玉米叶绿素荧光参数的测定与分析

吴菲菲，曹永仁，滕延福

（1.下蜀镇农业服务中心，江苏 句容 212400；2.镇江新区社会发展局，江苏 镇江 212000）

从生理结构上来看玉米是C4 植物，C4 植物具有较强的光合作用，同时光合速率比C3 植物快许多，尤其是在CO2浓度低的环境下，相差更是悬殊。C4 植物对CO2的利用率也较C3 植物高，即使在CO2浓度低的情况下依然可以进行光合作用，这是因为C4 植物的CO2补偿点和CO2饱和点比较低。作为高光效C4 作物，玉米CO2浓缩机制使其能利用强光实现高产。提高种植密度虽能增加玉米的产量，但易造成叶片相互遮蔽，影响叶片对光能的吸收，继而影响玉米产量。快速测定叶绿素荧光参数可以准确快速地探测植株光能转化利用效率，本研究欲以叶绿素荧光参数为工具，筛选玉米密植条件下高光能利用率种质，探究相关基因资源培育育种新材料。据统计，自1998 年开始，世界玉米总产量已经超过稻谷和小麦，居世界首位[1]。一直以来，如何提高玉米的产量是广大科研工作者关注的热点问题。近年来，发达国家投入巨资开展玉米基因组学研究，这对玉米的遗传改良和产量提高具有重要和深远意义。

光合作用是绿色植物吸收光能，同化二氧化碳和水，制造有机物质并释放氧气的过程。长期以来，通过常规育种手段或转基因方法提高光合作用、实现作物增产，一直是光合作用研究和作物遗传育种等领域专家关注的热点[2]。因此，明确光合作用与产量之间的关系，发现光合作用系统的控制基因，不仅能揭示光合器官高效吸能、传能和转能过程的机理，还能为大幅度提高农作物光能利用率、进而提高产量提供理论依据。光合作用是决定玉米产量的一个重要因素。依靠分子标记技术和常规育种技术相结合，对玉米光合功能相关性状进行QTL 定位研究是进一步提高玉米产量的前提。

光合作用是光合器官将光能转化为化学能的过程。光合器官天线色素分子吸收的光能主要用于反应中心的光化学反应，剩余的能量则以叶绿素荧光、热耗散等方式耗散掉，三者之间存在此消彼长的相互竞争关系。因此，叶绿素荧光的变化可以反映出光合作用的变化。植物发出的荧光强度随时间变化而变化，从暗适应到暴露在光下，荧光强度先快速上升，然后渐渐下降。荧光随时间变化的曲线称为叶绿素荧光诱导动力学曲线。在曲线上升阶段，荧光由最小荧光FO，相继经过两个拐点FJ 和FI，最后达到最高峰FP。该阶段称作OJIP 曲线（如图1 所示），主要反映光系统II（PSII）原初光化学反应及光合器官结构和状态的变化[3]。PSII 的功能会因植物自身或外界环境的变化而改变，例如，植物本身的生理衰老、逆境胁迫、缺素、高低温、盐害以及干旱等条件都会影响PSII 的功能。当外界环境条件发生改变时，叶绿素荧光可以在一定程度上反映环境因子对植物生长变化的影响。通过分析在不同环境下植物叶绿素荧光诱导动力学曲线的变化，可以探究植物内部和外界环境因子对PSII 功能的影响以及光合机构对外界环境的适应机制。

图1 用连续激发式荧光仪测定的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线

1 材料和方法

叶绿素荧光参数差异的分析选用玉米自交系自然群体材料。试验材料2019 年7 月播种于小纪试验田中，行长5 m，行距60 cm，株距25 cm，每行15 株，两个重复（E1）。2020 年4 月再将相同种子播种于湾头试验田中，行长4.5 cm，小行行距30 cm，大行行距90 cm，株距25 cm，每行20 株，两个重复（E2）。田间管理同一般大田，开花期任其自由授粉。

1.1 性状测定

OJIP 参数采用植物效率分析仪（Handy PEA，Hansatech Instruments，UK）测定。在玉米灌浆期，每份材料选取6 株典型植株测定，每株测定1 次，测定的植株叶片为穗位叶的中间部分，室温25 ℃下进行，早晨太阳升起前从植株上取下叶片，用湿沙布包裹置于黑暗中30 min 以上，使其充分暗适应，测定时用作用光（3 000 μmol·m-2·s-1）照射经暗适应的叶片1 s，记录下OJIP 曲线。根据曲线上若干特征信号点，可以构造出多种叶绿素荧光参数。选取OJIP 曲线上5 个特征信号点，计算出OJIP 参数TRo/ABS、ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo、RC/CSo 和PIcs（见表1）。以上参数可以用来分析光合机构的比活性，即活跃的单位反应中心（RC）和叶片单位面积（CS） 的 量 子 效 率（ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo、RC/CSo），以及单位面积反应中心的数量（RC/CSo），以单位面积为基础的性能指数（PIcs）。比活性可以准确地反映光合机构对光能吸收、传递、转化和耗散的情况。其中PIcs 是性能指标，对各种条件的变化反映更敏感，能综合的反应光合机构的状态，通常作为筛选优良种质的首要参考指标。

表1 叶绿素荧光参数说明

1.2 数据处理

数据处理采用Excel 软件, 并用统计分析软件SPSS 16.0 的相应程序完成对OJIP 参数的表型数据进行等性状的方差分析、相关分析、描述统计和遗传力估计。

2 结果与分析

用SPSS16.0 完成对自交系组成的自然群体的叶绿素荧光参数进行统计分析（结果见表2），从表2可以看出各参数的基因型方差均达到极显著水平，基因型对玉米各荧光参数的影响是极显著的。两个环境中荧光参数PIcs 的变异范围最大。两个环境间各参数的广义遗传力（Hb2）在52.74%～79.17%，两个环境数据联合方差分析的遗传力在58.55%～77.06%。各参数的基因型方差（σ2g）、基因型与环境互作方差（σ2ge）均达到极显著水平，说明玉米叶绿素荧光参数受基因型控制，但基因型与环境之间同样存在显著地互作效应。

表2 玉米叶绿素荧光参数的统计分析及遗传力估计

3 结 语

植物生长依靠光合作用。光合色素元素和叶绿素荧光参数是植物叶片中非常重要的性状，它们决定着叶片内部光合作用器官元件的健康及完整性，决定了叶片能否顺利的进行光合作用。因此，叶绿素荧光的特征能够判断植物体光合作用的效率，能决定农作物的生产率和产量。对于玉米作物来讲，光合作用的提高是增加玉米产量的决定因素之一。长期以来，对玉米光合作用的研究还停留在生理水平阶段，传统的杂交育种至今未能改善玉米的光能利用率；而利用快速叶绿素荧光分析仪在玉米灌浆期测定叶绿素荧光参数，能初步筛选出高光合性能的玉米种质材料，这些高光合性能的种质，可用作高光合分子育种的亲本材料，为下一步的育种工作奠定基础。