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        小麥育種中弱光和紅光利用改良的探索

        2022-12-02 05:36:12王玉泉楊紫君趙麗敏馮素偉丁位華金立橋李淦王昱潔茹振鋼
        關(guān)鍵詞:效率

        王玉泉,楊紫君,趙麗敏,馮素偉,丁位華,金立橋,李淦,王昱潔,茹振鋼

        (1.河南科技學(xué)院 河南省雜交小麥重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;生命科技學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.沈丘縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,河南 沈丘 466300)

        光合作用是作物產(chǎn)量的基礎(chǔ),提高光合利用率是提高小麥產(chǎn)量的有效途徑.自20世紀(jì)60年代以來,高光效育種一直是生理學(xué)家和育種家關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2],其核心是提高光能利用效率[3].光照強(qiáng)度顯著影響光合速率[4],不同作物及同一作物不同品種間光合效率存在差異,為高光效育種資源篩選提供了可能[5].小麥從播種到收獲的整個生長發(fā)育過程易受弱光影響,如灌漿期光照強(qiáng)度下降,旗葉光合速率顯著降低,光合物質(zhì)積累和運(yùn)轉(zhuǎn)受到嚴(yán)重抑制[6],導(dǎo)致小麥產(chǎn)量下降,品質(zhì)降低[7-10].植物光合作用不僅受光照強(qiáng)度的制約,而且受光質(zhì)及其比例的影響[11-14].植物光合作用僅能利用紅光和藍(lán)紫光,葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素,其含量顯著受不同光質(zhì)影響.近年來研究發(fā)現(xiàn),紅藍(lán)組合光更有利于植物生長,增加紅光比例更有利于凈光合速率的提升,而增加藍(lán)光則光合速率下降[15-17].因此在小麥育種中,提高小麥弱光和紅光利用能力是高光效育種的核心內(nèi)容.

        提高作物的光合效率被認(rèn)為是大幅度提高單產(chǎn)的有效途徑.在對小麥的研究中,光照強(qiáng)度及不同光質(zhì)與光合作用的關(guān)系已被廣泛報道[18-21].弱光光照時間占據(jù)小麥全生育期2/3以上,對小麥生物量及產(chǎn)量形成發(fā)揮關(guān)鍵作用,而弱光在小麥育種中的應(yīng)用進(jìn)展較慢.本研究立足新鄉(xiāng)地區(qū)小麥生長發(fā)育關(guān)鍵時期的光照強(qiáng)度及可見光光質(zhì)組成,在小麥育種中對弱光和紅光的利用進(jìn)行了探討,以期為小麥高光效育種提供思路.

        1 材料和方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        本研究所用試驗(yàn)材料為百農(nóng)160、百農(nóng)4199、百農(nóng)AK58、周麥18、高光3709、寶豐7228、矮早781,其中百農(nóng)160、百農(nóng)AK58和高光3709為百農(nóng)4199的親本,周麥18為河南和國家試驗(yàn)對照,百農(nóng)4199、百農(nóng)AK58、寶豐7228和矮早781均為河南省推廣面積較大的品種,也是不同時期的代表性品種,百農(nóng)160和高光3709為百農(nóng)4199親本.所有材料均由河南科技學(xué)院小麥中心提供.供試材料于2019年和2020年種植在河南科技學(xué)院朗公廟試驗(yàn)基地,每個品種種植4行,行長4 m,每行60粒,正常大田管理.

        1.2 光照測定

        可見光照強(qiáng)度及光質(zhì)測定采用手持式光譜分析儀(臺灣海博特股份有限公司,HR-350)進(jìn)行測定.2021年選取小麥越冬期和灌漿期天氣晴朗日期進(jìn)行可見光光照強(qiáng)度測定,光質(zhì)波長范圍內(nèi)總光量子數(shù)之和為光照強(qiáng)度,測定地點(diǎn)為新鄉(xiāng)(113°55′E,35°18′N).

