冬小麥碳同位素分辨率與產(chǎn)量、旗葉光合性狀的關(guān)系

陳曉杰，張建偉，楊保安，張福彥，程仲杰，胡銀崗

(1.河南省核農(nóng)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南省科學(xué)院同位素研究所有限責(zé)任公司， 河南 鄭州 450015；

2.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

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冬小麥碳同位素分辨率與產(chǎn)量、旗葉光合性狀的關(guān)系

陳曉杰1，2，張建偉1，楊保安1，張福彥1，程仲杰1，胡銀崗2

(1.河南省核農(nóng)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南省科學(xué)院同位素研究所有限責(zé)任公司， 河南 鄭州 450015；

2.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

摘要：為了明確不同水分環(huán)境下冬小麥碳同位素分辨率(Δ13C)與產(chǎn)量、光合相關(guān)性狀之間的關(guān)系，研究以12份不同時期育成的主栽冬小麥品種為材料，在水(WW)、旱(WS)兩種條件下研究碳同位素分辨率、籽粒產(chǎn)量、光合性狀及旗葉氣孔密度之間的相互關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn): 光合速率、Δ13C、氣孔導(dǎo)度、旗葉葉綠素含量、籽粒產(chǎn)量5個性狀在干旱脅迫下表現(xiàn)為下降趨勢，且與正常灌溉差異極顯著；在兩種水分條件下，氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和Ci/Ca間均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)，籽粒Δ13C與籽粒產(chǎn)量均呈正相關(guān)，且正常灌溉條件下Δ13C與籽粒產(chǎn)量具有更高的相關(guān)性(0.27 WS；0.51 WW)；干旱脅迫條件下，Δ13C與光合速率、氣孔導(dǎo)度、E、胞間CO2濃度和Ci/Ca均呈正相關(guān)，其中與Ci/Ca顯著相關(guān)；灌溉條件下，Δ13C與光合速率呈負(fù)相關(guān)(-0.42)，與其它4個光合性狀無顯著相關(guān)性；Δ13C與旗葉表皮氣孔密度均呈負(fù)相關(guān)(-0.49,-0.21 WS; -0.56, -0.61WW)，其中在灌溉條件下與旗葉下表皮氣孔密度呈顯著負(fù)相關(guān)，旗葉表皮氣孔密度受開花、灌漿期干旱脅迫影響小，穩(wěn)定性好。研究表明，灌漿初期的旗葉氣孔密度可以作為Δ13C的潛在替代指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：冬小麥；碳同位素分辨率；產(chǎn)量；光合性狀；氣孔密度

在中國，小麥主要種植在半濕潤、半干旱地區(qū)。在半干旱地區(qū)，小麥不同生育時期常遭遇不同程度的干旱；在半濕潤、甚至濕潤地區(qū)也常會發(fā)生階段性、季節(jié)性或周期性的干旱。干旱導(dǎo)致小麥體內(nèi)生理代謝紊亂，植株早衰并最終減產(chǎn)。干旱已經(jīng)成為限制小麥生產(chǎn)的最重要的非生物因素[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，我國大部分麥區(qū)在小麥生育期間降水量不足，平均每年因干旱直接減收糧食100億kg以上[4]。因此，研究小麥的抗旱性鑒定指標(biāo)，選育節(jié)水抗旱小麥品種，對我國糧食生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展有著非常重要的作用。

