早实核桃杂交后代生长和叶绿素荧光特性比较研究

计雅男，贺海耘，张倩，杨洲，陈芮蝶，翟梅枝,2

(1.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100； 2.陕西省核桃工程技术研究中心，陕西 杨凌 712100)

核桃(JuglansregiaL.)在我国栽培历史悠久，分布广泛，具有很高的经济价值[1]。早实核桃具有结果早、产量高、见效快等优点，种植核桃已成为山区群众脱贫致富的首要选择[2]。杂交育种是改良核桃品质、提高其丰产性和抗逆性的重要手段，是获得具有优良性状核桃新品种的一条有效途径[3]。方文亮等[4]采用云南薄壳核桃与新疆核桃作亲本，通过杂交育种培育出了耐寒冷、耐湿热,适宜性较强的云新7914等新品系5个；赵登超等[5]以中国核桃元丰为母本，以美国核桃强特勒为父本，培育出丰产、避晚霜核桃品种元林。关于核桃杂交后代的研究，前人大多关注不同核桃杂交品种特性及丰产栽培管理技术等方面，关于早实核桃相同亲本杂交后代的生长及光合能力差异研究鲜有报道。

光合作用是植物生长发育的基础，也是产量和品质形成的决定性因素。植物叶片吸收的光能主要以热、荧光和光合作用的形式释放出来[6-7]。其中叶绿素荧光参数的变化可以在一定程度上反应环境因子对植物光合生理产生的影响[8]。王博等[9]对2种晚实核桃研究发现，多个光合荧光参数相互作用，其中光合能力强弱直接影响到核桃产量的高低。有关核桃光合作用特性的研究大多为核桃幼苗自身光合特性研究或品种间光合特性比较研究。但是，在自然条件下，关于不同核桃品种杂交后代单株果树的荧光特性报道较少。本研究以26株树龄6 a的核桃杂交后代为试材，对其生长量、叶片特性和荧光特性进行研究，并筛选出优良单株。为杂交后代的早期选择和进一步利用杂种优势提供理论依据，同时为核桃育种提供新的优良材料。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验地点位于陕西杨凌示范区法禧村东的西北农林科技大学林学院苗圃内(E 107°59′～ 108°08′ ，N 34°14′ ～ 34°20′)。以优质丰产抗病，但果个较小的树龄7 a美国早实核桃契可为母本；以优质大果，但丰产性稍差的树龄7 a早实核桃西林3号为父本，进行种间杂交试验，对获得的128个杂交种子于2015年春季进行播种，因授粉和其他原因仅出苗26株，2015～2020年苗木管理一致。试验材料：26株树龄6 a核桃杂交苗。

1.2 研究方法

1.2.1 生长指标测定 干周：鉴于主枝分支较低，在试验树距基部50 cm处用卷尺进行测量，得出干周长度；树冠投影面积：测量试验树的南北和东西方向的冠幅，计算树冠投影面积；地径：距离地面10 cm处用围尺测量试验树的树干直径；复叶长，叶片长、宽及叶面积：于叶片成熟期，对26株杂交后代进行测定，在树冠外围分别从东西南北4个方向同一高度位置各选取3个无病害新鲜复叶，装入自封袋中做好标记带回实验室，用卷尺测定其复叶长、小叶平均长；用LI-3100C型叶面积扫描测定仪测定复叶面积，分别求平均值。

1.2.2 叶绿素荧光参数测定 利用Walz公司PAM-2500型便携式叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光参数，包括初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、Fm/ Fo(PSII电子传递情况)、Fv/Fo(PSII最大光化学效率)、PIABS(光合性能指数)，测定条件为：叶片暗适应20 min，测定时间为5 min，设定光强为1 200 μmol/(m2·s)。测定时间：2020年7月中旬。测定方法：在每个杂交后代单株的东南西北4个方向同一高度各取3个复叶的顶叶进行活体测定，分别求出每个参数的平均值。

