朱紅芳,李曉鋒,奚丹丹,高 璐,沈海斌,朱玉英

(上海市農(nóng)業(yè)科學院設施園藝研究所,上海市設施園藝技術重點實驗室,上海201403)

光合作用是植物利用光能,合成有機物并釋放氧氣的過程[1]。光合作用是植物生長發(fā)育的生理基礎,作物中90%以上的干物質(zhì)直接來源于光合作用,因此光合作用的強弱是決定作物產(chǎn)量高低的最重要因素之一。光合作用的過程包括光反應(原初光化學反應)和碳反應(卡爾文循環(huán))兩個進程,葉綠素熒光反映光反應進程[2]。葉綠素熒光能準確反映光能吸收和傳遞的過程,在測定電子傳遞速率、建立質(zhì)子梯度及合成ATP 的過程中發(fā)揮重要的作用。葉綠素熒光技術可在不傷害植物葉片的條件下,快速對其光能的分配進行準確分析[3],是研究植物光合作用機理和生理狀況的理想工具[4],并在預測作物增產(chǎn)潛能[5]、抗逆生理[6]等方面得到了廣泛應用。

紫菜薹又名紅菜薹,為十字花科蕓薹屬亞種變種之一,原產(chǎn)于我國,為長江流域中部地區(qū)的特產(chǎn)蔬菜,以其肥嫩多汁、色澤鮮亮的花莖為主要食用器官[7]。近幾年來,紫菜薹因其特殊的食用部位及營養(yǎng)豐富的特點,作為優(yōu)質(zhì)高檔蔬菜在全國范圍內(nèi)引種栽培。目前,紫菜薹產(chǎn)品已供應至北京、上海、廣州等我國各大城市[8]。紫菜薹的商品品質(zhì)受多個因素的影響,如口感、色澤及產(chǎn)量等,其中色澤主要與其花青素含量相關。普通紫菜薹的表型特征為葉片綠色,葉柄、主脈及花薹表皮為紫紅色,葉片和花薹表皮的花青素含量平均為24.27 mg·kg-1和64.22 mg·kg-1,葉片中的花青素含量約為花薹表皮的1∕3[9]。本課題組針對葉片中花青素含量相對較少的情況,選擇葉片中花青素含量較高的紫色不結(jié)球白菜與菜薹進行亞種間的雜交、回交轉(zhuǎn)育,獲得了葉片、葉柄和花薹均為紫色的親本及紫菜薹新組合19-520。本試驗對紫菜薹新組合19-520 的色素含量、光合特性、葉綠素熒光參數(shù)等指標進行測定,分析該組合的光合作用特征特性,以期為該組合在利用光能方面提供更精細的數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試紫菜薹為上海市農(nóng)業(yè)科學院設施園藝研究所選育的紫菜薹新組合19-520,其屬于晚熟類型,葉片、葉柄、葉脈和花薹均為紫色,花薹略帶蠟粉;親本P1,屬于中晚熟類型,葉片、葉柄、葉脈和花薹均為紫色,花薹無蠟粉;親本P2,屬于晚熟類型,葉片、葉柄、葉脈和花薹均為紫色,花薹略帶蠟粉。對照(CK)為湖北地區(qū)普遍栽培的普通菜薹品種‘紫?！?葉片為綠色,葉柄和主葉脈為紫色,花薹紫色,略帶蠟粉。

1.2 試驗處理

于2019年8月10日將籽粒飽滿、整齊一致的菜薹種子播種在以蛭石為基質(zhì)的穴盤中,播種后30 d進行大棚定植,定植45 d 后每個材料選擇5 株大小一致的植株,每株選取第3 片功能葉進行各項指標的測定。

1.3 測定項目與方法

利用植物多酚-葉綠素測量計對植株進行實時非破壞性測量,獲得植物葉片葉綠素(Chl)、葉片表層類黃酮(Flav)和花青素(Anth)指數(shù)等指標,并評估植物氮的狀態(tài),即氮平衡指數(shù)(NBI=Chl∕Flav)。

利用便攜式光合測量系統(tǒng)(GFS-3000,上海澤泉科技股份有限公司)于上午9:00—11:00 測定凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)等光合作用參數(shù),測定時光照強度約14000 lx,溫度為(30 ±1)℃,CO2濃度為(400 ±10)μmol·mol-1[10]。

