馬鈴薯光合效率遺傳分析及綜合評價

謝 銳, 金曉蕾, 韓志剛, 程玉臣,, 趙小慶,, 張向前,, 高艷蓉, 郭景山, 路戰遠,

(1.河北農業大學農學院,河北保定 071000; 2.內蒙古自治區農牧業科學院,內蒙古呼和浩特 010031;3.內蒙古自治區退化農田生態修復與污染治理重點實驗室,內蒙古呼和浩特 010031)

光合作用是作物生產力的主要決定因素,光合效率潛能的提高是增產的基礎[1-2]。作物積累的干物質有90%～95%來自于葉片的光合作用[3-5]。馬鈴薯在生長發育過程中生物量形成的主要來源為光合作用,光合作用的強弱和效率的高低直接決定著生物量和塊莖產量[6-7]。通過高光效育種改善馬鈴薯葉片光合效率和光能利用率是提高塊莖產量的有效途徑之一,而遺傳變異是高光效育種的基礎[8-11]。內蒙古陰山北麓地區是我國馬鈴薯主要產區之一,研究馬鈴薯種質資源的光合生理特性,篩選高光效種質資源及選育適宜該地區高光效品種對馬鈴薯增產具有重要意義。

同一作物不同種質間的光合效率存在明顯的遺傳變異,這為高光效種質的篩選和新品種選育提供了可能[12]。Acevedo-Siaca等發現在光誘導過程中不同基因型水稻葉片的CO2同化效率存在明顯差異[13];Rawson等通過研究小麥光合特性的種內變異以及選擇對光合作用的潛在影響,發現在地中海環境中育種導致現代品種在飽和光下的光合效率比老品種有所提高[14-15]。同時也有學者通過不同光合指標,對作物光合效率進行直接評價,如薛惠云等對不同棉花種質的株型、葉綠素含量、光合參數及熒光參數等指標進行比較分析,并闡釋了棉花高產穩產的光合生理基礎[16];蘇春桃等以氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)為關鍵因子,將23份甘薯品種劃分為5個類群,篩選出高光效種質7份[17];尹旺等以凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度及蒸騰速率作為篩選指標,通過聚類和相關性分析,篩選出18個高光效材料[18]。綜上所述,種內光合作用存在自然變異,并且遺傳特性相對穩定,這為高光效育種提供了可能。另外,數量分析法能較好地反映種質的綜合性狀,為育種過程中親本選配提供依據。

當前,對于馬鈴薯種質資源鑒定評價主要圍繞產量、品質及抗逆性等開展,對不同種質間光合效率的鑒定評價研究較少,致使可用于生產和遺傳改良的高光效種質匱乏。本研究以國內外15個馬鈴薯品種為供試材料,系統分析了8個光合相關參數的變異情況和遺傳力,并通過主成分分析和系統聚類對不同馬鈴薯種質進行評價、分類,篩選出高光效種質,以期為馬鈴薯高光效育種提供理論依據和親本。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2020年5—9月在國家馬鈴薯產業技術體系呼和浩特綜合試驗站開展。試驗站位于呼和浩特市武川縣(111°15′E,40°96′N),平均海拔 1 682 m,年均降水量355 mm,年均氣溫3 ℃,無霜期110 d左右。試驗地土壤類型為栗鈣土,肥力均勻,前茬作物為燕麥,0～20 cm土層土壤理化性質:速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為35.2、3.5、112.0 mg/kg,有機質含量10.6 g/kg,pH值8.3。

1.2 供試材料與試驗設計

選取不同地域來源馬鈴薯品種15份(表1),其中北京1份、內蒙古6份、黑龍江2份、青海1份、河北2份、美國1份、荷蘭2份。試驗采用單因素隨機區組設計,3次重復,共計45個小區。每個小區為5行區設計,行距0.9 m,行長5.0 m,株距0.25 m,每行種植20株。施肥量分別為N 300.0 kg/hm2、P2O5180.0 kg/hm2、K2O 300.0 kg/hm2,其中磷、鉀肥及1/3氮肥作為基肥于播種前一次性施入,2/3氮肥第一次中耕時施入。5月10日播種,9月20日收獲。灌溉、病蟲草害防治等田間管理與大田一致。

表1 供試馬鈴薯品種及來源

1.3 測定指標與測定方法

于淀粉積累期(出苗后60 d左右)選擇3 d晴朗天氣(8月9日、10日和12日),每個小區選擇3株長勢一致的植株,利用Li-6800(Li-Cor,USA)便攜式氣體交換系統測定馬鈴薯倒四葉的頂小葉氣體交換參數,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)等。測定時間為09:00—12:00,光強設定為1 000 μmol/(m2·s),二氧化碳濃度設定為400 μmol/mol?？諝庀鄬穸仍O定為60%,流速為500 μmol/s。氣體交換參數測定完成后利用SPAD-502(Konica Minolta,Japan)葉綠素儀測定葉片相對葉綠素含量(SPAD值),每個小區選擇6株測定,取平均值。根據葉片氣體交換參數,參照葉子飄等的方法分別計算瞬時羧化效率(CE=Pn/Ci)、氣孔限制值(Ls=1-Ci/Ca,Ca為大氣CO2濃度)和水分利用率(WUE=Pn/Gs)[19]。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2010進行數據整理,用SPSS 22.0對光合性狀進行差異顯著性分析、相關性分析、聚類分析和主成分分析,利用SigmaPlot 12.5和 Origin 2019b軟件進行作圖。

