大茎野生种57NG208血缘甘蔗群体F1种质叶片的叶绿素荧光特征

俞华先,田春艳,经艳芬,安汝东,郎荣斌,董立华,桃联安,边 芯,刘洪博,吴才文

(1.云南省甘蔗遗传改良重点实验室/云南省农业科学院甘蔗研究所,云南 开远 661699;2.云南省农业科学院甘蔗研究所瑞丽育种站,云南 瑞丽 678600)

【研究意义】大茎野生种(Saccharumrobustum)别名伊里安野生种,为多年生草本植物,是甘蔗属中的一个重要野生种,具有植株高大、生势旺、抗螟虫、耐旱强、抗倒伏和宿根性好的特点[1-2]。大茎野生种创新种质的利用是广大甘蔗育种工作者的研究热点之一[3-4],研究和利用大茎野生种对拓宽甘蔗遗传基础和品种改良都具有十分重要的意义。【前人研究进展】光合作用是植物将光能转化为有机化学能的能量转换过程,是植物最重要的化学反应,也是影响植物生长快慢和作物产量的重要因素[5]。运用光合作用相关参数可以反应植物在不同光照环境下的生存能力和环境适应能力,而叶绿素荧光参数包含着光合作用过程中丰富的信息,不仅可直接反映光系统对光能的吸收、传递、耗散等特点,还可反映植物叶片中光化学反应的活性与自身的保护能力,是研究植物光合作用与环境关系的重要指标[6]。叶绿素SPAD含量的高低,可决定叶片对光能的利用,进而影响植物的光合特性。前人研究表明,不同作物品种间光合叶绿素荧光参数的差异主要是由于基因型差异[7],因此,可用叶绿素荧光系统测定甘蔗叶片的光合效率,以此作为高光效甘蔗亲本或品种选育和鉴定的重要指标。叶绿素荧光技术是一种以植物光合作用理论为基础,通过研究叶绿素荧光间接反映活体植物光合生理状况的技术,具有快速、简便、且测量过程对植物生长无影响的特点[8]。近年来,叶绿素荧光技术已广泛应用于棉花[9]、茶叶[10]、水稻[11]、快白菜[12]、柚木[13]和核桃[14]等多种作物。王勤南等[15]对甘蔗叶片叶绿素荧光参数日变化进行了研究;谢静等[16]以甘蔗与斑茅远缘杂交获得的不同世代为材料,研究其光合作用特征;王勤南等[17]利用叶绿素荧光技术研究了59份甘蔗细茎野生种质的叶绿素荧光特性;安东升等[18]研究了甘蔗苗期不同叶位叶绿素荧光特性;邱永生等[19]利用叶绿素荧光技术分析了含斑茅血缘亲本与甘蔗常用亲本之间的光合能力差异性;另外,许多研究者已将叶绿素荧光参数指标应用于甘蔗抗旱性评价中,朱理环等[20]、罗俊等[21]研究了干旱胁迫对甘蔗苗期叶片叶绿素荧光参数的影响,结果表明,水分胁迫下荧光参数Fv/Fm、Fv/Fo明显降低;刘三梅等[22]以粤糖86-368、粤糖93-159、云引3号和新台糖22号等云南主栽甘蔗品种为材料,测定其在各个生育时期干旱胁迫下的光合指标及叶绿素荧光参数,结果表明干旱胁迫下除云引3号品种的光合指标在分蘖期降幅显著大于苗期和伸长期外,其余品种的光合指标和叶绿素荧光参数降幅均在伸长期最大;俞华先等[23]以4份含大茎野生种57NG208血缘的F2代甘蔗材料,测定水分胁迫下甘蔗叶片叶绿素荧光动力参数,结果发现水分胁迫下甘蔗叶片的SPAD、Fm、Fv/Fo和Fv/Fm均降低;刘家勇等[24]研究了6个甘蔗品种9:00—19:40时的叶绿素荧光动力学参数,结果表明干旱胁迫下,Fv/Fo和Fv/Fm的测量值随着气温的升高显著降低。【本研究切入点】云南省农业科学院甘蔗研究所瑞丽育种站依托所在地德宏州瑞丽市得天独厚的地理气候环境,不断改进光温诱导技术,成功诱导大茎野生种57NG208开花,并利用大茎野生种57NG208与热带种南涧果蔗杂交创制了一批优良种质材料,但迄今为止对这些优良创新种质群体叶绿素含量SPAD值及叶绿素荧光特性方面的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】采用叶绿素荧光分析技术并结合聚类分析对大茎野生种57NG208血缘F1群体种质的叶片叶绿素荧光参数和叶绿素SPAD值进行分析,探究该群体叶绿素荧光动力学特征的差异,筛选高光效种质,为大茎野生种血缘特色亲本培育奠定种质基础。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为云瑞12-38-1与大茎野生种57NG208杂交所创制的大茎野生种血缘F1群体材料,共120丛。

