甘蔗高光效新品種篩選與光合潛力分析

安東升 聶虎子 劉洋 趙寶山 嚴程明 孔冉 蘇俊波

關(guān)鍵詞：甘蔗；高光效；新品種；篩選；光合潛力

作為我國重要的農(nóng)產(chǎn)品和戰(zhàn)略物資，糖料蔗的穩(wěn)定與高質(zhì)量發(fā)展是維護我國食糖供給安全的必要保障。由于品種單一、退化嚴重、單產(chǎn)波動大、機械化水平低而造成的甘蔗種植收益產(chǎn)出比低是甘蔗產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題[1]。蔗糖產(chǎn)量主要靠新品種選育和栽培模式革新實現(xiàn)，構(gòu)成蔗糖產(chǎn)量的主要因素包括含糖量及由單莖重和有效莖數(shù)決定的蔗莖產(chǎn)量。在相同環(huán)境背景下，有效莖形成主要受甘蔗品種分蘗率[2]和宿根發(fā)株率[3]等遺傳背景影響；單莖重和糖分的積累轉(zhuǎn)運均由葉片光合作用相關(guān)的基因與蛋白反饋直接調(diào)控光合作用進程決定[4]。

作物高光效種質(zhì)的篩選指標分為理想株型指標、光合生理指標、群體光合能力指標和光合產(chǎn)物指標[5]。高光效在糧、棉、油、糖等農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略農(nóng)作物中已有較為廣泛研究。其中，在主糧作物水稻[6]、小麥[7]、玉米[8]，馬鈴薯[9]和甘薯[10]上均形成了較為系統(tǒng)的高光效種質(zhì)篩選方法；在棉花上，綜合株型特征、光合熒光特性、干物質(zhì)生產(chǎn)與產(chǎn)量等系統(tǒng)闡釋了不同基因型棉花高光效的生理基礎(chǔ)[11]；在主要油料作物中，通過氣體交換參數(shù)對大豆開展光合、氣孔、水分3 個主成分分析，明確適合育種需要的高光效大豆種質(zhì)群類[12]，同時在大豆光能高效利用的分子調(diào)控機制方面也有較為深入研究[13]，通過光合特性與農(nóng)藝株型聯(lián)合分析為不同油菜和花生高光效品系的篩選奠定扎實的基礎(chǔ)[14-15]。

上述研究主要采用光合生理與光合株型指標，部分研究配合葉綠素相對含量（SPAD）、農(nóng)藝性狀等指標，部分研究輔以產(chǎn)量和品質(zhì)指標。針對甘蔗的研究主要集中在能源甘蔗群體光合生產(chǎn)能力與重要株型參數(shù)的關(guān)系分析，明確了不同甘蔗品種葉面積指數(shù)，單位葉面積凈同化速率與生長速率，干物質(zhì)重量之間的關(guān)系，得出以作物生長率作為群體光合生產(chǎn)力的衡量指標[16]；劉楊楊[17]等利用不同模型擬合并比較不同甘蔗品種CO2 響應參數(shù)差異，進而評價甘蔗光合作用潛力。作為光合作用的探針，葉綠素熒光能夠快速無損檢測光合系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀況[18]，光合電子流對光響應的機理模型被用于擬合典型C3植物光響應曲線[19-21]，但在C4 作物中的應用尚未見報道。

