不同小麦进化材料生育后期的光合特性及其对环境因子响应的比较

赵鹏涛，苟升学，赵小光，张耀文，翟周平，关周博，罗红炼，曹 栎

(陕西省杂交油菜研究中心小麦研究室，陕西杨凌 712100)

远缘杂交和多倍体化是高等植物最重要的进化过程，在天然物种和农作物中广泛存在[1-2]。研究表明，70%以上的被子植物在进化过程中至少经历了一次多倍体化事件[3]。近年来通过对芸苔属、小麦、拟南芥、棉花等植物的研究发现, 异源多倍体形成早期经常伴随着与孟德尔法则不一致的基因组变化,并表现在遗传、转录、表达等水平上[4-6]，有助于多倍体新物种形成,为植物的长期进化提供了可能的条件。多倍体小麦是通过异源多倍体化方式进化和培育的典型，特别是六倍体普通小麦是世界上种植最广泛的、最重要的粮食作物之一，其产量随着材料的进化得到了显著的提高。然而现代栽培小麦由于长期的品种之间杂交选育，特别是核心种质的反复利用, 导致了普通小麦群体遗传多样性的丧失, 遗传基础越来越窄[7]。作为大多数栽培小麦的起源，近缘的小麦基因型是小麦改良中获得新的遗传多样性最有价值的、最易得到的来源，因此对小麦进化材料进行研究与利用可以极大地丰富育种手段，提高小麦对环境的适应性与抗性。

光合作用是植物进行物质积累与生理代谢的基础，光合效率的高低与作物光合产物积累、产量潜力发挥以及品质优劣相关密切[8]。光合遗传研究是利用作物光合特性进行杂种优势评价的一种新方法，是作物遗传育种研究中的一个新领域[9]，因此，研究作物的光合性状在农业育种工作中具有重要的意义。近年来我国的小麦单产取得了巨大的突破，在高肥条件下，产量可达7 500 kg·hm-2，然而国外许多国家都有小麦品种超过9 000 kg·hm-2的记录，所以我国的小麦品种还有很大的增产潜力[10]。目前，小麦的常规育种手段已经发挥到最大作用，但产量的提高不是很明显，而筛选高光效材料、运用现代育种方法进行高光效育种是当今以及将来提高作物产量的有效途径[11]。尽管国内外对小麦进化材料的光合也进行了较多的报道，探讨了不同近缘种光合差异的机制，但结论并不一致[12-15]，且与实际的小麦高光效育种结合较少。由于小麦籽粒产量主要取决于生育后期冠层叶尤其是旗叶的光合作用[16]，因此本试验拟测定小麦及其近缘种灌浆期的旗叶光合气体交换参数和叶片叶绿素含量、叶面积指数、绿叶面积等光合相关性状，并对不同材料的光合速率在不同光照、CO2浓度、温度、湿度条件下的变化进行研究，以期对小麦产量形成关键期的光合特性有全面的了解，为充分利用野生小麦资源、扩大普通小麦的遗传基础、进行高光效遗传改良和改善栽培措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料分别为二倍体节节麦(Aegilopstauschii)、四倍体硬粒小麦(T.durum)、六倍体普通小麦(T.aestivum)及八倍体小黑麦(Triticale)，均由陕西省杂交油菜研究中心小麦研究室提供。试验于2016-2017年在陕西省杂交油菜研究中心杨凌示范区大寨乡试验基地进行，采用随机区组设计,每小区5行,行长2.0 m，行距0.25 m，重复3次，田间种植与管理同国家区域试验。

1.2 测定项目和方法

1.2.1 光合参数的测定

在各试验材料的灌浆期，选择生长健壮、均匀一致的植株，用Li-6400便携式光合作用测定仪对受光方向一致的旗叶进行净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)测定，选用6400-02B LED红蓝光源叶室，光照控制为1 300 μmol·m-2·s-1，温度控制为25 ℃，测定时间为上午9：00-11：00，每种材料测定10片旗叶。夹样部位选择旗叶的中段，如果叶片宽度小于2 cm，不能充满整个叶室，需要测量夹样面积，然后进行光合参数的重计算。计算水分利用效率(WUE)，WUE=Pn/Tr[17]。