葉綠素熒光參數(shù)測定[11]使用德國Walz 公司生產(chǎn)的便攜式葉綠素熒光儀PAM-2500 調(diào)制熒光成像系統(tǒng)。葉片暗適應30 min 后測定熒光參數(shù),先用弱光照射測定初始熒光(Fo),然后用飽和脈沖光照射0.7 s,測得最大熒光(Fm),打開飽和脈沖之前的熒光值為F。以植物的生長環(huán)境光強為作用光,測得實際生長光強下的熒光值(Fs);再次打開飽和脈沖光0.7 s,測得最大熒光(Fm′);再暗適應幾秒后,打開遠紅光5 s 后測最小熒光(Fo′)。計算其他相關參數(shù)[12],其中,可變熒光Fv=Fm-Fo,PSⅡ最大光量子產(chǎn)量Fv∕Fm=(Fm-Fo)∕Fm,光化學猝滅系數(shù)qP=(Fm′-Fs)∕(Fm′-Fo′),非光化學猝滅系數(shù)NPQ=(Fm-Fm′)∕Fm′=Fm∕Fm′-1,PSⅡ?qū)嶋H光合效率ΦPSⅡ=Y(Ⅱ) =ΔF∕Fm′=(Fm′-F)∕Fm′,表觀電子傳遞速率ETR,PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散比例Y(NPQ) =F∕Fm′-F∕Fm,PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散比例Y(NO) =F∕Fm。利用Origin 2018 軟件中Platt[13]的雙指數(shù)方程擬合快速光響應曲線(RLC)。

1.4 產(chǎn)量分析

菜薹的產(chǎn)量在上海市農(nóng)業(yè)科學院引種中心試驗基地測定,8月中旬播種,9月中旬露地定植,每個材料的定植面積約30 m2,11月6日至翌年2月10日間采收,將每次的采收量相加計算總產(chǎn)量。

1.5 統(tǒng)計分析

采用SPSS 20.0 軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(One-way ANOVA),用Duncan’s 新復極差法進行差異顯著性檢驗(P＜0.05)以及相關性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 菜薹色素指標的比較

由圖1 可見,紫菜薹新組合19-520 葉片的葉綠素指數(shù)(Chl)為35.82,顯著高于其親本,分別高17.56%和22.04%;比CK 高2.87%?；ㄇ嗨厥琴x予水果、蔬菜和花卉等植物顏色的主要天然色素,新組合19-520 的花青素指數(shù)(Anth)為0.43,顯著高于CK,是CK 的8.37 倍,但比親本分別低19.90%和4.38%。新組合19-520 的Flav 和NBI 分別為1.40 和25.50,略高于其親本,比P1 分別高5.61% 和11.31%,比P2 分別高12.81%和8.18%;與CK 基本一致,分別高2.62%和0.24%?？梢?紫菜薹新組合19-520 不僅富含花青素,光合色素指數(shù)及氮的利用率也略高于其親本和對照,具有較強的雜種優(yōu)勢。

圖1 菜薹色素指標Chl、Anth、Flav 和NBI 的比較Fig.1 Comparison of pigment indexes of Chl,Anth,Flav,NBI in flowering Chinese cabbage

2.2 菜薹光合特性的比較

由圖2 可見,紫菜薹新組合19-520 葉片的凈光合速率(Pn)為19.44 μmol·m-2·s-1,顯著高于其親本和對照,分別高28.95%、38.48%和7.88%。氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)與Pn的趨勢基本一致,新組合19-520 的Gs和Tr分別為377.38 mmol·m-2·s-1和5.80 mmol·m-2·s-1,分別比CK 高9.50% 和21.02%,分別比P1 高28.57%和34.24%,分別比P2 高74.59%和123.29%。新組合19-520 的胞間CO2(質(zhì)量)濃度(Ci)為346.79 mg·L-1,比CK 低13.93%,比P1 和P2 分別低18.04%和20.22%。綜上,紫菜薹新組合19-520 的光合能力比其親本和對照均強,具有較強的雜種優(yōu)勢。

圖2 菜薹光合特性Gs、Pn、Tr、Ci的比較Fig.2 Comparison of photosynthetic characteristics of Gs,Pn,Tr,Ci in flowering Chinese cabbage

2.3 菜薹葉綠素熒光參數(shù)的比較

由表1 可見,在暗反應條件下,紫菜薹新組合19-520 的Fo為0.194,比CK、P1、P2 分別顯著高43.70%、42.65%、57.72%。新組合19-520 的Fm為1.038,比CK、P1、P2 分別顯著高58.47%、55.39%、46.40%。新組合19-520 的Fv為0.844,比CK、P1、P2 分別顯著高62.31%、58.64%、30.57%。新組合19-520 的Fv∕Fm為0.831,與CK、P1、P2 無顯著差異。以上結(jié)果說明,紫菜薹新組合19-520在光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應中心捕獲能量的效率高于其親本及普通菜薹。

表1 暗反應下菜薹葉綠素熒光參數(shù)的比較Table 1 Comparison of chlorophyll fluorescence parameters of flowering Chinese cabbage under dark reaction

