大莖野生種57NG208血緣甘蔗群體F1種質(zhì)葉片的葉綠素?zé)晒馓卣?/h1>

2023-05-05 06:33:46俞華先田春艷經(jīng)艷芬安汝?yáng)|郎榮斌董立華桃聯(lián)安劉洪博吳才文

西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)訂閱 2023年3期 收藏

關(guān)鍵詞：云瑞野生種光化學(xué)

俞華先,田春艷,經(jīng)艷芬,安汝?yáng)|,郎榮斌,董立華,桃聯(lián)安,邊 芯,劉洪博,吳才文

(1.云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所,云南 開遠(yuǎn) 661699;2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所瑞麗育種站,云南 瑞麗 678600)

【研究意義】大莖野生種(Saccharumrobustum)別名伊里安野生種,為多年生草本植物,是甘蔗屬中的一個(gè)重要野生種,具有植株高大、生勢(shì)旺、抗螟蟲、耐旱強(qiáng)、抗倒伏和宿根性好的特點(diǎn)[1-2]。大莖野生種創(chuàng)新種質(zhì)的利用是廣大甘蔗育種工作者的研究熱點(diǎn)之一[3-4],研究和利用大莖野生種對(duì)拓寬甘蔗遺傳基礎(chǔ)和品種改良都具有十分重要的意義。【前人研究進(jìn)展】光合作用是植物將光能轉(zhuǎn)化為有機(jī)化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)換過程,是植物最重要的化學(xué)反應(yīng),也是影響植物生長(zhǎng)快慢和作物產(chǎn)量的重要因素[5]。運(yùn)用光合作用相關(guān)參數(shù)可以反應(yīng)植物在不同光照環(huán)境下的生存能力和環(huán)境適應(yīng)能力,而葉綠素?zé)晒鈪?shù)包含著光合作用過程中豐富的信息,不僅可直接反映光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗散等特點(diǎn),還可反映植物葉片中光化學(xué)反應(yīng)的活性與自身的保護(hù)能力,是研究植物光合作用與環(huán)境關(guān)系的重要指標(biāo)[6]。葉綠素SPAD含量的高低,可決定葉片對(duì)光能的利用,進(jìn)而影響植物的光合特性。前人研究表明,不同作物品種間光合葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異主要是由于基因型差異[7],因此,可用葉綠素?zé)晒庀到y(tǒng)測(cè)定甘蔗葉片的光合效率,以此作為高光效甘蔗親本或品種選育和鑒定的重要指標(biāo)。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是一種以植物光合作用理論為基礎(chǔ),通過研究葉綠素?zé)晒忾g接反映活體植物光合生理狀況的技術(shù),具有快速、簡(jiǎn)便、且測(cè)量過程對(duì)植物生長(zhǎng)無影響的特點(diǎn)[8]。近年來,葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)已廣泛應(yīng)用于棉花[9]、茶葉[10]、水稻[11]、快白菜[12]、柚木[13]和核桃[14]等多種作物。王勤南等[15]對(duì)甘蔗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化進(jìn)行了研究;謝靜等[16]以甘蔗與斑茅遠(yuǎn)緣雜交獲得的不同世代為材料,研究其光合作用特征;王勤南等[17]利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)研究了59份甘蔗細(xì)莖野生種質(zhì)的葉綠素?zé)晒馓匦?安東升等[18]研究了甘蔗苗期不同葉位葉綠素?zé)晒馓匦?