1.2.2 叶绿素含量、叶面积和干物质积累量的测定

在各试验材料灌浆期，每个材料选取10个代表性植株，用叶绿素测定仪(SPAD 502)均匀地在每株的旗叶上选取8个点进行测定，取平均数进行统计分析；用美国LI-COR公司的LI-3000C叶面积仪分别对每株的旗叶面积和整株绿叶面积进行测定，取平均数进行统计分析；将10个代表性植株，去掉泥土清洗干净后，按根、茎、叶、穗等部位分别烘干称重，所有部位干物质重量之和即为干物质积累量；用美国LI-COR公司的LAI-2200冠层分析仪在田间对每个材料的小区进行测定，记录下每种材料的叶面积指数，重复三次。

1.2.3 光胁迫下不同小麦进化材料光合速率的测定

在灌浆期选取材料的旗叶用Li-6400便携式光合作用测定系统进行光合参数测定，选用6400-02B LED红蓝光源叶室，叶室内温度设为25 ℃，CO2浓度设为400 μmol·mol-1，在1 300 μmol·m-2·s-1光强下适应15 min后，采用自动光曲线程序进行测定，每种材料测定5株。按叶子飘等的方法[18]计算光饱和点、光补偿点、光量子效率和最大净光合速率。

1.2.4 CO2胁迫下不同小麦进化材料光合速率的测定

材料选择标准同上，叶室内温度设为25 ℃，CO2浓度设为1 200 μmol·mol-1，光强设为1 300 μmol·m-2·s-1，适应15 min后采用自动CO2曲线测定程序进行测定，每种材料测定5株。按照叶子飘等的方法[19]计算CO2饱和点、羧化效率、CO2补偿点和最大净光合速率。

1.2.5 温度胁迫下不同小麦进化材料光合速率的测定

材料选择标准同上，测定时光强设为1 300 μmol·m-2·s-1，CO2设为400 μmol·mol-1，25 ℃下适应15 min后，采用手动程序进行测定，测定时控制叶室温度，然后分别在外界温度的±10 ℃ 范围内每个温度点测定一次，每次测定5株，取平均数进行计算。

1.2.6 湿度胁迫下不同小麦进化材料光合速率的测定

材料选择标准同上，测定时光强设为1 300 μmol·m-2·s-1，CO2设为400 μmol·mol-1，25 ℃下适应15 min后，采用手动程序进行测定，测定时调节干燥管旋钮来控制湿度，从湿度为零开始，每间隔5%设置一个湿度点，在每个湿度点测定一次，每次测定5株，取平均数进行计算。

1.3 数据的整理与计算

数据利用Excel 2003 进行初步整理，用SPSS 19.0 数据统计软件进行统计分析。

表1 不同小麦进化材料旗叶光合参数的比较Table 1 Comparison of photosynthetic parameters of flag leaves in different wheat evolution materials

同列数值后不同小写字母表示不同材料之间差异显著(P<0.05)。下表同。

Different lower-case letters in the same column indicate significant difference among the different ploidy materials at 0.05 level. The same in tables 2-4.

2 结果与分析

2.1 不同小麦进化材料光合参数的差异

从表1可以看出，不同材料之间旗叶净光合速率差异显著，表现为八倍体小黑麦>四倍体小麦>二倍体小麦>六倍体小麦。二倍体﹑四倍体和六倍体小麦间气孔导度差异不显著，而八倍体小黑麦的气孔导度分别比它们高出40.91%﹑41.61%和37.78%。不同材料间蒸腾速率差异不大，表现为八倍体小黑麦>二倍体小麦>四倍体小麦>六倍体小麦。二倍体和四倍体小麦间胞间CO2浓度差异不显著，六倍体小麦和八倍体小黑麦间也不存在显著差异。在水分利用效率上，八倍体小黑麦最高，二倍体小麦最低，四倍体和六倍体小麦之间差异不大。上述结果说明，八倍体小黑麦在光合参数上具有明显的优势，其净光合速率﹑气孔导度，蒸腾速率和水分利用效率均高于其他三种倍性材料，其胞间CO2浓度低于其他三个材料，表明其光合能力更强，能较多地消耗掉了细胞内部的CO2。