1.2.3 叶绿素含量测定 参照孔祥生[10]的方法。

1.3 数据分析

采用单因素随机区组试验统计分析法和新复极差法(Duncan)比较不同单株间的差异；通过DPS 2017软件对试验数据进行相关性分析，SPSS 25.0进行聚类分析，Origin 2018进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 核桃杂交后代单株间生长差异分析

植物生长是由多种因素共同决定的，地径和株高是衡量植株健康生长的重要指标，树冠投影面积和干周反映植物的长势情况[11-12]。由表1可知，核桃杂交后代单株间的生长有一定的差异，部分单株间存在显著差异(P<0.05)。株高和地径H1507显著高于其他单株(P<0.05)，分别为3.21 m和29.96 cm，H1523株高和地径显著小于其他单株(P<0.05)，分别仅有1.71 m和15.01 cm；树冠投影面积较大的H1526、H1510和H1522分别比较小的H1504、H1508和H1523高出165.35%、131.82%和98.44%(P<0.05)，说明H1510、H1522和H1526生长势旺，枝叶繁茂，H1504、H1508和H523生长势较弱，枝叶稀疏；H1507、H1525和H1526干周较大。综合分析认为，H1503、H1507、H1521、H1522和H1526在株高、地径、干周和树冠投影面积方面都较高，说明这5个单株在植株生长各个方面都有很高的一致性。

表1 杂交后代单株生长差异

2.2 核桃杂交后代单株间叶片特征差异分析

26株核桃杂交后代的叶片特征见表2。叶绿素a的含量在26个杂交核桃间存在显著差异(P<0.05)。H1503显著高于其他单株(P<0.05)，为5.30 mg/g，H1509和H1523的叶绿素a含量显著低于其他单株(P<0.05)，其含量均小于2.00 mg/g，仅为H1503叶绿素a含量的37.74%。从表中可以看出，不同单株间叶片性状差异显著(P<0.05)，在叶长、叶宽和叶面积指标测定中，H1507显著高于其他植株，其叶长、叶宽和叶面积分别为15.88 cm、7.35 cm和85.50 cm2，较H1517(最低)分别高出5.44 cm、1.78 cm和42.71 cm2，其中叶面积大于60 cm2的有7个单株，从大到小依次为H1507>H1503>H1518>H1505>H1522>H1512>H1513，小于40 cm2的有2个单株，H1523

表2 杂交后代单株叶片特征比较

2.3 核桃杂交后代单株间叶绿素荧光参数差异分析

环境的任何变化对光合作用过程产生的影响都可通过体内叶绿素荧光诱导动力学变化反映出来[13]，对26个核桃杂交后代单株间进行叶绿素荧光参数分析，从表3可看出，不同单株间核桃杂交叶片的Fm/Fo、Fv/Fm、Fv/Fo和PIABS存在差异，部分单株间存在显著的差异(P<0.05)。Fm/Fo反映的是PSII电子传递的情况，Fv/Fo反映的是PSII潜在光能化学活性，Fm/Fo值越高说明PSII反应中心捕获光能效率越高，光能转化成为化学能就越多。H1503、H1507、H1514、H1520和H1525的Fm/Fo和Fv/Fo值都较大，说明H1503、H1507、H1514、H1520和H1525的光能利用效果较好。其中H1503的Fm/Fo和Fv/Fo显著大于其他单株，高达5.63和4.63，而H1513和H1517的Fm/Fo和Fv/Fo值都较小，仅为4.53、4.51和3.53、3.51，说明H1513和H1517光能利用效果较差。

Fv/Fm的变化代表PSII反应中心捕获的最大量子产量，常用来判断植物是否受到光抑制。通常情况下，该值的波动范围在0.75～0.85，该值越低则说明植物受到光抑制的程度越高。表3显示，所有单株的Fv/Fm为0.75～0.82，说明26个单株的PSII光能转换效率处于正常水平。PIABS代表的是光合性能指数，PIABS大于78.00有5个单株，从大到小依次是 H1506>H1502> H1503>H1507> H1522，说明这5个单株的光反应活性较强，所吸收的光能较多，能为植物生长发育提供的能量就越多。PIABS小于50.00的单株有3个，依次是H1508