作物抗旱性是一個復(fù)雜的生物學(xué)性狀，由多個基因控制并反映在一系列形態(tài)和生理變化上，同時受到發(fā)育進(jìn)程與氣候因素變化的影響，并最終對產(chǎn)量產(chǎn)生影響[5]。對糧食作物來說，其抗旱與否最終體現(xiàn)在籽粒產(chǎn)量方面，產(chǎn)量是作物抗旱性最終最切合生產(chǎn)實(shí)際的鑒定指標(biāo)，在干旱條件下以最少的灌溉量獲得較高的產(chǎn)量顯得更為重要[1,6]。在干旱環(huán)境下，具有高水分利用效率(Water use efficiency, WUE)的小麥品種能形成更高產(chǎn)量，但WUE的直接測定較為費(fèi)時、費(fèi)力，限制了該指標(biāo)在小麥抗旱育種中的應(yīng)用[7]。碳同位素分辨率(Carbon isotope discrimination, Δ13C)是植物干物質(zhì)中穩(wěn)定性碳同位素比率(13C/12C)相對于大氣中用于植物光合作用的13C/12C的度量，它反映出植物在光合作用期間對13C的主動分辨能力。Farquhar和Richards首次從理論上推導(dǎo)出植物Δ13C與WUE呈負(fù)相關(guān)，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一理論，之后其他研究者通過研究多種C3植物也證實(shí)了這種關(guān)系，Δ13C成為作物節(jié)水抗旱育種的重要篩選指標(biāo)[8-10]。

盡管Δ13C在評價作物水分利用效率及抗旱性改良中具有重要作用，但測定Δ13C值的高成本使得在實(shí)際工作中難以大規(guī)模應(yīng)用，尋找與之密切相關(guān)的替代指標(biāo)十分必要。研究表明，Δ13C與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、光合速率、葉綠素含量等旗葉光合生理性狀相關(guān)性密切[11-14]。國外對小麥Δ13C的研究開展較早，我國在這方面的研究較晚、較少，Δ13C作為小麥節(jié)水抗旱育種的篩選指標(biāo)首先在我國西北干旱半干旱地區(qū)的春小麥上得到了研究、利用[12-14]。而對我國小麥生產(chǎn)占絕對主導(dǎo)地位的冬小麥Δ13C的研究、利用卻相對滯后，因此，本研究以12份不同時期育成的主栽冬小麥品種為材料，在水、旱兩種水分條件下系統(tǒng)研究碳同位素分辨率、籽粒產(chǎn)量、光合性狀及旗葉氣孔密度之間的相互關(guān)系，繼續(xù)尋找與Δ13C密切相關(guān)的替代指標(biāo)，并為Δ13C在我國冬小麥抗旱節(jié)水育種的實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

實(shí)驗(yàn)材料為來自寧夏、陜西、山西、河南和山東等主要冬小麥生態(tài)區(qū)的代表性品種12份，品種名稱、系譜、起源地和種植生態(tài)區(qū)等見表1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)于2011—2012年度在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院的抗旱棚內(nèi)進(jìn)行。播種前對各小區(qū)進(jìn)行正常灌溉約800 m3·hm-2的水量。試驗(yàn)于2011年10月16日播種，每個材料種4行，行長1.0 m，行距25 cm，株距3.3 cm，設(shè)置水、旱兩個處理，2次重復(fù)。試驗(yàn)設(shè)置正常灌溉(Well-watered, WW)和水分脅迫(Water-stressed, WS)兩種水分處理，正常灌溉處理為于小麥越冬期、返青期、孕穗期分別進(jìn)行灌溉600、600 m3·hm-2和800 m3·hm-2的水量；后期水分脅迫處理只進(jìn)行越冬期(600 m3·hm-2)和返青期(600 m3·hm-2)的灌溉。

1.3性狀測定

產(chǎn)量測定：收獲時，選取長勢均勻一致能代表該小區(qū)的2行小麥，脫粒曬干后稱重。

小麥籽粒碳同位素分辨率測定：于2012年7月選擇收獲后30天的小麥籽粒20 g，70℃下烘至恒重、研磨、過100目篩后，將樣品送至中國科學(xué)院植物研究所穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室，采用MAT-xp同位素質(zhì)譜儀測定δ13C/δ12C的比值，并根據(jù)公式：Δ13C(‰)=[(δ13C空氣-δ13C樣品)×1000]/(1+δ13C樣品)，計算各品種的碳同位素分辨率值，其中δ13C空氣=-8‰[8]。

