高產(chǎn)小麥品種鄭麥7698花后光合特性研究

金立橋，胡 琳，張子山，趙世杰，高輝遠，齊學禮

(1.河南科技學院 小麥研究中心，河南 新鄉(xiāng) 453003; 2.山東農(nóng)業(yè)大學 生命科學學院/作物生物學國家 重點實驗室, 山東 泰安 271018; 3.河南省農(nóng)業(yè)科學院 小麥研究所，河南 鄭州 450002)

鄭麥7698是河南省農(nóng)業(yè)科學院小麥研究所于2011年育成審定的高產(chǎn)強筋冬小麥品種，它具備高產(chǎn)潛力大、強筋優(yōu)質(zhì)、抗條銹病和白粉病、株型緊湊、葉型直立、抗倒伏等特點。近幾年已經(jīng)在河南、安徽、江蘇和陜西等省累計推廣達300萬hm2，在14次大面積機收實打測產(chǎn)中有10次產(chǎn)量超過10 500 kg/hm2。與區(qū)試對照小麥品種周麥18相比，鄭麥7698無論在經(jīng)濟產(chǎn)量還是生物產(chǎn)量上均顯著高于后者[1]。研究表明，小麥籽粒灌漿主要依賴于葉片、莖和穗的光合作用[2-13]，而小麥開花后光合作用對于小麥籽粒產(chǎn)量的形成尤為重要[14-16]。因此，闡明鄭麥7698開花后光合特性，對理解鄭麥7698高產(chǎn)機制有重要意義，對今后選育高產(chǎn)、高光效小麥品種具有指導意義。然而，由于小麥穗的特殊結構，在大田生長狀態(tài)下，其光合速率的原位測定一直是個技術難題。此外，長期以來人們利用傳統(tǒng)方法測定的小麥葉片光合速率也與小麥葉片在田間所處實際位置的光合速率存在較大的差異。小麥光合速率的傳統(tǒng)測定方法是將小麥的光合器官(葉片)的一部分(光合功能最好的葉片部位)夾入光合儀的葉室中測定，并保持測定光(太陽光或人工光源)與被測葉片垂直。其存在以下幾個問題：在比較不同品種時，利用某個器官一部分的光合能力來表示整個器官的光合能力會產(chǎn)生偏差；在比較不同器官光合能力時，由于不同器官的呼吸速率不同，尤其是穗有遠高于葉片的呼吸速率，所以利用凈光合速率來比較不同器官的光合能力時，會導致較大的誤差甚至是錯誤的結論；在測定光合速率的過程中，由于改變了測定材料在田間的實際生長位置，也就改變了該光合器官的光照條件，尤其是現(xiàn)代品種的葉片都比較直立，除早、晚外，太陽光與葉片的夾角都遠遠小于90°，測定結果與實際情況就會有較大的出入，無法反映其在大田生長狀態(tài)下的實際光合能力。為了解決以上問題，本研究使用特制葉室與CIRAS-3光合系統(tǒng)連接組成開放式氣路，在整個測定過程中將整個穗和旗葉密閉到葉室中，同時保持穗和旗葉原來的生長位置，測定其總光合速率(凈光合速率+呼吸速率)。該測定方法能夠更客觀地研究整個穗和旗葉在大田實際生長狀態(tài)下的光合能力，這為客觀地評價小麥器官的光合特性提供了切實可行的方法。目前，尚未見利用該方法測定小麥光合作用的報道。為此，選取河南省的區(qū)試對照品種周麥18與鄭麥7698進行光合性能比較研究，分析鄭麥7698高產(chǎn)原因，旨在為小麥高產(chǎn)育種提供理論指導。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及栽培條件

