枸杞光合特性評價及高光效指標篩選

何昕孺 ，王玉靜，李妍穎，張 波，黃 婷，尹 躍，段淋淵，秦 墾，戴國禮

(國家枸杞工程技術研究中心/寧夏農林科學院 枸杞科學研究所，銀川 750002)

枸杞是“藥食兩用”植物資源，具有巨大的藥用和經濟價值。隨著人們對枸杞營養保健功效的不斷認識和認可，枸杞的市場需求日益旺盛[1]。枸杞種質資源雖種類豐富，但因遺傳背景不清楚，制約了種質資源深度挖掘與新品種選育，目前生產中的主栽品種優良性狀退化，產量低，新品種少且推廣速度緩慢，已不能滿足產業多樣化的發展需求[2]。光合能力和效率的改善是提高作物產量的主要途徑。因此高光效種質的篩選是挖掘光合增產潛力，高光效育種的基礎和前提[3-4]。在水稻、大豆等作物上已有高光效種質篩選及選育的大量研究[5-9]，屠層平等[10-11]在水稻高光效育種中的研究認為，單葉凈光合速率、葉面積指數、高效光合持續期是實現高光合生產力的重要光合特性。有研究表明[12-16]多年在大豆高光效育種中選育出在光合特性、光合勢、單株葉面積、RUBP羧化酶和光合產物的積累有較大遺傳改進的高光效種質，認為單葉光合速率是高光效育種的重要指標之一，同時結合育種目標應具有較大的光能截獲能力、光能高速傳遞能力、高光能轉化效率、高光合速率和高RUBP羧化酶、光合產物在籽粒中高比例分配、高光合持續期等綜合水平。牛寧等[17]對150份大豆光合特性的評價認為高光效大豆應具有高氣孔導度、高水分利用率和高光合效率等特性。張華等[18]利用主成分分析、聚類分析、判別分析相結合的方法研究152份甘蔗光合特性，認為凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率結合較好的品種可應用于光合生理育種。張耀文等[19]在油菜高光效育種研究中認為高光效種質篩選指標應從光合氣體交換參數、光合生理結構等光合能力，單株、群體等株型、產量結構，抗病、蟲等抗性能力及品質性狀等方面綜合評價、量化比較。目前枸杞種質資源的挖掘及品種選育主要以多糖、單果質量、抗性、果實大小等為目標性狀，枸杞光合特性的研究以環境因子、水分、肥料、鹽堿脅迫等對光合氣體參數的影響為主[20]，種質間光合特性的研究較少[21-24]。因此，篩選枸杞光合能力評價指標，建立有效的綜合評價方法，可以為枸杞新品種選育提供理論支撐。本研究連續2年對76份枸杞材料的葉片光合氣體交換參數和葉片物理性狀進行調查，評價枸杞種質資源的光合能力，篩選出高光效材料，對推進枸杞育種和產量提升有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以寧夏銀川市蘆花臺寧夏農林科學院枸杞種質資源圃的76份材料為供試材料(表1)。

表1 供試枸杞材料的編號及名稱Table 1 Code and name of tested wolfberry

1.2 測定方法

2019-2020年于枸杞春梢現蕾期進行田間標樣，標樣要求參照[25]，1 a生果實成熟初期測定光合參數及葉片形態指標。

1.2.1 光合參數測定 利用德國GFS-3000便攜式光合儀分別于2019年、2020年6-7月，選擇晴朗天氣的上午9:00-12:00測定葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)參數，葉片瞬時水分利用效率(WUE)=Pn/Tr。測定時設置氣體流速750 μmol·s-1，氣體混勻器的風扇速度為7，葉室溫度為30 ℃，相對濕度為60%，利用外置光源將PAR設定為1 500 μmol·m-2·s-1，每份材料測3個葉片。

1.2.2 葉片形態指標測定 測定光合參數的同時，采集與其相對應的葉片，利用Uniscan M1紫光掃描儀測定葉面積，電子分析天平稱量葉鮮質量，在70 ℃烘干至恒質量，稱葉干質量，比葉重=葉干質量/葉面積。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2007進行數據整理，使用SPSS 21進行方差分析、相關性分析、主成分分析、聚類分析、判別分析。

