高粱葉片光合生理指標比較研究

譚燕　李延玲　康晨　孫守鈞　羅峰

摘要：文章選擇不同類型的11份高粱品種（系、組合）作為供試材料，測定高粱開花期、乳熟期、蠟熟期和完熟期4個生育時期的旗葉以下7片葉的光合生理指標，分析其與穗質量的關系。結果表明，氣孔導度與穗質量相關程度最高，且氣孔導度與凈光合速率的相關系數達到極顯著水平。試驗發現，乳熟期為高粱光合速率測定的最佳生育時期，乳熟期旗葉以下第2片葉的氣孔導度與穗質量的相關最為密切，由此確定旗葉以下第2片葉為光合速率測定的最佳葉位葉片，建立了單葉氣孔導度與穗質量的回歸模型。

關鍵詞：高粱；株型性狀；葉片；光合生理指標

中圖分類號：S514文獻標識碼：A

光合作用是作物生長過程中最重要的活動，光合效率的高低對作物的產量有直接影響。董樹亭等[1]通過相關研究證明作物生物學產量有90%～95%以上來自光合作用；李少昆等[2]研究證明了光合速率與產量呈正相關關系；董彩霞等[3]對小麥苗期光合速率與籽粒產量關系進行了研究，指出光合速率與籽粒產量呈顯著正相關關系。研究表明，光合作用是高粱產量形成的基礎，高粱葉片的光合作用對產量形成有重要的作用[4]。相關研究表明，作物光能利用率很低，一般只有0.1%～2%，在一些高產作物和高產田條件下，光能利用率也只有3%左右，而理想的光能利用率為3%～5%[5]。目前，我國在農作物高光效育種研究中，已經在小麥等作物上取得了良好的效果，培育出多種高光效的作物品種，實現了產量和光合效率的共同提高[6]。

高粱作為C4植物，光合效率較高，對高粱進行高光效育種有兩個方面：一是株型育種，選育理想株型，提高群體光合效率。通過栽培措施改善群體結構，提高葉片對光能的捕獲能力[7]。作物的受光形態與光能利用率關系密切，合理的株型可有效增加光合作用面積，延長光合作用時間，從而提高作物的光合效率，也有利于光合產物在作物體內的轉移運輸，最大限度地提高經濟產量，實現增產[8]。二是提高個體光合效率育種，即對個體光合效率相關性狀進行遺傳改良。目前，大部分對光合作用的研究均以凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度為主要指標進行分析，盡管已取得顯著的成果，但研究范圍較窄，不能完整地表征作物進行光合作用的狀態，因此本研究從生育時期、葉片位置等方面對高粱葉片的11個光合生理指標進行分析，為建立高粱表征植物葉片的光合作用測定體系奠定基礎。

1? 材料和方法

1.1? ?試驗材料

試驗以3種不同類型的高粱為供試材料：第一類為甜高粱（植株高大，葉片寬厚，葉夾角較大），品種為“麗歐”；第二類為飼草高粱（植株較高，葉片窄長，葉夾角中等），主要品種包括“07-4”“GL498”“GL503”“GL505”；第三類為粒用高粱（植株矮小，葉片寬厚上沖，葉夾角較小），包括3份高粱恢復系材料“引-20”“引-31”“引-65”（由美國普渡大學引進）以及以它們為父本、以高粱雄性不育系314A（簡寫為3A，下同）為母本配制的3個雜交組合“3A/引-20”“3A/引-31”“3A/引-65”。供試品種（系、組合）編號為：1、“3A/引-20”（3A/Y-20）；2、“3A/引-31”（3A/Y-31）；3、“3A/引-65”（3A/Y-65）；4、“引-20”（Y-20）；5、“引-31”（Y-31）；6、“引-65”（Y-65）；7、“麗歐”（Lio）；8、“07-41”；9、“GL498”；10、“GL503”；11、“GL505”。

1.2? ?試驗設計

試驗于2016—2017年在天津市靜海區良種場進行。試驗地土壤為黏質土，輕度鹽漬化，土壤肥力均勻，前茬作物為玉米。2016—2017年均于5月15日播種，采取完全隨機區組設計，各品種（系、組合）各種植3行，雜交后代種植30行，行長10 m，行距0.5 m，株距0.25 m。其他管理同一般大田。