邱永生等[19]利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)分析了含斑茅血緣親本與甘蔗常用親本之間的光合能力差異性;另外,許多研究者已將葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)應(yīng)用于甘蔗抗旱性評(píng)價(jià)中,朱理環(huán)等[20]、羅俊等[21]研究了干旱脅迫對(duì)甘蔗苗期葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響,結(jié)果表明,水分脅迫下熒光參數(shù)Fv/Fm、Fv/Fo明顯降低;劉三梅等[22]以粵糖86-368、粵糖93-159、云引3號(hào)和新臺(tái)糖22號(hào)等云南主栽甘蔗品種為材料,測(cè)定其在各個(gè)生育時(shí)期干旱脅迫下的光合指標(biāo)及葉綠素?zé)晒鈪?shù),結(jié)果表明干旱脅迫下除云引3號(hào)品種的光合指標(biāo)在分蘗期降幅顯著大于苗期和伸長(zhǎng)期外,其余品種的光合指標(biāo)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)降幅均在伸長(zhǎng)期最大;俞華先等[23]以4份含大莖野生種57NG208血緣的F2代甘蔗材料,測(cè)定水分脅迫下甘蔗葉片葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力參數(shù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)水分脅迫下甘蔗葉片的SPAD、Fm、Fv/Fo和Fv/Fm均降低;劉家勇等[24]研究了6個(gè)甘蔗品種9:00—19:40時(shí)的葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù),結(jié)果表明干旱脅迫下,Fv/Fo和Fv/Fm的測(cè)量值隨著氣溫的升高顯著降低?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所瑞麗育種站依托所在地德宏州瑞麗市得天獨(dú)厚的地理氣候環(huán)境,不斷改進(jìn)光溫誘導(dǎo)技術(shù),成功誘導(dǎo)大莖野生種57NG208開花,并利用大莖野生種57NG208與熱帶種南澗果蔗雜交創(chuàng)制了一批優(yōu)良種質(zhì)材料,但迄今為止對(duì)這些優(yōu)良創(chuàng)新種質(zhì)群體葉綠素含量SPAD值及葉綠素?zé)晒馓匦苑矫娴难芯旷r有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)并結(jié)合聚類分析對(duì)大莖野生種57NG208血緣F1群體種質(zhì)的葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)和葉綠素SPAD值進(jìn)行分析,探究該群體葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)特征的差異,篩選高光效種質(zhì),為大莖野生種血緣特色親本培育奠定種質(zhì)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為云瑞12-38-1與大莖野生種57NG208雜交所創(chuàng)制的大莖野生種血緣F1群體材料,共120叢。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)地點(diǎn) 試驗(yàn)安排在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所瑞麗育種站基地,該基地位于云南省德宏州瑞麗市,海拔778.6 m,年降雨量1394 mm,陽(yáng)光充足,全年無霜,屬于南亞熱帶季風(fēng)型濕潤(rùn)蔗區(qū)。試驗(yàn)田塊地勢(shì)平坦,土壤肥沃,溝渠通暢灌溉方便。試驗(yàn)材料在3月7日完成實(shí)生苗播種,4月18日假植,6月4日完成大田移栽。試驗(yàn)采用間比設(shè)計(jì),行距1.1 m、行長(zhǎng)6.0 m,肥料、農(nóng)藥的使用與大田生產(chǎn)一致。

