紫菜薹新组合19-520 的光合作用能力分析

朱红芳,李晓锋,奚丹丹,高 璐,沈海斌,朱玉英

(上海市农业科学院设施园艺研究所,上海市设施园艺技术重点实验室,上海201403)

光合作用是植物利用光能,合成有机物并释放氧气的过程[1]。光合作用是植物生长发育的生理基础,作物中90%以上的干物质直接来源于光合作用,因此光合作用的强弱是决定作物产量高低的最重要因素之一。光合作用的过程包括光反应(原初光化学反应)和碳反应(卡尔文循环)两个进程,叶绿素荧光反映光反应进程[2]。叶绿素荧光能准确反映光能吸收和传递的过程,在测定电子传递速率、建立质子梯度及合成ATP 的过程中发挥重要的作用。叶绿素荧光技术可在不伤害植物叶片的条件下,快速对其光能的分配进行准确分析[3],是研究植物光合作用机理和生理状况的理想工具[4],并在预测作物增产潜能[5]、抗逆生理[6]等方面得到了广泛应用。

紫菜薹又名红菜薹,为十字花科芸薹属亚种变种之一,原产于我国,为长江流域中部地区的特产蔬菜,以其肥嫩多汁、色泽鲜亮的花茎为主要食用器官[7]。近几年来,紫菜薹因其特殊的食用部位及营养丰富的特点,作为优质高档蔬菜在全国范围内引种栽培。目前,紫菜薹产品已供应至北京、上海、广州等我国各大城市[8]。紫菜薹的商品品质受多个因素的影响,如口感、色泽及产量等,其中色泽主要与其花青素含量相关。普通紫菜薹的表型特征为叶片绿色,叶柄、主脉及花薹表皮为紫红色,叶片和花薹表皮的花青素含量平均为24.27 mg·kg-1和64.22 mg·kg-1,叶片中的花青素含量约为花薹表皮的1∕3[9]。本课题组针对叶片中花青素含量相对较少的情况,选择叶片中花青素含量较高的紫色不结球白菜与菜薹进行亚种间的杂交、回交转育,获得了叶片、叶柄和花薹均为紫色的亲本及紫菜薹新组合19-520。本试验对紫菜薹新组合19-520 的色素含量、光合特性、叶绿素荧光参数等指标进行测定,分析该组合的光合作用特征特性,以期为该组合在利用光能方面提供更精细的数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试紫菜薹为上海市农业科学院设施园艺研究所选育的紫菜薹新组合19-520,其属于晚熟类型,叶片、叶柄、叶脉和花薹均为紫色,花薹略带蜡粉;亲本P1,属于中晚熟类型,叶片、叶柄、叶脉和花薹均为紫色,花薹无蜡粉;亲本P2,属于晚熟类型,叶片、叶柄、叶脉和花薹均为紫色,花薹略带蜡粉。对照(CK)为湖北地区普遍栽培的普通菜薹品种‘紫福’,叶片为绿色,叶柄和主叶脉为紫色,花薹紫色,略带蜡粉。

1.2 试验处理

于2019年8月10日将籽粒饱满、整齐一致的菜薹种子播种在以蛭石为基质的穴盘中,播种后30 d进行大棚定植,定植45 d 后每个材料选择5 株大小一致的植株,每株选取第3 片功能叶进行各项指标的测定。

1.3 测定项目与方法

利用植物多酚-叶绿素测量计对植株进行实时非破坏性测量,获得植物叶片叶绿素(Chl)、叶片表层类黄酮(Flav)和花青素(Anth)指数等指标,并评估植物氮的状态,即氮平衡指数(NBI=Chl∕Flav)。

利用便携式光合测量系统(GFS-3000,上海泽泉科技股份有限公司)于上午9:00—11:00 测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等光合作用参数,测定时光照强度约14000 lx,温度为(30 ±1)℃,CO2浓度为(400 ±10)μmol·mol-1[10]。

