糜子穗型突变体光合特性比较

王 喆，李 萌，郝瑞丽，陈利青，韩渊怀，张 彬

（1.山西农业大学农学院，山西太谷030801；2.山西农业大学生物工程研究所，山西太谷030801）

糜子（Panicum miliaceum L.）又名黍、稷，为禾本科黍属，在我国已有10 000 a的栽培史[1-2]，具有生育期短、耐干旱、耐瘠薄的特点，因此，其曾在我国北方大量种植[3-4]。因其蛋白质含量高、抗氧化成分和膳食纤维丰富，被认为是一种功能性食品而受到广泛关注[5-6]。糜子不仅具有很高的营养价值，还可以入药。有研究表明，糜子具有预防某些癌症、心脏病、肝病和糖尿病等功能[7]。此外，糜子还可以酿酒，做成各种小吃，如：年糕、粽子、煎饼等[8]。但糜子落粒性强，且由于其茎秆较高容易倒伏。因此，本研究通过对穗粗突变体和野生型糜子农艺性状及光合特性的测定，以期发现影响糜子产量和倒伏的主要因素。

李星聪等[9]对15份糜子材料进行了统计分析，结果表明，抗倒伏性好的品种主茎节数较少、株高较低。景小兰等[10]通过采用不同的种植方式发现，晋黍9号更适合晋中地区种植。虽然糜子营养价值丰富，但糜子突变体的相关研究较少，目前关于作物的研究多集中在水稻、小麦、玉米等主要粮食作物，而水稻和小麦作为人们的主食，高血糖指数较高，是导致人们高血糖的原因之一[11-14]。随着人口急剧增多、环境不断恶化，培育高产出、高营养价值和对环境适应能力强的粮食作物新品种显得尤为重要。

本研究以野生型糜子和穗粗突变体糜子为试验材料，通过对其表型及不同生长阶段相关生理指标比较分析，探究穗粗突变体与野生型糜子的差异，旨在为高产糜子新品种选育提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为野生型糜子（伊选大红糜）和穗粗突变体，穗粗突变体为野生型糜子经1%的甲基磺酸乙酯（EMS）诱变而来。

1.2 试验方法

2019年5月将野生型伊选大红糜和穗粗突变体种植于山西农业大学农学院试验田，采取常规管理，于晴朗的白天分别测定2个品种拔节期、抽穗期和成熟期的农艺性状及各植株旗叶的光合指标、水分利用率等光合生理特性。

1.2.1 糜子野生型与穗粗突变体农艺性状的测定

糜子成熟后，分别随机选取6株野生型和穗粗突变体糜子，对其株高、旗叶长、旗叶宽、茎粗、穗长等农艺性状进行测量；收获后，分别对2个品种的单株穗质量与单穗粒质量进行统计分析[15]。

1.2.2 糜子野生型与穗粗突变体光合色素含量的测定 分别在拔节期、抽穗期和成熟期选取无病害的糜子野生型和穗粗突变体进行取样，取样时选择相同叶位的叶片中部（每个品种取6个样本），分别装在预冷的10 mL离心管中，-80℃超低温冰箱保存。

进行光合色素含量测定时，去掉样品叶片中脉，每个样品取0.2 g，用液氮充分研磨后，放入10 mL离心管中，加入95%的乙醇10 mL，在摇床上充分摇匀至组织变白（避光）。以95%的乙醇为参比，用紫外可见分光光度计测量叶绿素提取液在波长470、665、649 nm下的吸光值，每份提取液测3次。

1.2.3 糜子野生型与穗粗突变体光合指标及水分利用率测定 利用便携式光合仪在晴天测量抽穗期糜子野生型与突变体的净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Cond）和蒸腾速率（Tr）；后对野生型及穗粗突变体水分利用率（WUE）进行分析。