1.2.2 調(diào)查方法 采用PAM-2500便攜式熒光儀(德國(guó)Walz公司)于2020年8月29日17:00—22:00時(shí)測(cè)定葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)。參考邱永生等[19]、劉家勇等[24]和王勤南等[17]的方法,每叢選取3棵健康單株,選擇+1葉測(cè)量初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)、光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)(NPQ),參考張守仁[25]的方法計(jì)算可變熒光Fv(Fv=Fm-Fo)、Fv/Fm、Fv/Fo等參數(shù)。同時(shí),參考俞華先等[26]的方法選取+2葉采用手持便攜式SPAD-502葉綠素儀分別測(cè)定葉基、葉中、葉尖3部位的葉綠素SPAD值,各部位重復(fù)3次,取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2007對(duì)所有數(shù)據(jù)取平均值,采用RStudio軟件包進(jìn)行聚類分析;采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行相關(guān)分析和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合指標(biāo)的遺傳變異分析

從表1可以看出,葉綠素SPAD值的變幅為9.300～51.070,有61份種質(zhì)的SPAD值超過平均值(40.650),云瑞19-8-33該值最大,云瑞19-8-57該值最小,最大值是最小值的5.49倍。初始熒光(Fo)和最大熒光(Fm)變幅分別為110.000～601.000、239.000～2295.000,其中有68份種質(zhì)的初始熒光(Fo)超過平均值(384.908),云瑞19-8-10該值最大,云瑞19-8-43該值最小,最大值是最小值的5.46倍;有66份種質(zhì)的最大熒光(Fm)超過平均值(1270.958),云瑞19-8-1該值最大,云瑞19-8-117該值最小,最大值是最小值的9.60倍。最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)變幅分別為0.230～0.800、0.310～3.973,有79份種質(zhì)的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)超過平均值(0.678),云瑞19-8-43該值最大,云瑞19-8-13該值最小,最大值是最小值的3.43倍;67份種質(zhì)的潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)超過平均值(2.297),云瑞19-8-43該值最大,云瑞19-8-13該值最小,最大值是最小值的13.03倍。實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)的變幅為0.130～0.790,有86份種質(zhì)的實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)超過平均值(0.649),云瑞19-8-62該值最大,云瑞19-8-13該值最小,最大值是最小值的6.13倍;光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)變幅分別為0.030～0.990、0.010～0.980,其中有80份種質(zhì)光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)超過平均值(0.783),有44份種質(zhì)的非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)超過平均值(0.272),云瑞19-8-90光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)最大,云瑞19-8-99非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)最大,云瑞19-8-108光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)最小,云瑞19-8-48非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)最小,光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)最大值是最小值的35.68倍,非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)最大值是最小值的140.43倍。這些光合指標(biāo)的變異系數(shù),以非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)最大(93.987%),最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)最小(13.749%)。

表1 F1群體種質(zhì)的光合指標(biāo)Table 1 Photosynthetic indexes of F1 generation

光系統(tǒng)Ⅱ的最大熒光效率(Fv/Fm)及其潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)是衡量植物光能利用能力大小的指標(biāo),Fv/Fm和Fv/Fo值越大,表明該植物的光能利用潛力越大[27]。趙洋等[28]研究認(rèn)為葉綠素?zé)晒獠粌H反映了植物的光能傳遞和轉(zhuǎn)換效率,還是評(píng)估植物葉片光合潛能高低的指標(biāo)。從表2可以看出,云瑞19-8-43、云瑞19-8-54、云瑞19-8-62、云瑞19-8-64、云瑞19-8-106、云瑞19-8-44、云瑞19-8-2、云瑞19-8-108、云瑞19-8-38、云瑞19-8-57、云瑞19-8-26、云瑞19-8-50、云瑞19-8-107、云瑞19-8-65等13份材料的Fv/Fm值均大于0.750,Fv/Fo值均大于3.000,是難得的高光效優(yōu)良種質(zhì)。

表2 13份高光效種質(zhì)的最大光化學(xué)效率及潛在光化學(xué)效率Table 2 Maximum photochemical efficiency and potential photochemical efficiency of 13 high light efficiency germplasms

2.2 F1代種質(zhì)資源間光合指標(biāo)的方差分析

對(duì)120份大莖野生種57NG208血緣F1代種質(zhì)的SPAD值及熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行方差分析(表3),120份種質(zhì)的SPAD值、Fo、Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、Y(II)、qP和NPQ等8個(gè)指標(biāo)的差異均達(dá)極顯著水平(P<0.01)。

表3 F1群體種質(zhì)的光合指標(biāo)間的方差分析Table 3 Variance analysis of photosynthetic indexes among germplasms of F1 generation

2.3 光合參數(shù)的相關(guān)分析

由表4可知,SPAD值與最大熒光(Fm)的相關(guān)系數(shù)最大為0.866,與Fv/Fo值的相關(guān)系數(shù)最小為0.100。初始熒光(Fo)與最大熒光(Fm)、實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)和光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)呈極顯著負(fù)相關(guān)。最大熒光(Fm)與潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)和光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)呈極顯著負(fù)相關(guān)。潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)與最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)呈極顯著負(fù)相關(guān)。最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)與實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)呈極顯著負(fù)相關(guān)。光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)與非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表4 光合參數(shù)的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis of photosynthetic parameters

