小麥育種中弱光和紅光利用改良的探索

王玉泉，楊紫君，趙麗敏，馮素偉，丁位華，金立橋，李淦，王昱潔，茹振鋼

(1.河南科技學院 河南省雜交小麥重點實驗室;生命科技學院，河南 新鄉 453003;2.沈丘縣農業農村局，河南 沈丘 466300)

光合作用是作物產量的基礎，提高光合利用率是提高小麥產量的有效途徑.自20世紀60年代以來，高光效育種一直是生理學家和育種家關注的焦點[1-2]，其核心是提高光能利用效率[3].光照強度顯著影響光合速率[4]，不同作物及同一作物不同品種間光合效率存在差異，為高光效育種資源篩選提供了可能[5].小麥從播種到收獲的整個生長發育過程易受弱光影響，如灌漿期光照強度下降，旗葉光合速率顯著降低，光合物質積累和運轉受到嚴重抑制[6]，導致小麥產量下降，品質降低[7-10].植物光合作用不僅受光照強度的制約，而且受光質及其比例的影響[11-14].植物光合作用僅能利用紅光和藍紫光，葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，其含量顯著受不同光質影響.近年來研究發現，紅藍組合光更有利于植物生長，增加紅光比例更有利于凈光合速率的提升，而增加藍光則光合速率下降[15-17].因此在小麥育種中，提高小麥弱光和紅光利用能力是高光效育種的核心內容.

提高作物的光合效率被認為是大幅度提高單產的有效途徑.在對小麥的研究中，光照強度及不同光質與光合作用的關系已被廣泛報道[18-21].弱光光照時間占據小麥全生育期2/3以上，對小麥生物量及產量形成發揮關鍵作用，而弱光在小麥育種中的應用進展較慢.本研究立足新鄉地區小麥生長發育關鍵時期的光照強度及可見光光質組成，在小麥育種中對弱光和紅光的利用進行了探討，以期為小麥高光效育種提供思路.

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究所用試驗材料為百農160、百農4199、百農AK58、周麥18、高光3709、寶豐7228、矮早781，其中百農160、百農AK58和高光3709為百農4199的親本，周麥18為河南和國家試驗對照，百農4199、百農AK58、寶豐7228和矮早781均為河南省推廣面積較大的品種，也是不同時期的代表性品種，百農160和高光3709為百農4199親本.所有材料均由河南科技學院小麥中心提供.供試材料于2019年和2020年種植在河南科技學院朗公廟試驗基地，每個品種種植4行，行長4 m，每行60粒，正常大田管理.

1.2 光照測定

可見光照強度及光質測定采用手持式光譜分析儀(臺灣海博特股份有限公司,HR-350)進行測定.2021年選取小麥越冬期和灌漿期天氣晴朗日期進行可見光光照強度測定，光質波長范圍內總光量子數之和為光照強度，測定地點為新鄉(113°55′E，35°18′N).

1.3 光合速率測定

采用便攜式光合儀(美國,Li-6400)測定小麥光合速率，紅光和藍光處理采用LED光源(瑞士，Heliospectra RX30).2019年和2020年分別選取小麥灌漿初期和灌漿中期進行紅光和藍光光質處理并測定光合速率.光質處理在大田進行，為避免可見光干擾，將待測材料覆蓋1 h后開啟紅光，分別在處理1 h和2 h后選取高度相近的旗葉測定其光合速率，之后將測定葉片取下放入液氮，分析其葉綠素含量變化，藍光處理與紅光處理相同，每個品種5次重復.

1.4 葉綠素含量、葉片顏色測定與數據處理

葉綠素提取采用丙酮浸提法，之后利用分光光度計測定663 nm，645 nm該波長下葉綠素溶液的吸光度，葉綠素含量計算參照文獻[18].采用分光測色儀(杭州彩譜科技有限公司，CS-582A)在2020年灌漿初期進行葉片顏色測定，每個品種5次重復.數據差異性顯著分析采用 SPSS 21.

2 試驗結果

2.1 小麥不同生育期可見光光質強度變化

小麥越冬期和灌漿期可見光光照強度測定發現，越冬期光照強度為9 696 μmol·m2·s-1，灌漿期為19 195 μmol·m2·s-1，越冬期光照強度顯著低于灌漿期.越冬期和灌漿期可見光7種光質中，紅光光照強度最高，紫光最弱(圖1).

越冬期和灌漿期紅光在不同光質中比例最高，紫光最低，紅光比例最高且上午(7:00-9:00)和下午(17:00-19:00)比例增加.紅光越冬期變化幅度為46.8%～67.3%，大于越冬期變化幅度(42.2%～52.9%)見圖2.

可見光不同光質日變化表明，紅光比例最大且不同光質強度均在中午1點達到頂峰(圖3).因此，可見光7種光質中，紅光最強，所占比例最大，且早上和晚上比例稍增加.

2.2 不同品種葉片顏色分析

葉片顏色測定結果表明，5個品種中，百農160顏色最深，測定值為-9.28，其次為百農4199，測定值為-9.62，寶豐7228顏色最淺，為-10.76(表1).不同品種葉片顏色差異性分析表明百農160和百農4199與周麥18、寶豐、矮早781間差異達極顯著水平，而百農160和百農4199間差異不顯著.

