马铃薯光合效率遗传分析及综合评价

谢 锐, 金晓蕾, 韩志刚, 程玉臣,, 赵小庆,, 张向前,, 高艳蓉, 郭景山, 路战远,

(1.河北农业大学农学院,河北保定 071000; 2.内蒙古自治区农牧业科学院,内蒙古呼和浩特 010031;3.内蒙古自治区退化农田生态修复与污染治理重点实验室,内蒙古呼和浩特 010031)

光合作用是作物生产力的主要决定因素,光合效率潜能的提高是增产的基础[1-2]。作物积累的干物质有90%～95%来自于叶片的光合作用[3-5]。马铃薯在生长发育过程中生物量形成的主要来源为光合作用,光合作用的强弱和效率的高低直接决定着生物量和块茎产量[6-7]。通过高光效育种改善马铃薯叶片光合效率和光能利用率是提高块茎产量的有效途径之一,而遗传变异是高光效育种的基础[8-11]。内蒙古阴山北麓地区是我国马铃薯主要产区之一,研究马铃薯种质资源的光合生理特性,筛选高光效种质资源及选育适宜该地区高光效品种对马铃薯增产具有重要意义。

同一作物不同种质间的光合效率存在明显的遗传变异,这为高光效种质的筛选和新品种选育提供了可能[12]。Acevedo-Siaca等发现在光诱导过程中不同基因型水稻叶片的CO2同化效率存在明显差异[13];Rawson等通过研究小麦光合特性的种内变异以及选择对光合作用的潜在影响,发现在地中海环境中育种导致现代品种在饱和光下的光合效率比老品种有所提高[14-15]。同时也有学者通过不同光合指标,对作物光合效率进行直接评价,如薛惠云等对不同棉花种质的株型、叶绿素含量、光合参数及荧光参数等指标进行比较分析,并阐释了棉花高产稳产的光合生理基础[16];苏春桃等以气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)为关键因子,将23份甘薯品种划分为5个类群,筛选出高光效种质7份[17];尹旺等以净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度及蒸腾速率作为筛选指标,通过聚类和相关性分析,筛选出18个高光效材料[18]。综上所述,种内光合作用存在自然变异,并且遗传特性相对稳定,这为高光效育种提供了可能。另外,数量分析法能较好地反映种质的综合性状,为育种过程中亲本选配提供依据。

当前,对于马铃薯种质资源鉴定评价主要围绕产量、品质及抗逆性等开展,对不同种质间光合效率的鉴定评价研究较少,致使可用于生产和遗传改良的高光效种质匮乏。本研究以国内外15个马铃薯品种为供试材料,系统分析了8个光合相关参数的变异情况和遗传力,并通过主成分分析和系统聚类对不同马铃薯种质进行评价、分类,筛选出高光效种质,以期为马铃薯高光效育种提供理论依据和亲本。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年5—9月在国家马铃薯产业技术体系呼和浩特综合试验站开展。试验站位于呼和浩特市武川县(111°15′E,40°96′N),平均海拔 1 682 m,年均降水量355 mm,年均气温3 ℃,无霜期110 d左右。试验地土壤类型为栗钙土,肥力均匀,前茬作物为燕麦,0～20 cm土层土壤理化性质:速效氮、速效磷、速效钾含量分别为35.2、3.5、112.0 mg/kg,有机质含量10.6 g/kg,pH值8.3。

1.2 供试材料与试验设计

选取不同地域来源马铃薯品种15份(表1),其中北京1份、内蒙古6份、黑龙江2份、青海1份、河北2份、美国1份、荷兰2份。试验采用单因素随机区组设计,3次重复,共计45个小区。每个小区为5行区设计,行距0.9 m,行长5.0 m,株距0.25 m,每行种植20株。施肥量分别为N 300.0 kg/hm2、P2O5180.0 kg/hm2、K2O 300.0 kg/hm2,其中磷、钾肥及1/3氮肥作为基肥于播种前一次性施入,2/3氮肥第一次中耕时施入。5月10日播种,9月20日收获。灌溉、病虫草害防治等田间管理与大田一致。

表1 供试马铃薯品种及来源

1.3 测定指标与测定方法

于淀粉积累期(出苗后60 d左右)选择3 d晴朗天气(8月9日、10日和12日),每个小区选择3株长势一致的植株,利用Li-6800(Li-Cor,USA)便携式气体交换系统测定马铃薯倒四叶的顶小叶气体交换参数,包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)等。测定时间为09:00—12:00,光强设定为1 000 μmol/(m2·s),二氧化碳浓度设定为400 μmol/mol。空气相对湿度设定为60%,流速为500 μmol/s。气体交换参数测定完成后利用SPAD-502(Konica Minolta,Japan)叶绿素仪测定叶片相对叶绿素含量(SPAD值),每个小区选择6株测定,取平均值。根据叶片气体交换参数,参照叶子飘等的方法分别计算瞬时羧化效率(CE=Pn/Ci)、气孔限制值(Ls=1-Ci/Ca,Ca为大气CO2浓度)和水分利用率(WUE=Pn/Gs)[19]。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010进行数据整理,用SPSS 22.0对光合性状进行差异显著性分析、相关性分析、聚类分析和主成分分析,利用SigmaPlot 12.5和 Origin 2019b软件进行作图。

