不同小麥進化材料生育后期的光合特性及其對環境因子響應的比較

趙鵬濤，茍升學，趙小光，張耀文，翟周平，關周博，羅紅煉，曹 櫟

(陜西省雜交油菜研究中心小麥研究室，陜西楊凌 712100)

遠緣雜交和多倍體化是高等植物最重要的進化過程，在天然物種和農作物中廣泛存在[1-2]。研究表明，70%以上的被子植物在進化過程中至少經歷了一次多倍體化事件[3]。近年來通過對蕓苔屬、小麥、擬南芥、棉花等植物的研究發現, 異源多倍體形成早期經常伴隨著與孟德爾法則不一致的基因組變化,并表現在遺傳、轉錄、表達等水平上[4-6]，有助于多倍體新物種形成,為植物的長期進化提供了可能的條件。多倍體小麥是通過異源多倍體化方式進化和培育的典型，特別是六倍體普通小麥是世界上種植最廣泛的、最重要的糧食作物之一，其產量隨著材料的進化得到了顯著的提高。然而現代栽培小麥由于長期的品種之間雜交選育，特別是核心種質的反復利用, 導致了普通小麥群體遺傳多樣性的喪失, 遺傳基礎越來越窄[7]。作為大多數栽培小麥的起源，近緣的小麥基因型是小麥改良中獲得新的遺傳多樣性最有價值的、最易得到的來源，因此對小麥進化材料進行研究與利用可以極大地豐富育種手段，提高小麥對環境的適應性與抗性。

光合作用是植物進行物質積累與生理代謝的基礎，光合效率的高低與作物光合產物積累、產量潛力發揮以及品質優劣相關密切[8]。光合遺傳研究是利用作物光合特性進行雜種優勢評價的一種新方法，是作物遺傳育種研究中的一個新領域[9]，因此，研究作物的光合性狀在農業育種工作中具有重要的意義。近年來我國的小麥單產取得了巨大的突破，在高肥條件下，產量可達7 500 kg·hm-2，然而國外許多國家都有小麥品種超過9 000 kg·hm-2的記錄，所以我國的小麥品種還有很大的增產潛力[10]。目前，小麥的常規育種手段已經發揮到最大作用，但產量的提高不是很明顯，而篩選高光效材料、運用現代育種方法進行高光效育種是當今以及將來提高作物產量的有效途徑[11]。盡管國內外對小麥進化材料的光合也進行了較多的報道，探討了不同近緣種光合差異的機制，但結論并不一致[12-15]，且與實際的小麥高光效育種結合較少。由于小麥籽粒產量主要取決于生育后期冠層葉尤其是旗葉的光合作用[16]，因此本試驗擬測定小麥及其近緣種灌漿期的旗葉光合氣體交換參數和葉片葉綠素含量、葉面積指數、綠葉面積等光合相關性狀，并對不同材料的光合速率在不同光照、CO2濃度、溫度、濕度條件下的變化進行研究，以期對小麥產量形成關鍵期的光合特性有全面的了解，為充分利用野生小麥資源、擴大普通小麥的遺傳基礎、進行高光效遺傳改良和改善栽培措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料分別為二倍體節節麥(Aegilopstauschii)、四倍體硬粒小麥(T.durum)、六倍體普通小麥(T.aestivum)及八倍體小黑麥(Triticale)，均由陜西省雜交油菜研究中心小麥研究室提供。試驗于2016-2017年在陜西省雜交油菜研究中心楊凌示范區大寨鄉試驗基地進行，采用隨機區組設計,每小區5行,行長2.0 m，行距0.25 m，重復3次，田間種植與管理同國家區域試驗。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 光合參數的測定

在各試驗材料的灌漿期，選擇生長健壯、均勻一致的植株，用Li-6400便攜式光合作用測定儀對受光方向一致的旗葉進行凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)測定，選用6400-02B LED紅藍光源葉室，光照控制為1 300 μmol·m-2·s-1，溫度控制為25 ℃，測定時間為上午9：00-11：00，每種材料測定10片旗葉。夾樣部位選擇旗葉的中段，如果葉片寬度小于2 cm，不能充滿整個葉室，需要測量夾樣面積，然后進行光合參數的重計算。計算水分利用效率(WUE)，WUE=Pn/Tr[17]。