2.2 不同小麦进化材料间光合相关性状的差异

四种材料间光合性状间均存在差异(表2)。叶绿素含量随着材料倍性的增大而逐渐上升，二倍体小麦最低，八倍体小黑麦最高，后者比前者提高了55.38%。旗叶面积则表现为六倍体小麦>四倍体小麦>八倍体小黑麦>二倍体小麦，二倍体小麦的旗叶面积分别比四倍体小麦、六倍体小麦和八倍体小黑麦低63.49%、82.70%和61.96%。绿叶面积变化趋势与旗叶面积相同，也表现为六倍体小麦>四倍体小麦>八倍体小黑麦>二倍体小麦，六倍体小麦的绿叶面积远高于其他材料，这主要是因为其叶片叶绿素含量在生育后期降低较慢，绿叶数为4片，而其他三个倍体材料绿叶数均为3片。叶面积指数的变化与旗叶面积、绿叶面积变化趋势也相同。这说明生育后期六倍体小麦光合面积具有明显优势，可以较多地接收光能。干物质积累量与叶面积的变化一致，这主要与六倍体小麦具有叶面积的优势有关，相比其他材料，可以将较多的光能转化为化学能贮存起来，这也可能是六倍体小麦目前大面积种植的一个因素。

2.3 不同小麦进化材料光合的光响应规律

四种进化材料的叶片净光合速率对光照强度的响应规律基本一致(图1)。在光强为200 μmol·m-2·s-1以下时，净光合速率与光照强度均呈线性关系，且随着光强升高而快速升高。在达到各自的光饱和点后净光合速率变化均表现为一条近似平行的直线。在相同的光照强度下，四倍体小麦的净光合速率最高，六倍体小麦次之，二倍体小麦和八倍体小黑麦最低，后两者差异不大。

表2 不同小麦进化材料的生育后期光合相关性状Table 2 Photosynthetic characteristics of different wheat evolution materials at the late developmental stage

图1 不同小麦进化材料光合(Pn)的光响应曲线

进一步分析表明，四种材料的光量子效率、最大净光合速率和平均净光合速率变化一致，均表现为四倍体小麦>六倍体小麦>二倍体小麦>八倍体小黑麦(表3)，说明四倍体小麦和六倍体小麦具有较高的光能转化和利用效率，可以将吸收光能较多地转化为化学能贮存起来。暗呼吸速率和光补偿点的变化规律一致，均表现为八倍体小黑麦>六倍体小麦>四倍体小麦>二倍体小麦，其中二倍体小麦的光呼吸速率和光补偿点分别为0.329 1 μmol·m-2·s-1和7.82 μmol·m-2·s-1，远低于其他三种材料，说明二倍体小麦在进行光合作用的时候，通过光呼吸途径消耗的能量很低，且较低的光补偿点表明二倍体小麦相对其他材料可以在很弱的光照条件下就能进行光合作用。四种材料的光饱和点表现为二倍体小麦>八倍体小黑麦>四倍体小麦>六倍体小麦，二倍体小麦和八倍体小黑麦在较强的光照下受到的光抑制较小。

表3 不同小麦进化材料光响应参数的比较Table 3 Comparison of light response parameters of different wheat evolution materials

2.4 不同小麦进化材料光合对CO2的响应

不同小麦进化材料光合对CO2的响应趋势与光响应基本一致(图2)。当外界CO2浓度在200 μmol·mol-1以下时,四种材料的净光合速率与CO2浓度均呈线性关系，并随着CO2浓度增加而迅速升高。在达到各自的CO2饱和点后,净光合速率的变化趋于平缓。在相同的CO2浓度下，四种材料间净光合速率差异较大，表现为八倍体小黑麦>六倍体小麦>二倍体小麦>四倍体小麦。