叶绿素荧光参数测定[11]使用德国Walz 公司生产的便携式叶绿素荧光仪PAM-2500 调制荧光成像系统。叶片暗适应30 min 后测定荧光参数,先用弱光照射测定初始荧光(Fo),然后用饱和脉冲光照射0.7 s,测得最大荧光(Fm),打开饱和脉冲之前的荧光值为F。以植物的生长环境光强为作用光,测得实际生长光强下的荧光值(Fs);再次打开饱和脉冲光0.7 s,测得最大荧光(Fm′);再暗适应几秒后,打开远红光5 s 后测最小荧光(Fo′)。计算其他相关参数[12],其中,可变荧光Fv=Fm-Fo,PSⅡ最大光量子产量Fv∕Fm=(Fm-Fo)∕Fm,光化学猝灭系数qP=(Fm′-Fs)∕(Fm′-Fo′),非光化学猝灭系数NPQ=(Fm-Fm′)∕Fm′=Fm∕Fm′-1,PSⅡ实际光合效率ΦPSⅡ=Y(Ⅱ) =ΔF∕Fm′=(Fm′-F)∕Fm′,表观电子传递速率ETR,PSⅡ调节性能量耗散比例Y(NPQ) =F∕Fm′-F∕Fm,PSⅡ非调节性能量耗散比例Y(NO) =F∕Fm。利用Origin 2018 软件中Platt[13]的双指数方程拟合快速光响应曲线(RLC)。

1.4 产量分析

菜薹的产量在上海市农业科学院引种中心试验基地测定,8月中旬播种,9月中旬露地定植,每个材料的定植面积约30 m2,11月6日至翌年2月10日间采收,将每次的采收量相加计算总产量。

1.5 统计分析

采用SPSS 20.0 软件对数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA),用Duncan’s 新复极差法进行差异显著性检验(P＜0.05)以及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 菜薹色素指标的比较

由图1 可见,紫菜薹新组合19-520 叶片的叶绿素指数(Chl)为35.82,显著高于其亲本,分别高17.56%和22.04%;比CK 高2.87%。花青素是赋予水果、蔬菜和花卉等植物颜色的主要天然色素,新组合19-520 的花青素指数(Anth)为0.43,显著高于CK,是CK 的8.37 倍,但比亲本分别低19.90%和4.38%。新组合19-520 的Flav 和NBI 分别为1.40 和25.50,略高于其亲本,比P1 分别高5.61% 和11.31%,比P2 分别高12.81%和8.18%;与CK 基本一致,分别高2.62%和0.24%。可见,紫菜薹新组合19-520 不仅富含花青素,光合色素指数及氮的利用率也略高于其亲本和对照,具有较强的杂种优势。

图1 菜薹色素指标Chl、Anth、Flav 和NBI 的比较Fig.1 Comparison of pigment indexes of Chl,Anth,Flav,NBI in flowering Chinese cabbage

2.2 菜薹光合特性的比较

由图2 可见,紫菜薹新组合19-520 叶片的净光合速率(Pn)为19.44 μmol·m-2·s-1,显著高于其亲本和对照,分别高28.95%、38.48%和7.88%。气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)与Pn的趋势基本一致,新组合19-520 的Gs和Tr分别为377.38 mmol·m-2·s-1和5.80 mmol·m-2·s-1,分别比CK 高9.50% 和21.02%,分别比P1 高28.57%和34.24%,分别比P2 高74.59%和123.29%。新组合19-520 的胞间CO2(质量)浓度(Ci)为346.79 mg·L-1,比CK 低13.93%,比P1 和P2 分别低18.04%和20.22%。综上,紫菜薹新组合19-520 的光合能力比其亲本和对照均强,具有较强的杂种优势。

图2 菜薹光合特性Gs、Pn、Tr、Ci的比较Fig.2 Comparison of photosynthetic characteristics of Gs,Pn,Tr,Ci in flowering Chinese cabbage

2.3 菜薹叶绿素荧光参数的比较

由表1 可见,在暗反应条件下,紫菜薹新组合19-520 的Fo为0.194,比CK、P1、P2 分别显著高43.70%、42.65%、57.72%。新组合19-520 的Fm为1.038,比CK、P1、P2 分别显著高58.47%、55.39%、46.40%。新组合19-520 的Fv为0.844,比CK、P1、P2 分别显著高62.31%、58.64%、30.57%。新组合19-520 的Fv∕Fm为0.831,与CK、P1、P2 无显著差异。以上结果说明,紫菜薹新组合19-520在光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心捕获能量的效率高于其亲本及普通菜薹。

表1 暗反应下菜薹叶绿素荧光参数的比较Table 1 Comparison of chlorophyll fluorescence parameters of flowering Chinese cabbage under dark reaction