本研究采用葉綠素熒光技術(shù)，對3 個經(jīng)典商業(yè)主栽品種和10 個甘蔗新品種的光暗反應參數(shù)進行快速測定，通過多點測量、曲線擬合的方式，對陰天和晴天下不同甘蔗品種光合電子傳遞特征參數(shù)進行比較分析，為高光效的甘蔗新品種的快速篩選提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試品種為中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所自主選育的10 個甘蔗新品種：熱甘16117、熱甘1876、熱甘1997、熱甘1339、熱甘11713、熱甘1、熱甘1462、熱甘14291、熱甘16239、熱甘11559，對照材料為新臺糖22 號（ROC22）、新臺糖16 號（ROC16）和桂柳05136。試驗于2021年9 月—2022 年1 月在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所甘蔗新品種選育綜合試驗基地進行（21°08′N，110°16′E，海拔16 m），試驗期間環(huán)境背景數(shù)據(jù)見圖1。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 2021 年9 月9 日布置桶栽試驗，栽培桶口徑40 cm、底徑30 cm、高45 cm，每桶種植4 段，每段1 個芽，每個品種種植12 桶，置于硬化地面上，保證充分的水肥供應?；|(zhì)配比為紅壤∶有機質(zhì)=9∶1，干容重為1.24 g/cm3，基質(zhì)填充至桶內(nèi)40 cm 高度。

1.2.2 測定項目與方法 （1）待甘蔗生長至拔節(jié)初期，每個品種篩選長勢均勻一致的3 桶，采用便攜式葉綠素熒光儀（MINI-PAM-II，德國WALS）分別測定上部正序3 片完全展開葉在陰天（2022年1 月14—15 日）和晴天（2022 年1 月16—17日）上午不同時刻的光反應參數(shù)，穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）和飽和光下最大熒光（Fm′），計算光量子效率ΦII=（Fm′–Fs）/Fm′[22]；光合電子流J=PAR×0.84×0.50×ΦII，其中，0.84 為經(jīng)驗性吸光系數(shù)，0.50 為假設(shè)天線色素吸收的光能被2 個光系統(tǒng)平均分配[23]，陰天采用人工光源測定PAR 為26、46、66、92、128、195、292、430、641、835、1168 μmol/（m2·s）的光反應參數(shù)，每個梯度適應時間90 s；晴天測定上午不同時刻自然光下[PAR 每跨越100 μmol/（m2·s）至少包含1 個測量點]PSII 達到穩(wěn)定后的光反應參數(shù)，每個品種測24 個點以上用于曲線擬合。

（2）采用人工光源測定充分光適應后+1 葉片中部葉位低光[PAR 為190 μmol/（m2·s）]、中光[PAR為625 μmol/（m2·s）]和高光[PAR 為1150 μmol/（m2·s）]下光反應參數(shù)，方法同1.2.2-（1），用黑布遮擋30 min 后測定初始熒光（Fo）和飽和光強下最大熒光（Fm），計算潛在最大光能利用效率Fv/Fm=（Fm–Fo）/Fm， 非調(diào)節(jié)性能量耗散ΦNO=1/[NPQ+1+qL（Fm/Fo–1）] ， 其中， qL=（Fo′/Fs）（Fm′–Fs）/（Fm′–Fo′）[22]，NPQ=Fm/Fm′–1，光反應下穩(wěn)態(tài)最小熒光Fo′=Fo/[（Fv/Fm）+（Fo/Fm′）][24] ； 可調(diào)節(jié)性能量耗散ΦNPQ=1–ΦII–ΦNO。每個品種重復3 次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，利用SlideWrite Plus for Windows（Version 7.0）軟件將曲線與參數(shù)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同甘蔗品種葉綠素熒光特性分析

基于Lake-model 的葉綠素熒光參數(shù)對不同甘蔗品種在低光、中光、高光下葉片能量平衡分析圖2，結(jié)果表明，低光條件下，ΦII 最高和最低的3 個品種分別為ROC16、ROC22、熱甘1462 和熱甘14291、熱甘11559、熱甘11713，且ROC16 的ΦII顯著高于除ROC22 之外的其他品種，熱甘14291和熱甘11559 的ΦII 則顯著低于除熱甘11713 之外的其他品種；ΦNPQ 在不同品種之間的變化趨勢與ΦII 相反，熱甘14291 和熱甘11559 最高而ROC16 最低；ΦNO 在不同品種之間差異不顯著。

