甘藍(lán)型油菜光合特性及株型性狀相關(guān)分析

張 淼，李浩東，郭 娜，王茸茸，宋 葭，朱云林，徐 宇，秦夢凡，黃 鎮(zhèn)，徐愛遐

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 7121000)

甘藍(lán)型油菜是中國三大主栽的類型之一，是重要的油用作物[1]。提高產(chǎn)量是油菜育種最主要的目標(biāo)，光合作用是植物攝取能量合成有機物的基本途徑，是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[2]。篩選高光效油菜種質(zhì)，深入研究油菜光合特性，對于今后培育油菜高光效品種，進(jìn)一步發(fā)掘油菜產(chǎn)量潛力具有重要意義。

現(xiàn)有油菜品種特性和栽培技術(shù)導(dǎo)致群體光合效率較低，成為了油菜發(fā)展的限制因素[3]。甘藍(lán)型油菜株型結(jié)構(gòu)又相對復(fù)雜、光合作用機制也復(fù)雜，導(dǎo)致油菜的高光效育種難度大[4-7]。實際生產(chǎn)中的油菜光能利用率僅1%左右，低于水稻[8]、小麥[9]、大豆[10]等作物，而油菜的光合生產(chǎn)潛力理論上可以是實際的1.9倍，是具有增產(chǎn)潛力的[11]。

目前對甘藍(lán)型油菜光合生理特性變化規(guī)律和產(chǎn)量指標(biāo)相關(guān)機制研究還較少；也鮮有通過光合特性篩選高光效種質(zhì)的相關(guān)報道。本研究選取了102份的骨干育種材料，在初花期測定光合指標(biāo)，同時考察株型、產(chǎn)量性狀；挑選8份代表性材料測定苗期和初花期光合日變化，一方面探究和油菜光合效率相關(guān)的株型和產(chǎn)量指標(biāo)，明確甘藍(lán)型油菜的光合日變化規(guī)律；另一方面篩選出光合效率高的材料，為高光效育種奠定理論和物質(zhì)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與田間種植

102份的甘藍(lán)型油菜骨干系親本材料均來自西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院油菜資源課題組。于2017-2018年種植于西北農(nóng)林科技大學(xué)曹新莊實驗農(nóng)場，地理坐標(biāo)為(34°28′N，108°07′E)。采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，每個材料種植3行，行株距為0.35 m×0.15 m，行長2 m，9月下旬播種，田間管理按常規(guī)進(jìn)行。

1.2 試驗方法

試驗設(shè)計：102份材料在初花期用便攜式光合儀6400XT測定其功能旺盛葉光合速率，測定時間在早上9:30-11:30。每份材料測定3～5次，結(jié)果取平均值。選擇8份代表性材料測定苗期和初花期功能旺盛葉凈光合速率日變化，苗期因為冬季氣溫低設(shè)定從早晨10:00開始每隔 1.5 h測定1次，到16:00結(jié)束；花期從早晨8:30開始，同樣每隔1.5 h測定1次，到17:30結(jié)束。102份材料苗期到成熟期考察主要農(nóng)藝和株型性狀。

考察性狀：8～10葉期考察葉片長度(LL)、葉片寬度(LW)、葉夾角(LB)、葉片spad值；成熟期考察株高(PH)、一次分枝高度(VBH)、主花序長度(MIL)、一次分枝數(shù)(VBN)、分枝角度(BA)、全株角果數(shù)(NSP)、每角粒數(shù)(SS)、千粒質(zhì)量(TKW)、單株籽粒產(chǎn)量(SYP)、單株生物產(chǎn)量(BYP)。 使用SPAD-502測定苗期葉片spad值。

測定方法：光合指標(biāo)測定選擇晴朗天氣進(jìn)行，苗期在五葉期選擇第5片完全展開葉測定，初花期選擇主莖中部最大葉片測定。每個材料選5株重復(fù)測定，結(jié)果取平均值。光合日變化測定時對測定的葉片進(jìn)行標(biāo)記，不同時間點測定同一葉片。

單株生物產(chǎn)量即在成熟后收取整株材料地上部分烘干后稱量。分枝角度在成熟期測量，選取主莖上從上至下第4分枝角，依據(jù)數(shù)字圖像法采集[12]，其余性狀考察參照伍曉明等[13]。使用Microsoft Excel 2010和SPSS Statistics 25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 102份甘藍(lán)型油菜光合指標(biāo)分析