1.2.2 葉綠素含量、葉面積和干物質積累量的測定

在各試驗材料灌漿期，每個材料選取10個代表性植株，用葉綠素測定儀(SPAD 502)均勻地在每株的旗葉上選取8個點進行測定，取平均數進行統計分析；用美國LI-COR公司的LI-3000C葉面積儀分別對每株的旗葉面積和整株綠葉面積進行測定，取平均數進行統計分析；將10個代表性植株，去掉泥土清洗干凈后，按根、莖、葉、穗等部位分別烘干稱重，所有部位干物質重量之和即為干物質積累量；用美國LI-COR公司的LAI-2200冠層分析儀在田間對每個材料的小區進行測定，記錄下每種材料的葉面積指數，重復三次。

1.2.3 光脅迫下不同小麥進化材料光合速率的測定

在灌漿期選取材料的旗葉用Li-6400便攜式光合作用測定系統進行光合參數測定，選用6400-02B LED紅藍光源葉室，葉室內溫度設為25 ℃，CO2濃度設為400 μmol·mol-1，在1 300 μmol·m-2·s-1光強下適應15 min后，采用自動光曲線程序進行測定，每種材料測定5株。按葉子飄等的方法[18]計算光飽和點、光補償點、光量子效率和最大凈光合速率。

1.2.4 CO2脅迫下不同小麥進化材料光合速率的測定

材料選擇標準同上，葉室內溫度設為25 ℃，CO2濃度設為1 200 μmol·mol-1，光強設為1 300 μmol·m-2·s-1，適應15 min后采用自動CO2曲線測定程序進行測定，每種材料測定5株。按照葉子飄等的方法[19]計算CO2飽和點、羧化效率、CO2補償點和最大凈光合速率。

1.2.5 溫度脅迫下不同小麥進化材料光合速率的測定

材料選擇標準同上，測定時光強設為1 300 μmol·m-2·s-1，CO2設為400 μmol·mol-1，25 ℃下適應15 min后，采用手動程序進行測定，測定時控制葉室溫度，然后分別在外界溫度的±10 ℃ 范圍內每個溫度點測定一次，每次測定5株，取平均數進行計算。

1.2.6 濕度脅迫下不同小麥進化材料光合速率的測定

材料選擇標準同上，測定時光強設為1 300 μmol·m-2·s-1，CO2設為400 μmol·mol-1，25 ℃下適應15 min后，采用手動程序進行測定，測定時調節干燥管旋鈕來控制濕度，從濕度為零開始，每間隔5%設置一個濕度點，在每個濕度點測定一次，每次測定5株，取平均數進行計算。

1.3 數據的整理與計算

數據利用Excel 2003 進行初步整理，用SPSS 19.0 數據統計軟件進行統計分析。

表1 不同小麥進化材料旗葉光合參數的比較Table 1 Comparison of photosynthetic parameters of flag leaves in different wheat evolution materials

同列數值后不同小寫字母表示不同材料之間差異顯著(P<0.05)。下表同。

Different lower-case letters in the same column indicate significant difference among the different ploidy materials at 0.05 level. The same in tables 2-4.

2 結果與分析

2.1 不同小麥進化材料光合參數的差異

從表1可以看出，不同材料之間旗葉凈光合速率差異顯著，表現為八倍體小黑麥>四倍體小麥>二倍體小麥>六倍體小麥。二倍體﹑四倍體和六倍體小麥間氣孔導度差異不顯著，而八倍體小黑麥的氣孔導度分別比它們高出40.91%﹑41.61%和37.78%。不同材料間蒸騰速率差異不大，表現為八倍體小黑麥>二倍體小麥>四倍體小麥>六倍體小麥。二倍體和四倍體小麥間胞間CO2濃度差異不顯著，六倍體小麥和八倍體小黑麥間也不存在顯著差異。在水分利用效率上，八倍體小黑麥最高，二倍體小麥最低，四倍體和六倍體小麥之間差異不大。上述結果說明，八倍體小黑麥在光合參數上具有明顯的優勢，其凈光合速率﹑氣孔導度，蒸騰速率和水分利用效率均高于其他三種倍性材料，其胞間CO2濃度低于其他三個材料，表明其光合能力更強，能較多地消耗掉了細胞內部的CO2。

