大豆不育系光合性狀與百粒重相關分析

武月蓮，劉春梅，邊迎秋

（1.通遼市國家農業科技園區發展服務中心，內蒙古 通遼 028000；2.赤峰市阿魯科爾沁旗農牧局，內蒙古天山 025550；3.興安盟突泉縣突泉鎮街道管理服務中心，內蒙古 突泉 137599）

大豆起源于中國，其籽粒蛋白質含量占38%～45%，脂肪含量占18%～23%，碳水化合物含量約占26%，還有少量的灰分、膳食纖維和維生素等，約占5%左右［1-2］.我國擁有符合大豆生長所需的自然地理環境，且已有5000 多年的栽培歷史［3］.2018 年我國大豆平均單產1.853 t·hm-2，總產為1528 萬t，約進口8231萬t，進口總量比國內總產量高出5.39倍.同時，我國目前為世界上最大的大豆消費國，對外存有極高的依賴度［4-5］.由于全國耕地面積已達到1.2億公頃紅色警戒線，所以對于大豆育種研究者而言，提高大豆單產是首要任務［6］.利用雜種優勢大幅度提高農作物產量已被證明是作物遺傳改良最有效的途徑之一［7］.目前，我國利用自身獨特的地域優勢廣泛開展大豆雜種優勢利用研究工作，現已達到世界領先地位［8-9］.雖然我國在雜種優勢利用方面取得很大的進展，但至今，我國雜交大豆種植面積較少，主要原因并不是產量優勢未突顯出來，而是不育系繁殖和雜交制種產量較低，導致種子價格過高，故提高不育系結實率是大豆雜種優勢利用的關鍵因素.前人研究認為，大豆不育系異交率受傳粉昆蟲種類、群體大小和制種田局部環境等因素影響［10-11］.而光合作用是植物生長發育的基礎，是植物體內碳元素來源的重要途徑，同時也是提高植株產量的生理基礎之一［12］.植物個體與群體的光合作用最終決定植株的生長發育特性和產量品質各項指標的形成［13］，葉綠素熒光技術被稱為研究植物光合作用快速、靈敏、無損傷的探針［14］，當環境條件變化時，植物體內葉綠素熒光參數的變化可以在一定程度上反映環境因子對植物的影響［15-16］.同時光合作用中多數生理生化性狀均可在不同程度上表現出雜種優勢.因此本研究以高、中、低異交率的大豆不育系及其同型保持系為試驗材料，對大豆不育系及其同型保持系的光合特性比較分析，初步闡明光合特性與大豆不育系結實率之間的關系，為大豆雜交優勢育種等相關研究提供理論依據.

1 材料和方法

1.1 供試材料 試驗材料為高、中、低異交率的大豆不育系及其同型保持系各1 對，不育系分別以A1（JLCMS116，高異交率）、A2（JLCMS213，中異交率）、A3（JLCMS9，低異交率）代之，與其相對應的同型保持系分別以B1、B2、B3代之.供試材料均由吉林省農業科學院大豆研究所提供.

1.2 試驗設計 試驗在內蒙古通遼市平安堡村試驗田進行，于2018年5月12日播種，設置3個小區，各小區間自然隔離，采用父母本1︰1等行距種植，每小區6行，行距60 cm，株距10 cm，父母本相間種植.小區面積為20 m2，試驗材料均同一時期播種，生長期間采用常規大田栽培管理措施.于5月25日進行田間補苗，7月20日進行指標測定.

1.3 測定指標與方法

1.3.1 葉綠素含量測定 利用便攜式葉綠素儀SPAD-502Plus測量大豆植株自上而下第3處復葉的中間葉片，每一葉片隨機選取10處測量并取平均值.同一品種大豆3次重復.

