硬粒小麦不同功能叶光合性状差异及对产量性状的影响

赵小光，赵鹏涛，尚 毅，翟周平，张耀文

(陕西省杂交油菜研究中心 小麦研究室，陕西 杨凌 712100)

硬粒小麦又叫杜伦小麦，是四倍体栽培小麦，染色体有28条，与六倍体普通小麦是不同的品种[1]。硬粒小麦是世界重要的粮食作物之一，播种面积约占世界小麦总面积的10%，仅次于普通小麦，位居栽培小麦的第2位[2]。硬粒小麦的营养品质优于普通小麦，小麦籽粒蛋白质含量比普通小麦高1%～2%，含有丰富的赖氨酸和类胡萝卜素[3]，更具有营养和保健功能。同时硬粒小麦具有较高的加工品质，面筋含量高，是制作通心粉食品的必要原料，所以又称通心粉小麦，正宗意大利通心面便是以优质专用硬粒小麦为原料制成的。

近年来，随着代化育种技术的创新，农民多年种植的常规农作物品种在农业生产中逐渐被遗传改良的高产、优质品种替代，从而造成了推广品种越来越单一，遗传多样性越来越低。目前，普通六倍体小麦在育种过程中大量使用有限的“核心亲本”,以及过多使用现代育种技术改良种质资源，减弱了小麦野外自然选择压力，使其遗传基础日益狭窄[4]，集中表现为品种综合性状的退化，抗逆性的减弱，间接导致产量下降，制约了小麦育种进一步的发展。2020年小麦条锈病在中国的大爆发是抗源单一、品种抗性降低的必然结果，给农民造成了巨大的损失。因此，引入小麦近缘属种，拓宽资源的基因宽度和增加自然遗传变异对于提高现代栽培小麦的遗传多样性和进一步开展小麦高产、抗病、优质育种具有重要意义[5-6]。四倍体硬粒小麦是普通小麦的原始基因库，由于其基因组与普通小麦完全相同，其优良基因较易转育利用，因此是改良普通小麦的重要基因资源，具有广阔的应用前景[7-9]。

目前，国内六倍体普通小麦的产量可达9000 kg/hm2[10],而硬粒小麦的产量仅为6000 kg/hm2[11],与普通小麦存在较大差距，在很大程度上影响了其种植与推广，且制约了利用硬粒小麦在普通小麦遗传改良上的应用。尽管前人通过种质筛选、水肥管理、杂交选育等多种手段对硬粒小麦进行了改良，但产量提升效果不是很明显。而高光效育种是一种新兴的育种技术，有望打破这种产量瓶颈，进一步提高作物产量的潜力。研究表明，作物体内90%～95%的干物质是光合作用合成的，因此研究和提高作物的光合效率已经成为作物研究中的热点问题[12]。作物光能利用率按理论计算可达4%～5%，但在实际生产中作物的光能利用率仅为0.5%～1.0%，如果能将作物光能利用率提高1%，那么作物产量可增加25%～50%，甚至更高[13-14]。开展硬粒小麦高光效育种研究是提高产量的一条有效途径，前人对硬粒小麦种质改良和产量性状分析较多[15-16]，而关于硬粒小麦光合性状的研究较少。本研究以3份农艺性状优良的丰产型硬粒小麦材料为供试材料，测定了不同功能叶的光合气体交换参数、绿叶面积、叶绿素含量、干物质积累量、光合有效辐射等光合性状，同时测定了不同功能叶处理下千粒重、穗粒数、单株产量等产量性状的变化，通过对光合性状和产量性状的差异比较及相关性分析，探讨了硬粒小麦不同功能叶光合对产量的影响，以期为硬粒小麦高产品种的筛选及评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

3个四倍体硬粒小麦(Triticumdurum)试验材料均由陕西省杂交油菜研究中心小麦研究室提供。材料代号分别为CD82316、CD84328、CD85007，农艺性状差异明显，都为多年选育的优质种质资源。试验于2019～2020年在陕西省杨凌示范区小麦试验田进行，田间试验采用随机区组设计，每小区10行，行长3.0 m，行距0.25 m，试验设3个重复，田间种植与管理同小麦国家区域试验标准。