供試材料為小麥品種周麥18(區(qū)試對照品種)和鄭麥7698(種子由河南省農(nóng)業(yè)科學院小麥研究所提供)。試驗在山東農(nóng)業(yè)大學試驗田(36°09′40″N、117°09′2″E)進行，試驗田土壤為壤土，含有機質(zhì)12 g/kg、速效磷13.2 mg/kg、速效鉀78.5 mg/kg、速效氮83.1 mg/kg。2016年10月2日，將不同小麥品種播種在不同的小區(qū)，行距為20 cm，種植密度為250株/m2，小區(qū)面積為3 m×3 m，隨機分布，每個品種3個重復，正常田間水肥管理。播種前，底施30.0 g/m2過磷酸鈣、30.0 g/m2尿素、7.5 g/m2氯化鉀。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 光合有效輻射截獲量 在大田條件下，于小麥開花期的6:00—18:00，在小麥冠層上方用AM-19LQ積分式光量子計(Avalon,USA)，測定總入射光合有效輻射(Photosynthetically active radiation,PAR)，記為PARtotal；在穗下部測定透過穗層的光合有效輻射，記為T1；同時在小麥冠層最下部測定透過整個小麥冠層的光合有效輻射，記為T2。測量過程中，光量子計與地面水平，且與行平行。每2 h測定一次，每次6個重復。計算光合有效輻射截獲量,其中，整個冠層光合有效輻射截獲量為：PARwhole=PARtotal-T2；穗層光合有效輻射截獲量為：PARear=PARtotal-T1；穗下冠層光合有效輻射截獲量為：PARleaf and stem=PARtotal-T1-T2。一天中整個冠層(Pwhole)、穗層(Pear)和穗下冠層(Pleaf and stem)的總光合有效輻射截獲量計算公式如下。

Pi為6:00—18:00每個測定時間點的光合有效輻射截獲量；T為2次測定之間的時間間隔。

1.2.2 小麥穗和旗葉總光合速率 將定制的圓柱形透明葉室(直徑4 cm、長15 cm)與CIRAS-3光合測定系統(tǒng)(PP Systems，USA)連接組成開放式氣路系統(tǒng)(圖1)，對小麥穗和旗葉總光合速率進行測定。分別在開花后0、6、12、18、24、30、36 d，隨機選取6個穗和旗葉，于9：00—11:00，在實際生長條件下(自然光照、大氣CO2濃度、大氣相對濕度和大氣溫度)，保持穗和旗葉在大田實際生長狀態(tài)下的位置和夾角，測定小麥穗和旗葉凈光合速率。在凈光合速率測定后使用鋁箔紙完全包裹葉室，使待測器官處于完全黑暗條件下，10 min后測定其暗呼吸速率?？偣夂纤俾?凈光合速率+暗呼吸速率的絕對值。

圖1 定制葉室原位測定小麥葉片和穗光合速率的示意圖Fig.1 The scheme of the measurement of a whole leaf and ear of wheat in situ with a specialized chamber

1.2.3 光合作用氣體交換參數(shù) 開花后15、25 d，分別選取具有代表性的旗葉6片，根據(jù)旗葉長度從葉尖到葉柄將其平均分成前、中、后三部分，在葉溫25 ℃、CO2濃度380 μmol/mol、光強1 400 μmol/(m2·s) (飽和光強)下，測定凈光合速率。

開花后15、25 d，采用 CIRAS-3光合測定系統(tǒng)的控制系統(tǒng)將葉溫和CO2濃度分別控制在25 ℃和380 μmol/mol，然后由CIRAS-3光合測定系統(tǒng)可調(diào)式光源按1 800、1 400、1 000、600、400、300、200、150、100 μmol/(m2·s)的順序分別調(diào)節(jié)光強，測定光合-光強響應曲線，并根據(jù)光合-光強響應曲線計算出最大光合速率(Amax)和表觀量子效率(AQY)；將葉溫和光強分別控制在25 ℃和1 400 μmol/ (m2·s) (飽和光強)下，采用可調(diào)式 CO2供氣系統(tǒng)按1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、300、200、100、50 μmol/mol的順序分別提供CO2，繪制光合-CO2響應曲線，并根據(jù)光合-CO2響應曲線計算出最大羧化效率(Vcmax)以及RuBP最大再生速率(Jmax)。

