硬粒小麥不同功能葉光合性狀差異及對(duì)產(chǎn)量性狀的影響

趙小光，趙鵬濤，尚 毅，翟周平，張耀文

(陜西省雜交油菜研究中心 小麥研究室，陜西 楊凌 712100)

硬粒小麥又叫杜倫小麥，是四倍體栽培小麥，染色體有28條，與六倍體普通小麥?zhǔn)遣煌钠贩N[1]。硬粒小麥?zhǔn)鞘澜缰匾募Z食作物之一，播種面積約占世界小麥總面積的10%，僅次于普通小麥，位居栽培小麥的第2位[2]。硬粒小麥的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)于普通小麥，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量比普通小麥高1%～2%，含有豐富的賴氨酸和類胡蘿卜素[3]，更具有營(yíng)養(yǎng)和保健功能。同時(shí)硬粒小麥具有較高的加工品質(zhì)，面筋含量高，是制作通心粉食品的必要原料，所以又稱通心粉小麥，正宗意大利通心面便是以優(yōu)質(zhì)專用硬粒小麥為原料制成的。

近年來(lái)，隨著代化育種技術(shù)的創(chuàng)新，農(nóng)民多年種植的常規(guī)農(nóng)作物品種在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中逐漸被遺傳改良的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)品種替代，從而造成了推廣品種越來(lái)越單一，遺傳多樣性越來(lái)越低。目前，普通六倍體小麥在育種過(guò)程中大量使用有限的“核心親本”,以及過(guò)多使用現(xiàn)代育種技術(shù)改良種質(zhì)資源，減弱了小麥野外自然選擇壓力，使其遺傳基礎(chǔ)日益狹窄[4]，集中表現(xiàn)為品種綜合性狀的退化，抗逆性的減弱，間接導(dǎo)致產(chǎn)量下降，制約了小麥育種進(jìn)一步的發(fā)展。2020年小麥條銹病在中國(guó)的大爆發(fā)是抗源單一、品種抗性降低的必然結(jié)果，給農(nóng)民造成了巨大的損失。因此，引入小麥近緣屬種，拓寬資源的基因?qū)挾群驮黾幼匀贿z傳變異對(duì)于提高現(xiàn)代栽培小麥的遺傳多樣性和進(jìn)一步開展小麥高產(chǎn)、抗病、優(yōu)質(zhì)育種具有重要意義[5-6]。四倍體硬粒小麥?zhǔn)瞧胀ㄐ←湹脑蓟驇?kù)，由于其基因組與普通小麥完全相同，其優(yōu)良基因較易轉(zhuǎn)育利用，因此是改良普通小麥的重要基因資源，具有廣闊的應(yīng)用前景[7-9]。

目前，國(guó)內(nèi)六倍體普通小麥的產(chǎn)量可達(dá)9000 kg/hm2[10],而硬粒小麥的產(chǎn)量?jī)H為6000 kg/hm2[11],與普通小麥存在較大差距，在很大程度上影響了其種植與推廣，且制約了利用硬粒小麥在普通小麥遺傳改良上的應(yīng)用。盡管前人通過(guò)種質(zhì)篩選、水肥管理、雜交選育等多種手段對(duì)硬粒小麥進(jìn)行了改良，但產(chǎn)量提升效果不是很明顯。而高光效育種是一種新興的育種技術(shù)，有望打破這種產(chǎn)量瓶頸，進(jìn)一步提高作物產(chǎn)量的潛力。研究表明，作物體內(nèi)90%～95%的干物質(zhì)是光合作用合成的，因此研究和提高作物的光合效率已經(jīng)成為作物研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題[12]。作物光能利用率按理論計(jì)算可達(dá)4%～5%，但在實(shí)際生產(chǎn)中作物的光能利用率僅為0.5%～1.0%，如果能將作物光能利用率提高1%，那么作物產(chǎn)量可增加25%～50%，甚至更高[13-14]。開展硬粒小麥高光效育種研究是提高產(chǎn)量的一條有效途徑，前人對(duì)硬粒小麥種質(zhì)改良和產(chǎn)量性狀分析較多[15-16]，而關(guān)于硬粒小麥光合性狀的研究較少。本研究以3份農(nóng)藝性狀優(yōu)良的豐產(chǎn)型硬粒小麥材料為供試材料，測(cè)定了不同功能葉的光合氣體交換參數(shù)、綠葉面積、葉綠素含量、干物質(zhì)積累量、光合有效輻射等光合性狀，同時(shí)測(cè)定了不同功能葉處理下千粒重、穗粒數(shù)、單株產(chǎn)量等產(chǎn)量性狀的變化，通過(guò)對(duì)光合性狀和產(chǎn)量性狀的差異比較及相關(guān)性分析，探討了硬粒小麥不同功能葉光合對(duì)產(chǎn)量的影響，以期為硬粒小麥高產(chǎn)品種的篩選及評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