由表2 可見,在光反應條件下,紫菜薹新組合19-520 的Fo′為0.173,比CK、P1、P2 分別顯著高38.60%、60.19%、46.67%。新組合19-520 的ΦPSⅡ為0.618,比CK、P1、P2 分別顯著高34.93%、16.16%、29.83%。新組合19-520 的ETR 為117.0,比CK、P1、P2 分別顯著高36.20%、43.73%、29.71%。新組合19-520 的qP為0.538,比CK、P2 分別顯著高66.45%、33.27%,與P1 差異不顯著。新組合19-520 的NPQ為0.338,比CK、P1、P2 分別顯著低26.04%、27.93%、31.44%。新組合19-520 的Y(NPQ)為0.112,比CK、P1、P2 分別顯著低47.42%、42.27%、50.00%。四個菜薹材料間的Y(NO)差異較小。以上結(jié)果說明,紫菜薹新組合19-520 的光合電子傳遞能力、轉(zhuǎn)化效能和光利用效率均較高,并且非光合猝滅、以熱量和熒光耗散的光能以及保護機制耗散的能量低于普通菜薹。

表2 光反應下菜薹葉綠素熒光參數(shù)的比較Table 2 Comparison of chlorophyll fluorescence parameters of flowering Chinese cabbage under light reaction

由圖3 可知,隨著光合有效輻射(Photosynthetically active radiation,PAR)的逐漸增加,4個菜薹材料的ETR 過程可分為2個階段:當PAR 在0—400 μmol·m-2·s-1時,斜率較大,ETR 隨著PAR 的增加呈直線迅速上升趨勢,光合作用機構(gòu)快速運轉(zhuǎn);當PAR 在400—1200 μmol·m-2·s-1時,斜率逐漸變小,ETR 增幅隨PAR 增加達到飽和,其中紫菜薹新組合19-520 的ETR 高于其親本及普通菜薹。

圖3 菜薹的快速光響應曲線Fig.3 Rapid light response curve(RLC)of flowering Chinese cabbage

2.4 紫菜薹光合色素與光合系數(shù)間的相關性分析

相關性分析表明,Chl 與Tr、Gs、Pn呈正相關,皮爾遜相關系數(shù)(下同)分別為0.780、0.760 和0.726,均達到極顯著水平。Flav 與NBI、Ci呈負相關,相關系數(shù)分別是-0.730 和-0.649,分別達到極顯著和顯著水平;Flav 與Tr、Gs、Pn、Fo呈顯著或極顯著正相關,相關系數(shù)分別為0.759、0.650、0.584 和0.704。Anth和qP呈顯著正相關,相關系數(shù)為0.639。NBI 與Fo和qP呈顯著負相關,相關系數(shù)分別為-0.654 和-0.580。Tr與Gs、Pn和Fo呈正相關,相關系數(shù)分別為0.957(P＜0.01)、0.848(P＜0.01)、0.646(P＜0.05),與Ci呈顯著負相關,相關系數(shù)為-0.622。Gs與Pn呈極顯著正相關,相關系數(shù)為0.839。Pn與Ci和Fo分別呈顯著負相關和顯著正相關,相關系數(shù)分別為-0.597 和0.634。Ci與Fo和ETR 呈顯著負相關,相關系數(shù)分別為-0.815(P＜0.05)和-0.653(P＜0.05)。Fo與ETR 和qP呈正相關,相關系數(shù)分別為0.775(P＜0.01)和0.623(P＜0.05)。

表3 紫菜薹色素與光合參數(shù)的相關性Table 3 Correlation between pigment and Photosynthesis in purple flowering Chinese cabbage variety

2.5 紫菜薹新組合19-520 的產(chǎn)量分析

經(jīng)測產(chǎn)可得,紫菜薹新組合19-520、CK、P1、P2 的小區(qū)產(chǎn)量分別為75.26 kg、72.31 kg、68.15 kg 和66.12 kg,分別折合為25086.6 kg·hm-2、24100 kg·hm-2、22716.7 kg·hm-2和22040 kg·hm-2。紫菜薹新組合19-520 分別比CK、P1、P2 增產(chǎn)4.04%、10.44%、13.82%,表現(xiàn)出良好的雜種優(yōu)勢。

3 討論與結(jié)論

葉綠素是植物進行光合作用的重要物質(zhì),對光能進行吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化,影響著植物光合作用的強弱,是反映葉片光合能力的重要指標[14]。本試驗中紫菜薹新組合19-520 與普通菜薹的葉綠素指數(shù)差異不大,說明兩者具有相似的光合能力。