表1 不同品種越冬期葉片顏色

2.3 紅光和藍光處理下的光合速率

不同光質處理下的下光合速率測定結果表明，無論灌漿初期還是中期，不同光質處理下，品種間光合效率測定存在差異.綜合來看，紅光下的光合效率高于藍光下的光合效率，不同品種間，紅光處理下百農4199灌漿初期和灌漿中期的光合效率均顯著高于矮早781和寶豐7228(表2).藍光處理1 h和2 h時，百農4199的光合效率均高于矮早781和寶豐7228，但差異不顯著.灌漿期百農4199旗葉顏色顯著較781和寶豐7228濃綠，差異極顯著(表3).

表2 紅光和藍光處理下不同品種的光合效率

表3 不同品種灌漿期旗葉顏色

2.4 不同光質處理的葉綠素a與葉綠素b的比值變化

在進行紅光和藍光處理時，同時分析了旗葉葉綠素a與葉綠素b的比值變化，結果表明灌漿初期紅光處理1 h和2 h時，百農4199旗葉葉綠素a與葉綠素b的比值分別為2019年為1.64和1.79，2020為1.37和1.38，兩年均顯著低于矮早 781(2019年為1.83和1.85，2020年為1.61和1.71)和寶豐7228(2019年為1.88和1.87，2020年為1.69和1.73)(表4).藍光處理1 h和2 h時，百農4199旗葉葉綠素a與葉綠素b的比值均低于矮早781和寶豐728，但差異不顯著.

表4 紅光和藍光處理下不同品種的葉綠素a與葉綠素b的比值

3 討 論

光照強度影響植物光合效率.弱光光照時間占據小麥全生育期2/3以上，是影響小麥產量和品質的重要因子[7-8].不同生育時期光照強度分析顯示越冬期光照強度顯著弱于灌漿期(圖1，圖2).苗期光照弱，小苗弱光利用能力差導致苗小、苗弱、生物量小，不利于后期發育及產量的提高，因此提高小麥苗期的弱光利用能力是弱光遺傳改良的重要內容.小麥品種矮抗58、周麥18、百農207、百農4199、周麥22、周麥16、中麥895等均為河南省推廣面積比較大的品種，對這些品種苗期特性的分析表明50%以上的品種葉色較深，冬前生物量較大，推測大品種的弱光利用能力較強，積累了較多的光合產物，有助于安全越冬，表明提升小麥苗期的耐弱光能力已經成為育種家的共識[22].7種光質比例日變化表明不論是在小麥越冬期還是灌漿期，紅光在可見光中比例均最大，且早上和下午比例上升.3個品種在紅光和藍光處理1 h和2 h的光合效率檢測結果表明，紅光的光合效率高于藍光.因此，改良小麥品種耐弱光能力，提升紅光利用效率是小麥高光合育種的重要方向之一.

葉色深反映了植物耐弱光能力強[23].本研究使用的5個材料中，百農160和百農4199葉片顏色最深，與另外3個品種差異極顯著，表明百農4199繼承了百農160葉片顏色的遺傳特征(表2).已有研究表明百農160和百農4199不同發育時期光合效顯著高于百農AK58，光合效率日變化也表明早上和下午百農160和百農4199光合效率顯著高于其他品種[24].紅光和藍光光質處理不同時間的光合效率測定表明，灌漿初期百農4199紅光處理下的光合效率顯著高于矮早781和寶豐7228(表4)，而其顏色顯著比矮早781和寶豐7228濃綠(表3)，表明光合效率與旗葉顏色深淺具有一致性.葉綠素b是捕光天線復合體(light-harvesting complex,LHC)的重要組成部分，研究發現，當植物生長在弱光下時，葉綠素b的合成加快，天線大小也隨之增大[25-26]，弱光下，葉綠素b含量升高且其比值降低是植物利用弱光能力強的判斷指標.百農4199紅光處理的葉綠素a與葉綠素b的比值顯著低于矮早781和寶豐7228，而其光合效率顯著高于矮早781和寶豐7228，表明百農4199耐弱光的能力較強，此可能與其旗葉顏色較深有關.

綜上，依據新鄉本地光照特點及不同光質的光合效率差異，以提高小麥耐弱光和耐強光能力為重點，將葉片顏色和葉綠素a與葉綠素b的比值作為高光效育種的選擇依據，培育了高光效小麥新品種百農4199.研究結果顯示，百農4199光補償點低，飽和點高，不同發育時期光合效率顯著高于對照品種周麥18和矮抗58，產量較周麥18增產6.2%，且灌漿速率快，籽粒品質超國家1級麥標準，表明百農4199弱光利用能力和紅光的光合效率獲得較大的提升，為小麥高光效育種提供了新的思路[24].在育種實踐中，通過百農4199弱光和紅光利用能力的探索，將葉片顏色深，葉綠素a與葉綠素b的比值作為高光效選擇的依據亦是可行的，為育種家提供了簡單有效的田間選擇依據.