1.2.4 旗葉葉綠素含量 開花后25 d，選取具有代表性的旗葉6片，根據(jù)旗葉長度從葉尖到葉柄將其平均分成前、中、后3部分，用ARNON[17]的方法測定葉綠素含量。

1.2.5 產(chǎn)量及其構成因素 小麥完全成熟后，在每個品種的3個小區(qū)中分別取2 m2的小麥，測定籽粒產(chǎn)量、生物學產(chǎn)量，調(diào)查穗粒質(zhì)量、穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量，并計算收獲指數(shù)。

1.3 統(tǒng)計分析

用SPSS 16軟件中的t檢驗來分析數(shù)據(jù)間差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 鄭麥7698和周麥18開花后不同時間穗和旗葉總光合速率的比較

由圖2可知，開花后0～24 d，鄭麥7698和周麥18旗葉總光合速率均維持在較高水平，之后大幅下降；在整個測定時期，鄭麥7698旗葉總光合速率均顯著高于周麥18。鄭麥7698和周麥18穗總光合速率變化趨勢與旗葉基本一致，開花后0～24 d，鄭麥7698和周麥18穗總光合速率均維持在較高水平，之后大幅下降；但是鄭麥7698穗總光合速率在開花后6～18 d顯著高于周麥18，其余時間差異不顯著。比較整個測定時期，鄭麥7698旗葉總光合速率平均比周麥18提高40.0%，而鄭麥7698穗總光合速率平均比周麥18提高17.2%。

不同小寫字母表示不同品種之間的差異顯著(P<0.05),下同 Different letters indicate that the differences among Different cultivars reach significant level (P<0.05)，the same below圖2 鄭麥7698和周麥18開花后不同時間穗和旗葉總光合速率比較Fig.2 The gross photosynthetic rates of flag leaf and ear of Zhoumai 18 and Zhengmai 7698 in different days after anthesis

2.2 鄭麥7698和周麥18不同冠層光合有效輻射截獲率比較

由圖3可知，鄭麥7698和周麥18整個冠層光合有效輻射截獲率總體呈上升—下降—上升—下降的變化趨勢，穗層光合有效輻射截獲率總體呈先下降后上升的趨勢，而穗下冠層光合有效輻射截獲率總體呈先升高后下降的趨勢；鄭麥7698整個冠層和穗層的光合有效輻射截獲率均高于周麥18，穗下冠層正好相反。鄭麥7698與周麥18整個冠層的總光合有效輻射截獲率無顯著性差異，而鄭麥7698穗層的光合有效輻射截獲率顯著高于周麥18，增幅達29.6%，而穗下冠層光能截獲率顯著低于周麥18。這表明，與周麥18相比，鄭麥7698的穗層截獲了更大比例的入射光能。因此，鄭麥7698的冠層能夠更有效地利用光能合成光合產(chǎn)物供籽粒灌漿。

圖3 周麥18和鄭麥7698不同冠層光合有效輻射截獲率比較Fig.3 The interception rates of PAR of different canopies of Zhoumai 18 and Zhengmai 7698

2.3 鄭麥7698和周麥18開花后不同時間旗葉光合-光強響應曲線和光合-CO2響應曲線比較

在開花后15 d，鄭麥7698和周麥18光合-光強響應曲線和光合-CO2響應曲線無顯著差異；在灌漿后期，出現(xiàn)明顯差異(圖4)。從表1可以看出，開花后15 d，鄭麥7698和周麥18的最大光合速率、表觀量子效率、最大羧化效率以及RuBP最大再生速率均沒有顯著差異；但是到開花后25 d(灌漿后期)，鄭麥7698的最大光合速率、表觀量子效率、最大羧化效率和RuBP最大再生速率均顯著高于周麥18，提高幅度分別為23.3%、12.9%、48.4%、53.6%。這表明與周麥18相比，鄭麥7698在灌漿后期能夠維持更高的光反應和暗反應活性。