2 結果與分析

2.1 枸杞光合氣體交換參數及葉片形態指標的 差異

由表2可得知，2 a中2019年枸杞葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、葉面積、葉鮮質量、葉干質量、比葉重的變異系數高，在2020年水分利用率的變異系數高。結合2 a的數據看氣孔導度、葉鮮質量、葉干質量、比葉重、葉面積的變異系數大，為46.3%～57.6%，胞間CO2濃度、水分利用率的變異系數小，在10.9%～27.4%。品種(系)間凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、水分利用率、葉面積、葉鮮質量、葉干質量均存在極顯著差異(P<0.01)，比葉重存在顯著差異(P<0.05)；年份間凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、水分利用率、葉面積、葉干質量、比葉重均存在極顯著差異(P<0.01)，葉鮮質量不存在顯著差異；品種與年份互作效應對各指標均達到極顯著水平 (P<0.01)。

表2 枸杞光合參數及葉片形態指標的差異Table 2 Difference of photosynthetic parameter and leaf morphological index of wolfberry

2.2 葉片光合氣體交換參數及形態特征指標的相關性分析

如表3所示，各指標呈現不同程度的相關性。凈光合速率與氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、葉面積、葉鮮質量、葉干質量呈極顯著正相關；氣孔導度與胞間CO2濃度、蒸騰速率、葉面積、葉鮮質量、葉干質量呈極顯著正相關；胞間CO2濃度與蒸騰速率呈極顯著正相關，與水分利用率呈極顯著負相關；蒸騰速率與葉面積、葉鮮質量、葉干質量呈極顯著正相關；葉面積與葉鮮質量、葉干質量呈極顯著正相關；葉鮮質量與葉干質量呈極顯著正相關；葉干質量與比葉重呈極顯著正相關。

2.3 高光效綜合指標的篩選

采用主成分分析的結果見表4，前3個因子的累計貢獻率達86.88%，能夠代表9項指標的大部分信息。9項指標可分為葉片的光合性狀指標和物理性狀指標，其中因子1解釋的指標為凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、葉面積、葉鮮質量、葉干質量；因子2解釋的指標為胞間CO2濃度、水分利用率，因子3解釋的指標為比葉重。光合性狀指標中水分利用率為凈光合速率與蒸騰速率的推導指標，水分利用率與胞間CO2濃度呈極顯著相關(R=-0.774)，且胞間CO2濃度的權重高于水分利用率；物理性狀指標中葉干質量與葉面積、葉鮮質量、比葉重呈極顯著相關(R= 0.893、0.846、0.320)，且權重最低。因此，選用凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、葉面積、葉鮮質量、比葉重7項指標作為枸杞高光效的綜合評價指標。

表4 各項指標旋轉后的因子載荷值Table 4 Factor loading value after rotation of each index

根據主成分分析中各指標的貢獻程度，構造出枸杞高光效評價指標的判斷矩陣(表5)。各層單排序一致性檢驗結果CR分別為0、0.028 3、 0.046 2，層次總排序的一致性檢驗結果CR為 0.035 1，均小于0.1(表6)，因此認為層次總排序具有滿意的一致性，蒸騰速率、比葉重、葉鮮質量、氣孔導度、葉面積、凈光合速率、胞間CO2濃度的權重值依次為0.2389、0.2063、0.1637、0.1468、0.129 9、0.089 6、0.024 6(表7)。可見蒸騰速率、比葉重對枸杞高光效特性的貢獻最大，其次是葉鮮質量、氣孔導度、葉面積，而凈光合速率、胞間CO2濃度的影響較小。

表5 枸杞光合能力評價因子的分層結構Table 5 Layed structure of evaluation factors for photosynthetic capacity

表6 層次結構的判斷矩陣及一致性檢驗Table 6 Judgement matrix and its consisitency check of layed structure

2.4 枸杞光合能力的綜合評價

利用篩選出的指標對枸杞種質進行K-均值聚類分析(表8)，將76份枸杞材料分為三大類，第I大類包括‘16-1-3-5’‘14-26-6’‘14-87’等6個枸杞品種(系)，該類群的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、葉面積、葉鮮質量低，比葉重高；第II大類包括‘寧杞1號’‘大麻葉’‘寧杞5號’等51個枸杞品種(系)，該類群的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、葉面積、葉鮮質量中等，比葉重低； 第III大類包括‘Z44’‘14-2-3-20’‘13-19’等19個枸杞品種(系)，該類群的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、葉面積、葉鮮質量高，比葉重中等。