从表4可以得到，四种材料的羧化效率、最大净光合速率和平均净光合速率变化一致，均表现为八倍体小黑麦>六倍体小麦>二倍体小麦>四倍体小麦，说明八倍体小黑麦与六倍体小麦对CO2的利用和转化效率均较高，两者的最大净光合速率分别比自然CO2浓度条件下的净光合速率(表1)增加了88.97%和135.36%，而二倍体小麦和四倍体小麦的最大净光合速率分别只比自然条件下增加了2.61%和35.78%。二倍体小麦、四倍体小麦和六倍体小麦间CO2补偿点无明显差异，八倍体小黑麦最小。四种材料的CO2饱和点表现为六倍体小麦>八倍体小黑麦>四倍体小麦>二倍体小麦，表明在高浓度CO2下八倍体小黑麦与六倍体小麦光合作用不受抑制，具有较高的光合潜力。

图2 不同小麦进化材料光合(Pn)的CO2响应曲线

表4 不同小麦进化材料CO2响应参数的比较Table 4 Comparison of CO2 response parameters of different wheat evolution materials

2.5 不同小麦进化材料光合对温度的响应

四种材料的净光合速率随温度的变化均表现为一条抛物线，变化比较平缓，表明它们的光合作用受温度的影响不如光照和CO2明显(图3)，然而各材料的峰值、最佳温度、最大净光合速率等差异较为明显。二倍体小麦、四倍体小麦、六倍体小麦和八倍体小黑麦的净光合速率峰值分别出现在27、30、28和26 ℃，其数值分别为16.3、15.8、18.9和22.4 μmol·m-2·s-1。尽管八倍体小黑麦的最佳光合温度比较低，在夏季高温条件下光合能力会受到部分抑制，但是在整个温度曲线范围内，各温度点的光合数值一直处在较高的水平，其平均值分别比二倍体小麦、四倍体小麦和六倍体小麦高出42.89%、41.62和17.45%。二倍体小麦和四倍体小麦的净光合速率在各温度条件下都较低，对温度的敏感性较弱。

2.6 不同小麦进化材料光合对湿度的响应

不同倍性材料的湿度响应曲线各不相同(图4)，二倍体小麦、四倍体小麦、六倍体小麦和八倍体小黑麦进行光合作用的最佳湿度分别为45%、54%、59%和53%，最大净光合速率分别为17.3、17.9、17.3和17.1 μmol·m-2·s-1，无显著性差异。四种材料的平均净光合速率分别为14.88、16.67、14.98和14.93 μmol·m-2·s-1，除了四倍体小麦外，其他三种材料间平均净光合速率无显著性差异。然而,不同材料净光合速率随相对湿度的变化差异较大，二倍体小麦表现为明显的抛物线，较低和较高湿度下净光合速率均比较低，只有在合适的湿度下才能充分进行光合作用，受空气湿度的影响较大，抗水分胁迫能力较弱。四倍体小麦表现净光合速率受相对湿度的影响较小，一直处在较稳定的水平，且相比其他三个材料数值较高。六倍体小麦和八倍体小黑麦变化相近，在较低湿度下净光合能力较弱，但随着湿度的增加，净光合能力逐渐提高，在较高的湿度下降低较为缓慢，因此六倍体小麦和八倍体小黑麦适宜在降雨较多的地域种植，在雨后高湿条件下光合作用受到的影响较小。