1.3 数据处理

采用Excel 2003和SPSS20.0对数据进行统计分析及做图。

2 结果与分析

2.1 糜子野生型与穗粗突变体农艺性状差异分析

为探究糜子穗变粗是否会影响植株正常生长，对糜子野生型和穗粗突变体成熟后的植株进行农艺性状测量。由表1可知，穗粗突变体的株高、旗叶长、旗叶宽、穗长、穗颈长、单株穗质量、单穗粒质量较野生型均有不同程度的减少，仅茎粗有所增加。株高、旗叶宽、穗长、穗颈长、单株穗质量、单穗粒质量均显著减少；其中，穗长、单株穗质量、单穗粒质量较野生型极显著降低，分别降低了46.5%、54.2%、59.7%。可见，突变体虽然穗粗，同时茎秆也变粗，但其穗长、穗质量、粒质量等指标均下降，反而使该品种抗倒伏性增强的同时产量减少。

表1 糜子野生型与穗粗突变体农艺性状比较

2.2 糜子野生型与穗粗突变体光合色素含量差异分析

光合色素的多少直接影响植物有机物的合成，其是否会影响茎秆及籽粒发育、哪种色素的影响较大，还有待进一步探究。为探究野生型和穗粗突变体在光合色素含量方面的差异，本试验分别对2个品种拔节期、抽穗期和成熟期的叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量进行测定，以期发现调控糜子产量和茎粗的主要光合色素，为糜子高产量品种选育奠定基础。

2.2.1 叶绿素含量差异分析 叶绿素a有助于作物将光能转化为电能，通过对野生型和突变体叶绿素提取测定发现，在糜子成熟过程中，2个品种叶绿素a含量均呈先上升后下降趋势（图1）。拔节期穗粗突变体的叶绿素a含量极显著低于野生型糜子，且较野生型糜子减少了18.64%；抽穗期也比野生型叶绿素a含量低，但差异不显著，仅减少了4.32%；成熟期则显著高于野生型，较野生型叶绿素a含量增加了11.52%。但成熟期糜子已经灌浆完毕，此时叶绿素a的增加对物质积累已经作用甚微。因此，推测糜子有机物的积累主要在拔节期和抽穗期进行，而穗粗突变体可能通过影响叶绿素a的合成，从而影响产量。

叶绿素b可通过吸收光能传递到叶绿素a，从而使作物有机物积累[16]，对不同品种叶绿素b含量比较分析，结果表明，随着糜子成熟，2个品种叶绿素b的含量也呈先上升后下降的趋势，与叶绿素a一致（图2）。拔节期穗粗突变体叶绿素b含量显著低于野生型，较野生型减少了13.62%，抽穗期则较野生型增加3.02%，成熟期的叶绿素b含量较野生型极显著增加了21.85%。可见，穗粗突变体在拔节期影响叶绿素b的合成，但在抽穗期会促进叶绿素b的合成，对物质积累有促进作用，成熟期的合成对有机物积累作用极少。因此，推测拔节期叶绿素b含量的减少也是突变体产量减少的原因之一。

叶绿素a和叶绿素b的比值反映植物对光能利用的多少。从图3可以看出，糜子穗粗突变体叶绿素a和叶绿素b含量的比值始终显著低于野生型，该趋势可能是由于穗粗突变体的叶绿素a含量低于野生型，而叶绿素b含量高于野生型所致，可见，穗粗突变体光能利用率低，导致其积累物质少，产量降低。另外，2个品种叶绿素a与叶绿素b含量比值均持续减少。因此，推测糜子成熟过程中光能利用率逐渐降低，成熟期最低。

叶绿素作为光合作用的主要物质，直接影响有机物的积累[17-18]。对不同品种总叶绿素含量分析，结果表明，2个品种总叶绿素含量呈先上升后下降的变化趋势，拔节期和抽穗期穗粗突变体的总叶绿素含量较野生型分别减少了6.1%、5.8%，而成熟期叶绿素含量增加了2%（图4）。可见，叶绿素总量的减少导致了光合作用效果的降低，从而导致穗粗突变体产量的降低。

2.2.2 类胡萝卜素含量差异分析 类胡萝卜素可以保护叶绿素使其免受氧自由基的破坏[19]。从图5可以看出，仅在拔节期，穗粗突变体的类胡萝卜素含量显著低于野生型，且较野生型减少了19.65%，抽穗期和成熟期二者相差不大，较野生型分别减少了2.43%和1.95%。可见，穗粗突变体类胡萝卜素的减少也是其产量减少的原因之一。