利用LI-6400光合儀(LI-6400, Li-Cor, Lincoln/NE, USA)測定光合速率(Pn)、蒸騰速率(E)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和胞間CO2濃度與空氣CO2濃度比值(Ci/Ca)等光合生理指標(biāo)。在灌漿初期，選擇晴天8∶30—11∶30進(jìn)行活體測定，為避免外界光強(qiáng)對測定的干擾，測定時采用內(nèi)置光源，光強(qiáng)設(shè)定1 000 μmol·m-2·s-1；每個材料測定5次取平均值。葉綠素含量測定：用日本產(chǎn)SPAD 502型葉綠素計(Minolta camera co，Oasaka, Japan)于小麥灌漿初期測定，每個材料隨機(jī)測定10株旗葉中部，取平均值(SPAD值)。

表1　12份中國冬小麥品種的名稱、系譜、起源地及種植生態(tài)區(qū)

氣孔密度測量：在灌漿初期，選擇天氣晴朗的一日，每個處理每份材料選取成熟健康的旗葉4片，剪取旗葉中部約5 cm長的片段，迅速投入盛有FAA固定液(70%酒精90 ml+冰醋酸5 ml+甲醛5 ml)的試管中，標(biāo)明序號。氣孔密度測量采用印跡法[15]。將固定好的樣品取出后，用濾紙和脫脂棉拭去葉片上、下表皮上的溶液及雜物，在其上、下表皮均勻涂上一層薄薄的透明的指甲油。自然風(fēng)干后，用透明膠粘取指甲油層，粘在載玻片上，在放大倍數(shù)400×(目鏡10×，物鏡40×)下觀測氣孔密度。每個材料觀測4片旗葉，每張片子觀察10個視野，求其平均值。觀察時首先利用目鏡測微尺計算視野面積，然后計算氣孔密度：氣孔密度=視野內(nèi)的氣孔數(shù)/視野面積。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL2007和SPSS 18.0統(tǒng)計軟件對各性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行方差和相關(guān)性分析。

2結(jié)果與分析

2.1干旱脅迫條件下冬小麥各性狀變化

對產(chǎn)量、光合生理性狀、氣孔密度及碳同位素分辨率(Δ13C)等10個性狀進(jìn)行T測驗(yàn)，結(jié)果見表2。在干旱脅迫下，下表皮氣孔密度增加1.28%，但與正常灌溉相比差異不顯著。其余9個性狀在干旱脅迫下均呈下降趨勢，其中，光合速率、氣孔導(dǎo)度和籽粒產(chǎn)量的降幅超過20%。光合速率和Δ13C 兩個性狀在干旱脅迫下分別下降26.72%和3.27%，且與正常灌溉相比差異極顯著(P<0.001)；氣孔導(dǎo)度、旗葉葉綠素含量和籽粒產(chǎn)量3個性狀在干旱脅迫下分別下降30.08%、3.55%和28.73%，且與正常灌溉相比在P<0.01水平下差異極顯著。表明，干旱脅迫對光合速率、Δ13C、氣孔導(dǎo)度、旗葉葉綠素含量和籽粒產(chǎn)量影響較大。胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率、Ci/Ca和上表皮氣孔密度含量4個性狀在干旱脅迫下呈下降趨勢，但與正常灌溉相比差異不顯著。

2.2碳同位分辨率與籽粒產(chǎn)量的相關(guān)性

碳同位素分辨率(Δ13C)與籽粒產(chǎn)量在干旱脅迫和正常灌溉條件下均呈正相關(guān)。其中在干旱條件下Δ13C與籽粒產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為0.27；與干旱脅迫相比較，正常灌溉條件下Δ13C與籽粒產(chǎn)量具有更高的正相關(guān)性(0.51)(表3、表4)。

表2　兩種水分條件下冬小麥性狀的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及差異

注：*、** 和***分別表示P<0.05、P<0.01和P<0.001水平下的差異顯著；Pn：光合速率；Gs：氣孔導(dǎo)度；Ci：胞間CO2濃度；E：蒸騰速率；Ci/Ca：胞間CO2濃度與空氣CO2濃度比值；SPAD：相對葉綠素含量SPAD值； GY：籽粒產(chǎn)量；Δ13C：碳同位素分辨率；SDUE：上表皮氣孔密度；SDLE：下表皮氣孔密度；WS：干旱脅迫；WW：正常灌溉。下同。