光合性状广义遗传力(h2)参照Holland的方法用以下公式计算[20]:

2 结果与分析

2.1 光合性状的遗传变异

由图1可知, 15份马铃薯种质的8个光合参数差异明显(图1),变异程度和显著性检验结果表明,不同品种的8个光合性状变异系数介于5.81%～31.16%之间(表2),其中变异系数大于15%的性状有5个,分别为Gs(31.16%)、Tr(29.12%)、Pn(17.91%)、WUE(17.40%)和CE(17.19%);而Ci的变异最小,SPAD值次之,其变异系数分别为5.81%、6.60%。通过对光合性状进行广义遗传力分析可知,8个光合性状的广义遗传力变幅为17.08%～99.64%,均值为77.47%,由大到小依次为Ci>WUE>Pn>SPAD值>Tr>Gs>Ls>CE,除Ls和CE外,其余光合性状广义遗传力均大于60%,Ci的遗传力最高,而CE的遗传力最低。综合以上结果表明,供试的15份马铃薯种质光合性状遗传多样性较为丰富,且选择的8个光合性状普遍拥有较好的遗传力。

表2 马铃薯光合性状的遗传变异分析结果

2.2 光合性状间的相关性

由表3可知,在所测定的5个光合指标(Pn、Ci、Gs、Tr、SPAD值)间,除Ci与Pn、SPAD值及Gs与SPAD值之间无显著相关外,其余参数两两之间均呈极显著正相关关系。通过计算得到3个指标(CE、Ls、WUE)间,Ls与WUE呈显著正相关关系,而CE与这2个指标间存在负相关关系。CE与Pn、Gs、Tr、SPAD值呈极显著正相关关系,与Ci存在正相关关系;Ls与Ci、Gs、Tr呈极显著负相关,而与Pn、SPAD值无显著相关性。WUE与测定的5个指标间,除SPAD值外,与其余指标均呈显著或极显著负相关关系。通过相关性分析可知,大部分测定的气体交换参数、计算出光合参数均呈现显著的正相关或负相关关系,表明各指标表现出的信息存在重叠,且在光合效率评价过程中的作用并不完全相同,因此,通过单一指标来评价种质光合效率具有一定局限性。

表3 马铃薯光合参数间的相关性分析结果

2.3 光合性状的主成分分析

对供试的15份马铃薯种质8个光合参数进行主成分分析,根据特征值 ≥1 的原则提取了2 个主成分,结果见表4,第一、第二主成分(PC1、PC2)特征值分别为5.401、1.691,贡献率分别为67.510%、21.142%,累计贡献率达88.652%,表明前2个主成分能代表代表整体数据的大部分信息。第一主成分中载荷较大的因子有Gs、Tr、Pn,主要反映光合作用中气孔因素,而第2主成分在SPAD值上的载荷最大,反映了光合作用中相对叶绿素的变化因素。因此,可将这8个光合相关参数转化为2个综合性指标,进一步对不同种质马铃薯资源进行光合效率评价。

表4 马铃薯品种光合指标主成分分析结果

2.4 光合效率综合评价指数

依据主成分分析得出的2个主成分特征值和得分系数,计算15个种质的综合主成分值,即光合效率综合值,并对其排序,即可对各种质进行综合评价比较,其值越大表示光合效率越高。由图2可知,15份马铃薯种质光合效率综合值变幅为-3.43～2.88,其中大于1.0的种质有5个,分别为SFT、XS6、XJ2、ZS5、HQH,它们的光合效率较高,小于-1.0的种质有4个,分别为F、CY2、HS7、ZJ2,它们的光合效率较低。由图3可知,通过建立SPAD值与光合效率综合值间线性关系发现,两者间存在极显著正相关关系,相关系数为0.678。