3個(gè)四倍體硬粒小麥(Triticumdurum)試驗(yàn)材料均由陜西省雜交油菜研究中心小麥研究室提供。材料代號(hào)分別為CD82316、CD84328、CD85007，農(nóng)藝性狀差異明顯，都為多年選育的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源。試驗(yàn)于2019～2020年在陜西省楊凌示范區(qū)小麥試驗(yàn)田進(jìn)行，田間試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每小區(qū)10行，行長(zhǎng)3.0 m，行距0.25 m，試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)，田間種植與管理同小麥國(guó)家區(qū)域試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 硬粒小麥不同功能葉的光合氣體交換參數(shù)的測(cè)定 在灌漿中期，選擇健壯無(wú)病、發(fā)育一致的單株，用Li-6400便攜式光合作用測(cè)定儀分別對(duì)每個(gè)材料的旗葉、倒2葉和倒3葉進(jìn)行測(cè)定，葉片夾樣部位選擇葉片的中段，選用6400-02B LED紅藍(lán)光源葉室，光照強(qiáng)度控制為1300 μmol/(m2·s)；葉室溫度控制為25 ℃，測(cè)定時(shí)間為上午8：30～11：30，每個(gè)材料測(cè)定10個(gè)單株。測(cè)定的氣體交換參數(shù)：凈光合速率[Pn，μmol/(m2·s)]、蒸騰速率[Tr，mmol/(m2·s)]、氣孔導(dǎo)度[Gs，mmol/(m2·s)]、胞間CO2濃度(Ci，μmol/mL)、水分利用效率(WUE)按照公式WUE=Pn/Tr[17]進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2 硬粒小麥不同功能葉光合相關(guān)性狀的測(cè)定 在灌漿中期，每個(gè)硬粒小麥材料選取10個(gè)均勻一致的代表性單株，用葉綠素測(cè)定儀(SPAD502)分別測(cè)定旗葉、倒2葉和倒3葉的葉綠素含量，均勻地在每片葉子選點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，然后取平均數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；用LI-3000C葉面積儀分別對(duì)每個(gè)單株的旗葉、倒2葉和倒3葉進(jìn)行測(cè)定，取平均數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；用LAI-2200冠層分析儀(外接PAR光量子傳感器)分別測(cè)定每個(gè)材料的小麥頂層、旗葉層、倒2葉層、倒3葉層的光合有效輻射，測(cè)定時(shí)間為8：00～18：00，每小時(shí)測(cè)定1次。

1.2.3 硬粒小麥不同功能葉處理后的產(chǎn)量性狀的測(cè)定 在灌漿初期，每個(gè)硬粒小麥材料分別設(shè)4個(gè)處理，處理A：正常對(duì)照；處理B：只剪去旗葉；處理C：只剪去倒2葉；處理D：只剪去倒3葉。每個(gè)處理選擇10個(gè)均勻一致的代表性單株。在成熟期分別稱量每個(gè)處理的生物學(xué)產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量，計(jì)算經(jīng)濟(jì)系數(shù)；統(tǒng)計(jì)每穗粒數(shù)和千粒重，然后取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel 2003進(jìn)行初步整理，用SPSS 19.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 硬粒小麥不同功能葉光合氣體交換參數(shù)的差異分析

