(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心，鄭州 450002)

光合作用是作物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中必不可少的一種代謝過程。作物通過光合作用進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)積累，從而提高生物產(chǎn)量。研究證明，不同的外界環(huán)境和植物自身內(nèi)部因素共同影響著光合進(jìn)程[1]，環(huán)境因素和內(nèi)部因素又相互影響和制約，光合作用的強(qiáng)度會(huì)隨著其中任何一個(gè)因子的改變而改變[2]。因此，對(duì)大田栽培條件下作物光合指標(biāo)的測(cè)定與分析，可以反映出其生理特性，為提高作物光能利用率和制定高產(chǎn)栽培技術(shù)提供理論依據(jù)[3]。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)芝麻光合特性的研究多是在特定栽培條件下或者偏向于芝麻種質(zhì)資源方面[4-7]，而對(duì)大田生產(chǎn)條件下的優(yōu)良品種的研究較少。芝麻花期長(zhǎng)，整個(gè)開花期持續(xù)30～40 d，開花期的田間管理、栽培條件對(duì)蒴果的千粒重及田間產(chǎn)量影響很大，因此研究大田水肥條件下優(yōu)良芝麻品種的光合特性，及開花期的葉綠素變化規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)良種選育及高產(chǎn)栽培有著重要意義。本研究對(duì)4個(gè)優(yōu)良芝麻品種從初花、盛花到終花3個(gè)不同時(shí)期葉片葉綠素含量及光合特性進(jìn)行了測(cè)定、比較與分析，旨在了解它們光合作用的基本生理特征和規(guī)律，為優(yōu)良品種選育及良種良法相配套提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)品種選用河南省芝麻生產(chǎn)中推廣面積較大的4個(gè)品種，分別是豫芝11號(hào)、鄭芝98 N 09、豫芝4號(hào)及鄭芝15號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心平輿綜合試驗(yàn)基地進(jìn)行。田間試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2，田間管理同大田，成熟期分小區(qū)收獲，統(tǒng)計(jì)單株產(chǎn)量。

1.3 光合生理特性測(cè)定

在芝麻生長(zhǎng)發(fā)育過程中分別在初花期(7月11日)、盛花期(7月23日、8月1日、8月15日)、終花期(8月25—31日)晴天08：30—10：30時(shí)間段，利用Li-6400便攜式光合測(cè)定儀(美國(guó))，在每個(gè)小區(qū)選取有代表性的植株，對(duì)各品種植株相同葉位的葉片(均為每個(gè)時(shí)期中上部完整葉片)進(jìn)行光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)等光合指標(biāo)的測(cè)定。根據(jù)公式：

葉片水分利用效率(WUE)=光合速率/蒸騰速率。

計(jì)算葉片的水分利用效率。每個(gè)處理每區(qū)取樣5次，計(jì)算平均值。

1.4 葉綠素測(cè)定

葉綠素含量測(cè)定參照Arnon[8]的方法，同光合生理特性測(cè)定時(shí)間一致。取樣對(duì)象為測(cè)定光合指標(biāo)相同單株的中部全展葉，隨著植株長(zhǎng)高而上移。用打孔器沿主葉脈兩側(cè)打下小圓片(直徑為0.5 cm)，稱取重量，然后在常溫(25～35 ℃)遮光條件下，放入提取液(50%丙酮，50%無水乙醇)中充分提取(約24 h)。用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定波長(zhǎng)645 nm和663 nm下的吸光度值，計(jì)算葉綠素a (Ca)、葉綠素b(Cb)、總?cè)~綠素(Ca+b)的含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件及DPS 6.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同芝麻品種不同時(shí)期凈光合速率(Pn)變化

從圖1可以看出，鄭芝15號(hào)、豫芝11號(hào)和鄭芝98 N 09等3個(gè)芝麻品種花期的葉片Pn呈W雙峰曲線，先降后升再降再升，但總體呈減弱趨勢(shì)。初花期芝麻處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)為主的旺盛時(shí)期，葉片Pn值在19.3～21.9μmol·(m2·s)-1之間，相差不大，盛花末期，葉片光合速率較低，到終花期光合速率又有所上升，但整體呈下降趨勢(shì)，說明初期芝麻葉片的結(jié)構(gòu)和功能處于良好狀態(tài)，有利于光合產(chǎn)物積累。初花期4個(gè)芝麻品種的Pn值由高到低為鄭芝98 N 09>豫芝4號(hào)>豫芝11號(hào)>鄭芝15號(hào)。盛花中期呈現(xiàn)一個(gè)峰值，4個(gè)品種的Pn值由高到低變?yōu)樵ブ?1號(hào)>鄭芝15號(hào)>豫芝4號(hào)>鄭芝98 N 09 。在盛花中期升高，之后Pn值降低，終花期又開始升高，其中豫芝4號(hào)與其它3個(gè)品種Pn方向不一致，終花期Pn值持續(xù)下降。在整個(gè)開花期的不同階段，4個(gè)品種的Pn值排序方向不一致，說明不同階段不同芝麻品種表現(xiàn)的趨勢(shì)一致，但是不同品種的Pn值降低或者升高的程度不一樣。