1.2 方法

1.2.1 试验地点 试验安排在云南省农业科学院甘蔗研究所瑞丽育种站基地,该基地位于云南省德宏州瑞丽市,海拔778.6 m,年降雨量1394 mm,阳光充足,全年无霜,属于南亚热带季风型湿润蔗区。试验田块地势平坦,土壤肥沃,沟渠通畅灌溉方便。试验材料在3月7日完成实生苗播种,4月18日假植,6月4日完成大田移栽。试验采用间比设计,行距1.1 m、行长6.0 m,肥料、农药的使用与大田生产一致。

1.2.2 调查方法 采用PAM-2500便携式荧光仪(德国Walz公司)于2020年8月29日17:00—22:00时测定叶绿素荧光动力学参数。参考邱永生等[19]、刘家勇等[24]和王勤南等[17]的方法,每丛选取3棵健康单株,选择+1叶测量初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、实际光化学效率Y(Ⅱ)、光化学荧光猝灭系数(qP)和非光化学荧光猝灭系数(NPQ),参考张守仁[25]的方法计算可变荧光Fv(Fv=Fm-Fo)、Fv/Fm、Fv/Fo等参数。同时,参考俞华先等[26]的方法选取+2叶采用手持便携式SPAD-502叶绿素仪分别测定叶基、叶中、叶尖3部位的叶绿素SPAD值,各部位重复3次,取平均值。

1.3 数据分析

利用Microsoft Excel 2007对所有数据取平均值,采用RStudio软件包进行聚类分析;采用SPSS 22.0 软件进行相关分析和方差分析。

2 结果与分析

2.1 光合指标的遗传变异分析

从表1可以看出,叶绿素SPAD值的变幅为9.300～51.070,有61份种质的SPAD值超过平均值(40.650),云瑞19-8-33该值最大,云瑞19-8-57该值最小,最大值是最小值的5.49倍。初始荧光(Fo)和最大荧光(Fm)变幅分别为110.000～601.000、239.000～2295.000,其中有68份种质的初始荧光(Fo)超过平均值(384.908),云瑞19-8-10该值最大,云瑞19-8-43该值最小,最大值是最小值的5.46倍;有66份种质的最大荧光(Fm)超过平均值(1270.958),云瑞19-8-1该值最大,云瑞19-8-117该值最小,最大值是最小值的9.60倍。最大光化学效率(Fv/Fm)和潜在光化学效率(Fv/Fo)变幅分别为0.230～0.800、0.310～3.973,有79份种质的最大光化学效率(Fv/Fm)超过平均值(0.678),云瑞19-8-43该值最大,云瑞19-8-13该值最小,最大值是最小值的3.43倍;67份种质的潜在光化学效率(Fv/Fo)超过平均值(2.297),云瑞19-8-43该值最大,云瑞19-8-13该值最小,最大值是最小值的13.03倍。实际光化学效率Y(Ⅱ)的变幅为0.130～0.790,有86份种质的实际光化学效率Y(Ⅱ)超过平均值(0.649),云瑞19-8-62该值最大,云瑞19-8-13该值最小,最大值是最小值的6.13倍;光化学淬灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(NPQ)变幅分别为0.030～0.990、0.010～0.980,其中有80份种质光化学淬灭系数(qP)超过平均值(0.783),有44份种质的非光化学淬灭系数(NPQ)超过平均值(0.272),云瑞19-8-90光化学淬灭系数(qP)最大,云瑞19-8-99非光化学淬灭系数(NPQ)最大,云瑞19-8-108光化学淬灭系数(qP)最小,云瑞19-8-48非光化学淬灭系数(NPQ)最小,光化学淬灭系数(qP)最大值是最小值的35.68倍,非光化学淬灭系数(NPQ)最大值是最小值的140.43倍。这些光合指标的变异系数,以非光化学淬灭系数(NPQ)最大(93.987%),最大光化学效率(Fv/Fm)最小(13.749%)。