小麥的灌漿期是光合作用的關(guān)鍵時(shí)期，該時(shí)期進(jìn)行光合作用的葉片有旗葉、倒2葉和倒3葉，光合產(chǎn)物可以高效地從光合器官轉(zhuǎn)運(yùn)到營(yíng)養(yǎng)器官里，促進(jìn)小麥籽粒中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累，對(duì)小麥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)至關(guān)重要。從表1可以看出，3個(gè)硬粒小麥材料的不同功能葉之間的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均表現(xiàn)出顯著性差異。凈光合速率在不同功能葉中的大小表現(xiàn)為旗葉>倒2葉>倒3葉，3個(gè)品種的旗葉凈光合速率均值為14.83 μmol/(m2·s)，倒2葉凈光合速率均值為12.54 μmol/(m2·s)，倒3葉凈光合速率均值為7.97 μmol/(m2·s)。不同功能葉的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率也表現(xiàn)出與凈光合速率相同的規(guī)律，數(shù)值大小也表現(xiàn)為旗葉>倒2葉>倒3葉，氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率在旗葉、倒2葉和倒3葉的均值分別為0.24、0.18、0.11 mmol/(m2·s) 和4.07、3.40、2.34 mmol/(m2·s)。胞間CO2濃度在不同功能葉之間無(wú)顯著性差異，水分利用效率在材料CD82316里表現(xiàn)為旗葉>倒2葉>倒3葉，在另外2個(gè)材料里無(wú)顯著性差異。由此可知，3個(gè)硬粒小麥材料的旗葉光合效率最高，倒2葉其次，倒3葉最低，旗葉的光合作用在該時(shí)期最強(qiáng)，是灌漿期的主要光合器官。

表1 不同功能葉的光合氣體交換參數(shù)的比較

2.2 硬粒小麥不同功能葉的葉綠素含量和葉面積差異分析

從圖1A可以看出，3個(gè)硬粒小麥各自的功能葉之間葉綠素含量(SPAD值)有差異但不顯著，均表現(xiàn)為倒2葉>旗葉>倒3葉，3個(gè)材料的葉綠素含量均值在旗葉、倒2葉和倒3葉中分別為56.32、57.49和55.45，表明葉綠素含量不是影響不同功能葉光合的主要因素。不同功能葉之間的葉綠素含量差異是由葉片發(fā)育進(jìn)度的不一致和測(cè)定時(shí)期不同而導(dǎo)致的，旗葉發(fā)育最晚，葉綠素正處于合成階段，倒3葉在該時(shí)期已經(jīng)出現(xiàn)老化，葉綠素開始降解，所以表現(xiàn)為倒2葉的葉綠素含量最高。

圖1 不同功能葉的葉綠素含量和葉面積的比較

不同功能葉的葉面積則存在顯著性差異，從圖1B可以看出，3個(gè)硬粒小麥的不同功能葉面積變化規(guī)律相同，均表現(xiàn)為旗葉>倒2葉>倒3葉，旗葉、倒2葉和倒3葉的葉面積均值分別為25.77、21.52和17.34 cm2。不同功能葉面積的差異與凈光合速率的差異是一致的，兩者共同作用使得硬粒小麥旗葉的光合效率高于其他功能葉，成為灌漿期的重要光合器官。

2.3 硬粒小麥不同功能葉的光合有效輻射分析

光照是植物進(jìn)行光合作用的能量源泉，光能在光合器官里轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，最終運(yùn)輸?shù)綘I(yíng)養(yǎng)器官里成為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)存起來(lái)，所以植物接收光照的多少直接影響光合作用的強(qiáng)弱。從圖2可以看出，硬粒小麥的不同功能葉在一日內(nèi)接收的光合有效輻射差異極顯著，且變化規(guī)律一致。旗葉的光合有效輻射受外界光照影響最為明顯，在一日內(nèi)隨著外界頂層的光合有效輻射變化而變化，分別在中午12：00達(dá)到峰值。而倒2葉和倒3葉收到的影響較小，變化較為平緩，盡管12：00過(guò)后外界光合有效輻射開始減弱，但是由于太陽(yáng)斜射的原因，倒2葉的光合有效輻射反而有所提高，在13：00～15：00表現(xiàn)出較高值。

小麥頂層的光合有效輻射一日內(nèi)均值為1245.36 μmol/(m2·s)，CD82316、CD84328、CD85007的旗葉光合有效輻射的一日內(nèi)均值分別為838.45、867.73、768.82 μmol/(m2·s)，分別占頂層光合有效輻射的67.32%、69.68%和61.73%。3個(gè)材料的倒2葉光合有效輻射的一日內(nèi)均值分別為299.91、291.27、230.64 μmol/(m2·s)，分別占頂層光合有效輻射的24.08%、23.39%和18.51%。3個(gè)材料的倒3葉光合有效輻射一日內(nèi)均值分別為130.73、104.55、112.27 μmol/(m2·s)，分別占頂層光合有效輻射的10.50%、8.39%和9.01%。由此可以看出，由于旗葉處于較高層，只受到小麥穗粒的遮光影響，因此接收到的光合有效輻射較多，外界光照有約2/3可以照射到該層，而倒2葉和倒3葉位置靠下，既受到穗粒遮光，同時(shí)受到旗葉和小麥主莖遮光，外界光照僅有約1/4可以照射到倒2葉層，有約1/10可以照射到倒3葉層(圖2)。