1.2 测定方法

1.2.1 硬粒小麦不同功能叶的光合气体交换参数的测定 在灌浆中期，选择健壮无病、发育一致的单株，用Li-6400便携式光合作用测定仪分别对每个材料的旗叶、倒2叶和倒3叶进行测定，叶片夹样部位选择叶片的中段，选用6400-02B LED红蓝光源叶室，光照强度控制为1300 μmol/(m2·s)；叶室温度控制为25 ℃，测定时间为上午8：30～11：30，每个材料测定10个单株。测定的气体交换参数：净光合速率[Pn，μmol/(m2·s)]、蒸腾速率[Tr，mmol/(m2·s)]、气孔导度[Gs，mmol/(m2·s)]、胞间CO2浓度(Ci，μmol/mL)、水分利用效率(WUE)按照公式WUE=Pn/Tr[17]进行计算。

1.2.2 硬粒小麦不同功能叶光合相关性状的测定 在灌浆中期，每个硬粒小麦材料选取10个均匀一致的代表性单株，用叶绿素测定仪(SPAD502)分别测定旗叶、倒2叶和倒3叶的叶绿素含量，均匀地在每片叶子选点进行测定，然后取平均数进行统计分析；用LI-3000C叶面积仪分别对每个单株的旗叶、倒2叶和倒3叶进行测定，取平均数进行统计分析；用LAI-2200冠层分析仪(外接PAR光量子传感器)分别测定每个材料的小麦顶层、旗叶层、倒2叶层、倒3叶层的光合有效辐射，测定时间为8：00～18：00，每小时测定1次。

1.2.3 硬粒小麦不同功能叶处理后的产量性状的测定 在灌浆初期，每个硬粒小麦材料分别设4个处理，处理A：正常对照；处理B：只剪去旗叶；处理C：只剪去倒2叶；处理D：只剪去倒3叶。每个处理选择10个均匀一致的代表性单株。在成熟期分别称量每个处理的生物学产量、籽粒产量，计算经济系数；统计每穗粒数和千粒重，然后取平均值进行统计分析。

1.3 数据处理

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

2 结果与分析

2.1 硬粒小麦不同功能叶光合气体交换参数的差异分析

小麦的灌浆期是光合作用的关键时期，该时期进行光合作用的叶片有旗叶、倒2叶和倒3叶，光合产物可以高效地从光合器官转运到营养器官里，促进小麦籽粒中营养物质的积累，对小麦产量的贡献至关重要。从表1可以看出，3个硬粒小麦材料的不同功能叶之间的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均表现出显著性差异。净光合速率在不同功能叶中的大小表现为旗叶>倒2叶>倒3叶，3个品种的旗叶净光合速率均值为14.83 μmol/(m2·s)，倒2叶净光合速率均值为12.54 μmol/(m2·s)，倒3叶净光合速率均值为7.97 μmol/(m2·s)。不同功能叶的气孔导度和蒸腾速率也表现出与净光合速率相同的规律，数值大小也表现为旗叶>倒2叶>倒3叶，气孔导度和蒸腾速率在旗叶、倒2叶和倒3叶的均值分别为0.24、0.18、0.11 mmol/(m2·s) 和4.07、3.40、2.34 mmol/(m2·s)。胞间CO2浓度在不同功能叶之间无显著性差异，水分利用效率在材料CD82316里表现为旗叶>倒2叶>倒3叶，在另外2个材料里无显著性差异。由此可知，3个硬粒小麦材料的旗叶光合效率最高，倒2叶其次，倒3叶最低，旗叶的光合作用在该时期最强，是灌浆期的主要光合器官。

表1 不同功能叶的光合气体交换参数的比较

2.2 硬粒小麦不同功能叶的叶绿素含量和叶面积差异分析

从图1A可以看出，3个硬粒小麦各自的功能叶之间叶绿素含量(SPAD值)有差异但不显著，均表现为倒2叶>旗叶>倒3叶，3个材料的叶绿素含量均值在旗叶、倒2叶和倒3叶中分别为56.32、57.49和55.45，表明叶绿素含量不是影响不同功能叶光合的主要因素。不同功能叶之间的叶绿素含量差异是由叶片发育进度的不一致和测定时期不同而导致的，旗叶发育最晚，叶绿素正处于合成阶段，倒3叶在该时期已经出现老化，叶绿素开始降解，所以表现为倒2叶的叶绿素含量最高。