1.3.2 光合指標的測定 光合指標選用LI-6400（Li-Cor.公司）型便攜式光合作用測定系統進行測定.于上午9時到11時對6個大豆材料葉片光合氣體交換參數進行測定，包括凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）.測定時采用固定紅藍光源進行試驗，光強為1200 μmol·m-2·s-1，為避免測定時環境CO2濃度的變化對測定結果的干擾，將儀器的進氣口與裝有恒定CO2濃度的鋼瓶相接，鋼瓶CO2濃度配制成370 μmol·mol-1，溫度設定為25℃，空氣流速0.5 L·min-1，相對濕度60%，選取3 株大豆在主莖第3復葉的葉片中部進行測定.

1.3.3 葉綠素熒光參數的測定 葉綠素熒光參數選用FMS-2（英國Hansatech公司）脈沖調制式熒光測定系統進行測定.在測定光合指標的同時先測定光適應下的穩態熒光qp 和ETR 等參數；葉片經暗適應30 min后，測定Fo和Fv/Fm等參數.

1.4 數據統計分析 采用Excel2003進行數據整理和計算，用SPSS 20.0 進行方差分析、相關性分析和通徑分析.

2 結果與分析

2.1 大豆不育系及其同型保持系光合特性比較 由表1可知，各不育系SPAD值、凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均為A1＞A2＞A3，且A1 葉片SPAD 值和氣孔導度顯著高于A3，分別高出9.80%和19.15%，A1葉片凈光合速率和蒸騰速率顯著高于A2和A3，分別高出10.64%、29.04%和13.17%、20.59%；其同型保持系葉片凈光合速率、氣孔導度與蒸騰速率均為B1＞B2＞B3，且上述3 性狀值B1 均顯著高于B3.各不育系SPAD值和蒸騰速率均低于其同型保持系，但無顯著差異，葉片胞間CO2濃度表現為A1＜A2＜A3，B1＜B2＜B3，但均無顯著差異，說明胞間CO2濃度對異交結實率影響較小.

2.2 大豆不育系及其同型保持系葉綠素熒光參數比較 表2為各不育系及其同型保持系葉片葉綠素熒光參數的變化趨勢.初始熒光（Fo）是光系統II（PSII）反應中心處于完全開放時的熒光水平，各不育系及其同型保持系葉片初始熒光為A1＜A2＜A3和B1＜B3＜B2，且A3顯著高于A2、A1和B3，B2顯著高于B1、B3和A3；最大熒光（Fm）是PSⅡ反應中心處于完全關閉時的熒光水平，可反映PSⅡ的電子傳遞情況，A1和A3最大熒光均低于其同型保持系，A2顯著高于其同型保持系，高出4.09%；Fv/Fm為PSII光量子效率，主要反映PSII開始最大光能的利用效率，ETR為相對電子傳遞速率，各不育系及保持系Fv/Fm和ETR均表現為A1＞A2＞A3、B1＞B2＞B3，且各不育系Fv/Fm均高于其同型保持系，而A1和A2葉片ETR均低于其同型保持系.

表2 不育系及其同型保持系葉片葉綠素熒光參數比較Tab.2 Comparison of chlorophyll fluorescence parameters between sterile lines and their maintainers

2.3 大豆不育系及其同型保持系百粒重比較 由圖1 可見，各不育系及其同型保持系百粒重均為A1＞A2＞A3，B1＞B2＞B3，且各不育系百粒重均顯著高于其同型保持系，分別高出31.18%、32.63%和18.19%.

2.4 大豆不育系及其同型保持系各指標參數相關性分析 由表3可見，SPAD值除與蒸騰速率呈顯著正相關外，與其他各性狀均無顯著相關性.凈光合速率與蒸騰速率和ETR呈顯著正相關水平，與氣孔導度和Fv/Fm呈極顯著正相關水平.胞間CO2濃度與氣孔導度和Fv/Fm呈顯著負相關水平，與蒸騰速率和ETR呈極顯著負相關水平.百粒重與凈光合速率、氣孔導度和Fv/Fm相關性最高，相關系數分別為0.749 5、0.652 6和0.765 7，但均未達到顯著相關水平.Fo和Fm與各性狀間也均未達到顯著相關水平.