中光條件下，ΦII 最高和最低的3 個品種分別為ROC16、熱甘1997、ROC22 和熱甘11559、熱甘14291、熱甘1876，ROC16 和熱甘1997 的ΦII顯著高于除ROC22 和熱甘16117 之外的其他品種，熱甘11559 顯著低于其他品種；ΦNPQ 表現(xiàn)為熱甘11559 顯著高于ROC16 和熱甘1997，而ΦNO 則表現(xiàn)為熱甘1876 和熱甘1462 顯著高于熱甘16239。

高光條件下，ΦII 最高和最低的3 個品種分別為ROC22、熱甘1997、熱甘16239 和熱甘11559、熱甘1876、熱甘11713，且ROC22 和熱甘1997顯著高于除熱甘16239 之外的其他品種，熱甘11559 顯著低于除熱甘1876 之外的其他品種；熱甘11559、熱甘1876 和熱甘11713 的ΦNPQ 最高，顯著高于ROC22 和熱甘1997，ΦNO 在不同品種之間差異不顯著。

Fv/Fm 在不同品種之間差異不顯著，說明不同甘蔗品種擁有相同的潛在最大光能利用效率。ΦNO 對光照強度的變化不敏感，將不同光強下的ΦNO 匯總分析結(jié)果表明，除熱甘1876 的顯著高于熱甘16239 和ROC22 外，其余品種之間的差異并不顯著。

2.2 不同甘蔗品種的光合潛力分析

陰天條件下，所有品種的PAR-J 響應曲線均表現(xiàn)為先上升后趨于穩(wěn)定（圖3）。對不同品種的αe、PARsat 和Jmax 的擬合結(jié)果表明，ROC16 和熱甘16117 分別具有最高的初始光能利用效率和最大電子傳遞速率，總體上，除ROC22 之外初始光能利用效率高的品種，其最大電子傳遞速率小。飽和光強代表品種能夠承受環(huán)境光合能量輸入的能力，ROC16 和熱甘14291 同時具備較高的初始光能利用效率及飽和光強。由于弱光環(huán)境下不需考慮光抑制的影響，因此，最大電子傳遞速率大，且隨著光照的增強越早達至最大電子傳遞速率的品種光合效率越高?？纱_定熱甘16117 和熱甘11713的JPC 最高（表1），可作為弱光下高光效品種。

晴天條件下，所有品種的PAR-J 響應曲線均呈現(xiàn)為先上升后下降（圖3）。不同甘蔗品種在陰天和晴天下的光合特征參數(shù)見表1。αe 最大的品種為ROC16（αe =0.317），熱甘1997、熱甘1462、ROC22 次之（αe>0.28）；Jmax 最大的品種為熱甘1997[182.2 μmol/（m2·s）]，熱甘16239、ROC16 和ROC22次之，分別為173.4、176.6、178.7 μmol/（m2·s）；PARsat 超過1300 μmol/（m2·s）的品種有熱甘1997和熱甘11713 的，Jmax 最高的品種分別為熱甘1997、熱甘16239、ROC16 和ROC22。熱甘1997的JPS 最高，可做為強光下高光效品種。從2018年1 月至2022 年4 月基地農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)統(tǒng)計陰天180 d，晴天1400 d，通過權(quán)重計算得出的不同甘蔗品種總和光合電子傳遞能力指數(shù)（JPT）超過20 的為熱甘1997、ROC22、ROC16 和熱甘16239。綜上所述，熱甘1997 和熱甘16239 可作為高光效新品種。