圖4 周麥18和鄭麥7698開花后不同時間旗葉光合-光強響應曲線和光合-CO2響應曲線比較Fig.4 The response curves of photosynthesis to different concentrations of CO2 and light intensities in flag leaves of Zhoumai 18 and Zhengmai 7698 in different days after anthesis表1 周麥18和鄭麥7698開花后不同時間最大光合速率(Amax)、表觀量子效率(AQY)、 羧化效率(Vcmax)及RuBP最大再生速率(Jmax)比較Tab.1 The maximum net photosynthetic rate (Amax),the apparent quantum yield (AQY),maximum carboxylation efficiency (Vcmax) and maximum regeneration rate of RuBP (Jmax) in Zhoumai 18 and Zhengmai 7698 in different days after anthesis

指標Indicators開花后15 d15 d after anthesis 周麥18Zhoumai 18鄭麥7698Zhengmai 7698開花后25 d15 d after anthesis周麥18Zhoumai 18鄭麥7698Zhengmai 7698Amax/[μmol/(m2·s)]31.3±2.4a31.6±3.5a11.6±0.8b14.3±0.1aAQY 0.043±0.001a0.041±0.002a0.031±0.002b0.035±0.002aVcmax/[μmol/(m2·s)]77.9±11.7a74.6±12.6a35.1±1.7b52.1±10.5aJmax/[μmol/(m2·s]95.6±14.5a91.5±15.7a43.5±2.6b66.8±12.8a

注：同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同品種之間的差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters in the same line indicate that the differences among Different cultivars reach significant level (P<0.05).

2.4 鄭麥7698和周麥18開花后25 d旗葉不同部位葉綠素含量和凈光合速率比較

由圖5可知，周麥18和鄭麥7698在開花后25 d，旗葉不同部位表現(xiàn)出不同的衰老進程，鄭麥7698旗葉衰老較慢。鄭麥7698旗葉的葉綠素含量均顯著高于周麥18，并且鄭麥7698旗葉任何部位的凈光合速率均顯著高于周麥18。這表明7698旗葉葉綠素含量和光合功能的持續(xù)期遠高于周麥18，是鄭麥7698籽粒產(chǎn)量提高的一個重要因素。

2.5 鄭麥7698和周麥18產(chǎn)量及其構成因素比較

由表2可知，鄭麥7698籽粒產(chǎn)量顯著高于周麥18，增幅達9.1%；鄭麥7698的千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)也均顯著高于周麥18，增幅分別為3.5%和8.0%；鄭麥7698的收獲指數(shù)也顯著高于周麥18，增幅達6.0%。鄭麥7698與周麥18的生物學產(chǎn)量、穗數(shù)均無顯著差異。

圖5 周麥18和鄭麥7698開花后25 d旗葉的衰老狀況以及不同部位的葉綠素含量和凈光合速率比較Fig.5 The senescence condition of flag leaves,the chlorophyll content and net photosynthetic rate of different parts of flag leaves in Zhoumai 18 and Zhengmai 7698 at 25 days after anthesis表2 周麥18和鄭麥7698產(chǎn)量及其構成因素Tab.2 The grain yield and its components of Zhoumai 18 and Zhengmai 7698

品種Varieties籽粒產(chǎn)量/(kg/hm2)Grain yield生物學產(chǎn)量/(kg/hm2)Biomass收獲指數(shù)Harvest index穗數(shù)/(×104/hm2)Spike number千粒質(zhì)量/g1 000-grain weight穗粒數(shù)Grains number per spike周麥18Zhoumai 189 997.05±208.85b21 609.90± 761.70a0.463±0.020b 618.15±22.49a 44.16±0.64b35.94±1.026b鄭麥7698Zhengmai 769810 911.45±546.30a22 402.05±1 233.86a0.491±0.013a620.18±26.43a45.71±1.03a38.81±0.985a

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同品種之間的差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters in the same column indicate that the differences among Different cultivars reach significant level (P<0.05).