由表2 可见,在光反应条件下,紫菜薹新组合19-520 的Fo′为0.173,比CK、P1、P2 分别显著高38.60%、60.19%、46.67%。新组合19-520 的ΦPSⅡ为0.618,比CK、P1、P2 分别显著高34.93%、16.16%、29.83%。新组合19-520 的ETR 为117.0,比CK、P1、P2 分别显著高36.20%、43.73%、29.71%。新组合19-520 的qP为0.538,比CK、P2 分别显著高66.45%、33.27%,与P1 差异不显著。新组合19-520 的NPQ为0.338,比CK、P1、P2 分别显著低26.04%、27.93%、31.44%。新组合19-520 的Y(NPQ)为0.112,比CK、P1、P2 分别显著低47.42%、42.27%、50.00%。四个菜薹材料间的Y(NO)差异较小。以上结果说明,紫菜薹新组合19-520 的光合电子传递能力、转化效能和光利用效率均较高,并且非光合猝灭、以热量和荧光耗散的光能以及保护机制耗散的能量低于普通菜薹。

表2 光反应下菜薹叶绿素荧光参数的比较Table 2 Comparison of chlorophyll fluorescence parameters of flowering Chinese cabbage under light reaction

由图3 可知,随着光合有效辐射(Photosynthetically active radiation,PAR)的逐渐增加,4个菜薹材料的ETR 过程可分为2个阶段:当PAR 在0—400 μmol·m-2·s-1时,斜率较大,ETR 随着PAR 的增加呈直线迅速上升趋势,光合作用机构快速运转;当PAR 在400—1200 μmol·m-2·s-1时,斜率逐渐变小,ETR 增幅随PAR 增加达到饱和,其中紫菜薹新组合19-520 的ETR 高于其亲本及普通菜薹。

图3 菜薹的快速光响应曲线Fig.3 Rapid light response curve(RLC)of flowering Chinese cabbage

2.4 紫菜薹光合色素与光合系数间的相关性分析

相关性分析表明,Chl 与Tr、Gs、Pn呈正相关,皮尔逊相关系数(下同)分别为0.780、0.760 和0.726,均达到极显著水平。Flav 与NBI、Ci呈负相关,相关系数分别是-0.730 和-0.649,分别达到极显著和显著水平;Flav 与Tr、Gs、Pn、Fo呈显著或极显著正相关,相关系数分别为0.759、0.650、0.584 和0.704。Anth和qP呈显著正相关,相关系数为0.639。NBI 与Fo和qP呈显著负相关,相关系数分别为-0.654 和-0.580。Tr与Gs、Pn和Fo呈正相关,相关系数分别为0.957(P＜0.01)、0.848(P＜0.01)、0.646(P＜0.05),与Ci呈显著负相关,相关系数为-0.622。Gs与Pn呈极显著正相关,相关系数为0.839。Pn与Ci和Fo分别呈显著负相关和显著正相关,相关系数分别为-0.597 和0.634。Ci与Fo和ETR 呈显著负相关,相关系数分别为-0.815(P＜0.05)和-0.653(P＜0.05)。Fo与ETR 和qP呈正相关,相关系数分别为0.775(P＜0.01)和0.623(P＜0.05)。

表3 紫菜薹色素与光合参数的相关性Table 3 Correlation between pigment and Photosynthesis in purple flowering Chinese cabbage variety

2.5 紫菜薹新组合19-520 的产量分析

经测产可得,紫菜薹新组合19-520、CK、P1、P2 的小区产量分别为75.26 kg、72.31 kg、68.15 kg 和66.12 kg,分别折合为25086.6 kg·hm-2、24100 kg·hm-2、22716.7 kg·hm-2和22040 kg·hm-2。紫菜薹新组合19-520 分别比CK、P1、P2 增产4.04%、10.44%、13.82%,表现出良好的杂种优势。

3 讨论与结论

叶绿素是植物进行光合作用的重要物质,对光能进行吸收、传递、转化,影响着植物光合作用的强弱,是反映叶片光合能力的重要指标[14]。本试验中紫菜薹新组合19-520 与普通菜薹的叶绿素指数差异不大,说明两者具有相似的光合能力。

