謝 銳, 金曉蕾, 韓志剛, 程玉臣,, 趙小慶,, 張向前,, 高艷蓉, 郭景山, 路戰(zhàn)遠(yuǎn),

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河北保定 071000; 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010031;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)退化農(nóng)田生態(tài)修復(fù)與污染治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古呼和浩特 010031)

光合作用是作物生產(chǎn)力的主要決定因素,光合效率潛能的提高是增產(chǎn)的基礎(chǔ)[1-2]。作物積累的干物質(zhì)有90%～95%來自于葉片的光合作用[3-5]。馬鈴薯在生長發(fā)育過程中生物量形成的主要來源為光合作用,光合作用的強(qiáng)弱和效率的高低直接決定著生物量和塊莖產(chǎn)量[6-7]。通過高光效育種改善馬鈴薯葉片光合效率和光能利用率是提高塊莖產(chǎn)量的有效途徑之一,而遺傳變異是高光效育種的基礎(chǔ)[8-11]。內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)是我國馬鈴薯主要產(chǎn)區(qū)之一,研究馬鈴薯種質(zhì)資源的光合生理特性,篩選高光效種質(zhì)資源及選育適宜該地區(qū)高光效品種對(duì)馬鈴薯增產(chǎn)具有重要意義。

同一作物不同種質(zhì)間的光合效率存在明顯的遺傳變異,這為高光效種質(zhì)的篩選和新品種選育提供了可能[12]。Acevedo-Siaca等發(fā)現(xiàn)在光誘導(dǎo)過程中不同基因型水稻葉片的CO2同化效率存在明顯差異[13];Rawson等通過研究小麥光合特性的種內(nèi)變異以及選擇對(duì)光合作用的潛在影響,發(fā)現(xiàn)在地中海環(huán)境中育種導(dǎo)致現(xiàn)代品種在飽和光下的光合效率比老品種有所提高[14-15]。同時(shí)也有學(xué)者通過不同光合指標(biāo),對(duì)作物光合效率進(jìn)行直接評(píng)價(jià),如薛惠云等對(duì)不同棉花種質(zhì)的株型、葉綠素含量、光合參數(shù)及熒光參數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行比較分析,并闡釋了棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的光合生理基礎(chǔ)[16];蘇春桃等以氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)為關(guān)鍵因子,將23份甘薯品種劃分為5個(gè)類群,篩選出高光效種質(zhì)7份[17];尹旺等以凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率作為篩選指標(biāo),通過聚類和相關(guān)性分析,篩選出18個(gè)高光效材料[18]。綜上所述,種內(nèi)光合作用存在自然變異,并且遺傳特性相對(duì)穩(wěn)定,這為高光效育種提供了可能。另外,數(shù)量分析法能較好地反映種質(zhì)的綜合性狀,為育種過程中親本選配提供依據(jù)。

當(dāng)前,對(duì)于馬鈴薯種質(zhì)資源鑒定評(píng)價(jià)主要圍繞產(chǎn)量、品質(zhì)及抗逆性等開展,對(duì)不同種質(zhì)間光合效率的鑒定評(píng)價(jià)研究較少,致使可用于生產(chǎn)和遺傳改良的高光效種質(zhì)匱乏。本研究以國內(nèi)外15個(gè)馬鈴薯品種為供試材料,系統(tǒng)分析了8個(gè)光合相關(guān)參數(shù)的變異情況和遺傳力,并通過主成分分析和系統(tǒng)聚類對(duì)不同馬鈴薯種質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)、分類,篩選出高光效種質(zhì),以期為馬鈴薯高光效育種提供理論依據(jù)和親本。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年5—9月在國家馬鈴薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系呼和浩特綜合試驗(yàn)站開展。試驗(yàn)站位于呼和浩特市武川縣(111°15′E,40°96′N),平均海拔 1 682 m,年均降水量355 mm,年均氣溫3 ℃,無霜期110 d左右。試驗(yàn)地土壤類型為栗鈣土,肥力均勻,前茬作物為燕麥,0～20 cm土層土壤理化性質(zhì):速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為35.2、3.5、112.0 mg/kg,有機(jī)質(zhì)含量10.6 g/kg,pH值8.3。

1.2 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取不同地域來源馬鈴薯品種15份(表1),其中北京1份、內(nèi)蒙古6份、黑龍江2份、青海1份、河北2份、美國1份、荷蘭2份。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù),共計(jì)45個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)為5行區(qū)設(shè)計(jì),行距0.9 m,行長5.0 m,株距0.25 m,每行種植20株。施肥量分別為N 300.0 kg/hm2、P2O5180.0 kg/hm2、K2O 300.0 kg/hm2,其中磷、鉀肥及1/3氮肥作為基肥于播種前一次性施入,2/3氮肥第一次中耕時(shí)施入。5月10日播種,9月20日收獲。灌溉、病蟲草害防治等田間管理與大田一致。