        1.3 光合速率測定

        采用便攜式光合儀(美國,Li-6400)測定小麥光合速率,紅光和藍(lán)光處理采用LED光源(瑞士,Heliospectra RX30).2019年和2020年分別選取小麥灌漿初期和灌漿中期進(jìn)行紅光和藍(lán)光光質(zhì)處理并測定光合速率.光質(zhì)處理在大田進(jìn)行,為避免可見光干擾,將待測材料覆蓋1 h后開啟紅光,分別在處理1 h和2 h后選取高度相近的旗葉測定其光合速率,之后將測定葉片取下放入液氮,分析其葉綠素含量變化,藍(lán)光處理與紅光處理相同,每個品種5次重復(fù).

        1.4 葉綠素含量、葉片顏色測定與數(shù)據(jù)處理

        葉綠素提取采用丙酮浸提法,之后利用分光光度計(jì)測定663 nm,645 nm該波長下葉綠素溶液的吸光度,葉綠素含量計(jì)算參照文獻(xiàn)[18].采用分光測色儀(杭州彩譜科技有限公司,CS-582A)在2020年灌漿初期進(jìn)行葉片顏色測定,每個品種5次重復(fù).數(shù)據(jù)差異性顯著分析采用 SPSS 21.

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 小麥不同生育期可見光光質(zhì)強(qiáng)度變化

        小麥越冬期和灌漿期可見光光照強(qiáng)度測定發(fā)現(xiàn),越冬期光照強(qiáng)度為9 696 μmol·m2·s-1,灌漿期為19 195 μmol·m2·s-1,越冬期光照強(qiáng)度顯著低于灌漿期.越冬期和灌漿期可見光7種光質(zhì)中,紅光光照強(qiáng)度最高,紫光最弱(圖1).

        越冬期和灌漿期紅光在不同光質(zhì)中比例最高,紫光最低,紅光比例最高且上午(7:00-9:00)和下午(17:00-19:00)比例增加.紅光越冬期變化幅度為46.8%~67.3%,大于越冬期變化幅度(42.2%~52.9%)見圖2.

        可見光不同光質(zhì)日變化表明,紅光比例最大且不同光質(zhì)強(qiáng)度均在中午1點(diǎn)達(dá)到頂峰(圖3).因此,可見光7種光質(zhì)中,紅光最強(qiáng),所占比例最大,且早上和晚上比例稍增加.

        2.2 不同品種葉片顏色分析

        葉片顏色測定結(jié)果表明,5個品種中,百農(nóng)160顏色最深,測定值為-9.28,其次為百農(nóng)4199,測定值為-9.62,寶豐7228顏色最淺,為-10.76(表1).不同品種葉片顏色差異性分析表明百農(nóng)160和百農(nóng)4199與周麥18、寶豐、矮早781間差異達(dá)極顯著水平,而百農(nóng)160和百農(nóng)4199間差異不顯著.

        表1 不同品種越冬期葉片顏色

        2.3 紅光和藍(lán)光處理下的光合速率

        不同光質(zhì)處理下的下光合速率測定結(jié)果表明,無論灌漿初期還是中期,不同光質(zhì)處理下,品種間光合效率測定存在差異.綜合來看,紅光下的光合效率高于藍(lán)光下的光合效率,不同品種間,紅光處理下百農(nóng)4199灌漿初期和灌漿中期的光合效率均顯著高于矮早781和寶豐7228(表2).藍(lán)光處理1 h和2 h時,百農(nóng)4199的光合效率均高于矮早781和寶豐7228,但差異不顯著.灌漿期百農(nóng)4199旗葉顏色顯著較781和寶豐7228濃綠,差異極顯著(表3).

        表2 紅光和藍(lán)光處理下不同品種的光合效率

        表3 不同品種灌漿期旗葉顏色

        2.4 不同光質(zhì)處理的葉綠素a與葉綠素b的比值變化

        在進(jìn)行紅光和藍(lán)光處理時,同時分析了旗葉葉綠素a與葉綠素b的比值變化,結(jié)果表明灌漿初期紅光處理1 h和2 h時,百農(nóng)4199旗葉葉綠素a與葉綠素b的比值分別為2019年為1.64和1.79,2020為1.37和1.38,兩年均顯著低于矮早 781(2019年為1.83和1.85,2020年為1.61和1.71)和寶豐7228(2019年為1.88和1.87,2020年為1.69和1.73)(表4).藍(lán)光處理1 h和2 h時,百農(nóng)4199旗葉葉綠素a與葉綠素b的比值均低于矮早781和寶豐728,但差異不顯著.