表3 杂交后代单株叶绿素荧光参数比较

2.4 核桃杂交后代生长指标和叶绿素荧光参数相关分析及综合评价

2.4.1 隶属函数值 根据公式(1)可计算出每个单株杂交核桃所有综合指标的隶属函数值(表6)。

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1,2,3,…,n

(1)

式中：Xi表示第i个综合指标，Xmin，Xmax分别表示第i个综合指标的最小值和最大值。

2.4.2 权重的计算 根据累计方差贡献率的大小，用公式(2)可计算出各个综合指标的权重(表6)。

(2)

式中：Wi表示第i个综合指标在所有指标中的重要程度；Pi为各个单株第i个综合指标的贡献率。

2.4.3 综合评价 用公式(3)计算杂交核桃26个单株的生长、叶片特征、光合色素含量和叶绿素荧光参数的综合评价值(表8)。

(3)

式中：D值表示各个单株用综合指标评价所得的综合指标值，D值越大表示综合性能越高。

使用单一的指标对待选单株进行评价，很难全面评价不同单株间的差异，因此，采用皮尔森(Pearson)相关系数对各个指标进行相关性分析和主成分分析，最后通过隶属函数值和聚类分析得出结论进行综合评价。核桃杂交后代生长指标和叶绿素荧光参数相关性分析见表4。由表4可见，地径和叶片含水率与Fm/Fo呈显著正相关(P<0.05)；叶长和叶宽与Fm/Fo和PIABS呈极显著正相关(P<0.01)；干周和地径与Fv/Fm和Fv/Fo呈负相关。

表4 单株生长指标与叶绿素荧光参数的相关性

对26株核桃杂交后代的13个指标进行主成分分析，结果见表5。由表5可知，前3个特征值的累计方差贡献率为80.586%，说明叶长、干周和Fv/Fm这3个因子可以代替原始的13个指标，其余忽略不计，这些因子可以全面的反应核桃的光合能力。

根据各综合指标系数(表5)和各指标值(表1～3)求得每个单株的3个综合指标值CI(1)、CI(2)、CI(3)，它们共同决定26个核桃单株的光合性能。在此基础上求出各单株的隶属函数值，再依据各综合指标的权重进行加权得到每个单株的光合能力综合评价D值(表6)。综合评价(D)值反映单株生长和叶绿素荧光综合特性，D值越高表示单株生长优良且光合作用强。由表6可知，依据综合评价指数值进行排序，其中H1503和H1511号综合评价值最高，为0.71，表明这两个单株的生长和叶绿素荧光特性最优；其次是H1507、H1509、H1512和H1513，D值分别为0.67、0.64、0.67和0.63，其他单株排序详见表6。

表5 各综合指标的系数和贡献率

表6 杂交单株综合评价

用平方欧式距离法对这6个单株的生长性状和叶绿素荧光参数进行聚类分析，结果见图1。图1显示，6个单株可划分为A、B两大类：H1503和H1507为A类，株高、地径、叶绿素含量和叶绿素荧光参数均较大，说明A类核桃单株生长势旺、光合能力强。分析认为可能是因为核桃生长的生物量大，能够吸收更多的光能，有较高的光合效率；这与马艺杰等[14]、李晓锐等[15]对核桃光合特性研究结果一致。其他4个单株为B类，依据光合效率又将B类分为B1、B2两个亚类，在B1亚类中H1509和H1511表型性状和PSII光合效率均较低；B2亚类中H1512和H1513表型性状中干周、地径和叶绿素a含量的数值较大，而Fv/Fm和PIABS的数值较小，表型性状和PSII光合效率均一般。

图1 基于6个不同单株间核桃性状的聚类分析Figure 1 Cluster analysis of walnut traits based on six different individual plants