光合性狀廣義遺傳力(h2)參照Holland的方法用以下公式計算[20]:

2 結果與分析

2.1 光合性狀的遺傳變異

由圖1可知, 15份馬鈴薯種質的8個光合參數差異明顯(圖1),變異程度和顯著性檢驗結果表明,不同品種的8個光合性狀變異系數介于5.81%～31.16%之間(表2),其中變異系數大于15%的性狀有5個,分別為Gs(31.16%)、Tr(29.12%)、Pn(17.91%)、WUE(17.40%)和CE(17.19%);而Ci的變異最小,SPAD值次之,其變異系數分別為5.81%、6.60%。通過對光合性狀進行廣義遺傳力分析可知,8個光合性狀的廣義遺傳力變幅為17.08%～99.64%,均值為77.47%,由大到小依次為Ci>WUE>Pn>SPAD值>Tr>Gs>Ls>CE,除Ls和CE外,其余光合性狀廣義遺傳力均大于60%,Ci的遺傳力最高,而CE的遺傳力最低。綜合以上結果表明,供試的15份馬鈴薯種質光合性狀遺傳多樣性較為豐富,且選擇的8個光合性狀普遍擁有較好的遺傳力。

表2 馬鈴薯光合性狀的遺傳變異分析結果

2.2 光合性狀間的相關性

由表3可知,在所測定的5個光合指標(Pn、Ci、Gs、Tr、SPAD值)間,除Ci與Pn、SPAD值及Gs與SPAD值之間無顯著相關外,其余參數兩兩之間均呈極顯著正相關關系。通過計算得到3個指標(CE、Ls、WUE)間,Ls與WUE呈顯著正相關關系,而CE與這2個指標間存在負相關關系。CE與Pn、Gs、Tr、SPAD值呈極顯著正相關關系,與Ci存在正相關關系;Ls與Ci、Gs、Tr呈極顯著負相關,而與Pn、SPAD值無顯著相關性。WUE與測定的5個指標間,除SPAD值外,與其余指標均呈顯著或極顯著負相關關系。通過相關性分析可知,大部分測定的氣體交換參數、計算出光合參數均呈現顯著的正相關或負相關關系,表明各指標表現出的信息存在重疊,且在光合效率評價過程中的作用并不完全相同,因此,通過單一指標來評價種質光合效率具有一定局限性。

表3 馬鈴薯光合參數間的相關性分析結果

2.3 光合性狀的主成分分析

對供試的15份馬鈴薯種質8個光合參數進行主成分分析,根據特征值 ≥1 的原則提取了2 個主成分,結果見表4,第一、第二主成分(PC1、PC2)特征值分別為5.401、1.691,貢獻率分別為67.510%、21.142%,累計貢獻率達88.652%,表明前2個主成分能代表代表整體數據的大部分信息。第一主成分中載荷較大的因子有Gs、Tr、Pn,主要反映光合作用中氣孔因素,而第2主成分在SPAD值上的載荷最大,反映了光合作用中相對葉綠素的變化因素。因此,可將這8個光合相關參數轉化為2個綜合性指標,進一步對不同種質馬鈴薯資源進行光合效率評價。

表4 馬鈴薯品種光合指標主成分分析結果

2.4 光合效率綜合評價指數

依據主成分分析得出的2個主成分特征值和得分系數,計算15個種質的綜合主成分值,即光合效率綜合值,并對其排序,即可對各種質進行綜合評價比較,其值越大表示光合效率越高。由圖2可知,15份馬鈴薯種質光合效率綜合值變幅為-3.43～2.88,其中大于1.0的種質有5個,分別為SFT、XS6、XJ2、ZS5、HQH,它們的光合效率較高,小于-1.0的種質有4個,分別為F、CY2、HS7、ZJ2,它們的光合效率較低。由圖3可知,通過建立SPAD值與光合效率綜合值間線性關系發現,兩者間存在極顯著正相關關系,相關系數為0.678。