花青素是仅次于叶绿素的第二大类植物色素类型,为水溶性色素,贮藏在植物细胞的液泡中。它赋予了植物的叶片、花朵和果实各种颜色,吸引昆虫和鸟类进行花粉和种子的传播[15]。花青素虽然不是光合色素[16],但能调节光合色素叶绿素分子对光量子的吸收[17],并通过对光的过滤[18]、衰减[19]和反射作用[20]对光合作用进行调节。本试验中紫菜薹新组合19-520 的花青素指数显著高于普通菜薹,具有更高的花青素含量,较高的花青素含量能够更好地抑制强光,起到保护和防御作用[16];但是新组合19-520 的花青素指数却低于亲本,推测其原因是由于新创制的全紫色菜薹亲本P2,其紫色性状来源于紫色不结球白菜,紫色不结球白菜进入生殖生长期,即抽薹后,存在叶片中花青素转运受到限制及叶片紫色褪去的现象,造成菜薹成熟期叶片中花青素指数降低。

光合作用是植物生长的基础,是植物生物量递增所必需的生理过程,光合作用的场所在叶片的叶绿体中,因此叶绿素含量的高低是评价光合能力的重要因素之一,植株叶片叶绿素含量升高,则叶片光合能力增强[21]。Pn是表示光合作用强弱的一个重要指标,气孔是CO2进入细胞的组织,也具有将植物水分向外蒸腾的作用,因此Gs也是衡量植物光合作用的一个重要指标,如果Gs降低,就会使进入叶片的CO2减少,Tr受到一定程度制约,致使Pn下降[22]。对果树作物樱桃[23]、葡萄[24]和梨[25]的研究也表明,Gs降低,叶片的Tr和Pn均降低。本研究中,新组合19-520 的叶绿素指数较高,虽然叶片Ci值较小,但Gs、Tr和Pn均高于其亲本和对照,说明紫菜薹新组合19-520 的光合能力强于普通菜薹。

光合特性反映光合作用的表观特性,而叶绿素荧光动力参数则反映光合作用的内在变化,能有效反映PSⅡ对光能的吸收、分配和耗散[26]。Fo是PSⅡ的初始荧光值,反映可以用于吸收和热耗散的能量大小。Fv∕Fm是PSⅡ反应中心最大的光能转换效率,在吸收和转换光能的过程中起着重要的作用[27]。本试验中,在暗反应阶段,紫菜薹新组合19-520 的Fo高于其亲本和普通菜薹,这与Hughes 等[28]对红叶阔叶树的研究结果一致。Manetas[29]研究也证实红色叶片的植物能依赖花青素的光破坏防御功能,提高光合作用。

在PSⅡ反应中心,qP反映了反应中心开放程度和原初电子受体的还原状态,ΦPSⅡ反映实际利用所捕获光的能力,ETR 则反映了能量转化效率和量子效率,qP、ΦPSⅡ和ETR 越高,则光合效率越大。NPQ反映了耗散PSⅡ反应中心天线色素吸收过量光能的能力,NPQ越大,电子传递活性越小,净光合速率降低[30]。Y(NPQ)代表通过调节性的光保护机制耗散为热的能量,Y(NO)代表被动耗散为热量和发出荧光的能量,主要由关闭态的PSⅡ反应中心贡献[31],且ΦPSⅡ+Y(NPQ) +Y(NO) =1。在油菜叶绿素荧光参数的研究中发现,具有光能利用优势的品种(组合)qP、ΦPSⅡ和ETR 参数系数值较高,而NPQ较小[32-33]。本试验中紫菜薹新组合19-520 的qP、ΦPSⅡ和ETR 的参数系数均高于其亲本和普通菜薹,而NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)小于对照,说明紫菜薹新组合19-520 的PSⅡ反应中心能充分捕获并利用光能,具有较强的光能转化率和量子效率,而用于其他热耗散和非辐射光能的耗散程度较低,能充分地进行光合作用。

叶绿素荧光-快速光响应曲线是在传统的荧光淬灭分析技术实践基础上发展起来的一种便捷、无损、快速、灵敏的检测手段,能更准确地反映荧光PSⅡ光响应的过程[34],体现植物光合作用活性和PSⅡ电子传递速率的特点,以及光合器官对瞬时和长期光照的响应,已广泛应用于植物生理研究中[35-36]。本试验中,ETR 随着PAR 的逐渐增加先迅速增加后变得平缓直到达到饱和;其中紫菜薹新组合19-520 的ETR 高于其亲本及普通菜薹。

综上所述,紫菜薹新组合19-520 具有较高的花青素和叶绿素含量,且光合作用能力强于其亲本及对照,具有良好的生长优势,可进一步推广运用。