表1 供試馬鈴薯品種及來源

1.3 測定指標(biāo)與測定方法

于淀粉積累期(出苗后60 d左右)選擇3 d晴朗天氣(8月9日、10日和12日),每個(gè)小區(qū)選擇3株長勢(shì)一致的植株,利用Li-6800(Li-Cor,USA)便攜式氣體交換系統(tǒng)測定馬鈴薯倒四葉的頂小葉氣體交換參數(shù),包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)等。測定時(shí)間為09:00—12:00,光強(qiáng)設(shè)定為1 000 μmol/(m2·s),二氧化碳濃度設(shè)定為400 μmol/mol?？諝庀鄬?duì)濕度設(shè)定為60%,流速為500 μmol/s。氣體交換參數(shù)測定完成后利用SPAD-502(Konica Minolta,Japan)葉綠素儀測定葉片相對(duì)葉綠素含量(SPAD值),每個(gè)小區(qū)選擇6株測定,取平均值。根據(jù)葉片氣體交換參數(shù),參照葉子飄等的方法分別計(jì)算瞬時(shí)羧化效率(CE=Pn/Ci)、氣孔限制值(Ls=1-Ci/Ca,Ca為大氣CO2濃度)和水分利用率(WUE=Pn/Gs)[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,用SPSS 22.0對(duì)光合性狀進(jìn)行差異顯著性分析、相關(guān)性分析、聚類分析和主成分分析,利用SigmaPlot 12.5和 Origin 2019b軟件進(jìn)行作圖。

光合性狀廣義遺傳力(h2)參照Holland的方法用以下公式計(jì)算[20]:

2 結(jié)果與分析

2.1 光合性狀的遺傳變異

由圖1可知, 15份馬鈴薯種質(zhì)的8個(gè)光合參數(shù)差異明顯(圖1),變異程度和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明,不同品種的8個(gè)光合性狀變異系數(shù)介于5.81%～31.16%之間(表2),其中變異系數(shù)大于15%的性狀有5個(gè),分別為Gs(31.16%)、Tr(29.12%)、Pn(17.91%)、WUE(17.40%)和CE(17.19%);而Ci的變異最小,SPAD值次之,其變異系數(shù)分別為5.81%、6.60%。通過對(duì)光合性狀進(jìn)行廣義遺傳力分析可知,8個(gè)光合性狀的廣義遺傳力變幅為17.08%～99.64%,均值為77.47%,由大到小依次為Ci>WUE>Pn>SPAD值>Tr>Gs>Ls>CE,除Ls和CE外,其余光合性狀廣義遺傳力均大于60%,Ci的遺傳力最高,而CE的遺傳力最低。綜合以上結(jié)果表明,供試的15份馬鈴薯種質(zhì)光合性狀遺傳多樣性較為豐富,且選擇的8個(gè)光合性狀普遍擁有較好的遺傳力。

表2 馬鈴薯光合性狀的遺傳變異分析結(jié)果

2.2 光合性狀間的相關(guān)性

由表3可知,在所測定的5個(gè)光合指標(biāo)(Pn、Ci、Gs、Tr、SPAD值)間,除Ci與Pn、SPAD值及Gs與SPAD值之間無顯著相關(guān)外,其余參數(shù)兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。通過計(jì)算得到3個(gè)指標(biāo)(CE、Ls、WUE)間,Ls與WUE呈顯著正相關(guān)關(guān)系,而CE與這2個(gè)指標(biāo)間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。CE與Pn、Gs、Tr、SPAD值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與Ci存在正相關(guān)關(guān)系;Ls與Ci、Gs、Tr呈極顯著負(fù)相關(guān),而與Pn、SPAD值無顯著相關(guān)性。WUE與測定的5個(gè)指標(biāo)間,除SPAD值外,與其余指標(biāo)均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過相關(guān)性分析可知,大部分測定的氣體交換參數(shù)、計(jì)算出光合參數(shù)均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明各指標(biāo)表現(xiàn)出的信息存在重疊,且在光合效率評(píng)價(jià)過程中的作用并不完全相同,因此,通過單一指標(biāo)來評(píng)價(jià)種質(zhì)光合效率具有一定局限性。