1.3? ?光合生理指標的測定

待供試品種（系、組合）抽穗后，每個品種（系、組合）選取長勢一致、無病蟲害的3株植株，掛上標牌，分別在開花期、乳熟期、蠟熟期、完熟期4個生育時期的初始期進行光合生理指標的測定。測定時，同一個品種（系、組合）不同時期葉片測定的點位一致，測定時間相同，最多用時30 min。使用CRIAS-2便攜式光合儀，在上午9：00—11：30測定高粱從旗葉開始依次往下的7片葉（葉片編號依次為1、2、3、4、5、6、7）的光合生理指標，主要包括：參比CO2濃度（CO2R）、參比CO2濃度落差（CO2D）、光合有效輻射（PAR）、參比空氣濕度（MBR）、參比空氣濕度落差（MBD）、葉室溫度（TC）、蒸騰速率（EVAP）、氣孔導度（GS）、葉片溫度（TL）、凈光合速率（PN）、細胞間CO2濃度（CI）。每片葉測量3次，取3株的平均值進行統計分析，待植株成熟后，測定穗質量。

1.4? ?數據處理

利用Microsoft Excel2007和SPSS19.0進行數據統計分析。

2? 結果與分析

2.1? ?高粱葉片的光合生理指標

2016年高粱穗質量與下列5個光合生理指標有極顯著的相關關系（圖1），即分別與氣孔導度（GS）呈極顯著正相關（0.547**），與參比空氣濕度落差（MBD）呈極顯著正相關（0.518**），與蒸騰速率（EVAP）呈極顯著正相關（0.517**），與參比二氧化碳落差（CO2D）呈極顯著負相關（-0.464**），與凈光合速率（PN）呈極顯著正相關（0.457**）；2017年高粱穗質量與氣孔導度（GS）相關程度最高（圖2），呈極顯著正相關（0.812**），其次為蒸騰速率（EVAP）（0.759**）、參比空氣濕度落差（MBD）（0.739**）；穗粒質量與氣孔導度（GS）也具有較高的相關性，相關系數為0.773**。綜合2016—2017年兩年間數據，氣孔導度和葉片的凈光合速率可作為高粱高光效育種的主要光合生理指標。

2.2? ?不同類型高粱氣孔導度和凈光合速率的差異

比較

不同類型高粱之間的氣孔導度和凈光合速率差異顯著（圖3和圖4）。根據氣孔導度和凈光合速率的變化，可將11份高粱品種（系、組合）劃分為兩類，甜高粱和粒用高粱為一類（編號1、2、3、4、5、6、7），飼草高粱為一類（編號8、9、10、11）。不同類型高粱間的差異主要表現為粒用高粱的氣孔導度和凈光合速率明顯高于飼草高粱，其中氣孔導度最大值是粒用高粱組合“3A/引-65”，為589.61 mmol·（m2·s）-1，最小值是飼草高粱“GL505”，為198.45 mmol·（m2·s）-1。凈光合速率最大值是“3A/引-65”組合，為14.731 5 μmolCO2·（m2·s）-1，最小值是“GL505”，為4.887 8 μmolCO2·（m2·s）-1。

在2017年的試驗中，氣孔導度最大值是“麗歐”，為567.68 mmol·（m2·s）-1，最小值是“GL505”，為100.92 mmol·（m2·s）-1；在凈光合速率的變化中，最大值是“引-65”恢復系，為16.20 μmolCO2·（m2·s）-1，最小值是“GL498”，為5.92 μmolCO2·（m2·s）-1。氣孔導度和凈光合速率這2個指標在高粱多份材料中均表現一致。

2.3? ?不同類型高粱葉位氣孔導度和凈光合速率的

變化

通過測定高粱旗葉以下（含旗葉）1～7片葉的光合生理指標，比較不同類型高粱在不同生育時期氣孔導度和凈光合速率的變化（圖5～7）。結果表明，氣孔導度在不種類型高粱的不同生育時期差異較大，其中開花期和乳熟期較高，進入蠟熟期后變化平緩。甜高粱乳熟期的氣孔導度較高，而飼草高粱和粒用高粱開花期的氣孔導度較高。3種類型高粱葉片的氣孔導度自上而下有降低趨勢，但第1葉和第2葉變化較大。