102份油菜親本材料初花期光合生理指標(biāo)均值見表1。凈光合速率(Pn)均值為23.92 μmol·m-2·s-1，變幅為11.53～38.15 μmol·m-2·s-1，氣孔導(dǎo)度(Gs)均值為0.34 mol·m-2·s-1，變幅為0.05～1.11 mol·m-2·s-1；胞間CO2濃度(Ci)平均為 218.30 μmol·mol-1，變幅為103.89～298.56 μmol·mol-1；蒸騰速率(Tr)平均為3.82 mmol·m-2·s-1，變幅為0.68～8.28 mmol·m-2·s-1。表2光合生理指標(biāo)Gs、Ci、Tr與凈光合速率呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別是0.745、0.430、0.806，據(jù)此以下僅對凈光合速率進(jìn)行分析； 102份材料凈光合速率指標(biāo)呈正態(tài)分布。根據(jù)凈光合速率分布將材料劃分為4類(圖1)，Ⅰ類(>31.53 μmol·m-2·s-1)凈光合速率較高材料8份，占總體材料的8%，Ⅱ類 (22.53～31.53 μmol·m-2·s-1)材料有53份，占總體材料的52%，Ⅲ類(17.53～22.53 μmol·m-2·s-1)的有33份，占總體的32%，Ⅳ類(11～17 μmol·m-2·s-1)的材料8份，占總體的8%；凈光合速率表現(xiàn)極端的有6份材料：排前3位的066B、068B-4、621B凈光合速率均大于34 μmol·m-2·s-1，后3位的0383 *423-1*1031-1、031045高代、黃412 *1014-1高代凈光合速率均小于15 μmol·m-2·s-1，其中黃412 *1014-1高代的凈光合速率值最小為11.53 μmol·m-2·s-1。

表1 102份甘藍(lán)型油菜主要光合性狀表型統(tǒng)計Table 1 Phenotype statistics of main photosynthetic traits of 102 accessions (B.napus)

表2 光合生理指標(biāo)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of photosynthetic physiological index

2.2 凈光合速率與株型及產(chǎn)量指標(biāo)相關(guān)分析

對102份材料初花期凈光合速率與株型性狀、產(chǎn)量性狀的相關(guān)性分析(表3)表明：凈光合速率與株型指標(biāo)PH(株高)與MIL(主花序長)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)是0.123、0.117，與產(chǎn)量性狀指標(biāo)NSP(全株角果數(shù))顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)是 0.130，與其余株型和產(chǎn)量指標(biāo)相關(guān)沒有達(dá)到顯著水平。從表3還可以看出，102份材料的株型性狀PH與VBH(一次分枝高)、MIL、VBN(一次分枝數(shù))、NSP、TKW(千粒質(zhì)量)、BYP(單株生物產(chǎn)量)呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。VBH與MIL、SBN(二次分枝數(shù))、NSP呈顯著正相關(guān)；MIL除了與SYP(單株籽粒產(chǎn)量)相關(guān)不顯著外，與其余性狀均顯著相關(guān)，且多呈現(xiàn)極顯著相關(guān)。VBN與PH和BYP呈極顯著正相關(guān)，SBN除了與分枝夾角相關(guān)不顯著外，與其余株型和產(chǎn)量性狀均顯著或極顯著相關(guān)，與BYP、MIL、PH和TKW極顯著正相關(guān)，而與VBH極顯著負(fù)相關(guān)。BA(分枝角度)與MIL、NSP和VBH呈顯著正相關(guān)，且與MIL、NSP相關(guān)達(dá)極顯著。產(chǎn)量性狀SS、TKW和BYP之間均極顯著正相關(guān)。BYP除了與BA和NSP相關(guān)不顯著外，與其余株型和產(chǎn)量性狀多呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。

圖1 102份甘藍(lán)型油菜凈光合速率頻率分布Fig.1 Frequency distribution of net photosynthetic rate of 102 accessions (B.napus)

表3 光合指標(biāo)與株型、產(chǎn)量指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of photosynthetic index, plant type and yield index

2.3 甘藍(lán)型油菜光合日變化

為了進(jìn)一步深入了解甘藍(lán)型油菜光合特性。選取8份代表性材料：9B、中雙11(ZS11)、創(chuàng)1B(chuang1B)、P73B-1、浙油50(zheyou50)、滬油16(HY16)、530C、H2000C，苗期(五葉期)和初花期分別測定全天不同時間點光合速率，8份材料光合速率變化見圖2。