2.4 F1代種質(zhì)資源間實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)的聚類分析

實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)反映了光系統(tǒng)進(jìn)行光化學(xué)反映的強(qiáng)弱,即光合作用的強(qiáng)弱或光合速率的大小,Y(Ⅱ)值高,表明甘蔗具有較高的光能轉(zhuǎn)化效率[14,29]。本研究基于120份大莖野生種57NG208血緣F1后代種質(zhì)的實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ),利用R軟件,以歐式距離、類平均法(UPGMA法)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。由圖1可見,在歐式距離D=1.00處,120份種質(zhì)被分成3大類,各類群間差別較大,第Ⅰ類為低等光能轉(zhuǎn)化效率類型,有7份種質(zhì),占參試材料的5.83%,其實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)變幅在0.128～0.242;第Ⅱ類為中等光能轉(zhuǎn)化效率類型,有7份種質(zhì),占參試材料的5.83%,其實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)變幅在0.293～0.496;第Ⅲ類為高等光能轉(zhuǎn)化效率類型,有106份種質(zhì),占參試材料的88.34%,其實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)變幅在0.529～0.785,其中有63份材料其實(shí)際光化學(xué)效率Y(Ⅱ)在0.700以上,占總參試材料的52.50%。

圖1 采用UPGMA法構(gòu)建的聚類分析Fig.1 Cluster analysis constructed by UPGMA method

3 討 論

3.1 葉綠素?zé)晒馐茄芯抗夂献饔玫挠行结?/h3>

多年來,隨著便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)向小巧、便捷的趨勢(shì)快速發(fā)展,自然條件下活體測(cè)定甘蔗大群體種質(zhì)的光合速率得以實(shí)現(xiàn),這也為開展以光合速率為選擇指標(biāo)的甘蔗高光效育種奠定了基礎(chǔ)。葉綠素?zé)晒馐茄芯抗夂献饔玫挠行结樦?能夠探測(cè)許多有關(guān)植物光合作用的信息,葉綠素?zé)晒鈳缀跄芊从乘械墓夂献饔眠^程的變化[30]。通過葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)來直接或間接研究活體植物的光合生理狀況,具有快速、靈敏、可靠、無干擾、對(duì)植物生長(zhǎng)無損傷的特點(diǎn),因此該技術(shù)被廣泛應(yīng)用在植物光合作用的研究中。郭國(guó)業(yè)等[31]、唐敏等[32]、馬洪英等[33]、鄭蓉等[34]分別研究了月季、茶樹、水果型黃瓜、觀賞竹,發(fā)現(xiàn)不同作物的不同品種(系)間葉綠素?zé)晒鈪?shù)存在顯著差異。本研究120份大莖野生種血緣F1群體不同種質(zhì)的SPAD值和葉綠素?zé)晒鈪?shù)在不同種質(zhì)間呈極顯著差異的結(jié)果與上述研究結(jié)論一致,說明甘蔗葉片的光合特性受到遺傳基因的影響。在育種實(shí)踐中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)那些光合特性指標(biāo)達(dá)到極優(yōu)水平的極端材料的利用。