凈光合速率在不同類型的高粱間、不同品種間、不同葉位間變化較大，且變化幅度遠超過氣孔導度。本研究選用6個粒用高粱材料（3個雜交種、3個恢復系）進行分析，高粱同一品種不同生育時期各葉位葉片凈光合速率的變化趨勢不盡一致（圖8），開花期和乳熟期各葉位間變化幅度較大，只有“3A/引-65”和“3A/引-20”2個組合表現一致，進入蠟熟期以后各品種各葉位的變化平緩，而且高粱雜交組合和相應的親本恢復系未表現出一致的規律性。這說明凈光合速率的瞬時變化速率較快，用凈光合速率作為高粱高光效育種的篩選指標不易控制。

2.4? ?高粱氣孔導度和凈光合速率的日變化分析

高粱不同品種（系、組合）的氣孔導度和凈光合速率日變化數據的測定選擇在乳熟期進行，分別在9：00、10：00、11：00、14：00、16：00進行測定（因高粱在中午氣孔關閉，故12：00不作測定）。從“引-65”和“引-20”2個恢復系的氣孔導度（GS）和凈光合速率（PN）日變化來看（圖9和圖10），下午高粱葉片的光合生理指標變化趨勢明顯低于上午，整體趨勢表現為先增加后下降趨勢，有明顯的峰值，并且2個指標的最大值均出現在第2葉?！耙?65”最大值出現在上午11：00，凈光合速率為1 846.6 mmol·（m2·s）-1，氣孔導度為34.68 molCO2·（m2·s）-1；“引-20”最大值出現在上午10：00，凈光合速率為1 492.8 mmol·（m2·s）-1，氣孔導度為46.76 μmolCO2·（m2·s）-1，可以看出氣孔導度（GS）和凈光合速率（PN）的變化趨勢高度相似，并且氣孔導度（GS）的變化更具有穩定性，所以選擇氣孔導度作為表征葉片光合作用的指標。

3? 最佳測定時期

3.1? ?不同類型高粱在不同生育時期氣孔導度和凈

光合速率的變化情況

為進一步比較不同類型高粱氣孔導度和凈光合速率在不同時期的變化情況，對11個品種（系、組合）進行了分類比較（圖11和圖12）。

結果表明，粒用高粱和飼草高粱這兩類高粱的氣孔導度在開花期較高，以飼草高粱最為顯著，并表現出隨生育進程延遲大體上呈遞減趨勢。凈光合速率在兩類高粱中存在差異，未表現出一致的變化規律。凈光合速率，粒用高粱的最高時期出現在蠟熟期，而飼草高粱則出現在開花期，且隨生育進程延遲而明顯遞減。氣孔導度和凈光合速率這2個光合生理指標在不同品種間和不同時期間差異明顯。通過以上分析進一步證明，高粱光合生理指標在生育進程中都在不斷變化，且受到環境因子的影響，這為育種篩選帶來了困難，所以選定測定時期尤為重要。

3.2? ?高粱適宜光合生理指標測定時期的確定

高粱籽粒產量的形成主要是在開花期以后，因此選擇開花期、乳熟期、蠟熟期、完熟期4個時期的葉片氣孔導度和穗質量進行相關分析，得出相關系數依次為0.399**、0.539**、0.381*、0.410*，其中乳熟期葉片的氣孔導度變化與穗質量的關系最為密切，其次為開花期，均表現為極顯著正相關，蠟熟期相關性最低。4個時期的葉片凈光合速率與穗質量的相關系數依次為0.367*、0.558**、0.319、0.383*，其中乳熟期的葉片凈光合速率與穗質量的相關性最高，達到極顯著水平。因此，選擇乳熟期為高粱最佳的測定時期。

3.3? ?高粱代表性葉片的選擇

3.3.1 各葉片氣孔導度與穗質量的相關性分析 測定有代表性的葉片是提高育種效率的重要手段，試驗共測定旗葉以下（含旗葉）7片葉的氣孔導度。通過分析葉片氣孔導度與穗質量的相關性，可以發現第2葉、第3葉和第6葉的氣孔導度與穗質量呈顯著相關關系，相關系數分別為0.716*、0.642*、0.606*，2片葉的均值對穗質量影響較大的主要為前4片葉，其中與穗質量相關性最高的為第2、3片葉的均值，相關系數為0.697*（表1）。

