玉米gif1突變體與其野生型間的株型及光合生理性狀比較分析

張富來，高芙蓉，張丹，米桂寧，李新平

（塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

玉米是禾本科糧食作物中功用多且不可缺少的作物資源，作為高產(chǎn)糧食作物，具有廣闊的發(fā)展前景。玉米株型育種的第三個發(fā)展階段主要是研究玉米雜種優(yōu)勢的利用及生理形態(tài)相結(jié)合的理想株型育種。玉米的理想株型是以植株的形態(tài)、雜交優(yōu)勢和生理特性等作為綜合指標(biāo)的高光效性狀組合類型［1］，相關(guān)理論及技術(shù)研究已取得一些重大進(jìn)步。作物光合利用效率的高低直接影響作物的光合產(chǎn)量和生物產(chǎn)量。LAMINE［2］指出光合速率是評價作物光合優(yōu)勢的重要指標(biāo)，玉米品種更替過程中的生理特性具有獨(dú)特的規(guī)律［3］。

玉米突變體基因的克隆為玉米株型及生理性狀的研究提供了良好的資源，例如：玉米矮稈突變研究已初步分析了平展葉突變體的遺傳機(jī)理［4］，并進(jìn)一步指導(dǎo)了玉米育種。對玉米gif1突變體及其野生型形態(tài)性狀等研究已有相關(guān)報道［5］，研究表明，ZmGIF1基因在調(diào)控玉米雌雄穗分生組織確定性和活性維持方面有重要的作用，對玉米植株表型的影響具有多效性［5］。本研究通過對gif1突變體與其野生型的株型形態(tài)指標(biāo)及光合生理性狀進(jìn)行分析比較，研究gif1突變體的多效性以進(jìn)一步補(bǔ)充ZmGIF1基因在玉米株型、光合生理方面的作用，為玉米株型育種和高光效育種提供基因資源。

1 材料方法與試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

BS238家系是從衣阿華堅稈綜合種的BSSSC9分離出來的自交系，而gif1突變體來自BS238，已有研究表明，gif1突變體的表型性狀由一對隱性基因控制，基因型GIF1/GIF1為野生型，雜合基因型GIF1/gif1的表型與野生型相同［5］，本研究于2020年4月將由雜合基因型自交形成的400株F2群體種植于塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗站，株距40 cm，行距80 cm；野生型及gif1突變體植株根據(jù)表型區(qū)分以及基因型鑒定，分別對兩類植株掛牌標(biāo)識以備測定光合性狀和形態(tài)性狀，田間管理同大田。

1.2 試驗設(shè)計

對野生型和gif1突變體雜交F2兩種類型植株隨機(jī)各取30株，于苗期、拔節(jié)期、成熟期測定全株葉片數(shù)、莖葉夾角、葉向值、葉綠素含量，拔節(jié)期測定植株光合速率等。

1.3 測定指標(biāo)及測量方法

1.3.1 主要指標(biāo)測定

1）株高、穗位高、穗位葉長、穗位葉寬：卷尺測量玉米gif1突變體及其野生型在成熟期的株高、穗位高、穗位葉長及葉寬。

2）葉綠素含量：用SPAD-502 Plus葉綠素儀測定，玉米gif1突變體及其野生型在苗期、拔節(jié)期、成熟期植株上、中、下部位各一片葉片的葉綠素含量。

3）莖葉夾角：用量角器測量gif1突變體與其野生型植株葉片1/3處葉脈與莖稈之間的夾角［6］。

4）葉向值：測量gif1突變體與其野生型植株單株從上部到下部完全展開葉葉片數(shù)，n表示測定單株的葉片數(shù)，θ為單株葉片與水平面的夾角；°，L為葉長；cm，Lf為從葉基點(diǎn)至葉最高點(diǎn)的距離；cm。用lov（葉向值）={ ∑θ（Lf/L）}/n［7-8］計算葉向值。

5）光合生理指標(biāo)測定：用Li-6400光合儀測定gif1突變體與其野生型植株單株凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析方法

利用Microsoft Office Excle 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，根據(jù)表型采用t測驗對兩種類型植株的各性狀進(jìn)行顯著性檢驗（DPS 9.0.1.0軟件）。