2.5 聚类分析与高光效种质筛选

遗传距离是衡量种质间综合差异的有效指标。本研究采用系统聚类-组间连接法对15份马铃薯种质的8个光合参数进行系统聚类,如图4所示,在欧氏距离(D)为15.0时,可将15份马铃薯种质分为3类。第Ⅰ类群共8份,占参试材料的53.33%,包括V7、NS7、XJ2、ZS5、KX23、QS9、F、HQH(即Lucinda、内薯7号、兴佳2号、中薯5号、克新23号、青薯9号、Favorita和后旗红);第Ⅱ类群共3份,占参试材料的20.00%,包括ZJ2、CY2、HS7(即中加2号、川引2号、华颂7号);第Ⅲ类群共4份,占参试材料的26.67%,包括LS4、SFT、XS6、JZS12(即龙薯4号、Spunta、希森6号、冀张薯12号)。由图5可知,第Ⅲ类群与第Ⅰ类群的Pn无显著差异,但显著高于第Ⅱ类群,第Ⅲ类群的Ci、Gs、Tr均显著高于其他2个类群,第Ⅰ类群和第Ⅲ类群的CE均显著高于第Ⅱ类群,而第Ⅱ类群的Ls和WUE均显著高于其他2个类群,3个类群的SPAD值虽无显著性差异,但第Ⅰ、第Ⅲ类群仍大于第Ⅱ类群。由此可知,第Ⅲ类群为高光效资源,第Ⅰ类群为中等光效资源,第Ⅱ类群为低光效资源,这与光合效率综合值评价得出的结论基本一致。

3 讨论

3.1 光合性状的遗传变异

自然界种内和种间光合速率显著变化,为种质遗传多样性提供了丰富的来源,此外,光合潜力差异背后的生理或遗传机制可能为不同品种在特定环境下的表现提供有价值的信息[21]。本研究中测定了15份马铃薯种质的8个光合相关参数,通过方差分析显示,各参数间均达到极显著差异,且变异系数介于5.81%～31.16%之间,表明其基因库比较丰富,遗传背景复杂。在尹旺等的研究中所测定的光合相关参数也表现出极显著差异[18,22],本研究结果与之基本吻合。这也充分说明本研究所选取的种质材料具有良好的代表性以及在高光效种质筛选方面的遗传基础广泛,为高光效品种选育及改良提供了可能。在叶片水平上,气孔是CO2和H2O进出的通道,其开合主要受遗传因素和外界环境影响,且净光合速率的高低也取决于气孔限制和叶肉限制2个因素[23-24],因此,光合速率与气孔导度关系密切。本研究中,气孔导度(Gs)的变异系数及在第一主成分中的载荷最大,且与净光合速率呈极显著正相关关系,所以气孔导度在应对复杂多变的环境和改善光合效率方面具有丰富的种质基础。虽然本研究发现各马铃薯叶片光合参数均存在明显的种内变异,同样在小麦、大麦和水稻上也有相似结论[25-27],但究其发生变异的生理机制仍不明确,有待进一步探究。

广义遗传力是评价性状传递给子代能力强弱的重要指标[28]。Singh认为当遗传力高于80%时为极高水平遗传力,介于60%～79%之间为中高水平,介于40%～59%之间为中等水平,低于40%为较低水平[29]。本研究中Pn、Ci、Tr、WUE、SPAD值的广义遗传力均大于80%,为极高水平;Gs的广义遗传力为68.62%,属中高水平,而CE和Ls的广义遗传力较低。许国春等的研究显示Ci的广义遗传力低于40%[30],本研究结果与之有一定差异,可能因为在测定光合参数时CO2设置的原因所造成。

3.2 综合评价方法

亲本的鉴定、评价及选择是高光效育种成功与否的关键,而科学筛选评价高光效种质的方法是该过程中尤为重要的一环。主成分分析通过降维可将多个变量简化为少数综合指标,马铃薯光合性状间存在不同程度的相关性,利用主成分分析法既可提取性状的绝大部分信息,又可避免人为偏好或单一指标的局限性[31]。聚类分析通过各指标间相似性将对象进行分类,其结果稳定、准确,能真实地反映种质的综合性状[32-34]。此方法的优点在于综合了多项相关参数,并且考虑了各参数的权重和相关性,评价结果全面、精准,在花生、玉米、棉花等作物的营养品质、氮素效应、抗旱性综合评价中被广泛应用[35-37]。本研究利用此法,通过计算光合效率综合值和聚类结果基本一致,筛选得到高光效资源4份,中等光效资源8份,低光效资源3份,其中高光效种质在胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率方面较其他2类种质有显著优势,这与许国春等的研究结果[30]基本一致。另外,研究发现光合效率综合值与SPAD值间存在极显著的正相关关系,这与陈军等的研究结果[38]基本一致。这表明SPAD值在一定程度上可以反映马铃薯的综合光合效率,而在3类种质整体分析时,高、中光效种质的SPAD值虽然高于低光效种质,但其差异不显著,可能是测定群体小导致的。

4 结论

综上所述,本研究中15份种质间的8个光合性状存在极显著差异,变异系数介于5.81%～31.16%之间;除气孔限制(Ls)和羧化速率(CE)外,其余性状广义遗传力均较高。相关性分析结果表明,SPAD值与光合效率综合值呈极显著正相关关系。基于主成分分析和系统聚类分析,筛选得到4份高光效种质、8份中等光效种质和3份低光效种质,其中高光效种质包括龙薯4号、Spunta、希森6号、冀张薯12号,可作为高光效品种应用于生产或为高光效育种提供亲本。