3.2 各數(shù)量性狀間的相關(guān)性分析

植物葉片的SPAD值與葉綠素含量關(guān)系密切,可直接反映植物葉綠素相對(duì)含量[35-37]。本研究中,甘蔗葉片的SPAD值與Y(II)、qP呈正相關(guān),與NPQ呈負(fù)相關(guān),說明葉綠素含量的多少?zèng)Q定著光合中心數(shù)量,光合中心數(shù)量的多少直接影響著光合量子產(chǎn)量的高低、電子傳遞速率的快慢及光化學(xué)淬滅系數(shù)的大小,也符合植物光合過程中的能量分配規(guī)律“1=光合作用+葉綠素?zé)晒?熱耗散”。最小熒光Fo與Fv/Fm呈正相關(guān),與王志軍等[9]在棉花、徐崇志等[14]在核桃上的研究結(jié)論最小熒光Fo與Fv/Fm呈極顯著負(fù)相關(guān)不一致,出現(xiàn)這樣的情況,可能是由于甘蔗是一種高光效的C4植物,光合參數(shù)呈現(xiàn)的規(guī)律可能與其它作物不同。Fv/Fm和Fv/Fo呈極顯著正相關(guān),與余興華等[29]對(duì)9個(gè)參試甘蔗品種光合指標(biāo)與抗旱性關(guān)系的研究結(jié)論一致;qP和NPQ呈極顯著負(fù)相關(guān),與劉立云等[30]、蔡齊飛等[38]分別對(duì)不同品種油茶和山桐子葉綠素?zé)晒鈪?shù)存在差異的研究結(jié)論相符,即NPQ越大qP越小,植物光合作用中利用光能的能力越低;而qP越大NPQ越小,葉片對(duì)光能利用能力則較高。qP(光化學(xué)淬滅系數(shù))與NPQ(非光化學(xué)淬滅系數(shù))呈極顯著負(fù)相關(guān),與葉綠素含量SPAD值呈正相關(guān)的結(jié)論,與唐敏等[32]對(duì)不同茶樹品種(系)葉綠素?zé)晒馓匦员容^的研究結(jié)論一致;而光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)與實(shí)際光化學(xué)效率Y(II)呈正相關(guān)的結(jié)論,與徐崇志等[14]對(duì)新疆5個(gè)核桃品種葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的比較以及劉立云等[30]對(duì)不同品種油茶葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)比較的研究結(jié)論一致。

3.3 聚類分析

Y(II)為實(shí)際光化學(xué)效率,是反映植物葉片光合電子傳遞速率快慢的相對(duì)指標(biāo)[39]。Y(II)值越大表明PSⅡ光能轉(zhuǎn)換率越高,PSⅡ活性越強(qiáng),可為光合碳同化積累更多所需要的能量,以促進(jìn)碳同化的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和碳水化合物的積累。文章基于Y(II)值對(duì)參試材料進(jìn)行聚類分析,將參試材料分為高光效、中光效和低光效3個(gè)類型,其中高光效有106份,占參試材料的88.34%,可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)中葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定時(shí)間選擇在17:00—22:00時(shí),這個(gè)時(shí)間的自然光線較弱,Y(II)值反映的是光下葉片的實(shí)際光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率,只有當(dāng)照光強(qiáng)度(光化光)達(dá)到一定水平時(shí),Y(II)值的信息才能真實(shí)反映光合作用的狀態(tài),因?yàn)樵诠鈴?qiáng)很弱時(shí)卡爾文碳同化過程可能無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)而導(dǎo)致Y(II)值可能較高;而劉家勇等[24]研究表明只有選擇適宜的測(cè)量時(shí)段和制定合理的測(cè)量方案,才可減少氣溫變化對(duì)測(cè)量葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。本試驗(yàn)結(jié)合光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)及其潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)篩選出的13份高光效種質(zhì)都在聚類分析的106份高光效種質(zhì)中,說明這13份種質(zhì)是高光效種質(zhì)。

4 結(jié) 論

在大莖野生種57NG208血緣F1種質(zhì)中,云瑞19-8-43、云瑞19-8-54、云瑞19-8-62、云瑞19-8-64、云瑞19-8-106、云瑞19-8-44、云瑞19-8-2、云瑞19-8-108、云瑞19-8-38、云瑞19-8-57、云瑞19-8-26、云瑞19-8-50、云瑞19-8-107等13份材料屬于高光效種質(zhì),在創(chuàng)新育種過程中要加大利用力度。

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