Note: *, ** and *** indicated that the differences were significant at levels of 5%, 1% and 0.1%, respectively.Pn: photosynthetic rate;Gs: stomatal conductance;Ci: intercellular CO2concentration;E: transpiration rate;Ci/Ca: intercellular CO2concentration/ the concentration of CO2in air; SPAD: readings of relative content of leaf chlorophyll; GY: grain yield; Δ13C: carbon isotope discrimination; SDUE: stomatal density of upper epidermis; SDLE: stomatal density of lower epidermis; WS: water-stressed; WW: water-watered. The same below.

2.3碳同位素分辨率與旗葉光合生理性狀和氣孔密度的相關(guān)性

在干旱脅迫條件下，Δ13C與光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度和Ci/Ca值5個性狀均呈正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別是0.18、0.52、0.28、0.4 和0.60；其中，與Ci/Ca值呈顯著正相關(guān)。在正常灌溉條件下，Δ13C與光合速率卻呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.42，與氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度無明顯相關(guān)關(guān)系，與蒸騰速率和Ci/Ca呈弱的正相關(guān)。在干旱脅迫條件下，Δ13C與旗葉葉綠素含量呈弱的負(fù)相關(guān)；而在灌溉條件下，Δ13C與旗葉葉綠素含量呈弱的正相關(guān)。Δ13C與旗葉上表皮氣孔密度和下表皮氣孔密度在兩種水分環(huán)境下均呈負(fù)相關(guān)。其中與灌溉條件下的旗葉下表皮氣孔密度呈顯著負(fù)相關(guān)(表3、表4)。

2.4籽粒產(chǎn)量與光合性狀、氣孔密度之間的相關(guān)性

在干旱脅迫條件下，光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、Ci/Ca和旗葉葉綠素含量均與籽粒產(chǎn)量呈現(xiàn)比較明顯的正相關(guān)；而在灌溉條件下，光合速率與籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為弱的正相關(guān)，氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和Ci/Ca與籽粒產(chǎn)量之間無明顯的相關(guān)關(guān)系，葉綠素含量與籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為明顯的負(fù)相關(guān)；旗葉上表皮氣孔密度和下表皮氣孔密度在兩種水分條件下均與籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。其中，灌溉條件下的籽粒產(chǎn)量與旗葉下表皮氣孔密度在P<0.05水平下呈顯著負(fù)相關(guān)(表3、表4)。

2.5光合性狀及氣孔密度間的相關(guān)性

在兩種水分環(huán)境下，光合速率均與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度、Ci/Ca和旗葉上表皮氣孔密度表現(xiàn)為一定程度的正相關(guān)，光合速率與葉綠素含量在干旱條件下表現(xiàn)正相關(guān)，但在灌溉條件下表現(xiàn)為弱的負(fù)相關(guān)，光合速率與下表皮氣孔密度在兩種水分環(huán)境均表現(xiàn)為一定程度的負(fù)相關(guān)。其中，在干旱脅迫條件下，光合速率分別與氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率在相關(guān)性在P<0.001和P<0.01水平下呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。在兩種水分條件下，氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和Ci/Ca4個性狀相互間表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)。另外，在灌溉條件下，旗葉上表皮氣孔密度與下表皮氣孔密度同樣在P<0.05 水平下呈正相關(guān)(表3、表4)。

表3　灌溉條件下各性狀之間的相關(guān)性

注：*、**和***分別表示P<0.05、P<0.01和P<0.001水平下的相關(guān)。下同。

Note: *, ** and *** indicates that r is significance at levels of 5%, 1% and 0.1%, respectively. The same below.