3.3.2 乳熟期高粱不同葉位葉片氣孔導度與穗質量的逐步回歸分析 為進一步確定乳熟期影響高粱穗質量的具體葉片并分析它們之間的數量關系，采用逐步回歸分析的方法對2016—2017年兩年間數據進行回歸分析[9]，除去未通過顯著性檢驗的葉片，建立最優的回歸方程。高粱乳熟期不同葉位葉片氣孔導度與穗質量關系的預測模型為：

Y=a+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5+b6x6+b7x7（Y為穗質量，a為常數，X為乳熟期某一葉片的氣孔導度）

不同葉位氣孔導度與穗質量的回歸方程如下：

Y=26.325+0.200x1+0.331x2+0.056x3+0.012x4+0.063x5-0.112x6-0.162x7

通過進一步逐步回歸，得到逐步回歸方程如下：

Y=29.789+0.330x2

模型擬合優度檢驗及方差分析結果顯示（表2），本次預測模型通過顯著性檢驗，為可用模型。根據擬合優度R2越接近1模型越適合的條件，選擇模型1為最優模型，調整后R2為0.846，表明高粱第2片葉氣孔導度與穗質量關系預測模型的可信度達84.6%，因此選擇第2片葉為主要測定葉片。

4? 結論與討論

4.1? ?結 論

綜合2016—2017年試驗，在高粱11個光合生理指標與穗質量的相關關系分析中，葉片氣孔導度與穗質量相關程度最高，兩年結果均達到極顯著正相關關系（0.547**和0.812**），氣孔導度和凈光合速率也呈極顯著正相關關系（0.789**和0.604**）。分析氣孔導度和凈光合速率的日變化情況，二者的變化趨勢高度相似，但氣孔導度（GS）的變化更具有穩定性。因此，選擇氣孔導度作為高粱高光效種質的主要光合生理指標。

高粱籽粒產量的形成主要是在開花期以后，通過分析開花期、乳熟期、蠟熟期、完熟期4個時期葉片的氣孔導度與穗質量的相關性，得出4個時期二者的相關系數分別為0.399**、0.539**、0.381*、0.410*，乳熟期葉片的氣孔導度與穗質量的關系最為密切，因此確定乳熟期為高粱最佳測定時期。

試驗表明，高粱不同葉片的氣孔導度與穗質量的相關性不同，其中旗葉以下第2片葉的氣孔導度與穗質量相關程度較高，2016年和2017年二者的相關系數分別為0.716*和0.622*；逐步回歸分析結果顯示，第2片葉氣孔導度對穗質量的決定系數達到84.6%，由此確定第2片葉為高粱主要測定葉片。

綜上所述，本研究得出以下結論：篩選出氣孔導度作為選擇高粱高光效種質的主要光合生理指標，確定乳熟期為高粱光合速率測定的最佳生育時期，旗葉以下的第2片葉為光合速率測定的最佳葉片，其氣孔導度能更加靈敏、準確、客觀地表征葉片進行光合作用的狀態，對高粱高光效育種具有一定的參考價值。

4.2? ?討 論

作物產量形成的基礎是光合作用，光合效率直接影響著作物的產量和品質，并反映其光能利用率。作物光合作用的差異不僅受作物自身的遺傳特性和植物學特征的影響，還受到外界生態環境的影響。高粱屬于C4作物，不同品種、不同葉位光合速率的變化均存在顯著差異，這些為高粱高光效育種提供了選擇。

前人對作物光合速率的研究一般包括以下指標：蒸騰速率、氣孔導度、葉片溫度、凈光合速率、細胞間CO2濃度，并沒有結合所有光合指標來分析作物葉片當時復雜的光合狀態。特別是光合速率受環境影響較大，不同時期表現出顯著的差異，測定結論無法應用。本研究綜合考慮高粱光合作用測定指標、測定時間、測定葉片，分析各指標不同生育時期的變化差異，不同時期各指標與產量性狀的相關關系，選擇一種相對穩定的指標，建立與產量性狀的回歸模型，為確定高粱高光效育種的有效方法提供參考。

參考文獻

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收稿日期：2021-05-20

主要作者簡介：譚燕（1994—），女，在讀博士生，主要從事作物遺傳育種改良、水稻等方面研究。E-mail：529283778@qq.com