2.2 不同小麥進化材料間光合相關性狀的差異

四種材料間光合性狀間均存在差異(表2)。葉綠素含量隨著材料倍性的增大而逐漸上升，二倍體小麥最低，八倍體小黑麥最高，后者比前者提高了55.38%。旗葉面積則表現為六倍體小麥>四倍體小麥>八倍體小黑麥>二倍體小麥，二倍體小麥的旗葉面積分別比四倍體小麥、六倍體小麥和八倍體小黑麥低63.49%、82.70%和61.96%。綠葉面積變化趨勢與旗葉面積相同，也表現為六倍體小麥>四倍體小麥>八倍體小黑麥>二倍體小麥，六倍體小麥的綠葉面積遠高于其他材料，這主要是因為其葉片葉綠素含量在生育后期降低較慢，綠葉數為4片，而其他三個倍體材料綠葉數均為3片。葉面積指數的變化與旗葉面積、綠葉面積變化趨勢也相同。這說明生育后期六倍體小麥光合面積具有明顯優勢，可以較多地接收光能。干物質積累量與葉面積的變化一致，這主要與六倍體小麥具有葉面積的優勢有關，相比其他材料，可以將較多的光能轉化為化學能貯存起來，這也可能是六倍體小麥目前大面積種植的一個因素。

2.3 不同小麥進化材料光合的光響應規律

四種進化材料的葉片凈光合速率對光照強度的響應規律基本一致(圖1)。在光強為200 μmol·m-2·s-1以下時，凈光合速率與光照強度均呈線性關系，且隨著光強升高而快速升高。在達到各自的光飽和點后凈光合速率變化均表現為一條近似平行的直線。在相同的光照強度下，四倍體小麥的凈光合速率最高，六倍體小麥次之，二倍體小麥和八倍體小黑麥最低，后兩者差異不大。

表2 不同小麥進化材料的生育后期光合相關性狀Table 2 Photosynthetic characteristics of different wheat evolution materials at the late developmental stage

圖1 不同小麥進化材料光合(Pn)的光響應曲線

進一步分析表明，四種材料的光量子效率、最大凈光合速率和平均凈光合速率變化一致，均表現為四倍體小麥>六倍體小麥>二倍體小麥>八倍體小黑麥(表3)，說明四倍體小麥和六倍體小麥具有較高的光能轉化和利用效率，可以將吸收光能較多地轉化為化學能貯存起來。暗呼吸速率和光補償點的變化規律一致，均表現為八倍體小黑麥>六倍體小麥>四倍體小麥>二倍體小麥，其中二倍體小麥的光呼吸速率和光補償點分別為0.329 1 μmol·m-2·s-1和7.82 μmol·m-2·s-1，遠低于其他三種材料，說明二倍體小麥在進行光合作用的時候，通過光呼吸途徑消耗的能量很低，且較低的光補償點表明二倍體小麥相對其他材料可以在很弱的光照條件下就能進行光合作用。四種材料的光飽和點表現為二倍體小麥>八倍體小黑麥>四倍體小麥>六倍體小麥，二倍體小麥和八倍體小黑麥在較強的光照下受到的光抑制較小。

表3 不同小麥進化材料光響應參數的比較Table 3 Comparison of light response parameters of different wheat evolution materials

2.4 不同小麥進化材料光合對CO2的響應

不同小麥進化材料光合對CO2的響應趨勢與光響應基本一致(圖2)。當外界CO2濃度在200 μmol·mol-1以下時,四種材料的凈光合速率與CO2濃度均呈線性關系，并隨著CO2濃度增加而迅速升高。在達到各自的CO2飽和點后,凈光合速率的變化趨于平緩。在相同的CO2濃度下，四種材料間凈光合速率差異較大，表現為八倍體小黑麥>六倍體小麥>二倍體小麥>四倍體小麥。