花青素是僅次于葉綠素的第二大類植物色素類型,為水溶性色素,貯藏在植物細胞的液泡中。它賦予了植物的葉片、花朵和果實各種顏色,吸引昆蟲和鳥類進行花粉和種子的傳播[15]?；ㄇ嗨仉m然不是光合色素[16],但能調(diào)節(jié)光合色素葉綠素分子對光量子的吸收[17],并通過對光的過濾[18]、衰減[19]和反射作用[20]對光合作用進行調(diào)節(jié)。本試驗中紫菜薹新組合19-520 的花青素指數(shù)顯著高于普通菜薹,具有更高的花青素含量,較高的花青素含量能夠更好地抑制強光,起到保護和防御作用[16];但是新組合19-520 的花青素指數(shù)卻低于親本,推測其原因是由于新創(chuàng)制的全紫色菜薹親本P2,其紫色性狀來源于紫色不結(jié)球白菜,紫色不結(jié)球白菜進入生殖生長期,即抽薹后,存在葉片中花青素轉(zhuǎn)運受到限制及葉片紫色褪去的現(xiàn)象,造成菜薹成熟期葉片中花青素指數(shù)降低。

光合作用是植物生長的基礎,是植物生物量遞增所必需的生理過程,光合作用的場所在葉片的葉綠體中,因此葉綠素含量的高低是評價光合能力的重要因素之一,植株葉片葉綠素含量升高,則葉片光合能力增強[21]。Pn是表示光合作用強弱的一個重要指標,氣孔是CO2進入細胞的組織,也具有將植物水分向外蒸騰的作用,因此Gs也是衡量植物光合作用的一個重要指標,如果Gs降低,就會使進入葉片的CO2減少,Tr受到一定程度制約,致使Pn下降[22]。對果樹作物櫻桃[23]、葡萄[24]和梨[25]的研究也表明,Gs降低,葉片的Tr和Pn均降低。本研究中,新組合19-520 的葉綠素指數(shù)較高,雖然葉片Ci值較小,但Gs、Tr和Pn均高于其親本和對照,說明紫菜薹新組合19-520 的光合能力強于普通菜薹。

光合特性反映光合作用的表觀特性,而葉綠素熒光動力參數(shù)則反映光合作用的內(nèi)在變化,能有效反映PSⅡ?qū)饽艿奈铡⒎峙浜秃纳26]。Fo是PSⅡ的初始熒光值,反映可以用于吸收和熱耗散的能量大小。Fv∕Fm是PSⅡ反應中心最大的光能轉(zhuǎn)換效率,在吸收和轉(zhuǎn)換光能的過程中起著重要的作用[27]。本試驗中,在暗反應階段,紫菜薹新組合19-520 的Fo高于其親本和普通菜薹,這與Hughes 等[28]對紅葉闊葉樹的研究結(jié)果一致。Manetas[29]研究也證實紅色葉片的植物能依賴花青素的光破壞防御功能,提高光合作用。

在PSⅡ反應中心,qP反映了反應中心開放程度和原初電子受體的還原狀態(tài),ΦPSⅡ反映實際利用所捕獲光的能力,ETR 則反映了能量轉(zhuǎn)化效率和量子效率,qP、ΦPSⅡ和ETR 越高,則光合效率越大。NPQ反映了耗散PSⅡ反應中心天線色素吸收過量光能的能力,NPQ越大,電子傳遞活性越小,凈光合速率降低[30]。Y(NPQ)代表通過調(diào)節(jié)性的光保護機制耗散為熱的能量,Y(NO)代表被動耗散為熱量和發(fā)出熒光的能量,主要由關閉態(tài)的PSⅡ反應中心貢獻[31],且ΦPSⅡ+Y(NPQ) +Y(NO) =1。在油菜葉綠素熒光參數(shù)的研究中發(fā)現(xiàn),具有光能利用優(yōu)勢的品種(組合)qP、ΦPSⅡ和ETR 參數(shù)系數(shù)值較高,而NPQ較小[32-33]。本試驗中紫菜薹新組合19-520 的qP、ΦPSⅡ和ETR 的參數(shù)系數(shù)均高于其親本和普通菜薹,而NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)小于對照,說明紫菜薹新組合19-520 的PSⅡ反應中心能充分捕獲并利用光能,具有較強的光能轉(zhuǎn)化率和量子效率,而用于其他熱耗散和非輻射光能的耗散程度較低,能充分地進行光合作用。

葉綠素熒光-快速光響應曲線是在傳統(tǒng)的熒光淬滅分析技術實踐基礎上發(fā)展起來的一種便捷、無損、快速、靈敏的檢測手段,能更準確地反映熒光PSⅡ光響應的過程[34],體現(xiàn)植物光合作用活性和PSⅡ電子傳遞速率的特點,以及光合器官對瞬時和長期光照的響應,已廣泛應用于植物生理研究中[35-36]。本試驗中,ETR 隨著PAR 的逐漸增加先迅速增加后變得平緩直到達到飽和;其中紫菜薹新組合19-520 的ETR 高于其親本及普通菜薹。

綜上所述,紫菜薹新組合19-520 具有較高的花青素和葉綠素含量,且光合作用能力強于其親本及對照,具有良好的生長優(yōu)勢,可進一步推廣運用。