH6WC/PH4CV組合表現更為優異，其2個親本棒三葉形態存在較大差異，從而使得雜交后代的超顯性效應更為明顯。上述結果表明，2個雜交組合同一葉片性狀雜種優勢表現不同，即使同一組合不同性狀間雜種優勢表現也不一致，這也暗示了雜種優勢形成機制的復雜性。

2.2 2個玉米雜交組合棒三葉葉綠素含量差異分析

在葉片表型性狀分析的基礎上，進一步對2個雜交組合6個玉米基因型棒三葉的葉綠素含量進行了測定，結果表明（圖2），僅先玉335穗位葉和穗下葉的Chla和Chlb含量具有顯著的超親優勢外，其余葉片2種葉綠素含量均不具有超親優勢。唐65/昌7-2穗上葉Chlb含量為加性表達，其穗下葉的Chla和Chlb含量均為偏低親表達，其余則為偏高親表達。從葉綠素含量絕對值來看，唐65/昌7-2的3個葉片均比先玉335的2種葉綠素含量要高，暗示其光合能力可能更強。此外，對Chla/Chlb的值分析結果顯示，相對于親本，雜交種的Chla/Chlb的值變化較小。其中，先玉335的Chla/Chlb的值以穗位葉較大，在3.0左右，另外兩葉均在2.0左右；而唐65/昌7-2以穗上葉具有最大值（3.0左右），其余兩葉則相對要小（2.0左右）。由此推測，雜交種葉片中2種葉綠素水平更為協調，這可能也是 葉片雜種優勢形成的一個原因。

2.3 2個玉米雜交組合棒三葉光合特性差異分析

光合參數是反映葉片光合能力的重要指標。對2個雜交組合棒三葉光合特性分析結果顯示（圖3），在凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間 CO2濃度（Ci）以及水分利用率（WUE）5個光合參數上，2個雜交種較其親本存在較大的變化。其中，僅先玉335穗上葉的Pn，Tr，Gs這3個參數和唐65/昌7-2穗位葉的Pn表現為超顯性表達模式，而先玉335穗位葉Ci存在負向超顯性，其余則為加性或者顯性表達模式。這些結果與葉綠素測定結果部分吻合，不過由于雜交種葉片面積具有極為顯著的超親優勢，由此也導致其單位時間內光合同化產物積累的量要多于親本。

進一步對棒三葉水分利用效率分析發現（圖4），先玉335的穗位葉和穗下葉WUE較兩親本顯著提高，超親優勢分別為48.04%和38.97%，而穗上葉WUE則為-18.40%；唐65/昌7-2則僅有穗下葉WUE具有超親優勢，達到52.12%，而穗位葉和穗上葉分別表現為偏低親和偏高親變化。上述結果說明，不同玉米雜交組合的光合能力存在差異，而且3個葉片間光合特性并不一致，這可能與植株構型差異影響自然光照射有關。

3 討論與結論

雜種優勢是生物界普遍存在的現象，但其表現形式非常復雜。一般來說，親緣關系越遠，遺傳差異越大，雜種優勢越明顯。玉米是典型的異交作物，表現極端的近交衰退和雜種優勢。研究表明，玉米苗期側根密度的中親優勢值在12個雜交種中為51%～130%，發芽后3～7 d的雜交種初生根長度的中親優勢值為17%～25%[7]。SPRINGER等[8]對玉米B73/Mo17雜交組合多個性狀分析發現，玉米穗粒質量雜種優勢最高，籽粒產量和苗期生物量次之，而開花期和節間數雜種優勢最低。郭寶劍等[9]對玉米雜交種Mo17/B73及其親本發芽第5天第3片的葉長、葉寬和葉面積分析發現，雜交種較兩親本在3個性狀上具有極顯著的雜種優勢，且中親或超親優勢分別在70%，90%和200%以上。本研究發現，玉米雜交種先玉335和唐65/昌7-2在棒三葉葉面積上存在極顯著的超親優勢，這更多源自葉片寬度上雜種優勢較大，與前人研究結果吻合[10]；而2個組合在3個葉片上的優勢大小并不一致，并且唐65/昌7-2穗位葉葉面積與干質量與先玉335穗位葉和穗上葉的超親優勢并不相近。由此可以看出，同一作物不同雜交組合作物相同性狀的雜種優勢表現并不一致，而特定雜交組合不同性狀間的雜種優勢表現也不相同，即使同一性狀的不同生長發育階段其表現也可能完全不同，說明雜種優勢形成的機制異常復雜。所以，要解析雜種優勢形成的生物學機制，還應從特異雜交組合的特定性狀入手。

光合參數是反映葉片光合能力的重要指標，現常用于檢測植物對營養匱乏、干旱等脅迫的反應過程中[11]。研究發現，玉米葉片的光合特性在一天內以 9：00—11：00 較為穩定[12]，而不同玉米品種的葉片光合特性并不一致，且在玉米不同的生長發育時期呈現動態變化[13]，玉米雜交種由于葉面積較兩親本更大，所以在光合能力上存在雜種優勢現象[14]。本研究表明，僅有先玉335穗上葉的Pn，Tr，Gs與唐65/昌7-2穗位葉的Pn表現出超親優勢，而先玉335穗位葉Ci存在負向超親優勢，其余則未表現出超親優勢，且這些差異的產生與葉綠素含量有一定關聯。這與前人研究結果并不完全相同，可能與所選雜交組合和測定生長發育時期不同有關。由此推測，光合作用有關基因在雜交種中多呈加性或顯性表達模式，而較少呈超顯性表達。最近，SONG等[10]對玉米雜交種與其親本吐絲后玉米穗位葉研究發現，在2 000多個差異表達基因中，僅有9個基因與葉綠體合成或降解有關，且僅有1個參與淀粉合成的酶基因-ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGP）在雜交種中超顯性表達，這也印證了本研究的推測。

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