3 結論與討論

在以往的研究中，人們常常通過測定旗葉中部的光合速率來代表整個旗葉的光合速率，由于旗葉不同部位光合能力存在差異，尤其是在小麥的灌漿后期，旗葉開始衰老，不同品種旗葉不同部位之間的光合速率差別很大，利用該方法來反映旗葉的實際光合能力，對不同小麥品種來說會造成極大的誤差。此外，傳統(tǒng)光合速率的測定是將葉片和測定光垂直，而在田間，小麥穗完全直立，中午時與太陽的入射角平行；另外，現(xiàn)代小麥葉片與莖稈的夾角也很小，一天中與太陽光的入射角成為垂直的時候幾乎沒有。因此，以垂直光測定一天中最好時刻的光合速率也不能客觀反映小麥葉片實際光合能力。國內(nèi)關于小麥穗光合速率的研究十分有限，主要的研究結果均表明小麥穗的凈光合速率遠低于旗葉，只有旗葉凈光合速率的20%～30%[18]，這些結果均無法解釋穗光合作用對籽粒產(chǎn)量的巨大貢獻。而本研究首次利用特制葉室與CIRAS-3光合測定系統(tǒng)組成開放式氣路，在測定過程中將整個小麥穗和旗葉密閉在透明葉室中，并保持旗葉與穗在大田的生長狀態(tài)和位置，實時測定了鄭麥7698和周麥18整個穗和旗葉開花后不同時間的總光合速率，以這種方式測定出來的小麥旗葉和穗的總光合速率能更客觀和準確地反映小麥旗葉和穗的實際光合能力。本研究結果表明，無論是鄭麥7698還是周麥18在開花后不同時間穗的總光合速率和旗葉的總光合速率基本相當，這與前人穗光合能力遠低于旗葉的結果不符[18]，主要是因為他們直接使用光合儀測定出來的凈光合速率進行對比[13,18]，忽略了穗極高的呼吸速率，此外他們以穗的投影面積來計算單位面積的穗凈光合速率，這2種方法都極大地低估了穗的光合作用。

本研究以改良后的光合作用測定方法研究和比較了鄭麥7698和周麥18旗葉和穗總光合速率在灌漿時期的動態(tài)變化，研究結果表明在整個測定時期，鄭麥7698旗葉的總光合速率均顯著高于周麥18，且鄭麥7698穗的總光合速率在開花后6～18 d也顯著高于周麥18。很多研究表明，小麥旗葉和穗的光合能力對小麥灌漿的影響至關重要[19-21]。因此，與周麥18相比，鄭麥7698旗葉和穗優(yōu)良的光合能力是保證小麥籽粒灌漿，最終使其具有較高千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)的生理基礎。進一步研究表明，鄭麥7698在小麥灌漿后期，旗葉能夠維持較高的葉綠素含量，減緩了旗葉的衰老，這可能是鄭麥7698旗葉在灌漿后期能夠維持較高光合速率的原因之一。

小麥冠層結構的改變會影響小麥的光能利用效率和光合產(chǎn)物的分配，從而影響小麥產(chǎn)量[22-23]，而冠層光能分布是反映冠層結構的一個重要指標。本研究結果表明，鄭麥7698穗層的光能截獲率顯著高于周麥18，且鄭麥7698旗葉和穗總光合速率也均比周麥18高。植物光合產(chǎn)物具有就近分配和運輸?shù)奶攸c，且源—庫距離越短，運輸效率越高[13]。因此，鄭麥7698較高的收獲指數(shù)與其穗層較高的光能截獲率和較高的光合速率有關。旗葉和穗光合能力的提高、冠層結構的優(yōu)化以及衰老進程的遲緩是鄭麥7698獲得超高產(chǎn)量的生物學基礎。這為進一步選育高產(chǎn)小麥品種提供了重要參考。