表7 指標層對目標層的權重值Table 7 Weight value of evaluation factors

表8 不同品種(系)枸杞的聚類結果Table 8 Clustering results of different varieties of wolfberry

為檢驗聚類結果是否可靠，利用聚類結果進行逐步判別分析，有3個變量最終引入判別函數，剔除了4個變量，得到判別函數如下：

Y1=-2.971+0.010X1+7.146X2- 12.624X3

Y2=-8.467+0.002X1+0.933X2+ 40.901X3

其中X1、X2、X3分別代表氣孔導度、比葉重、葉鮮質量。根據判別函數對聚類結果重新進行分類，結果只有1個品種被誤判，‘寧杞7號’由原來的3類誤判為2類，總誤判率為1.32%，判對的概率為98.68%。從圖1也可得出，判別函數可將3個類群明顯地區分開。聚類分析與判別分析的結果比較一致，因此認為對76份枸杞材料的分類結果是可靠的。

3 討 論

光合作用是一個非常復雜的生理過程，植物光合性狀的差異與其自身的遺傳特性、植物學特征及外界生理生態環境的影響有關[26]。高光效育種研究最初是以理想株型指標為種質篩選的重要依據，隨著研究的深入，逐步將光合氣體交換參數、光合酶含量等光合功能的相關生理指標作為高光效篩選的指標[4]。有研究表明，光合速率是一個相對穩定的遺傳性狀[27-28],比葉重是反映葉片質量，衡量植物相對生長速率的重要參數，與葉綠素含量、光合功能等相關聯[29-32]。本試驗中品種和年份對枸杞光合氣體交換參數及葉片形態指標有一定的影響，方差分析表明品種因素對凈光合速率、氣孔導度、葉面積等9個指標的影響顯著，年際因素對除了葉鮮質量外的8個指標影響顯著。

圖1 不同類群枸杞的典型判別得分圖Fig.1 Scatter plot of canonical discriminant scores of different groups of wolfberry

近年來，針對不同作物某一性狀的評價主要采用多個指標、多種統計方法相結合的方式進行綜合評價，從而更加全面地反映某一性狀的差異，同時也能篩選出與該性狀相關的生長及生理生化指標[33-34]。常用評價方法中主成分分析法是能在較多的性狀指標中篩選出重點指標，但如果單用主成分分析法，數據可能會出現主要信息丟失和不重要指標凸顯的現象[35]。而層次分析法是采用定性與定量相結合的方法, 可以較好地解決指標相互關聯的問題，在植物種質資源評價和品種篩選中已廣泛應用[36]。但層次分析法的評價指標權重的確定帶有一定的主觀性,不同人所構造的判斷矩陣可能會有一定差異。因此將主成分分析法和層次分析法結合起來應用，可將評價問題做的更科學、合理[37]。本試驗以國家枸杞工程技術研究中心收集與創制的優良品系為試材，對枸杞的光合氣體交換參數和葉片物理性狀參數共9個指標進行主成分分析，提取到3個主成分，累計貢獻率達86.88%，具有代表性，結合相關性分析最終篩選出凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、葉面積、葉鮮質量、比葉重作為枸杞高光效的評價指標，運用層級分析法對主成分分析法確定指標權重的計算及排序，其中權重值最大的指標是蒸騰速率、比葉重，其次是葉鮮質量、氣孔導度、葉面積，而凈光合速率、胞間CO2濃度的最小，得出的結果滿足一致性。在此基礎上，對參試材料進行了聚類分析，并利用判別函數對聚類結果進行驗證。

本試驗通過聚類分析將76份材料分為3類型，其中有6個為第Ⅰ類型(低光效)，占供試材料的7.9%，有51個為第Ⅱ類型(中等光效)，占供試材料的67.1%，有19個為第Ⅲ類型(高光效型)，占供試材料的25%，高光效類群的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、葉面積、葉鮮質量均顯著高于低光效類群與中等光效的類群。結合大豆水稻[38]等作物的高光效育種實踐，本試驗僅以光合氣體交換參數和葉片物理性狀等指標建立的枸杞高光效評價方法, 缺乏光合作用中關鍵酶、群體光合、產量等指標的驗證。筆者認為通過本文建立的方法雖不能夠完全真實可靠的評價枸杞種質的光合能力，但可以作為枸杞高光效種質的初篩依據。

4 結 論

本研究調查的76份枸杞種質在光合氣體交換參數與葉片物理性狀指標上表現出較大差異；綜合相關性分析與主成分分析，篩選出凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、葉面積、葉鮮質量、比葉重可作為枸杞高光效的評價指標；聚類分析將76份材料分為3個類群，其中6個低光效型，51個中等光效型，19個高光效型。本研究建立的枸杞高光效評價方法可為枸杞品種選育提供參考依據。