表4　干旱脅迫條件下各性狀之間的相關(guān)性

3結(jié)論與討論

3.1干旱脅迫對小麥各性狀的影響

水分脅迫導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度降低、葉綠素含量降低、光合速率下降、運(yùn)輸能力下降、形成的光合產(chǎn)物減少、干物質(zhì)積累變少，最終導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量下降、Δ13C值的降低。本研究結(jié)果表明，不同性狀在干旱脅迫下的表現(xiàn)不同。光合速率、Δ13C、氣孔導(dǎo)度、旗葉葉綠素含量、籽粒產(chǎn)量5個性狀在干旱脅迫下表現(xiàn)為下降趨勢，與正常灌溉差異極顯著；胞間CO2濃度(Ci)、Ci/Ca和E3個性狀在干旱脅迫下呈下降趨勢，但與正常灌溉差異不明顯；這與前人的報道相一致[16-19]。本研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，旗葉中部下表皮氣孔密度略有增加，這與前人研究一致。楊慧敏等發(fā)現(xiàn)隨著干旱程度的加劇，小麥葉片中部下表皮氣孔密度有明顯的上升趨勢[20]。但本研究同時發(fā)現(xiàn)，上表皮氣孔密度在干旱條件下呈略微下降趨勢，但差異不顯著。而張永平等發(fā)現(xiàn)隨著灌水次數(shù)的減少，旗葉上下表皮氣孔密度均呈增大趨勢[21]。這與本研究結(jié)果不一致，分析發(fā)現(xiàn)，張永平等的干旱處理包含了整個小麥生育期，而本研究僅對小麥生育后期進(jìn)行干旱脅迫，此時旗葉葉片結(jié)構(gòu)均已發(fā)育完成，氣孔密度比較恒定，因此氣孔密度變化不明顯；另外，絕大部分研究干旱對小麥氣孔密度的影響實(shí)驗(yàn)均以旗葉下表皮氣孔密度為研究對象，對旗葉上表皮氣孔密度研究較少，因此對干旱脅迫對旗葉上表皮氣孔密度的影響值得進(jìn)一步研究。

3.2碳同位素分辨率與籽粒產(chǎn)量的關(guān)系

許多研究表明，碳同位素分辨率(Δ13C)與小麥籽粒產(chǎn)量呈正相關(guān)[11,16,22]。本研究同樣證明Δ13C與籽粒產(chǎn)量在干旱脅迫和正常灌溉條件下均呈正相關(guān)；且在正常灌溉條件下Δ13C與籽粒產(chǎn)量具有更高的正相關(guān)。但Ehdaie等研究發(fā)現(xiàn)，Δ13C與籽粒產(chǎn)量的相關(guān)性存在很大的不確定性，1987年，二者在濕潤和干旱處理下分別呈弱的負(fù)相關(guān)和顯著正相關(guān)，1988年二者在干旱和供水條件下均呈顯著正相關(guān)[23]。Condon等研究認(rèn)為：Δ13C和生物量的關(guān)系由種植地的氣候條件決定，在干旱地區(qū)和季節(jié)，Δ13C同生物量呈負(fù)相關(guān)；在濕潤地區(qū)和季節(jié)，Δ13C與生物量呈正相關(guān)；中間情形下二者無關(guān)[24]。導(dǎo)致這些相反結(jié)論的原因，至今尚未研究清楚。我們猜測，由于Δ13C和籽粒產(chǎn)量除了受水分影響，同樣還受到溫度、光照、基因型等眾多內(nèi)外因素的影響。不過Δ13C并不是籽粒產(chǎn)量的選擇指標(biāo)，在篩選高水分利用效率的品系時，可以將Δ13C和籽粒產(chǎn)量同時作為選擇指標(biāo)，以便選擇出高產(chǎn)、節(jié)水的新品種。