表1 F1群体种质的光合指标Table 1 Photosynthetic indexes of F1 generation

光系统Ⅱ的最大荧光效率(Fv/Fm)及其潜在光化学效率(Fv/Fo)是衡量植物光能利用能力大小的指标,Fv/Fm和Fv/Fo值越大,表明该植物的光能利用潜力越大[27]。赵洋等[28]研究认为叶绿素荧光不仅反映了植物的光能传递和转换效率,还是评估植物叶片光合潜能高低的指标。从表2可以看出,云瑞19-8-43、云瑞19-8-54、云瑞19-8-62、云瑞19-8-64、云瑞19-8-106、云瑞19-8-44、云瑞19-8-2、云瑞19-8-108、云瑞19-8-38、云瑞19-8-57、云瑞19-8-26、云瑞19-8-50、云瑞19-8-107、云瑞19-8-65等13份材料的Fv/Fm值均大于0.750,Fv/Fo值均大于3.000,是难得的高光效优良种质。

表2 13份高光效种质的最大光化学效率及潜在光化学效率Table 2 Maximum photochemical efficiency and potential photochemical efficiency of 13 high light efficiency germplasms

2.2 F1代种质资源间光合指标的方差分析

对120份大茎野生种57NG208血缘F1代种质的SPAD值及荧光动力学参数进行方差分析(表3),120份种质的SPAD值、Fo、Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、Y(II)、qP和NPQ等8个指标的差异均达极显著水平(P<0.01)。

表3 F1群体种质的光合指标间的方差分析Table 3 Variance analysis of photosynthetic indexes among germplasms of F1 generation

2.3 光合参数的相关分析

由表4可知,SPAD值与最大荧光(Fm)的相关系数最大为0.866,与Fv/Fo值的相关系数最小为0.100。初始荧光(Fo)与最大荧光(Fm)、实际光化学效率Y(Ⅱ)和光化学淬灭系数(qP)呈极显著正相关(P<0.01),与非光化学淬灭系数(NPQ)呈极显著负相关。最大荧光(Fm)与潜在光化学效率(Fv/Fo)、最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率Y(Ⅱ)和光化学淬灭系数(qP)呈极显著正相关(P<0.01),与非光化学淬灭系数(NPQ)呈极显著负相关。潜在光化学效率(Fv/Fo)与最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率Y(Ⅱ)呈极显著正相关(P<0.01),与非光化学淬灭系数(NPQ)呈极显著负相关。最大光化学效率(Fv/Fm)与实际光化学效率Y(Ⅱ)呈极显著正相关(P<0.01),与非光化学淬灭系数(NPQ)呈极显著负相关。光化学淬灭系数(qP)与非光化学淬灭系数(NPQ)呈极显著负相关。

表4 光合参数的相关分析Table 4 Correlation analysis of photosynthetic parameters

2.4 F1代种质资源间实际光化学效率Y(Ⅱ)的聚类分析

实际光化学效率Y(Ⅱ)反映了光系统进行光化学反映的强弱,即光合作用的强弱或光合速率的大小,Y(Ⅱ)值高,表明甘蔗具有较高的光能转化效率[14,29]。本研究基于120份大茎野生种57NG208血缘F1后代种质的实际光化学效率Y(Ⅱ),利用R软件,以欧式距离、类平均法(UPGMA法)进行系统聚类分析。由图1可见,在欧式距离D=1.00处,120份种质被分成3大类,各类群间差别较大,第Ⅰ类为低等光能转化效率类型,有7份种质,占参试材料的5.83%,其实际光化学效率Y(Ⅱ)变幅在0.128～0.242;第Ⅱ类为中等光能转化效率类型,有7份种质,占参试材料的5.83%,其实际光化学效率Y(Ⅱ)变幅在0.293～0.496;第Ⅲ类为高等光能转化效率类型,有106份种质,占参试材料的88.34%,其实际光化学效率Y(Ⅱ)变幅在0.529～0.785,其中有63份材料其实际光化学效率Y(Ⅱ)在0.700以上,占总参试材料的52.50%。