表3 馬鈴薯光合參數(shù)間的相關(guān)性分析結(jié)果

2.3 光合性狀的主成分分析

對(duì)供試的15份馬鈴薯種質(zhì)8個(gè)光合參數(shù)進(jìn)行主成分分析,根據(jù)特征值 ≥1 的原則提取了2 個(gè)主成分,結(jié)果見表4,第一、第二主成分(PC1、PC2)特征值分別為5.401、1.691,貢獻(xiàn)率分別為67.510%、21.142%,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)88.652%,表明前2個(gè)主成分能代表代表整體數(shù)據(jù)的大部分信息。第一主成分中載荷較大的因子有Gs、Tr、Pn,主要反映光合作用中氣孔因素,而第2主成分在SPAD值上的載荷最大,反映了光合作用中相對(duì)葉綠素的變化因素。因此,可將這8個(gè)光合相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)化為2個(gè)綜合性指標(biāo),進(jìn)一步對(duì)不同種質(zhì)馬鈴薯資源進(jìn)行光合效率評(píng)價(jià)。

表4 馬鈴薯品種光合指標(biāo)主成分分析結(jié)果

2.4 光合效率綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

依據(jù)主成分分析得出的2個(gè)主成分特征值和得分系數(shù),計(jì)算15個(gè)種質(zhì)的綜合主成分值,即光合效率綜合值,并對(duì)其排序,即可對(duì)各種質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)比較,其值越大表示光合效率越高。由圖2可知,15份馬鈴薯種質(zhì)光合效率綜合值變幅為-3.43～2.88,其中大于1.0的種質(zhì)有5個(gè),分別為SFT、XS6、XJ2、ZS5、HQH,它們的光合效率較高,小于-1.0的種質(zhì)有4個(gè),分別為F、CY2、HS7、ZJ2,它們的光合效率較低。由圖3可知,通過建立SPAD值與光合效率綜合值間線性關(guān)系發(fā)現(xiàn),兩者間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.678。

2.5 聚類分析與高光效種質(zhì)篩選

遺傳距離是衡量種質(zhì)間綜合差異的有效指標(biāo)。本研究采用系統(tǒng)聚類-組間連接法對(duì)15份馬鈴薯種質(zhì)的8個(gè)光合參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類,如圖4所示,在歐氏距離(D)為15.0時(shí),可將15份馬鈴薯種質(zhì)分為3類。第Ⅰ類群共8份,占參試材料的53.33%,包括V7、NS7、XJ2、ZS5、KX23、QS9、F、HQH(即Lucinda、內(nèi)薯7號(hào)、興佳2號(hào)、中薯5號(hào)、克新23號(hào)、青薯9號(hào)、Favorita和后旗紅);第Ⅱ類群共3份,占參試材料的20.00%,包括ZJ2、CY2、HS7(即中加2號(hào)、川引2號(hào)、華頌7號(hào));第Ⅲ類群共4份,占參試材料的26.67%,包括LS4、SFT、XS6、JZS12(即龍薯4號(hào)、Spunta、希森6號(hào)、冀張薯12號(hào))。由圖5可知,第Ⅲ類群與第Ⅰ類群的Pn無顯著差異,但顯著高于第Ⅱ類群,第Ⅲ類群的Ci、Gs、Tr均顯著高于其他2個(gè)類群,第Ⅰ類群和第Ⅲ類群的CE均顯著高于第Ⅱ類群,而第Ⅱ類群的Ls和WUE均顯著高于其他2個(gè)類群,3個(gè)類群的SPAD值雖無顯著性差異,但第Ⅰ、第Ⅲ類群仍大于第Ⅱ類群。由此可知,第Ⅲ類群為高光效資源,第Ⅰ類群為中等光效資源,第Ⅱ類群為低光效資源,這與光合效率綜合值評(píng)價(jià)得出的結(jié)論基本一致。