3.3碳同位素分辨率替代指標(biāo)的探討

研究人員雖然從理論上推導(dǎo)出植物Δ13C與WUE呈負(fù)相關(guān)，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一理論，發(fā)現(xiàn)了Δ13C在作物WUE研究中的重要價值，但其測量時的高成本使得其在實(shí)際工作中很難大范圍應(yīng)用。為此，一些學(xué)者對碳同位素分辨率與小麥形態(tài)、生理生化、礦質(zhì)元素等指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行了研究，希望可以尋找到可靠的替代指標(biāo)[12-14,24-39]。灌漿中后期小麥旗葉的氣孔導(dǎo)度和葉面溫度與Δ13C值存在較強(qiáng)的相關(guān)性，這一時期的氣孔導(dǎo)度和葉面溫度有作為Δ13C替代指標(biāo)的潛力[12]。Δ13C的基因型間變異主要來自于氣孔導(dǎo)度，并通過盆栽試驗(yàn)證明Δ13C與葉片下表皮氣孔密度呈顯著正相關(guān)[24]。雍立華等研究表明，離體葉片失水速率、組織含水量、胚芽鞘長度、根冠比、葉溫等指標(biāo)與Δ13C相關(guān)性均很強(qiáng)，有作為Δ13C替代指標(biāo)的潛力[25]。朱林等研究發(fā)現(xiàn)，在充分供水及輕度水分虧缺條件下，Δ13C較好地反映了不同基因型的蒸騰效率，而在水分脅迫條件下旗葉中的灰分含量是Δ13C較好的替代指標(biāo)，旗葉中K、Mg和Ca的含量在中度水分脅迫和正常供水條件下能夠較好地預(yù)測Δ13C值[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，碳同位素分辨率與光合生理指標(biāo)在兩種水分條件下的相互關(guān)系并不一致，例如，在干旱脅迫條件下，Δ13C與光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度和Ci/Ca值等5個光合性狀均呈現(xiàn)明顯正相關(guān)，其中與Ci/Ca值呈顯著正相關(guān)；在灌溉條件下，Δ13C與光合速率卻呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度無明顯相關(guān)關(guān)系，與蒸騰速率和Ci/Ca呈弱的正相關(guān)。光合生理性狀容易受到水分、溫度、光照等眾多外界因素的影響，在不同環(huán)境條件下，其與Δ13C的關(guān)系并不固定；同時光合生理性狀容易受外界環(huán)境的影響且不容易準(zhǔn)確測量，不適宜作為Δ13C的替代指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，Δ13C與旗葉表皮氣孔密度均呈負(fù)相關(guān)，其中在灌溉條件下與旗葉下表皮氣孔密度呈顯著負(fù)相關(guān)，同時旗葉上下表皮氣孔密度受后期干旱脅迫影響小，穩(wěn)定性較好；表明，灌漿初期的旗葉氣孔密度可以作為Δ13C的潛在替代指標(biāo)研究。

3.4碳同位素分辨率在我國小麥抗旱節(jié)水改良中應(yīng)用的探討

研究人員利用Δ13C篩選出具有高Δ13C的小麥種質(zhì)，以此作為親本選配的基礎(chǔ)進(jìn)行雜交，并依據(jù)Δ13C對后代品系進(jìn)行了篩選、研究[30-31]。朱林在銀川灌區(qū)利用3個春小麥雜交組合(高Δ13C×高Δ13C，高Δ13C×低Δ13C和低Δ13C×低Δ13C)研究了其F6代碳同位素分辨率，發(fā)現(xiàn)：F6后代的Δ13C與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，高Δ13C×高Δ13C組合F6代的葉片及籽粒Δ13C值都比其他兩個組合F6代的高[30]。田龍依據(jù)F4株系(洛旱6號×西農(nóng)389)籽粒的Δ13C值篩選出高Δ13C和低Δ13C株系各24個，比較了高、低Δ13C株系的光合生理指標(biāo)及產(chǎn)量性狀，高Δ13C株系的籽粒產(chǎn)量，生物量及收獲系數(shù)在兩個生態(tài)區(qū)(楊凌和永壽)均高于低Δ13C株系[31]。這些實(shí)踐研究表明，高Δ13C可以作為小麥抗旱節(jié)水育種選擇的目標(biāo)，但高額的測量費(fèi)用限制了其在小麥抗旱節(jié)水育種中難以大范圍應(yīng)用。雖然找到了一些與Δ13C值顯著相關(guān)或極顯著相關(guān)的生理生化指標(biāo)，如氣孔導(dǎo)度、葉溫等，但它們與Δ13C之間的相關(guān)系數(shù)絕對值都比較小，很難完全解釋Δ13C的變異；同時這些生理性狀本身受環(huán)境影響很大，很難準(zhǔn)確測量，因此都很難作替代Δ13C的為可靠指標(biāo)。也許隨著科技水平的不斷提高，測定Δ13C費(fèi)用的不斷降低，其將在小麥抗旱節(jié)水育種中發(fā)揮更大的作用。