图3 不同小麦进化材料光合的温度响应曲线

图4 不同小麦进化材料光合的湿度响应曲线

3 讨 论

异源多倍体化是一种形成新物种的有效手段, 已经在育种上得到了广泛的应用，形成了丰富的种质资源和新品种。在小麦育种上，六倍体小麦已经大面积种植，八倍体小黑麦在某些农艺和品质性状上也表现出独有的优势，逐渐被小麦育种家重视。在本试验中，从不同倍性材料的光合性状可以看出，随着小麦材料的不断进化和改造，光合能力得到了明显的提升, 高倍体材料的光合能力强于低倍体材料，这与魏爱丽等[17,20]的研究结果一致。八倍体小黑麦是目前小麦多倍体育种的高倍体材料，相对于其他三种材料，净光合速率、叶绿素含量、蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率都增加得比较明显，这是通过杂交改良，将优良的光合基因不断地聚集到一起的结果，最终提高了八倍体小黑麦的光合效率。尽管六倍体小麦的光合参数相比其他三个材料有所降低，但是六倍体小麦在绿叶面积、光合功能叶面积、叶面积指数、绿叶数等多个叶面积指标上具有明显优势，且叶片叶绿素降解缓慢，有效地延长了光合功能期，这与刘建辉等[7]的研究结果一致。六倍体小麦通过叶面积的优势有效地弥补了净光合能力较低的缺陷，从而使六倍体小麦可以较多地接收光照，将光能转化为化学能贮存起来，提高了干物质积累量，为小麦的高产提供了坚实的基础，这也是六倍体小麦目前大面积种植的一个重要因素。

前人对小麦光合与环境因子的互作关系进行了大量的研究，然而主要是研究光照[21]、CO2浓度[22]、温度[23]等单因子效应，并且主要局限在同一进化材料或者较少类型的进化材料上[24]。本研究以小麦四种不同进化材料为研究对象，综合分析了其对光合作用影响较大的四种环境因子与光合的关系。从分析结果可以看出，小麦及其近缘种的光合能力既受自身遗传因素的影响，还很大程度受外界环境的制约。在相同环境因子的影响下，不同倍性材料的变化规律各不相同。在光照强度影响下，四倍体小麦和六倍体小麦具有较高的光能转化和利用效率，而二倍体小麦和八倍体小黑麦对抗强光的能力较强，受到的光抑制较小。张荣铣等[24]研究发现，野生一粒小麦和节节麦等二倍体小麦较普通小麦更能适应于高温、强光，这与本研究结果一致。在CO2浓度影响下，六倍体小麦和八倍体小黑麦对CO2的利用和转化效率较高，具有较高的CO2利用潜力；相比其他三种材料，八倍体小黑麦的光合速率受温度的影响较小，其数值一直处在较高的水平，二倍体小麦和四倍体小麦的净光合速率在各温度条件下都较低；二倍体小麦受空气湿度的影响较大，抗水分胁迫能力较弱，这与张荣铣等[24]报道相反，可能是因为测定方法不同导致。四倍体小麦受相对湿度的影响较小，一直处在较稳定的水平。六倍体小麦和八倍体小黑麦的光合速率在低湿条件下变化较明显，而高湿条件下受到的影响较小。植物的净光合速率不是固定不变的，既随着自身遗传的影响进行着日变化[25]、光午休[26]、光反应和暗反应[27]等生理改变，也随着外界环境因子在不停地改变。对于光合速率的生理性改变，我们可以通过生理胁迫[28]或者分子手段对材料的光合进行改良，而对于胁迫性改变，我们可以通过大量的实验摸索出净光合速率随环境因子的变化规律，然后通过人为地改变环境因子，发挥出光合作用的最佳优势，最终达到改良增产的目的。

尽管目前我国的小麦单产已经取得了巨大的突破，但随着小麦耕地面积正逐年减少，同时伴随着环境恶化以及农村务农人数的降低，小麦的总产量呈下降趋势[29]。提高小麦面积单产是解决粮食问题的有效途径，但通过传统育种手段实现小麦增产已经不是很明显，因此在传统的抗逆、品质、早熟等育种基础上，应辅助高光效育种手段，提高亲本资源的光合能力，通过杂交改良提高后代的对光的截获和利用能力，降低光午休和光抑制等负效应，最大程度地将光能转化为小麦的化学能贮存起来，从而最终提高小麦的产量。