圖2 不同功能葉的光合有效輻射的日變化

2.4 硬粒小麥不同功能葉處理后產(chǎn)量性狀的變化分析

從表2可以看出，不同功能葉處理后，3個(gè)硬粒小麥的產(chǎn)量性狀有所改變，且變化規(guī)律一致。經(jīng)濟(jì)系數(shù)和每穗粒數(shù)在每個(gè)材料的不同處理間基本無(wú)差異，CD82316的經(jīng)濟(jì)系數(shù)和每穗粒數(shù)均值分別為0.27和20.13，CD84328的經(jīng)濟(jì)系數(shù)和每穗粒數(shù)均值分別為0.36和32.19，CD85007經(jīng)濟(jì)系數(shù)和每穗粒數(shù)均值分別為0.39和41.62，表明硬粒小麥的經(jīng)濟(jì)系數(shù)和每穗粒數(shù)主要受材料自身遺傳特性的影響，體現(xiàn)為不同材料之間的差異，而同一材料里不同功能葉的光合作用對(duì)其變化基本沒(méi)有影響。

表2 不同功能葉處理后的產(chǎn)量性狀比較

籽粒重、生物學(xué)產(chǎn)量和千粒重在不同的功能葉處理后差異則較大，CD82316處理B(去掉旗葉)、處理C(去掉倒2葉)、處理D(去掉倒3葉)的籽粒重比處理A(對(duì)照)分別下降了18.45%、3.88%、0.97%，CD84328處理B、處理C、處理D的籽粒重比處理A分別下降了15.91%、11.36%、6.82%，CD85007處理B、處理C、處理D的籽粒重比處理A分別下降了21.63%、12.50%、9.62%，表明旗葉處理后籽粒重減少量明顯高于倒2葉和倒3葉的處理。生物學(xué)產(chǎn)量在不同的處理后也變現(xiàn)出相同的規(guī)律，CD82316處理B、處理C、處理D的生物學(xué)產(chǎn)量比處理A分別下降了15.04%、5.27%、2.37%，CD84328處理B、處理C、處理D的生物學(xué)產(chǎn)量比處理A分別下降了16.77%、12.68%、11.45%，CD85007處理B、處理C、處理D的生物學(xué)產(chǎn)量比處理A分別下降了24.53%、10.67%、8.24%。CD82316處理B、處理C、處理D的千粒重比處理A分別下降了13.30%、6.34%、4.62%，CD84328處理B、處理C、處理D的千粒重比處理A分別下降了7.89%、6.47%、1.74%，CD85007處理B、處理C、處理D的千粒重比處理A分別下降了15.27%、7.43%、6.20%。由此可知，旗葉處理后籽粒重、生物學(xué)產(chǎn)量和千粒重均下降明顯，表明在硬粒小麥灌漿期，旗葉的光合作用對(duì)產(chǎn)量性狀的影響要明顯大于倒2葉和倒3葉。

3 小結(jié)與討論

本研究在灌漿期對(duì)3個(gè)硬粒小麥材料不同功能葉的光合氣體交換參數(shù)、葉綠素含量、葉面積的差異和不同功能葉層光合有效輻射的日變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，旗葉的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和葉面積均顯著高于倒2葉和倒3葉，所以旗葉作為灌漿期的主要光合功能葉，是該時(shí)期小麥生長(zhǎng)發(fā)育的首要能量合成場(chǎng)所，對(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要，在普通六倍體小麥的光合研究中，往往也是以旗葉作為功能葉進(jìn)行研究的[18-19]。通過(guò)光合有效輻射日變化可以看出，旗葉層可以獲取外界大部分的光合有效輻射，從能量源頭上保證了旗葉可以高效進(jìn)行光合作用。倒2葉層和倒3葉層因?yàn)檎诠庠?，獲取的光合有效輻射分別僅為旗葉層的1/6和1/15,即使在中午外界高光照強(qiáng)度下，倒2葉層和倒3葉層接收到的光合有效輻射與早、晚相差不大，從而使光合作用受到了極大的限制。灌漿期是小麥籽粒產(chǎn)量重要形成時(shí)期，凈光合速率、葉面積、光合有效輻射3種光合優(yōu)勢(shì)因子有機(jī)結(jié)合，共同促進(jìn)旗葉高效地進(jìn)行光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物轉(zhuǎn)運(yùn)到小麥籽粒中，所以旗葉光合效率的高低，直接影響到硬粒小麥的最終產(chǎn)量。