本試驗(yàn)以12份主栽冬小麥品種為材料，通過研究水、旱兩種水分條件下碳同位素分辨率、籽粒產(chǎn)量、光合性狀及旗葉氣孔密度之間的相互關(guān)系。初步明確不同水分環(huán)境下冬小麥碳同位素分辨率(Δ13C)與產(chǎn)量、光合相關(guān)性狀之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了Δ13C與旗葉表皮氣孔密度均呈穩(wěn)定的負(fù)相關(guān)，且旗葉表皮氣孔密度受后期干旱脅迫影響小，穩(wěn)定性好，可以作為Δ13C的潛在替代指標(biāo)進(jìn)一步深入研究。研究結(jié)果為Δ13C在我國冬小麥抗旱節(jié)水育種的實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)：

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Relationships among carbon isotope discrimination, grain yield and

photosynthetic traits of flag leaves in winter wheat

CHEN Xiao-jie1,2, ZHANG Jian-wei1, YANG Bao-an1, ZHANG Fu-yan1, CHENG Zhong-jie1, Hu Yin-gang2

(1.KeyLabNuclAgr,IsotopeInstCoLtd,ChinaHenanAcadSci,Zhengzhou,Henan450015,China;

2.StateKeyLaboratoryofCropStressBiologyinAridAreasandCollegeofAgronomy,

NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract：In order to understand the relationships among carbon isotope discrimination (Δ13C), grain yield and photosynthetic related traits of flag leaf in winter wheat under different water conditions, 12 major winter wheat cultivars were selected as research materials to analyze the relationships among Δ13C, grain yield, photosynthetic traits and stomatal density of flag leaf through a normal and drought treatment experiment. The results showed that the mean values of 5 traits, including photosynthetic rate (Pn), carbon isotope discrimination (Δ13C), stomatal conductance (Gs), SPAD value of the flag leaf chlorophyll content (SPAD) and grain yield (GY), were significantly decreased under water stressed (WS) condition, compared with the well-watered (WW) condition (at leastP<0.01). Results of a correlation analysis indicated that stomatal conductance (Gs), transpiration rate (E), intercellular CO2concentration (Ci) andCi/Cawere positively correlated at significant levels with each other under two water conditions (at leastP<0.05). Δ13C was positively correlated with GY under both water conditions (WS and WW), and higher positive correlation was observed under water-watered condition than WS condition(0.27 WS; 0.51 WW). Δ13C was positively correlated withPn、Gs、E、CiandCi/Caunder water-stressed, significantly positively correlated withCi/Ca(P<0.05). Δ13C was obviously negative correlated withPnunder well-watered(-0.42), no significant relationship with other four photosynthetic traits. Δ13C was obviously or significantly negatively correlated with stomatal density of flag leaf (-0.49, -0.21, WS; -0.56, -0.61WW) under two water conditions. Because stomatal density was stable under different water conditions, flag leaf stomatal density may be a potential surrogate markers for Δ13C. The results from this study would provide valuable information for the application of Δ13C in the breeding of drought-resistant and water-saving winter wheat.

Keywords:winter wheat; carbon isotope discrimination; grain yield; photosynthetic traits; stomatal density

中圖分類號：S512.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：張建偉(1963—)，男，河南新野人，研究員，主要從事小麥誘變育種研究。E-mail:zjw10308@163.com。

作者簡介：陳曉杰(1982—)，男，河南孟州人，博士，助理研究員，主要從事小麥遺傳育種研究。 E-mail:cxj2638@163.com。

基金項(xiàng)目：河南省小麥產(chǎn)業(yè)體系項(xiàng)目(Z2010-01-04)；農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201103007)；鄭州市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(121PZDGG071)；旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(CSBAA2014008)

收稿日期：2015-01-09

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.26

文章編號：1000-7601(2016)01-0166-07