3 讨论

通过对26个核桃杂交后代比较分析发现，株高和地径越大，树冠投影面积和干周就较大，说明树体生长由多个生长效应指标共同决定。周开兵等[16]研究认为，当植株处于幼树阶段时，树体的生长效应可作为选择优株的重要指标，生长旺盛有利于树体骨架的早期建立。通过相关性分析可知，杂交后代地径和树冠投影面积分别与Fv/Fo和PIABS呈显著正相关性，说明地径和树冠投影面积越大则树体生长越旺盛，光合能力越强。就营养生长而言，H1503、H1507、H1521、H1522和H1526在株高和地径生长中，与其他单株相比差异显著。这与赵静等[17]在梨树生长方面的研究结果一致。叶长、叶宽和叶面积与PIABS呈极显著正相关性。说明叶长、叶宽和叶面积越大的杂交后代，其光合性能指数越大，进而说明植株的光合性能越强。这与李泽等[18]对油桐幼苗的生长和光合作用研究相似。叶面积是评价植株叶片功能特性的重要参数，植株叶面积越大光合作用越强，因此，在杂交后代的选优过程中，通过筛选叶面积较大的植株，提高光能利用率，进而提高核桃产量。本试验中H1503、H1505、H1507、H1518和H1522叶面积较大，使得这5个单株的叶片所能捕获到的光能就越多，因而叶绿素荧光参数值也就较大，光合作用就越强。这与崔西甜等[19]对蒙古栎叶片光合作用的研究一致。H1502、H1503、H1507、H1524和H1525的叶绿素a含量显著高于其他单株，说明这5个单株具有较高的光合能力，叶绿素a在叶片利用光能时，起到了关键性的作用。这与李旭新等[20]、何炎等红[21]和涂志华等[20]的研究结果一致。综合考虑光合作用对各生长指标的影响认为，生长指标可作为杂交后代光合性能评价的一个重要指标。

本研究对26个杂交后代间的叶绿素荧光参数分析可知：26个核桃杂交后代的不同单株间叶绿素荧光参数存在显著差异，这表明不同的单株对环境适应的可塑性不同，以及对相同环境有不同的适应能力。这与张笑寒等[23]对相同植物不同无性系的研究、施光耀等[24]对桃树光合特性的比较研究结果一致。H1503、H1507和H1525的Fv/Fm、Fv/Fo值和Fm/Fo值均较大，说明核桃叶片能将吸收的光能转化为有效的化学能，从而提高光合电子传递效率，产生更多的ATP和NADPH。这与李延菊等[25]对不同扁桃品种光合特性的研究结果一致。Fv/Fm是光抑制研究最常用指标，试验中所有核桃单株的Fv/Fm在0.75～0.82，说明这26个单株在生长过程中没有受到光抑制，这与马静等[26]对美国山核桃和Mielke M S等[27]对金樱子叶绿素荧光参数变化的研究结果相一致。张玉豪等[28]和常翠翠等[29]研究发现，由于Fv/Fm只能反映PSⅡ反应中心的光能捕获情况，而PIABS不仅可以反映PSⅡ反应中心对光能的捕获情况，还可以反映PSⅡ反应中心下游的电子传递情况，所以PIABS可以更全面地反映整个光合电子传递链的变化。本研究显示，单株H1502、H1503、H1506和H1507的PIABS值较大，而单株H1508的PIABS值较小，这可能与个体差异有关。PIABS值越大，说明单株的光反应活性越强，吸收光能越多，为植株生长发育提供越多的能量。综上认为，叶绿素荧光参数可作为杂交后代光合性能评价的一个重要指标。

4 结论

本研究通过生长指标和叶绿素荧光参数的相关性分析表明，Fm/Fo和Fv/Fm与地径和叶片含水率呈显著正相关，PIABS与叶长、叶宽和叶面积呈极显著正相关。说明测定的叶绿素荧光参数可作为核桃杂交后代生长快速评判的有效指标。同时利用聚类分析和综合评价方法，可根据综合评价D值较大的6个单株分为A、B两大类，其中H1503和H1507株高和地径生长最好，叶面积和叶绿素含量值较高，且叶绿素荧光数值也较高，具有较高的光合能力。因此，选择H1503和H1507作为在生长和叶绿素荧光方面核桃杂交后代的优良单株，但在产量、丰产性和果实品质等方面有待进一步研究。