2 結(jié)果與分析

2.1 gif1突變體與野生型植株形態(tài)差異分析

突變體就是產(chǎn)生突變的個體，這些個體的突變通常會導(dǎo)致基因功能的下降或喪失，最終導(dǎo)致突變表型的產(chǎn)生，嚴(yán)重的會導(dǎo)致植株死亡［5］。本研究中將gif1突變體與野生型植株形態(tài)進(jìn)行比較分析（如圖1所示），結(jié)果表明，與野生型相比，gif1突變體株高、穗位高、穗位葉長、穗位葉寬等與野生型差異極顯著，gif1突變體表現(xiàn)出株型矮小，穗位高度極低，穗位葉長而窄小，說明ZmGIF1基因可能會導(dǎo)致植株基因功能的下降，嚴(yán)重甚至?xí)适А?/p>

圖1 gif1突變體與野生型在株高、穗位高度、穗位葉長、穗位葉寬性狀上的比較

2.2 gif1突變體與野生型植株的株型相關(guān)性狀差異分析

2.2.1 gif1突變體與野生型葉片數(shù)目分布動態(tài)分析

研究中將gif1突變體與野生型不同生育時期葉片數(shù)的分布動態(tài)進(jìn)行比較分析（如圖2所示），苗期植株葉片數(shù)相差不大，大約為5片；但在拔節(jié)期植株營養(yǎng)生長發(fā)育拉開差距，gif1突變體與野生型的葉片數(shù)量表現(xiàn)出顯著性的差異，gif1突變體葉片數(shù)平均達(dá)到7片，而野生型葉片數(shù)平均達(dá)到9片；成熟期停止?fàn)I養(yǎng)生長后gif1突變體葉片數(shù)穩(wěn)定于10片，野生型穩(wěn)定在11片，二者差異不顯著。因此，gif1突變體與野生型雖在總?cè)~片數(shù)上差異不顯著，但拔節(jié)期之后葉片的發(fā)育表現(xiàn)出滯后于野生型的特點(diǎn)，進(jìn)而說明ZmGIF1基因?qū)τ衩兹~片發(fā)育的調(diào)控除了通過調(diào)控葉片細(xì)胞的分裂增殖來影響葉片的大小之外［5］，也明顯地在調(diào)控葉片的發(fā)育進(jìn)程和速度上起到了重要作用。

圖2 gif1突變體與野生型不同時期葉片數(shù)的分布動態(tài)變化比較

2.2.2 gif1突變體與野生型莖葉夾角比較分析

植株葉片的生長發(fā)育及葉片與莖稈之間的夾角不僅影響株型，也關(guān)乎植株對光能的利用［9］。通過對gif1突變體與野生型不同部位的莖葉夾角進(jìn)行測定分析（如圖3所示），結(jié)果表明，gif1突變體與野生型上部莖葉夾角表現(xiàn)為顯著差異。gif1突變體與野生型植株下部葉片的莖葉夾角表現(xiàn)相同的趨勢，葉片與莖之間的夾角最大，葉片更加平展；與下部相比，gif1突變體與野生型中部和上部葉片莖葉夾角表現(xiàn)出減小的趨勢，通過在田間觀察發(fā)現(xiàn)野生型的葉片相對平展，葉尖有部分彎曲向地，通風(fēng)透光性相對較好；而gif1突變體中上部葉片呈緊湊型形態(tài)，表現(xiàn)為下部到上部莖葉夾角減小，這導(dǎo)致gif1突變體對光能的利用不如野生型植株有利。

圖3 gif1突變體與野生型不同部位莖葉夾角變化比較

2.2.3 gif1突變體與野生型葉向值差異分析

玉米植株葉片的葉向值作為評價玉米株型的重要指標(biāo)，同時反映葉片“直”和“立”的兩個特性。本研究中進(jìn)一步對gif1突變體與野生型的葉向值進(jìn)行分析（如表1所示），結(jié)果表明，野生型植株葉片有向下彎曲的葉最高點(diǎn)，gif1突變體植株葉片較為平直，總體葉向值較大，與野生型間葉向值兩處理方差齊性,均值差異檢驗差異達(dá)顯著（P=0.008＜0.01）水平。因此，從株型角度分析，說明ZmGIF1基因?qū)τ衩兹~片的空間分布形態(tài)具有一定的調(diào)控作用，很大程度上影響了植株的整體株型，這也可能會對植株光能的吸收利用產(chǎn)生影響。

