俞華先,田春艷,經(jīng)艷芬,安汝東,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實驗室/云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所,云南 開遠 661699;2.云南省農(nóng)業(yè)科學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,是甘蔗屬中的一個重要野生種,具有植株高大、生勢旺、抗螟蟲、耐旱強、抗倒伏和宿根性好的特點[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之一[3-4],研究和利用大莖野生種對拓寬甘蔗遺傳基礎和品種改良都具有十分重要的意義?！厩叭搜芯窟M展】光合作用是植物將光能轉化為有機化學能的能量轉換過程,是植物最重要的化學反應,也是影響植物生長快慢和作物產(chǎn)量的重要因素[5]。運用光合作用相關參數(shù)可以反應植物在不同光照環(huán)境下的生存能力和環(huán)境適應能力,而葉綠素熒光參數(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)對光能的吸收、傳遞、耗散等特點,還可反映植物葉片中光化學反應的活性與自身的保護能力,是研究植物光合作用與環(huán)境關系的重要指標[6]。葉綠素SPAD含量的高低,可決定葉片對光能的利用,進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熒光參數(shù)的差異主要是由于基因型差異[7],因此,可用葉綠素熒光系統(tǒng)測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。葉綠素熒光技術是一種以植物光合作用理論為基礎,通過研究葉綠素熒光間接反映活體植物光合生理狀況的技術,具有快速、簡便、且測量過程對植物生長無影響的特點[8]。近年來,葉綠素熒光技術已廣泛應用于棉花[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]對甘蔗葉片葉綠素熒光參數(shù)日變化進行了研究;謝靜等[16]以甘蔗與斑茅遠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]利用葉綠素熒光技術研究了59份甘蔗細莖野生種質(zhì)的葉綠素熒光特性;安東升等[18]研究了甘蔗苗期不同葉位葉綠素熒光特性;邱永生等[19]利用葉綠素熒光技術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熒光參數(shù)指標應用于甘蔗抗旱性評價中,朱理環(huán)等[20]、羅俊等[21]研究了干旱脅迫對甘蔗苗期葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響,結果表明,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號和新臺糖22號等云南主栽甘蔗品種為材料,測定其在各個生育時期干旱脅迫下的光合指標及葉綠素熒光參數(shù),結果表明干旱脅迫下除云引3號品種的光合指標在分蘗期降幅顯著大于苗期和伸長期外,其余品種的光合指標和葉綠素熒光參數(shù)降幅均在伸長期最大;俞華先等[23]以4份含大莖野生種57NG208血緣的F2代甘蔗材料,測定水分脅迫下甘蔗葉片葉綠素熒光動力參數(shù),結果發(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個甘蔗品種9:00—19:40時的葉綠素熒光動力學參數(shù),結果表明干旱脅迫下,Fv/Fo和Fv/Fm的測量值隨著氣溫的升高顯著降低?！颈狙芯壳腥朦c】云南省農(nóng)業(yè)科學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厚的地理氣候環(huán)境,不斷改進光溫誘導技術,成功誘導大莖野生種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,但迄今為止對這些優(yōu)良創(chuàng)新種質(zhì)群體葉綠素含量SPAD值及葉綠素熒光特性方面的研究鮮有報道?！緮M解決的關鍵問題】采用葉綠素熒光分析技術并結合聚類分析對大莖野生種57NG208血緣F1群體種質(zhì)的葉片葉綠素熒光參數(shù)和葉綠素SPAD值進行分析,探究該群體葉綠素熒光動力學特征的差異,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。

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 試驗地點 試驗安排在云南省農(nóng)業(yè)科學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,陽光充足,全年無霜,屬于南亞熱帶季風型濕潤蔗區(qū)。試驗田塊地勢平坦,土壤肥沃,溝渠通暢灌溉方便。試驗材料在3月7日完成實生苗播種,4月18日假植,6月4日完成大田移栽。試驗采用間比設計,行距1.1 m、行長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Walz公司)于2020年8月29日17:00—22:00時測定葉綠素熒光動力學參數(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葉測量初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、實際光化學效率Y(Ⅱ)、光化學熒光猝滅系數(shù)(qP)和非光化學熒光猝滅系數(shù)(NPQ),參考張守仁[25]的方法計算可變熒光Fv(Fv=Fm-Fo)、Fv/Fm、Fv/Fo等參數(shù)。同時,參考俞華先等[26]的方法選取+2葉采用手持便攜式SPAD-502葉綠素儀分別測定葉基、葉中、葉尖3部位的葉綠素SPAD值,各部位重復3次,取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

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

2 結果與分析

2.1 光合指標的遺傳變異分析

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。最大光化學效率(Fv/Fm)和潛在光化學效率(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。實際光化學效率Y(Ⅱ)的變幅為0.130～0.790,有86份種質(zhì)的實際光化學效率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;光化學淬滅系數(shù)(qP)和非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)變幅分別為0.030～0.990、0.010～0.980,其中有80份種質(zhì)光化學淬滅系數(shù)(qP)超過平均值(0.783),有44份種質(zhì)的非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)超過平均值(0.272),云瑞19-8-90光化學淬滅系數(shù)(qP)最大,云瑞19-8-99非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)最大,云瑞19-8-108光化學淬滅系數(shù)(qP)最小,云瑞19-8-48非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)最小,光化學淬滅系數(shù)(qP)最大值是最小值的35.68倍,非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)最大值是最小值的140.43倍。這些光合指標的變異系數(shù),以非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)最大(93.987%),最大光化學效率(Fv/Fm)最小(13.749%)。