圖1 不同芝麻品種不同時(shí)期光合速率變化

2.2 不同芝麻品種不同生育期氣孔導(dǎo)度(Gs)變化

植物通過改變氣孔導(dǎo)度(Gs)的大小，調(diào)控外界CO2和水氣的交換，從而調(diào)節(jié)光合速率和蒸騰速率，以適應(yīng)不同的環(huán)境條件[9]。整個(gè)開花期的Gs趨勢(shì)與4個(gè)品種的Pn趨勢(shì)一致，呈W雙峰曲線，也是先降后升，再降低再上升趨勢(shì)，整個(gè)過程在震蕩中逐漸降低。初花期4個(gè)品種的Gs值均較大，表明初花期營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛，氣孔張開程度大，有利于CO2和水氣進(jìn)出葉肉細(xì)胞，從而使得此階段Pn較大。盛花中期出現(xiàn)一個(gè)峰值，4個(gè)品種的Gs值由高到低依次為鄭芝98 N 09>豫芝4號(hào)>豫芝11號(hào)>鄭芝15號(hào)，與Pn值表現(xiàn)不一致，幾乎相反，而且鄭芝98 N 09的Gs高值出現(xiàn)在盛花中期(圖2)。

圖2 不同芝麻品種不同時(shí)期氣孔導(dǎo)度變化

2.3 不同芝麻品種開花期的胞間CO2濃度(Ci)變化

胞間CO2濃度(Ci)是反映大氣輸入和細(xì)胞光合利用、光呼吸的CO2動(dòng)態(tài)平衡瞬間濃度[10]。整個(gè)花期4個(gè)芝麻品種的Ci也呈倒雙峰曲線，與Pn和Gs變化規(guī)律相一致，呈先降后升，再降低再上升趨勢(shì)。但是Ci整個(gè)變化除豫芝11號(hào)外都是在震蕩中略有增加的趨勢(shì)，這與Pn和Gs變化略有不同。初花期4個(gè)品種Ci均較大，其中鄭芝15號(hào)最高，為260.67μmol·mol-1，鄭芝98 N 09最低，為222.67μmol·mol-1，由高到低依次為品種鄭芝15號(hào)>豫芝4號(hào)>豫芝11號(hào)>鄭芝98 N 09，與初花期Pn排序完全相反。這表明4個(gè)芝麻品種開花初期Pn大小除了受Ci高低影響外，還與Gs、環(huán)境中CO2濃度和葉肉細(xì)胞的光合活性等其他因素影響有關(guān)(圖3)。

圖3 不同芝麻品種不同時(shí)期胞間CO2濃度變化

2.4 芝麻品種開花期蒸騰速率(Tr)變化

蒸騰速率(Tr)反映的是單位葉面積瞬間的耗水量，由Tr的差異可推知不同品種不同生育期對(duì)水分的需求，Tr越小，對(duì)水分的需求越小，抗旱能力越強(qiáng)。本試驗(yàn)表明，整個(gè)開花期Tr表現(xiàn)為單峰曲線，4個(gè)品種不同時(shí)期Tr大小及趨勢(shì)表現(xiàn)一致，盛花初期達(dá)到峰值，豫芝4號(hào)、鄭芝15號(hào)、豫芝11號(hào)和鄭芝98 N 09的峰值依次為7.51，7.19，6.92，6.83 mmol·(m2·s)-1，4個(gè)品種抗旱能力基本一樣。進(jìn)入盛花期后，Tr呈迅速下降趨勢(shì)(圖4)。

圖4 不同芝麻品種不同時(shí)期蒸騰速率變化

2.5 芝麻品種開花期水分利用效率(WUE)

水分利用率(WUE)與植物生理因子如葉水勢(shì)、氣孔、光合速率、蒸騰速率等有關(guān)。氣孔作為CO2和水氣進(jìn)出的共同通道，微妙地調(diào)節(jié)著植物的碳固定和水分散失的平衡關(guān)系，葉片通過調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度可以使碳固定最大化。不同時(shí)期4個(gè)品種的WUE整體趨勢(shì)一致，呈倒雙峰曲線，但高低排序不一致，亦即不同品種固定的CO2數(shù)量不同，Pn不同，抗旱能力不同。盛花期水分利用率出現(xiàn)一個(gè)峰值，此時(shí)期正是夏季高溫天氣，此時(shí)期氣孔導(dǎo)度與凈光合速率都出現(xiàn)峰值，這可能是芝麻為適應(yīng)高溫天氣而作出自身的調(diào)整機(jī)制(圖5)。