圖2 8份材料苗期凈光合速率日變化和初花期凈光合速率日變化Fig.2 Diurnal varition of net photosynthetic rate of 8 accessions at seedling stagel and Diurnal varition of net photosynthetic rate of 8 accessions at early flowering stage

由圖2-a可見，除浙油50苗期凈光合速率日變化呈現(xiàn)雙峰變化，表現(xiàn)明顯的光午休現(xiàn)象，光午休發(fā)生在13:00，2個峰值分別在11:30和 14:30；其余7個品種均呈現(xiàn)單峰變化，無光午休現(xiàn)象，峰值各品種表現(xiàn)不一，出現(xiàn)在11:30- 13:00或13:00-14:30。14:30后凈光合速率急劇下降，到16:00光合速率均值僅為4.0 μmol·m-2·s-1，由此可見，油菜在冬季苗期光合作用主要集中在10:00-14:30溫度較高時進(jìn)行，在11:00-13:00時品種之間凈光合速率差異較大，適宜進(jìn)行苗期高光效材料篩選。8份材料10:00-14:30的凈光合均值從大到小依次為H2000C、P73B-1、創(chuàng)1B、530C、中雙11、9B、滬油16、浙油50。

由圖2-b可見， 8份材料從上午8:00隨溫度升高光合速率迅速增加，其中浙油50、9B在9:30達(dá)到最大的凈光合速率，分別為18.0、20.4 μmol·m-2·s-1，之后開始下降。H2000C、P73B-1、創(chuàng)1B、530C、中雙11、滬油16在11:00達(dá)到峰值，分別是27.3、28.4、24.0、28.1、23.9、23.9 μmol·m-2·s-1，之后才開始下降。8份材料在12:30均表現(xiàn)光合速率大幅度降低，14:00出現(xiàn)了明顯的光合午休現(xiàn)象，之后有5份材料(中雙11、H2000C、P73B-1、530C、9B)凈光合速率有不同程度小幅度回升，在15:30光合速率出現(xiàn)一個小高峰，之后又開始下降，這5份材料光合日變化表現(xiàn)為雙峰曲線，但下午峰值小，均值僅為5.6 μmol·m-2·s-1。其余3份材料(創(chuàng)1B、浙油50、滬油16)僅在上午出現(xiàn)凈光合速率峰值，呈現(xiàn)單峰曲線趨勢。由此可見，甘藍(lán)型油菜初花期光合作用主要依靠12:30前進(jìn)行，凈光合速率峰值多數(shù)出現(xiàn)在11:00，光合日變化多表現(xiàn)為雙峰曲線，也有材料下午不出現(xiàn)光合峰值，表現(xiàn)持續(xù)降低。由圖2-b還可見，在9:30-11:00時各品種之間凈光合速率差異較大，適宜進(jìn)行花期高光效材料篩選。8份材料8:00-12:30凈光合速率均值從大到小依次為H2000C、P73B-1、530C、創(chuàng)1B、滬油16、中雙11、9B、浙油50。

綜合苗期和初花期8份材料的凈光合速率可知，各品種在初花期的凈光合速率顯著高于苗期，對8份材料苗期和初花期凈光合速率值進(jìn)行比較(圖3)表明，8份材料初花期的凈光合速率均值(21.07 μmol·m-2·s-1)較苗期(17.27 μmol·m-2·s-1)高22%。

不同字母表示同一處理下不同材料間差異顯著(P<0.05)

苗期和初花期各材料的光合表現(xiàn)比較穩(wěn)定，其中H2000C在苗期和初花期凈光合速率均最高，P73B-1凈光合速率次之，浙油50凈光合速率最低。H2000C、P73B-1在一天中各時間點的凈光合高于其他材料，這兩個材料具有相對較好的光合特性，尤其是H2000C苗期時的凈光合速率均顯著高于其余材料，比均值高15.4%，初花期時高于均值的31.5%，顯著高于中雙11、9B、浙油50、滬油16的凈光合。浙油50光合日變化表現(xiàn)特異，在冬前苗期表現(xiàn)雙峰曲線，而在初花期表現(xiàn)為單峰曲線變化，且凈光合速率峰值出現(xiàn)早且低。