2.5 聚類分析與高光效種質篩選

遺傳距離是衡量種質間綜合差異的有效指標。本研究采用系統聚類-組間連接法對15份馬鈴薯種質的8個光合參數進行系統聚類,如圖4所示,在歐氏距離(D)為15.0時,可將15份馬鈴薯種質分為3類。第Ⅰ類群共8份,占參試材料的53.33%,包括V7、NS7、XJ2、ZS5、KX23、QS9、F、HQH(即Lucinda、內薯7號、興佳2號、中薯5號、克新23號、青薯9號、Favorita和后旗紅);第Ⅱ類群共3份,占參試材料的20.00%,包括ZJ2、CY2、HS7(即中加2號、川引2號、華頌7號);第Ⅲ類群共4份,占參試材料的26.67%,包括LS4、SFT、XS6、JZS12(即龍薯4號、Spunta、希森6號、冀張薯12號)。由圖5可知,第Ⅲ類群與第Ⅰ類群的Pn無顯著差異,但顯著高于第Ⅱ類群,第Ⅲ類群的Ci、Gs、Tr均顯著高于其他2個類群,第Ⅰ類群和第Ⅲ類群的CE均顯著高于第Ⅱ類群,而第Ⅱ類群的Ls和WUE均顯著高于其他2個類群,3個類群的SPAD值雖無顯著性差異,但第Ⅰ、第Ⅲ類群仍大于第Ⅱ類群。由此可知,第Ⅲ類群為高光效資源,第Ⅰ類群為中等光效資源,第Ⅱ類群為低光效資源,這與光合效率綜合值評價得出的結論基本一致。

3 討論

3.1 光合性狀的遺傳變異

自然界種內和種間光合速率顯著變化,為種質遺傳多樣性提供了豐富的來源,此外,光合潛力差異背后的生理或遺傳機制可能為不同品種在特定環境下的表現提供有價值的信息[21]。本研究中測定了15份馬鈴薯種質的8個光合相關參數,通過方差分析顯示,各參數間均達到極顯著差異,且變異系數介于5.81%～31.16%之間,表明其基因庫比較豐富,遺傳背景復雜。在尹旺等的研究中所測定的光合相關參數也表現出極顯著差異[18,22],本研究結果與之基本吻合。這也充分說明本研究所選取的種質材料具有良好的代表性以及在高光效種質篩選方面的遺傳基礎廣泛,為高光效品種選育及改良提供了可能。在葉片水平上,氣孔是CO2和H2O進出的通道,其開合主要受遺傳因素和外界環境影響,且凈光合速率的高低也取決于氣孔限制和葉肉限制2個因素[23-24],因此,光合速率與氣孔導度關系密切。本研究中,氣孔導度(Gs)的變異系數及在第一主成分中的載荷最大,且與凈光合速率呈極顯著正相關關系,所以氣孔導度在應對復雜多變的環境和改善光合效率方面具有豐富的種質基礎。雖然本研究發現各馬鈴薯葉片光合參數均存在明顯的種內變異,同樣在小麥、大麥和水稻上也有相似結論[25-27],但究其發生變異的生理機制仍不明確,有待進一步探究。

廣義遺傳力是評價性狀傳遞給子代能力強弱的重要指標[28]。Singh認為當遺傳力高于80%時為極高水平遺傳力,介于60%～79%之間為中高水平,介于40%～59%之間為中等水平,低于40%為較低水平[29]。本研究中Pn、Ci、Tr、WUE、SPAD值的廣義遺傳力均大于80%,為極高水平;Gs的廣義遺傳力為68.62%,屬中高水平,而CE和Ls的廣義遺傳力較低。許國春等的研究顯示Ci的廣義遺傳力低于40%[30],本研究結果與之有一定差異,可能因為在測定光合參數時CO2設置的原因所造成。

3.2 綜合評價方法

親本的鑒定、評價及選擇是高光效育種成功與否的關鍵,而科學篩選評價高光效種質的方法是該過程中尤為重要的一環。主成分分析通過降維可將多個變量簡化為少數綜合指標,馬鈴薯光合性狀間存在不同程度的相關性,利用主成分分析法既可提取性狀的絕大部分信息,又可避免人為偏好或單一指標的局限性[31]。聚類分析通過各指標間相似性將對象進行分類,其結果穩定、準確,能真實地反映種質的綜合性狀[32-34]。此方法的優點在于綜合了多項相關參數,并且考慮了各參數的權重和相關性,評價結果全面、精準,在花生、玉米、棉花等作物的營養品質、氮素效應、抗旱性綜合評價中被廣泛應用[35-37]。本研究利用此法,通過計算光合效率綜合值和聚類結果基本一致,篩選得到高光效資源4份,中等光效資源8份,低光效資源3份,其中高光效種質在胞間CO2濃度、氣孔導度和蒸騰速率方面較其他2類種質有顯著優勢,這與許國春等的研究結果[30]基本一致。另外,研究發現光合效率綜合值與SPAD值間存在極顯著的正相關關系,這與陳軍等的研究結果[38]基本一致。這表明SPAD值在一定程度上可以反映馬鈴薯的綜合光合效率,而在3類種質整體分析時,高、中光效種質的SPAD值雖然高于低光效種質,但其差異不顯著,可能是測定群體小導致的。

4 結論

綜上所述,本研究中15份種質間的8個光合性狀存在極顯著差異,變異系數介于5.81%～31.16%之間;除氣孔限制(Ls)和羧化速率(CE)外,其余性狀廣義遺傳力均較高。相關性分析結果表明,SPAD值與光合效率綜合值呈極顯著正相關關系?；谥鞒煞址治龊拖到y聚類分析,篩選得到4份高光效種質、8份中等光效種質和3份低光效種質,其中高光效種質包括龍薯4號、Spunta、希森6號、冀張薯12號,可作為高光效品種應用于生產或為高光效育種提供親本。