圖5 不同芝麻品種不同時(shí)期水分利用率變化

2.6 芝麻品種開花期葉綠素含量的測(cè)定

在整個(gè)開花期，不同芝麻品種的葉綠素 a含量、葉綠素 b含量、葉綠素 a+b 含量值的變化規(guī)律相似，先升后降，近似單峰曲線，葉綠素a與葉綠素b整體呈上升趨勢(shì)，不同材料有差異。葉綠素a含量整個(gè)花期都比葉綠素b含量高。芝麻整個(gè)花期都是處于高溫階段，大部分是長(zhǎng)波光，葉綠素a吸收的是長(zhǎng)波光，葉綠素a相對(duì)高于葉綠素b則有利于減緩葉片衰老，有利于光合產(chǎn)物的生成。葉綠素a、葉綠素b盛花期含量較高，并且維持較長(zhǎng)一段時(shí)間有利于吸收和傳遞光能，是芝麻高產(chǎn)的前提。4個(gè)芝麻品種的葉綠素a與葉綠素b含量都在盛花期出現(xiàn)高峰，終花期有所下降。只是不同品種的含量高峰出現(xiàn)在盛花期的早晚不同。豫芝4號(hào)、鄭芝98 N 09的葉綠素a、葉綠素b高值出現(xiàn)在盛花中期和末期，鄭芝15號(hào)的葉綠素a、b高值出現(xiàn)的在盛花初期，豫芝11號(hào)的葉綠素b高值出現(xiàn)的較晚，在盛花末期(圖6)。

表1 不同品種單株產(chǎn)量、光合速率和葉綠素含量

圖6 不同芝麻品種不同時(shí)期葉綠素含量變化

2.7 光合速率和葉綠素與單株產(chǎn)量的關(guān)系

4個(gè)芝麻品種不同生育時(shí)期的凈光合速率、葉綠素a、葉綠素b的平均值及成熟期的單株重平均值匯總于表1。對(duì)凈光合速率、葉綠素a、葉綠素b與單株產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，芝麻單株重與凈光合速率、葉綠素a、葉綠素b呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)依次為0.662 3、0.669 0、0.651 6，因此高光效和葉綠素含量較高的品種，具有高產(chǎn)潛力，是芝麻育種的方向之一。光合速率與葉綠素a、葉綠素b呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.103 5、0.223 2。說明葉綠素含量增大能提高凈大光合速率。葉綠素a與葉綠素b相關(guān)系數(shù)達(dá)0.977 7，呈極顯著相關(guān)，說明葉綠素a與葉綠素a關(guān)系非常密切，共同影響著凈光合速率，因此采取適當(dāng)措施提高凈光合速率和葉綠素含量有利于提高芝麻產(chǎn)量(表2)。

3 結(jié)論與討論

從開花期進(jìn)入結(jié)蒴期，整個(gè)花期芝麻各品種凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、水分利用率變化曲線一致，呈倒雙峰曲線，蒸騰速率呈單峰曲線，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度整個(gè)花期呈下降趨勢(shì)。芝麻開花初期，植株處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，氣孔導(dǎo)度大，氣孔開放程度大，胞間CO2濃度高，光合速率也較高，光合作用能力強(qiáng)。4個(gè)芝麻品種對(duì)光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、水分利用率的反應(yīng)方向一致，只是不同時(shí)期各個(gè)品種的反應(yīng)值大小不同，這與楊宗渠等[10]研究結(jié)果基本一致?；ㄆ谥仓暧蔂I(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)開始轉(zhuǎn)向生殖生長(zhǎng)，葉片養(yǎng)分向花朵以及蒴果輸送，葉片蒸騰作用減弱，蒸騰速率下降，氣孔導(dǎo)度降低，氣孔阻力加大，減少水分喪失，光合速率下降，葉片光合積累減少，所以整個(gè)開花期的凈光合速率呈下降趨勢(shì)。

表2 光合速率和葉綠素與單株產(chǎn)量相關(guān)分析表

注：“*”表示p<0.05 ，“**”表示p<0.01 。

開花期是植株生殖生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，較高的葉綠素含量有利于光合作用的順利進(jìn)行。不同芝麻品種開花期的葉綠素含量近似單峰曲線，終花期葉綠素含量下降，這與劉紅艷等[5]研究結(jié)果不太一致，可能與葉綠素測(cè)定取樣的位置不同有關(guān)。開花期，芝麻正處于高溫天氣，光照強(qiáng)度大，植株葉片吸收光能多，葉綠素a、葉綠素 b合成量大，植株生長(zhǎng)健壯為芝麻高產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)。

芝麻單株重與凈光合速率、葉綠素a、葉綠素b正相關(guān)，光合速率與葉綠素a、葉綠素b正相關(guān)，葉綠素a與葉綠素b高度正相關(guān)，這與劉紅艷等[5]研究結(jié)果相一致。大多數(shù)植物光合作用的主要器官是葉片，而葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，所以葉綠素含量的高低與植物凈光合速率關(guān)系十分密切。不同芝麻品種在光合速率、葉綠素含量等指標(biāo)方面均有一定差異，但是差別不大。