表1 gif1突變體與野生型葉向值t測驗分析

2.3 gif1突變體與野生型植株光合生理性狀的差異分析

2.3.1 gif1突變體與野生型不同部位、不同時期葉綠素含量的動態(tài)變化

已有研究表明，在適當(dāng)?shù)墓庹諚l件下，增加葉綠素的含量能夠促進(jìn)植物的生長產(chǎn)量和品質(zhì)的提高；葉綠素的含量與光合速率之間存在一定的關(guān)系，尤其在弱光情況下，葉綠素含量與作物產(chǎn)量呈正比例關(guān)系［4］。對gif1突變體及野生型不同部位和時期葉綠素含量進(jìn)行比較分析（如圖4所示），結(jié)果表明，二者苗期、拔節(jié)期下部葉片的葉綠素含量差異顯著，且野生型植株葉綠素含量均高于gif1突變體，成熟期二者差異不顯著；同時野生型植株的葉綠素含量在拔節(jié)期最高，苗期次之，成熟期最低，側(cè)面反映了植株下部葉片其光合效率在各生育期變化的特點(diǎn)。對于gif1突變體而言，各個生育時期的葉綠素含量總體變化趨勢與野生型接近，整體波動不大。

圖4 gif1突變體與野生型下部葉片葉綠素含量差異比較

由圖5可知，植株中部葉片在gif1突變體及野生型間葉綠素含量差異不顯著，gif1突變體植株中部葉片的葉綠素含量在拔節(jié)期最高，成熟期次之，苗期最低，而野生型植株中部葉片的葉綠素含量隨生育期的成熟而逐漸增加。

圖5 gif1突變體與野生型中部葉片葉綠素含量差異比較

由圖6可知，植株上部葉片在整個生育期中、不同部位中葉綠素含量與其他生育期和部位相比含量均較高；在整個生育期中，上部葉片葉綠素含量隨生育時期持續(xù)升高，且各生育期gif1突變體與野生型葉綠素含量變化趨勢相近，呈上升趨勢，但成熟期gif1突變體與野生型間葉綠素含量差異顯著。上部葉片的葉綠素含量在不同生育時期相對較高，尤其在拔節(jié)期后表現(xiàn)明顯，這為后期的生長發(fā)育提供一個很好的光合基礎(chǔ)。

圖6 gif1突變體與野生型上部葉片葉綠素含量差異比較

ZmGIF1基因在gif1突變體中的轉(zhuǎn)錄終止已有文獻(xiàn)指出，其具有調(diào)控玉米器官發(fā)育的多效性［5］，通過比較與光合性狀相關(guān)的葉綠素含量差異，進(jìn)一步說明ZmGIF1基因可能對玉米植株葉綠素的合成具有一定的影響。

2.3.2 gif1突變體與野生型凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率差異分析

植物進(jìn)行光合作用是植物能量和基本物質(zhì)轉(zhuǎn)化的生理基礎(chǔ)［10］，對gif1突變體與野生型凈光合速率(Pn)［11］、氣孔導(dǎo)度(Gs)［12］、蒸騰速率(Tr)［13］進(jìn)行比較分析。由圖7可知，野生型植株的凈光合速率顯著高于gif1突變體，說明在光合作用時所積累的有機(jī)物含量明顯不同。積累有機(jī)物的含量越多，越有利于生殖生長，光合生理指標(biāo)的差異可能有助于解析gif1突變體與野生型的長勢差異。

其次，gif1突變體與野生型相比蒸騰速率也低（如圖7所示），野生型植株的葉面積大，蒸發(fā)量也高，張丹［5］研究表明gif1突變體葉面積的減少主要是與野生型相比，雖葉片下表皮的細(xì)胞面積增大，但細(xì)胞數(shù)目的減少是導(dǎo)致葉面積減少的關(guān)鍵。同時，本研究表明gif1突變體氣孔導(dǎo)度小，與野生型間差異顯著，也輔助說明了野生型能更多地吸收CO2促進(jìn)暗反應(yīng)進(jìn)行，促進(jìn)光合速率的提高，增加光合產(chǎn)物的積累。