图1 不同功能叶的叶绿素含量和叶面积的比较

不同功能叶的叶面积则存在显著性差异，从图1B可以看出，3个硬粒小麦的不同功能叶面积变化规律相同，均表现为旗叶>倒2叶>倒3叶，旗叶、倒2叶和倒3叶的叶面积均值分别为25.77、21.52和17.34 cm2。不同功能叶面积的差异与净光合速率的差异是一致的，两者共同作用使得硬粒小麦旗叶的光合效率高于其他功能叶，成为灌浆期的重要光合器官。

2.3 硬粒小麦不同功能叶的光合有效辐射分析

光照是植物进行光合作用的能量源泉，光能在光合器官里转化为化学能，最终运输到营养器官里成为营养物质储存起来，所以植物接收光照的多少直接影响光合作用的强弱。从图2可以看出，硬粒小麦的不同功能叶在一日内接收的光合有效辐射差异极显著，且变化规律一致。旗叶的光合有效辐射受外界光照影响最为明显，在一日内随着外界顶层的光合有效辐射变化而变化，分别在中午12：00达到峰值。而倒2叶和倒3叶收到的影响较小，变化较为平缓，尽管12：00过后外界光合有效辐射开始减弱，但是由于太阳斜射的原因，倒2叶的光合有效辐射反而有所提高，在13：00～15：00表现出较高值。

小麦顶层的光合有效辐射一日内均值为1245.36 μmol/(m2·s)，CD82316、CD84328、CD85007的旗叶光合有效辐射的一日内均值分别为838.45、867.73、768.82 μmol/(m2·s)，分别占顶层光合有效辐射的67.32%、69.68%和61.73%。3个材料的倒2叶光合有效辐射的一日内均值分别为299.91、291.27、230.64 μmol/(m2·s)，分别占顶层光合有效辐射的24.08%、23.39%和18.51%。3个材料的倒3叶光合有效辐射一日内均值分别为130.73、104.55、112.27 μmol/(m2·s)，分别占顶层光合有效辐射的10.50%、8.39%和9.01%。由此可以看出，由于旗叶处于较高层，只受到小麦穗粒的遮光影响，因此接收到的光合有效辐射较多，外界光照有约2/3可以照射到该层，而倒2叶和倒3叶位置靠下，既受到穗粒遮光，同时受到旗叶和小麦主茎遮光，外界光照仅有约1/4可以照射到倒2叶层，有约1/10可以照射到倒3叶层(图2)。

图2 不同功能叶的光合有效辐射的日变化

2.4 硬粒小麦不同功能叶处理后产量性状的变化分析

从表2可以看出，不同功能叶处理后，3个硬粒小麦的产量性状有所改变，且变化规律一致。经济系数和每穗粒数在每个材料的不同处理间基本无差异，CD82316的经济系数和每穗粒数均值分别为0.27和20.13，CD84328的经济系数和每穗粒数均值分别为0.36和32.19，CD85007经济系数和每穗粒数均值分别为0.39和41.62，表明硬粒小麦的经济系数和每穗粒数主要受材料自身遗传特性的影响，体现为不同材料之间的差异，而同一材料里不同功能叶的光合作用对其变化基本没有影响。

表2 不同功能叶处理后的产量性状比较

籽粒重、生物学产量和千粒重在不同的功能叶处理后差异则较大，CD82316处理B(去掉旗叶)、处理C(去掉倒2叶)、处理D(去掉倒3叶)的籽粒重比处理A(对照)分别下降了18.45%、3.88%、0.97%，CD84328处理B、处理C、处理D的籽粒重比处理A分别下降了15.91%、11.36%、6.82%，CD85007处理B、处理C、处理D的籽粒重比处理A分别下降了21.63%、12.50%、9.62%，表明旗叶处理后籽粒重减少量明显高于倒2叶和倒3叶的处理。生物学产量在不同的处理后也变现出相同的规律，CD82316处理B、处理C、处理D的生物学产量比处理A分别下降了15.04%、5.27%、2.37%，CD84328处理B、处理C、处理D的生物学产量比处理A分别下降了16.77%、12.68%、11.45%，CD85007处理B、处理C、处理D的生物学产量比处理A分别下降了24.53%、10.67%、8.24%。CD82316处理B、处理C、处理D的千粒重比处理A分别下降了13.30%、6.34%、4.62%，CD84328处理B、处理C、处理D的千粒重比处理A分别下降了7.89%、6.47%、1.74%，CD85007处理B、处理C、处理D的千粒重比处理A分别下降了15.27%、7.43%、6.20%。由此可知，旗叶处理后籽粒重、生物学产量和千粒重均下降明显，表明在硬粒小麦灌浆期，旗叶的光合作用对产量性状的影响要明显大于倒2叶和倒3叶。