2.4 苗期凈光合速率與產(chǎn)量、株型性狀的相關(guān) 分析

通過苗期凈光合速率與產(chǎn)量、株型性狀的相關(guān)分析表明(表4)，凈光合速率與葉片長度，葉片寬度顯著負(fù)相關(guān)，與葉綠素spad值顯著正向關(guān)；由此可見，葉面積越大凈光合速率越低。葉片的凈光合速率和產(chǎn)量性狀無顯著相關(guān)性，于是嘗試通過葉片長*葉片寬度*凈光合速率代表葉片光合強度與產(chǎn)量性狀進(jìn)行相關(guān)分析(圖4)，結(jié)果葉片光合強度與單株生物產(chǎn)量指標(biāo)有顯著正向相關(guān)關(guān)系，表明葉片的光合強度反映了產(chǎn)量的累積 情況。

表4 苗期凈光合速率與株型、產(chǎn)量性狀相關(guān)性分析Table 4 Phenotype statistics of main photosynthetic traits in Brassica napus L.

圖4 葉片光合強度與單株生物產(chǎn)量回歸分析Fig.4 Regression analysis of leaf photosynthetic intensity and biomass yield per plant

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

苗期和初花期是油菜葉片光合的重要階段，并且油菜株型結(jié)構(gòu)與光合作用密切相關(guān)[14-15]。本研究對102份甘藍(lán)型油菜初花期凈光合速率與株型、產(chǎn)量性狀進(jìn)行相關(guān)分析，表明凈光合速率與農(nóng)藝性狀株高(0.123*)、主花序長度(0.117*)、全株角果數(shù)(0.130*)指標(biāo)顯著正相關(guān)，這與張耀文等[16]認(rèn)為“結(jié)角層較厚光能利用率高及理想結(jié)角層的構(gòu)建株高在150～170 cm，單株角果數(shù)150～200個”的結(jié)論較為一致。對苗期株型、產(chǎn)量性狀與凈光合速率進(jìn)行相關(guān)分析表明，苗期的凈光合與葉綠素spad(0.505**)值極顯著正相關(guān)，葉片光合強度和單株生物產(chǎn)量線性正相關(guān)。這與冷鎖虎等[17]認(rèn)為葉面積增大對油菜增產(chǎn)具有重要作用，肖華貴等[18]得到葉綠素含量決定光合效率結(jié)論一致。張耀文等[19]也提出通過合理株型途徑來提高油菜光合能力。所以，可以依據(jù)這些指標(biāo)選育高光效高產(chǎn)的材料。

8份材料苗期和初花期的光合日變化結(jié)果表明，材料中有5份初花期時凈光合速率都呈現(xiàn)上午高下午低的趨勢，符合C3植物的凈光合速率的典型變化趨勢，與前人結(jié)果一致[20]。但也有3份材料光合規(guī)律表現(xiàn)特殊，可能因材料在2個時期的光合作用生理機制與其他材料有區(qū)別；因此，油菜的凈光合日變化規(guī)律還需進(jìn)一步探究。苗期11：00-13:00及花期在9:30-11:00各品種的凈光合速率相差較大，適宜高光效種質(zhì)篩選。

3.2 結(jié) 論

本研究測定了102份甘藍(lán)型油菜骨干親本材料的初花期凈光合速率，這些材料的凈光合速率范圍在11.53～36.23 μmol·m-2·s-1之間。較多材料凈光合速率22.53～31.53 μmol·m-2·s-1，占總體的52%，凈光合速率較高材料 (>31.53 μmol·m-2·s-1)8份，占總體的8%。其中066B和068B-4凈光合速率值最高(>34 μmol·m-2·s-1)。8份材料苗期和初花期光合日變化表明，不同品種光合日變化趨勢并不完全一致，5份材料苗期呈“單峰變化”趨勢、初花期呈“雙峰變化”趨勢；另2份材料苗期和花期均呈“單峰變化“趨勢；1份材料苗期呈“雙峰變化”趨勢，初花期呈“單峰”趨勢。苗期時光合作用主要集中在10:00-14:30，初花期時主要集中在8:00-12:30進(jìn)行。篩選出在苗期和初花期凈光合速率高的材料H2000C和P73-1A；比較苗期和初花期凈光合速率，表明初花期光合速率顯著高于苗期(五葉期)，在苗期光合速率高的品種，在初花期光合速率也較高。

相關(guān)分析表明，株高、主花序長度、全株角果數(shù)、葉綠素spad值與凈光合速率顯著正相關(guān)，葉片光合強度與單株生物產(chǎn)量呈線性正相關(guān)關(guān)系。這些結(jié)果對選育高光效品種有一定參考意義。