圖7 gif1突變體與野生型凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度差異比較

2.3.3 gif1突變體與野生型基于空氣溫度、葉片溫度的水汽壓虧缺差異分析

水汽壓的大小直接反應(yīng)水分在植物葉片內(nèi)蒸發(fā)的快慢，水汽壓虧缺能影響氣孔導(dǎo)度的變化，主要受溫度控制。溫度高時，植物蒸騰作用水分蒸發(fā)較快，水分喪失進(jìn)入大氣的水汽多，水汽壓就大，水汽壓虧缺就越多［14］。在中午高溫測量基于葉片溫度計算得到的水汽壓虧缺（VpdL）、基于空氣溫度的水汽壓虧缺（VpdA）的最大值表明（如圖8所示），結(jié)果表明，基于空氣溫度、葉片溫度的水汽壓虧缺受環(huán)境溫度控制，在同樣溫度環(huán)境下，gif1突變體的水汽壓虧缺比野生型低且二者之間差異顯著，這與蒸騰速率的結(jié)果相一致，進(jìn)一步輔助說明了ZmGIF1基因可能在間接調(diào)控水分生理過程中起到了重要作用，也側(cè)面說明gif1突變體與野生型相比，雖然光合產(chǎn)物的積累少，但在高溫、干旱的情況下，通過降低氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率以及減少水汽壓虧缺等方式也一定程度地提高了抗旱性。

圖8 gif1突變體與野生型基于空氣溫度和葉片溫度的水汽壓虧缺差異比較

3 結(jié)論與討論

3.1 ZmGIF1基因影響玉米株型的形成

ZmGIF1基因在調(diào)控植株形態(tài)建成的多個方面，具有多效性［5］。gif1突變體與野生型植株相比莖葉夾角、葉向值有顯著性差異，野生型植株的株型更為合理，上中下部相對平展，而gif1突變體植株自下而上都相對緊湊，不能更好地通風(fēng)透光、利用光能，說明ZmGIF1基因可能通過調(diào)控細(xì)胞的分裂增殖對玉米葉片的長短等發(fā)育過程進(jìn)行調(diào)控，很大程度上影響了植株的整體輪廓進(jìn)而影響葉片的空間分布，從而影響玉米株型。

3.2 ZmGIF1基因與玉米植株內(nèi)在光合生理反應(yīng)的調(diào)控相關(guān)

ZmGIF1基因不僅對調(diào)控植株形態(tài)有作用，同時也影響植株光合生理指標(biāo)的變化［15］。gif1突變體與野生型植株不同部位、不同時期的葉綠素含量相比差異顯著，尤其上部葉片的葉綠素含量在拔節(jié)期后顯著上升，說明ZmGIF1基因在gif1突變體中的轉(zhuǎn)錄終止可能對玉米植株葉綠素的合成具有一定的影響，不能為后期的生長發(fā)育提供一個很好的光合基礎(chǔ)。同時野生型植株中凈光合速率顯著高于gif1突變體，積累有機(jī)物的含量越多，越有利于生殖生長，光合生理指標(biāo)的差異可能有助于解析gif1突變體與野生型的長勢差異，說明了ZmGIF1基因可能與植株內(nèi)在光合生理反應(yīng)及玉米生長發(fā)育有關(guān)。

3.3 玉米ZmGIF1基因間接影響抗旱性生理過程的調(diào)控

gif1突變體與野生型相比蒸騰速率慢，水分散失少，基于葉片溫度、空氣溫度的水汽壓虧缺就小，闡明了玉米ZmGIF1基因通過調(diào)控細(xì)胞的分裂增殖減少葉片的細(xì)胞數(shù)目，進(jìn)而可能間接影響植株水分蒸騰的生理過程。因而在高溫、干旱的情況下，ZmGIF1基因的功能改變，可能通過降低氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率以及減少水汽壓虧缺等途徑為抗旱性育種工作提供一定的理論基礎(chǔ)［16］。

綜上，通過對gif1突變體與野生型的株型及光合生理相關(guān)性狀的分析，進(jìn)一步豐富和補(bǔ)充了ZmGIF1基因的功能研究，進(jìn)而可能在光合育種、抗旱性育種上補(bǔ)充有益的基因資源。