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

光系統(tǒng)Ⅱ的最大熒光效率(Fv/Fm)及其潛在光化學效率(Fv/Fo)是衡量植物光能利用能力大小的指標,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]研究認為葉綠素熒光不僅反映了植物的光能傳遞和轉換效率,還是評估植物葉片光合潛能高低的指標。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)的最大光化學效率及潛在光化學效率Table 2 Maximum photochemical efficiency and potential photochemical efficiency of 13 high light efficiency germplasms

2.2 F1代種質(zhì)資源間光合指標的方差分析

對120份大莖野生種57NG208血緣F1代種質(zhì)的SPAD值及熒光動力學參數(shù)進行方差分析(表3),120份種質(zhì)的SPAD值、Fo、Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、Y(II)、qP和NPQ等8個指標的差異均達極顯著水平(P<0.01)。

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

2.3 光合參數(shù)的相關分析

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

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

2.4 F1代種質(zhì)資源間實際光化學效率Y(Ⅱ)的聚類分析

實際光化學效率Y(Ⅱ)反映了光系統(tǒng)進行光化學反映的強弱,即光合作用的強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)的實際光化學效率Y(Ⅱ),利用R軟件,以歐式距離、類平均法(UPGMA法)進行系統(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類為低等光能轉化效率類型,有7份種質(zhì),占參試材料的5.83%,其實際光化學效率Y(Ⅱ)變幅在0.128～0.242;第Ⅱ類為中等光能轉化效率類型,有7份種質(zhì),占參試材料的5.83%,其實際光化學效率Y(Ⅱ)變幅在0.293～0.496;第Ⅲ類為高等光能轉化效率類型,有106份種質(zhì),占參試材料的88.34%,其實際光化學效率Y(Ⅱ)變幅在0.529～0.785,其中有63份材料其實際光化學效率Y(Ⅱ)在0.700以上,占總參試材料的52.50%。

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

3 討 論

3.1 葉綠素熒光是研究光合作用的有效探針

多年來,隨著便攜式光合作用測定系統(tǒng)向小巧、便捷的趨勢快速發(fā)展,自然條件下活體測定甘蔗大群體種質(zhì)的光合速率得以實現(xiàn),這也為開展以光合速率為選擇指標的甘蔗高光效育種奠定了基礎。葉綠素熒光是研究光合作用的有效探針之一,能夠探測許多有關植物光合作用的信息,葉綠素熒光幾乎能反映所有的光合作用過程的變化[30]。通過葉綠素熒光動力學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、對植物生長無損傷的特點,因此該技術被廣泛應用在植物光合作用的研究中。郭國業(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)間葉綠素熒光參數(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值和葉綠素熒光參數(shù)在不同種質(zhì)間呈極顯著差異的結果與上述研究結論一致,說明甘蔗葉片的光合特性受到遺傳基因的影響。在育種實踐中,應加強對那些光合特性指標達到極優(yōu)水平的極端材料的利用。

3.2 各數(shù)量性狀間的相關性分析

植物葉片的SPAD值與葉綠素含量關系密切,可直接反映植物葉綠素相對含量[35-37]。本研究中,甘蔗葉片的SPAD值與Y(II)、qP呈正相關,與NPQ呈負相關,說明葉綠素含量的多少決定著光合中心數(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+葉綠素熒光+熱耗散”。最小熒光Fo與Fv/Fm呈正相關,與王志軍等[9]在棉花、徐崇志等[14]在核桃上的研究結論最小熒光Fo與Fv/Fm呈極顯著負相關不一致,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,與余興華等[29]對9個參試甘蔗品種光合指標與抗旱性關系的研究結論一致;qP和NPQ呈極顯著負相關,與劉立云等[30]、蔡齊飛等[38]分別對不同品種油茶和山桐子葉綠素熒光參數(shù)存在差異的研究結論相符,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,葉片對光能利用能力則較高。qP(光化學淬滅系數(shù))與NPQ(非光化學淬滅系數(shù))呈極顯著負相關,與葉綠素含量SPAD值呈正相關的結論,與唐敏等[32]對不同茶樹品種(系)葉綠素熒光特性比較的研究結論一致;而光化學淬滅系數(shù)(qP)與實際光化學效率Y(II)呈正相關的結論,與徐崇志等[14]對新疆5個核桃品種葉綠素熒光動力學參數(shù)的比較以及劉立云等[30]對不同品種油茶葉綠素熒光動力學參數(shù)比較的研究結論一致。

3.3 聚類分析

Y(II)為實際光化學效率,是反映植物葉片光合電子傳遞速率快慢的相對指標[39]。Y(II)值越大表明PSⅡ光能轉換率越高,PSⅡ活性越強,可為光合碳同化積累更多所需要的能量,以促進碳同化的高效運轉和碳水化合物的積累。文章基于Y(II)值對參試材料進行聚類分析,將參試材料分為高光效、中光效和低光效3個類型,其中高光效有106份,占參試材料的88.34%,可能是因為本試驗中葉綠素熒光參數(shù)測定時間選擇在17:00—22:00時,這個時間的自然光線較弱,Y(II)值反映的是光下葉片的實際光化學轉化效率,只有當照光強度(光化光)達到一定水平時,Y(II)值的信息才能真實反映光合作用的狀態(tài),因為在光強很弱時卡爾文碳同化過程可能無法正常運轉而導致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量時段和制定合理的測量方案,才可減少氣溫變化對測量葉綠素熒光動力學參數(shù)的影響。本試驗結合光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學效率(Fv/Fm)及其潛在光化學效率(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 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。