        表4 紅光和藍(lán)光處理下不同品種的葉綠素a與葉綠素b的比值

        3 討 論

        光照強(qiáng)度影響植物光合效率.弱光光照時間占據(jù)小麥全生育期2/3以上,是影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因子[7-8].不同生育時期光照強(qiáng)度分析顯示越冬期光照強(qiáng)度顯著弱于灌漿期(圖1,圖2).苗期光照弱,小苗弱光利用能力差導(dǎo)致苗小、苗弱、生物量小,不利于后期發(fā)育及產(chǎn)量的提高,因此提高小麥苗期的弱光利用能力是弱光遺傳改良的重要內(nèi)容.小麥品種矮抗58、周麥18、百農(nóng)207、百農(nóng)4199、周麥22、周麥16、中麥895等均為河南省推廣面積比較大的品種,對這些品種苗期特性的分析表明50%以上的品種葉色較深,冬前生物量較大,推測大品種的弱光利用能力較強(qiáng),積累了較多的光合產(chǎn)物,有助于安全越冬,表明提升小麥苗期的耐弱光能力已經(jīng)成為育種家的共識[22].7種光質(zhì)比例日變化表明不論是在小麥越冬期還是灌漿期,紅光在可見光中比例均最大,且早上和下午比例上升.3個品種在紅光和藍(lán)光處理1 h和2 h的光合效率檢測結(jié)果表明,紅光的光合效率高于藍(lán)光.因此,改良小麥品種耐弱光能力,提升紅光利用效率是小麥高光合育種的重要方向之一.

        葉色深反映了植物耐弱光能力強(qiáng)[23].本研究使用的5個材料中,百農(nóng)160和百農(nóng)4199葉片顏色最深,與另外3個品種差異極顯著,表明百農(nóng)4199繼承了百農(nóng)160葉片顏色的遺傳特征(表2).已有研究表明百農(nóng)160和百農(nóng)4199不同發(fā)育時期光合效顯著高于百農(nóng)AK58,光合效率日變化也表明早上和下午百農(nóng)160和百農(nóng)4199光合效率顯著高于其他品種[24].紅光和藍(lán)光光質(zhì)處理不同時間的光合效率測定表明,灌漿初期百農(nóng)4199紅光處理下的光合效率顯著高于矮早781和寶豐7228(表4),而其顏色顯著比矮早781和寶豐7228濃綠(表3),表明光合效率與旗葉顏色深淺具有一致性.葉綠素b是捕光天線復(fù)合體(light-harvesting complex,LHC)的重要組成部分,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)植物生長在弱光下時,葉綠素b的合成加快,天線大小也隨之增大[25-26],弱光下,葉綠素b含量升高且其比值降低是植物利用弱光能力強(qiáng)的判斷指標(biāo).百農(nóng)4199紅光處理的葉綠素a與葉綠素b的比值顯著低于矮早781和寶豐7228,而其光合效率顯著高于矮早781和寶豐7228,表明百農(nóng)4199耐弱光的能力較強(qiáng),此可能與其旗葉顏色較深有關(guān).

        綜上,依據(jù)新鄉(xiāng)本地光照特點(diǎn)及不同光質(zhì)的光合效率差異,以提高小麥耐弱光和耐強(qiáng)光能力為重點(diǎn),將葉片顏色和葉綠素a與葉綠素b的比值作為高光效育種的選擇依據(jù),培育了高光效小麥新品種百農(nóng)4199.研究結(jié)果顯示,百農(nóng)4199光補(bǔ)償點(diǎn)低,飽和點(diǎn)高,不同發(fā)育時期光合效率顯著高于對照品種周麥18和矮抗58,產(chǎn)量較周麥18增產(chǎn)6.2%,且灌漿速率快,籽粒品質(zhì)超國家1級麥標(biāo)準(zhǔn),表明百農(nóng)4199弱光利用能力和紅光的光合效率獲得較大的提升,為小麥高光效育種提供了新的思路[24].在育種實(shí)踐中,通過百農(nóng)4199弱光和紅光利用能力的探索,將葉片顏色深,葉綠素a與葉綠素b的比值作為高光效選擇的依據(jù)亦是可行的,為育種家提供了簡單有效的田間選擇依據(jù).

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