從表4可以得到，四種材料的羧化效率、最大凈光合速率和平均凈光合速率變化一致，均表現為八倍體小黑麥>六倍體小麥>二倍體小麥>四倍體小麥，說明八倍體小黑麥與六倍體小麥對CO2的利用和轉化效率均較高，兩者的最大凈光合速率分別比自然CO2濃度條件下的凈光合速率(表1)增加了88.97%和135.36%，而二倍體小麥和四倍體小麥的最大凈光合速率分別只比自然條件下增加了2.61%和35.78%。二倍體小麥、四倍體小麥和六倍體小麥間CO2補償點無明顯差異，八倍體小黑麥最小。四種材料的CO2飽和點表現為六倍體小麥>八倍體小黑麥>四倍體小麥>二倍體小麥，表明在高濃度CO2下八倍體小黑麥與六倍體小麥光合作用不受抑制，具有較高的光合潛力。

圖2 不同小麥進化材料光合(Pn)的CO2響應曲線

表4 不同小麥進化材料CO2響應參數的比較Table 4 Comparison of CO2 response parameters of different wheat evolution materials

2.5 不同小麥進化材料光合對溫度的響應

四種材料的凈光合速率隨溫度的變化均表現為一條拋物線，變化比較平緩，表明它們的光合作用受溫度的影響不如光照和CO2明顯(圖3)，然而各材料的峰值、最佳溫度、最大凈光合速率等差異較為明顯。二倍體小麥、四倍體小麥、六倍體小麥和八倍體小黑麥的凈光合速率峰值分別出現在27、30、28和26 ℃，其數值分別為16.3、15.8、18.9和22.4 μmol·m-2·s-1。盡管八倍體小黑麥的最佳光合溫度比較低，在夏季高溫條件下光合能力會受到部分抑制，但是在整個溫度曲線范圍內，各溫度點的光合數值一直處在較高的水平，其平均值分別比二倍體小麥、四倍體小麥和六倍體小麥高出42.89%、41.62和17.45%。二倍體小麥和四倍體小麥的凈光合速率在各溫度條件下都較低，對溫度的敏感性較弱。

2.6 不同小麥進化材料光合對濕度的響應

不同倍性材料的濕度響應曲線各不相同(圖4)，二倍體小麥、四倍體小麥、六倍體小麥和八倍體小黑麥進行光合作用的最佳濕度分別為45%、54%、59%和53%，最大凈光合速率分別為17.3、17.9、17.3和17.1 μmol·m-2·s-1，無顯著性差異。四種材料的平均凈光合速率分別為14.88、16.67、14.98和14.93 μmol·m-2·s-1，除了四倍體小麥外，其他三種材料間平均凈光合速率無顯著性差異。然而,不同材料凈光合速率隨相對濕度的變化差異較大，二倍體小麥表現為明顯的拋物線，較低和較高濕度下凈光合速率均比較低，只有在合適的濕度下才能充分進行光合作用，受空氣濕度的影響較大，抗水分脅迫能力較弱。四倍體小麥表現凈光合速率受相對濕度的影響較小，一直處在較穩定的水平，且相比其他三個材料數值較高。六倍體小麥和八倍體小黑麥變化相近，在較低濕度下凈光合能力較弱，但隨著濕度的增加，凈光合能力逐漸提高，在較高的濕度下降低較為緩慢，因此六倍體小麥和八倍體小黑麥適宜在降雨較多的地域種植，在雨后高濕條件下光合作用受到的影響較小。