3 討論

3.1 光合性狀的遺傳變異

自然界種內(nèi)和種間光合速率顯著變化,為種質(zhì)遺傳多樣性提供了豐富的來源,此外,光合潛力差異背后的生理或遺傳機(jī)制可能為不同品種在特定環(huán)境下的表現(xiàn)提供有價(jià)值的信息[21]。本研究中測定了15份馬鈴薯種質(zhì)的8個(gè)光合相關(guān)參數(shù),通過方差分析顯示,各參數(shù)間均達(dá)到極顯著差異,且變異系數(shù)介于5.81%～31.16%之間,表明其基因庫比較豐富,遺傳背景復(fù)雜。在尹旺等的研究中所測定的光合相關(guān)參數(shù)也表現(xiàn)出極顯著差異[18,22],本研究結(jié)果與之基本吻合。這也充分說明本研究所選取的種質(zhì)材料具有良好的代表性以及在高光效種質(zhì)篩選方面的遺傳基礎(chǔ)廣泛,為高光效品種選育及改良提供了可能。在葉片水平上,氣孔是CO2和H2O進(jìn)出的通道,其開合主要受遺傳因素和外界環(huán)境影響,且凈光合速率的高低也取決于氣孔限制和葉肉限制2個(gè)因素[23-24],因此,光合速率與氣孔導(dǎo)度關(guān)系密切。本研究中,氣孔導(dǎo)度(Gs)的變異系數(shù)及在第一主成分中的載荷最大,且與凈光合速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,所以氣孔導(dǎo)度在應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境和改善光合效率方面具有豐富的種質(zhì)基礎(chǔ)。雖然本研究發(fā)現(xiàn)各馬鈴薯葉片光合參數(shù)均存在明顯的種內(nèi)變異,同樣在小麥、大麥和水稻上也有相似結(jié)論[25-27],但究其發(fā)生變異的生理機(jī)制仍不明確,有待進(jìn)一步探究。

廣義遺傳力是評(píng)價(jià)性狀傳遞給子代能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[28]。Singh認(rèn)為當(dāng)遺傳力高于80%時(shí)為極高水平遺傳力,介于60%～79%之間為中高水平,介于40%～59%之間為中等水平,低于40%為較低水平[29]。本研究中Pn、Ci、Tr、WUE、SPAD值的廣義遺傳力均大于80%,為極高水平;Gs的廣義遺傳力為68.62%,屬中高水平,而CE和Ls的廣義遺傳力較低。許國春等的研究顯示Ci的廣義遺傳力低于40%[30],本研究結(jié)果與之有一定差異,可能因?yàn)樵跍y定光合參數(shù)時(shí)CO2設(shè)置的原因所造成。

3.2 綜合評(píng)價(jià)方法

親本的鑒定、評(píng)價(jià)及選擇是高光效育種成功與否的關(guān)鍵,而科學(xué)篩選評(píng)價(jià)高光效種質(zhì)的方法是該過程中尤為重要的一環(huán)。主成分分析通過降維可將多個(gè)變量簡化為少數(shù)綜合指標(biāo),馬鈴薯光合性狀間存在不同程度的相關(guān)性,利用主成分分析法既可提取性狀的絕大部分信息,又可避免人為偏好或單一指標(biāo)的局限性[31]。聚類分析通過各指標(biāo)間相似性將對(duì)象進(jìn)行分類,其結(jié)果穩(wěn)定、準(zhǔn)確,能真實(shí)地反映種質(zhì)的綜合性狀[32-34]。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于綜合了多項(xiàng)相關(guān)參數(shù),并且考慮了各參數(shù)的權(quán)重和相關(guān)性,評(píng)價(jià)結(jié)果全面、精準(zhǔn),在花生、玉米、棉花等作物的營養(yǎng)品質(zhì)、氮素效應(yīng)、抗旱性綜合評(píng)價(jià)中被廣泛應(yīng)用[35-37]。本研究利用此法,通過計(jì)算光合效率綜合值和聚類結(jié)果基本一致,篩選得到高光效資源4份,中等光效資源8份,低光效資源3份,其中高光效種質(zhì)在胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率方面較其他2類種質(zhì)有顯著優(yōu)勢(shì),這與許國春等的研究結(jié)果[30]基本一致。另外,研究發(fā)現(xiàn)光合效率綜合值與SPAD值間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系,這與陳軍等的研究結(jié)果[38]基本一致。這表明SPAD值在一定程度上可以反映馬鈴薯的綜合光合效率,而在3類種質(zhì)整體分析時(shí),高、中光效種質(zhì)的SPAD值雖然高于低光效種質(zhì),但其差異不顯著,可能是測定群體小導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

綜上所述,本研究中15份種質(zhì)間的8個(gè)光合性狀存在極顯著差異,變異系數(shù)介于5.81%～31.16%之間;除氣孔限制(Ls)和羧化速率(CE)外,其余性狀廣義遺傳力均較高。相關(guān)性分析結(jié)果表明,SPAD值與光合效率綜合值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系?；谥鞒煞址治龊拖到y(tǒng)聚類分析,篩選得到4份高光效種質(zhì)、8份中等光效種質(zhì)和3份低光效種質(zhì),其中高光效種質(zhì)包括龍薯4號(hào)、Spunta、希森6號(hào)、冀張薯12號(hào),可作為高光效品種應(yīng)用于生產(chǎn)或?yàn)楦吖庑вN提供親本。