由表4可見，各性狀對百粒重正向作用大小順序為凈光合速率（2.396 0）＞胞間CO2濃度（0.553 5）＞Fv/Fm（0.036 3）＞ETR（-0.096 4）＞Fm（-0.105 6）＞Tr（-0.232 8）＞Fo（-0.254 2）＞SPAD（-0.460 9）＞氣孔導度（-0.739 8），其中只有凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）和Fv/Fm對百粒重有直接的積極作用.SPAD值、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和ETR 直接系數雖為負數，但間接系數分別為0.565 1、1.392 3、0.677 6 和0.608 9，可通過其他性狀間接對百粒重產生影響.

表3 大豆不育系及其同型保持系各指標參數相關系數Tab.3 Correlation coefficient of each index parameter of soybean sterile line and its maintainer

表4 各性狀相關系數的通徑分析Tab.4 Path analysis of correlation coefficient of each character

3 討論

雜種優勢的利用是提高作物產量的有效途徑之一，目前玉米、高粱、油菜和水稻等均已廣泛利用雜交種獲得增產增收，而大豆與這些作物相比，雜種優勢利用研究相對較晚［17］.為提高大豆不育系產量，本研究以不同基因型大豆不育系及同型保持系的異交率差異為切入點，系統研究光合特性對大豆不育系異交率的影響.

大豆在生育期間光照與產量密切相關［12］，作物中90%～95%的干物質來自于光合作用的產物［18］，本研究結果表明，異交率越高各不育系SPAD值、凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率數值越大，胞間CO2濃度數值越小，除A2的凈光合速率、A3的氣孔導度高于其同型保持系外，各不育系SPAD值、凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均低于其同型保持系，說明大豆不育系異交結實率與SPAD值、凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率間存在密切關系，且提高異交結實率并非單一光合參數獨自作用，而是多種光合參數共同作用的結果，同時表明在消耗同等水分條件下，低異交率不育系干物質生成量較少，則需要消耗更多的水分來提高自身干物質產量，說明高異交率不育系具有較高的水分利用率，與烏云塔娜研究結果基本一致［19］.葉綠素熒參數在葉片光合作用的過程中具有重要作用，尤其能反映光系統II（PSII）對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等過程.本研究結果表明，各不育系Fv/Fm、ETR均為A1＞A2＞A3，而Fo則為A1＜A2＜A3，說明異交率越高，葉片光作用越強，低異交率不育系葉片發生了光抑制、PSII受到破壞.高異交率會改變大豆葉片PSⅡ激發能的分配方式，通過自身熱消耗更多的激發能以此來提高大豆百粒重.且高異交率大豆不育系在保持PSⅡ原初光能轉換效率和PSⅡ潛在活性的同時，啟動非輻射熱能量耗散機制，將過剩光能以熱的形式耗散掉，從而阻止凈光合速率過度下降，起到保護光合機構的作用.本研究相關性和通徑分析表明，凈光合速率與蒸騰速率和ETR呈顯著正相關水平，與氣孔導度和Fv/Fm呈極顯著正相關水平，百粒重與凈光合速率、氣孔導度和Fv/Fm相關性最高，且凈光合速率與Fv/Fm直接通徑系數均為正數，可直接影響不育系產量，與孫賀祥等［5］研究相似.雖然氣孔導度直接系數為負值，但間接系數達到1.392 3，也可通過其他性狀對產量產生影響，胞間CO2濃度與百粒重呈負相關水平，說明胞間CO2濃度抑制了百粒重的提高，但通徑分析表明胞間CO2濃度直接系數為0.553 5，可直接影響大豆不育系產量，因此需降低不育系胞間CO2濃度來增加大豆不育系產量.

4 結論

在不育系選育的過程中，應選用具有較高凈光合速率、氣孔導度和光能轉換率以及較低的胞間的CO2濃度的不育系為母本，以提高不育系繁殖產量.