圖3 不同小麥進化材料光合的溫度響應曲線

圖4 不同小麥進化材料光合的濕度響應曲線

3 討 論

異源多倍體化是一種形成新物種的有效手段, 已經在育種上得到了廣泛的應用，形成了豐富的種質資源和新品種。在小麥育種上，六倍體小麥已經大面積種植，八倍體小黑麥在某些農藝和品質性狀上也表現出獨有的優勢，逐漸被小麥育種家重視。在本試驗中，從不同倍性材料的光合性狀可以看出，隨著小麥材料的不斷進化和改造，光合能力得到了明顯的提升, 高倍體材料的光合能力強于低倍體材料，這與魏愛麗等[17,20]的研究結果一致。八倍體小黑麥是目前小麥多倍體育種的高倍體材料，相對于其他三種材料，凈光合速率、葉綠素含量、蒸騰速率、氣孔導度和水分利用效率都增加得比較明顯，這是通過雜交改良，將優良的光合基因不斷地聚集到一起的結果，最終提高了八倍體小黑麥的光合效率。盡管六倍體小麥的光合參數相比其他三個材料有所降低，但是六倍體小麥在綠葉面積、光合功能葉面積、葉面積指數、綠葉數等多個葉面積指標上具有明顯優勢，且葉片葉綠素降解緩慢，有效地延長了光合功能期，這與劉建輝等[7]的研究結果一致。六倍體小麥通過葉面積的優勢有效地彌補了凈光合能力較低的缺陷，從而使六倍體小麥可以較多地接收光照，將光能轉化為化學能貯存起來，提高了干物質積累量，為小麥的高產提供了堅實的基礎，這也是六倍體小麥目前大面積種植的一個重要因素。

前人對小麥光合與環境因子的互作關系進行了大量的研究，然而主要是研究光照[21]、CO2濃度[22]、溫度[23]等單因子效應，并且主要局限在同一進化材料或者較少類型的進化材料上[24]。本研究以小麥四種不同進化材料為研究對象，綜合分析了其對光合作用影響較大的四種環境因子與光合的關系。從分析結果可以看出，小麥及其近緣種的光合能力既受自身遺傳因素的影響，還很大程度受外界環境的制約。在相同環境因子的影響下，不同倍性材料的變化規律各不相同。在光照強度影響下，四倍體小麥和六倍體小麥具有較高的光能轉化和利用效率，而二倍體小麥和八倍體小黑麥對抗強光的能力較強，受到的光抑制較小。張榮銑等[24]研究發現，野生一粒小麥和節節麥等二倍體小麥較普通小麥更能適應于高溫、強光，這與本研究結果一致。在CO2濃度影響下，六倍體小麥和八倍體小黑麥對CO2的利用和轉化效率較高，具有較高的CO2利用潛力；相比其他三種材料，八倍體小黑麥的光合速率受溫度的影響較小，其數值一直處在較高的水平，二倍體小麥和四倍體小麥的凈光合速率在各溫度條件下都較低；二倍體小麥受空氣濕度的影響較大，抗水分脅迫能力較弱，這與張榮銑等[24]報道相反，可能是因為測定方法不同導致。四倍體小麥受相對濕度的影響較小，一直處在較穩定的水平。六倍體小麥和八倍體小黑麥的光合速率在低濕條件下變化較明顯，而高濕條件下受到的影響較小。植物的凈光合速率不是固定不變的，既隨著自身遺傳的影響進行著日變化[25]、光午休[26]、光反應和暗反應[27]等生理改變，也隨著外界環境因子在不停地改變。對于光合速率的生理性改變，我們可以通過生理脅迫[28]或者分子手段對材料的光合進行改良，而對于脅迫性改變，我們可以通過大量的實驗摸索出凈光合速率隨環境因子的變化規律，然后通過人為地改變環境因子，發揮出光合作用的最佳優勢，最終達到改良增產的目的。

盡管目前我國的小麥單產已經取得了巨大的突破，但隨著小麥耕地面積正逐年減少，同時伴隨著環境惡化以及農村務農人數的降低，小麥的總產量呈下降趨勢[29]。提高小麥面積單產是解決糧食問題的有效途徑，但通過傳統育種手段實現小麥增產已經不是很明顯，因此在傳統的抗逆、品質、早熟等育種基礎上，應輔助高光效育種手段，提高親本資源的光合能力，通過雜交改良提高后代的對光的截獲和利用能力，降低光午休和光抑制等負效應，最大程度地將光能轉化為小麥的化學能貯存起來，從而最終提高小麥的產量。