图1 采用UPGMA法构建的聚类分析Fig.1 Cluster analysis constructed by UPGMA method

3 讨 论

3.1 叶绿素荧光是研究光合作用的有效探针

多年来,随着便携式光合作用测定系统向小巧、便捷的趋势快速发展,自然条件下活体测定甘蔗大群体种质的光合速率得以实现,这也为开展以光合速率为选择指标的甘蔗高光效育种奠定了基础。叶绿素荧光是研究光合作用的有效探针之一,能够探测许多有关植物光合作用的信息,叶绿素荧光几乎能反映所有的光合作用过程的变化[30]。通过叶绿素荧光动力学来直接或间接研究活体植物的光合生理状况,具有快速、灵敏、可靠、无干扰、对植物生长无损伤的特点,因此该技术被广泛应用在植物光合作用的研究中。郭国业等[31]、唐敏等[32]、马洪英等[33]、郑蓉等[34]分别研究了月季、茶树、水果型黄瓜、观赏竹,发现不同作物的不同品种(系)间叶绿素荧光参数存在显著差异。本研究120份大茎野生种血缘F1群体不同种质的SPAD值和叶绿素荧光参数在不同种质间呈极显著差异的结果与上述研究结论一致,说明甘蔗叶片的光合特性受到遗传基因的影响。在育种实践中,应加强对那些光合特性指标达到极优水平的极端材料的利用。

3.2 各数量性状间的相关性分析

植物叶片的SPAD值与叶绿素含量关系密切,可直接反映植物叶绿素相对含量[35-37]。本研究中,甘蔗叶片的SPAD值与Y(II)、qP呈正相关,与NPQ呈负相关,说明叶绿素含量的多少决定着光合中心数量,光合中心数量的多少直接影响着光合量子产量的高低、电子传递速率的快慢及光化学淬灭系数的大小,也符合植物光合过程中的能量分配规律“1=光合作用+叶绿素荧光+热耗散”。最小荧光Fo与Fv/Fm呈正相关,与王志军等[9]在棉花、徐崇志等[14]在核桃上的研究结论最小荧光Fo与Fv/Fm呈极显著负相关不一致,出现这样的情况,可能是由于甘蔗是一种高光效的C4植物,光合参数呈现的规律可能与其它作物不同。Fv/Fm和Fv/Fo呈极显著正相关,与余兴华等[29]对9个参试甘蔗品种光合指标与抗旱性关系的研究结论一致;qP和NPQ呈极显著负相关,与刘立云等[30]、蔡齐飞等[38]分别对不同品种油茶和山桐子叶绿素荧光参数存在差异的研究结论相符,即NPQ越大qP越小,植物光合作用中利用光能的能力越低;而qP越大NPQ越小,叶片对光能利用能力则较高。qP(光化学淬灭系数)与NPQ(非光化学淬灭系数)呈极显著负相关,与叶绿素含量SPAD值呈正相关的结论,与唐敏等[32]对不同茶树品种(系)叶绿素荧光特性比较的研究结论一致;而光化学淬灭系数(qP)与实际光化学效率Y(II)呈正相关的结论,与徐崇志等[14]对新疆5个核桃品种叶绿素荧光动力学参数的比较以及刘立云等[30]对不同品种油茶叶绿素荧光动力学参数比较的研究结论一致。

3.3 聚类分析

Y(II)为实际光化学效率,是反映植物叶片光合电子传递速率快慢的相对指标[39]。Y(II)值越大表明PSⅡ光能转换率越高,PSⅡ活性越强,可为光合碳同化积累更多所需要的能量,以促进碳同化的高效运转和碳水化合物的积累。文章基于Y(II)值对参试材料进行聚类分析,将参试材料分为高光效、中光效和低光效3个类型,其中高光效有106份,占参试材料的88.34%,可能是因为本试验中叶绿素荧光参数测定时间选择在17:00—22:00时,这个时间的自然光线较弱,Y(II)值反映的是光下叶片的实际光化学转化效率,只有当照光强度(光化光)达到一定水平时,Y(II)值的信息才能真实反映光合作用的状态,因为在光强很弱时卡尔文碳同化过程可能无法正常运转而导致Y(II)值可能较高;而刘家勇等[24]研究表明只有选择适宜的测量时段和制定合理的测量方案,才可减少气温变化对测量叶绿素荧光动力学参数的影响。本试验结合光系统Ⅱ的最大光化学效率(Fv/Fm)及其潜在光化学效率(Fv/Fo)筛选出的13份高光效种质都在聚类分析的106份高光效种质中,说明这13份种质是高光效种质。

4 结 论

在大茎野生种57NG208血缘F1种质中,云瑞19-8-43、云瑞19-8-54、云瑞19-8-62、云瑞19-8-64、云瑞19-8-106、云瑞19-8-44、云瑞19-8-2、云瑞19-8-108、云瑞19-8-38、云瑞19-8-57、云瑞19-8-26、云瑞19-8-50、云瑞19-8-107等13份材料属于高光效种质,在创新育种过程中要加大利用力度。