3 討論

所有品種在陰天測定的初始光能利用效率均高于在晴天的測定結(jié)果，這是由于不僅陰生作物對弱光的利用功能高于陽生作物[25]，同種作物的光能利用效率在陰天條件下的日均值同樣比晴天條件下高[26-28]。低光環(huán)境下作物Chla 和Chlb的含量相比高光環(huán)境下顯著增加，但與中光環(huán)境下相比葉綠體長寬和數(shù)量則顯著下降[28]，導致了本研究中盡管與晴天相比，陰天下初始光能利用效率明顯增加（11.6%～90.4%），但PAR 在200～500 μmol/（m2·s）時光合電子流遠低于晴天，這也與楊虎等[27]和李雨霏等[29]的研究結(jié)論相一致。同時，低光促進植物擴大類囊體膜面積，通過高度聚集補光機構(gòu)獲取更多的光能以滿足自身生長發(fā)育的需要[30]，陰生植物的光系統(tǒng)II 補光復合體LCHII 含量也同樣高于陽生植物[31]。

在低光和高光條件下，能量平衡發(fā)生在光合電子傳遞與可調(diào)節(jié)性能量耗散之間；但在中光條件下，非調(diào)節(jié)性能量耗散在不同品種之間表現(xiàn)出顯著差異，說明不同甘蔗品種的能量分配在PAR增加的過程中呈現(xiàn)出差異化的過渡模式。例如，與熱甘16239 相比，熱甘1462 中光下的ΦNO 顯著升高，ΦNPQ 顯著下降，但在低光和高光下ΦNO和ΦNPQ 在2 個品種之間的差異均不顯著，這表明隨著環(huán)境光強的增加，熱甘1462 可調(diào)節(jié)性能量耗散的激活晚于熱甘16239，而并非出現(xiàn)生理損傷[32]。能量耗散在中光條件下的波動高于低光和高光，可能是由于與高低光強相比，中光下與熱耗散密切相關(guān)的PsbB 基因以及與葉綠體生物合成途徑相關(guān)的HEMA、CHLI、CHLH、CHLG 基因表達顯著升高所致[28， 33-34]。

隨著光強的增加，非光化學猝滅顯著增加，光化學猝滅和相對電子傳遞速率則顯著下降[29， 35]，這與本研究結(jié)果相一致。ROC16 和熱甘1997 分別在中、低光和中、高光下均具有較高的光量子效率，熱甘16239 雖然在中、低光下光量子效率顯著低于ROC16 和ROC22，在中光下顯著低于熱甘1997，但在高光下卻達到與ROC22 和熱甘1997 相同水平；且由于中光下熱甘16239 非調(diào)節(jié)性能量耗散最低，說明與其他品種相比其光系統(tǒng)不易發(fā)生生理損傷[32]。這也解釋了晴天熱甘16239 具有較高的飽和光強與最大電子傳遞速率，決定了其JPT 超過20，成為高光效品種。

本研究重點通過葉綠素熒光特性分析，對不同甘蔗品種的光合效率進行快速鑒定。但高光效只能作為作物高產(chǎn)評價的重要因素之一，除光合效率之外，光合面積是決定干物質(zhì)生產(chǎn)量的另一重要因素[36]。分蘗率、宿根發(fā)株率、蔗莖產(chǎn)量和有效莖數(shù)的提升是甘蔗增產(chǎn)的關(guān)鍵因素[3]，與甘蔗產(chǎn)量相關(guān)的最高產(chǎn)量構(gòu)成因子是有效莖數(shù)，其次則是單莖重，分蘗率則與有效莖數(shù)呈顯著正相關(guān)[37]，分蘗率間接改變種植密度從而影響光合面積，進而與光合效率共同決定有效莖數(shù)與單莖重[38]。分蘗率和宿根性通過共同決定光合面積來影響當年及來年宿根蔗的產(chǎn)量構(gòu)成[3]，而分蘗最終能否長成為有效莖應作為下一步重點研究方向之一，避免無效分蘗浪費農(nóng)業(yè)資源。因此，本研究結(jié)論尚需要進一步結(jié)合不同甘蔗品種新植及宿根的株型特點與最終產(chǎn)量建立模型，方可對篩選出的高光效品種進行補充驗證。