3 小结与讨论

本研究在灌浆期对3个硬粒小麦材料不同功能叶的光合气体交换参数、叶绿素含量、叶面积的差异和不同功能叶层光合有效辐射的日变化进行了分析，结果表明，旗叶的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和叶面积均显著高于倒2叶和倒3叶，所以旗叶作为灌浆期的主要光合功能叶，是该时期小麦生长发育的首要能量合成场所，对小麦的生长发育至关重要，在普通六倍体小麦的光合研究中，往往也是以旗叶作为功能叶进行研究的[18-19]。通过光合有效辐射日变化可以看出，旗叶层可以获取外界大部分的光合有效辐射，从能量源头上保证了旗叶可以高效进行光合作用。倒2叶层和倒3叶层因为遮光原因，获取的光合有效辐射分别仅为旗叶层的1/6和1/15,即使在中午外界高光照强度下，倒2叶层和倒3叶层接收到的光合有效辐射与早、晚相差不大，从而使光合作用受到了极大的限制。灌浆期是小麦籽粒产量重要形成时期，净光合速率、叶面积、光合有效辐射3种光合优势因子有机结合，共同促进旗叶高效地进行光合作用，将太阳能转化为有机物转运到小麦籽粒中，所以旗叶光合效率的高低，直接影响到硬粒小麦的最终产量。

与普通六倍体小麦一样，硬粒小麦产量要素也是由单株穗数、每穗粒数和千粒重构成，产量构成三要素既受外界环境影响外，又与硬粒小麦自身的遗传特性有关[20]，所以前人多是通过精细控制水肥、改变栽培技术、改良种质资源等方式来改变产量要素[21-22]，从而达到提高小麦产量的目的。在本研究中，不同处理后硬粒小麦功能叶的缺失造成光合作用的减弱，光合产物合成受阻，减少了有机物向营养器官的转运，籽粒的发育受到了影响。从本研究结果可以看出，不同处理下千粒重都比正常对照低，因此，硬粒小麦籽粒产量降低的主要原因就是千粒重的降低造成的。旗叶处理后，3个材料千粒重平均比对照下降了12.15%，倒2叶和倒3叶处理后千粒重平均分别比对照下降了6.75%和4.19%，表明在灌浆期旗叶对硬粒小麦籽粒产量的影响远大于其他功能叶，因而开展旗叶功能的光合研究和提高旗叶光合效率是提高硬粒小麦产量的有效途径。

目前，我国的普通小麦产量已经取得了巨大的进步，达到了发达国家产量水平，2020年全国多地都出现了冬小麦高产记录，最高产量突破到12840 kg/hm2，但硬粒小麦的产量多年未取得进展，产量仅为普通高产小麦的一半，通过传统育种手段实现硬粒小麦增产已经不是很明显。尽管我国有大面积的硬粒小麦适生区，生长环境优越，但是因为产量原因种植面积很小，极大制约了我国高端面粉产业的发展。硬粒小麦光合速率低于六倍体普通小麦[23]，作为C3作物存在明显的光午休现象[24]，通过改变这些不足都可以有效地提高硬粒小麦的光合效率，从而提高小麦的产量。因此，硬粒小麦在抗倒、优质、抗病等传统育种的基础上，应借助高光效育种手段，提高种质资源的光合能力，利用杂交改良提高子代的对光的截获和利用能力，降低光午休和光呼吸等负作用，高效率地将光能转化为化学能贮存在营养器官里起来，从而达到硬粒小麦增产的目的。

4 结论

3个硬粒小麦材料旗叶的净光合速率、叶面积和接收到的光合有效辐射均明显高于倒2叶和倒3叶，是小麦灌浆期的主要光合器官。旗叶的光合作用对产量的影响最为明显，旗叶光合作用的降低会造成籽粒千粒重的降低，最终影响到硬粒小麦产量。因此，硬粒小麦的高光效育种应该首先对旗叶进行改良，提高灌浆期旗叶的光能利用率，选育高光效种质资源，再结合传统的选育手段，从而提高硬粒小麦的产量。