與普通六倍體小麥一樣，硬粒小麥產(chǎn)量要素也是由單株穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重構(gòu)成，產(chǎn)量構(gòu)成三要素既受外界環(huán)境影響外，又與硬粒小麥自身的遺傳特性有關(guān)[20]，所以前人多是通過(guò)精細(xì)控制水肥、改變?cè)耘嗉夹g(shù)、改良種質(zhì)資源等方式來(lái)改變產(chǎn)量要素[21-22]，從而達(dá)到提高小麥產(chǎn)量的目的。在本研究中，不同處理后硬粒小麥功能葉的缺失造成光合作用的減弱，光合產(chǎn)物合成受阻，減少了有機(jī)物向營(yíng)養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)運(yùn)，籽粒的發(fā)育受到了影響。從本研究結(jié)果可以看出，不同處理下千粒重都比正常對(duì)照低，因此，硬粒小麥籽粒產(chǎn)量降低的主要原因就是千粒重的降低造成的。旗葉處理后，3個(gè)材料千粒重平均比對(duì)照下降了12.15%，倒2葉和倒3葉處理后千粒重平均分別比對(duì)照下降了6.75%和4.19%，表明在灌漿期旗葉對(duì)硬粒小麥籽粒產(chǎn)量的影響遠(yuǎn)大于其他功能葉，因而開展旗葉功能的光合研究和提高旗葉光合效率是提高硬粒小麥產(chǎn)量的有效途徑。

目前，我國(guó)的普通小麥產(chǎn)量已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，達(dá)到了發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)量水平，2020年全國(guó)多地都出現(xiàn)了冬小麥高產(chǎn)記錄，最高產(chǎn)量突破到12840 kg/hm2，但硬粒小麥的產(chǎn)量多年未取得進(jìn)展，產(chǎn)量?jī)H為普通高產(chǎn)小麥的一半，通過(guò)傳統(tǒng)育種手段實(shí)現(xiàn)硬粒小麥增產(chǎn)已經(jīng)不是很明顯。盡管我國(guó)有大面積的硬粒小麥適生區(qū)，生長(zhǎng)環(huán)境優(yōu)越，但是因?yàn)楫a(chǎn)量原因種植面積很小，極大制約了我國(guó)高端面粉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。硬粒小麥光合速率低于六倍體普通小麥[23]，作為C3作物存在明顯的光午休現(xiàn)象[24]，通過(guò)改變這些不足都可以有效地提高硬粒小麥的光合效率，從而提高小麥的產(chǎn)量。因此，硬粒小麥在抗倒、優(yōu)質(zhì)、抗病等傳統(tǒng)育種的基礎(chǔ)上，應(yīng)借助高光效育種手段，提高種質(zhì)資源的光合能力，利用雜交改良提高子代的對(duì)光的截獲和利用能力，降低光午休和光呼吸等負(fù)作用，高效率地將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯存在營(yíng)養(yǎng)器官里起來(lái)，從而達(dá)到硬粒小麥增產(chǎn)的目的。

4 結(jié)論

3個(gè)硬粒小麥材料旗葉的凈光合速率、葉面積和接收到的光合有效輻射均明顯高于倒2葉和倒3葉，是小麥灌漿期的主要光合器官。旗葉的光合作用對(duì)產(chǎn)量的影響最為明顯，旗葉光合作用的降低會(huì)造成籽粒千粒重的降低，最終影響到硬粒小麥產(chǎn)量。因此，硬粒小麥的高光效育種應(yīng)該首先對(duì)旗葉進(jìn)行改良，提高灌漿期旗葉的光能利用率，選育高光效種質(zhì)資源，再結(jié)合傳統(tǒng)的選育手段，從而提高硬粒小麥的產(chǎn)量。