2.3 糜子野生型和穗粗突变体叶绿素与类胡萝卜素含量相关性分析

类胡萝卜素和叶绿素b均可吸收光能并传递给叶绿素a促进光能转化为有机物。对2个品种不同生长阶段类胡萝卜素含量与叶绿素含量分析结果发现，叶绿素a含量与叶绿素b含量呈极显著正相关，与类胡萝卜素含量呈正相关，相关系数分别为0.934、0.795；叶绿素b含量与类胡萝卜素含量呈显著正相关，相关系数为0.829（表2）。

表2 叶绿素与类胡萝卜素含量相关性分析

2.4 糜子野生型与穗粗突变体光合指标和水分利用率差异分析

糜子光合作用的强弱决定着糜子有机物的积累程度，而光合特性指标能直观反映植株的光合能力[20-21]。此外，高水分利用率有助于增强作物的抗旱性，从而提高作物产量[22-23]。抽穗期是糜子籽粒开始发育的关键时期，通过光合仪对野生型和穗粗突变体糜子抽穗期的净光合速率、气孔导度、细胞间CO2浓度及蒸腾速率等光合指标进行测定，结果如表3所示。

表3 糜子野生型与穗粗突变体光合指标和水分利用率比较

从表3可以看出，净光合速率方面，野生型为11.277μmol/（m2·s），穗粗突变体为11.603μmol/（m2·s），较野生型增加了2.89%；穗粗突变体的气孔导度较野生型也增加了30.98%；而穗粗突变体的胞间CO2浓度和蒸腾速率较野生型分别显著增加了50.16%和51.26%，水分利用率则显著低于糜子野生型。由此可见，穗粗品种产量低的原因并不是由于光合指标导致的，相反其可能促进了穗粗品种的茎秆变粗；而水分利用率低可能是其产量减少的原因之一。

3 结论与讨论

糜子起源于我国，多分布于干旱和半干旱地区[9]。随着人们生活品质的提高及国家对杂粮生产的重视，糜子和糜子相关产业拥有很大潜力[24-25]。但由于其抗倒伏性差，且种植面积有限，糜子的产量和品质不断下降[26-28]。因此，寻找具有高产、抗倒伏等优良性状的糜子品种显得尤为重要。

本试验通过对成熟期糜子野生型和穗粗突变体相关农艺性状统计分析发现，糜子穗粗突变体的农艺性状较差，仅茎粗高于野生型，可见，突变体较野生型抗倒伏性强，但产量少，这与李星聪等[9]对不同糜子品种农艺性状的分析结果一致，因此，推测穗粗突变体在突变过程中抑制了除茎粗外的其他农艺性状相关基因的表达，从而导致产量降低。对2个品种拔节期、抽穗期和成熟期光合色素分析结果表明，光合色素含量均于抽穗期达到最高，这与前人研究结果一致[29]，且成熟期糜子的光能利用率最低。因此，推测糜子有机物的合成主要在拔节期和抽穗期进行，且叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量均会影响穗粗突变体的产量。此外，总叶绿素含量随着糜子成熟呈先上升后下降趋势，这与韩浩坤等[16]的研究结果一致。对2个品种抽穗期光合指标和水分利用率分析结果表明，突变体光合指标均比野生型高，尤其胞间CO2浓度和蒸腾速率均显著高于野生型，但有机物的积累和产量的提高主要与净光合速率有关，净光合速率越大，植株组织有机物积累量越多，产量也可能随之增加。穗粗突变体净光合速率虽相对较高，但产量低，因此，推测穗粗突变体可能由于叶绿素含量较低或农艺性状相关基因的改变导致其产量减少。穗粗突变体的水分利用率则显著低于野生型。可见，水分利用率越高越有利于糜子籽粒有机物积累，这与王国栋等[30]对玉米的研究结果一致。

本研究结果表明，穗粗突变体产量低，抗倒伏性强。通过对糜子光合特性分析发现，糜子有机物的积累主要在拔节期和抽穗期进行，光合色素含量均会影响突变体糜子产量，净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等光合指标主要促进糜子茎秆有机物积累，使穗粗突变体茎秆变粗，同时，通过提高糜子的水分利用率可以使其产量提高。因此，可通过对相关基因进行定位，利用基因工程技术调节相关基因的表达水平，使糜子在抗倒伏性增强的同时产量提高，为糜子分子育种奠定基础。