高粱叶片光合生理指标比较研究

谭燕　李延玲　康晨　孙守钧　罗峰

摘要：文章选择不同类型的11份高粱品种（系、组合）作为供试材料，测定高粱开花期、乳熟期、蜡熟期和完熟期4个生育时期的旗叶以下7片叶的光合生理指标，分析其与穗质量的关系。结果表明，气孔导度与穗质量相关程度最高，且气孔导度与净光合速率的相关系数达到极显著水平。试验发现，乳熟期为高粱光合速率测定的最佳生育时期，乳熟期旗叶以下第2片叶的气孔导度与穗质量的相关最为密切，由此确定旗叶以下第2片叶为光合速率测定的最佳叶位叶片，建立了单叶气孔导度与穗质量的回归模型。

关键词：高粱；株型性状；叶片；光合生理指标

中图分类号：S514文献标识码：A

光合作用是作物生长过程中最重要的活动，光合效率的高低对作物的产量有直接影响。董树亭等[1]通过相关研究证明作物生物学产量有90%～95%以上来自光合作用；李少昆等[2]研究证明了光合速率与产量呈正相关关系；董彩霞等[3]对小麦苗期光合速率与籽粒产量关系进行了研究，指出光合速率与籽粒产量呈显著正相关关系。研究表明，光合作用是高粱产量形成的基础，高粱叶片的光合作用对产量形成有重要的作用[4]。相关研究表明，作物光能利用率很低，一般只有0.1%～2%，在一些高产作物和高产田条件下，光能利用率也只有3%左右，而理想的光能利用率为3%～5%[5]。目前，我国在农作物高光效育种研究中，已经在小麦等作物上取得了良好的效果，培育出多种高光效的作物品种，实现了产量和光合效率的共同提高[6]。

高粱作为C4植物，光合效率较高，对高粱进行高光效育种有两个方面：一是株型育种，选育理想株型，提高群体光合效率。通过栽培措施改善群体结构，提高叶片对光能的捕获能力[7]。作物的受光形态与光能利用率关系密切，合理的株型可有效增加光合作用面积，延长光合作用时间，从而提高作物的光合效率，也有利于光合产物在作物体内的转移运输，最大限度地提高经济产量，实现增产[8]。二是提高个体光合效率育种，即对个体光合效率相关性状进行遗传改良。目前，大部分对光合作用的研究均以净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度为主要指标进行分析，尽管已取得显著的成果，但研究范围较窄，不能完整地表征作物进行光合作用的状态，因此本研究从生育时期、叶片位置等方面对高粱叶片的11个光合生理指标进行分析，为建立高粱表征植物叶片的光合作用测定体系奠定基础。

1  材料和方法

1.1   试验材料

試验以3种不同类型的高粱为供试材料：第一类为甜高粱（植株高大，叶片宽厚，叶夹角较大），品种为“丽欧”；第二类为饲草高粱（植株较高，叶片窄长，叶夹角中等），主要品种包括“07-4”“GL498”“GL503”“GL505”；第三类为粒用高粱（植株矮小，叶片宽厚上冲，叶夹角较小），包括3份高粱恢复系材料“引-20”“引-31”“引-65”（由美国普渡大学引进）以及以它们为父本、以高粱雄性不育系314A（简写为3A，下同）为母本配制的3个杂交组合“3A/引-20”“3A/引-31”“3A/引-65”。供试品种（系、组合）编号为：1、“3A/引-20”（3A/Y-20）；2、“3A/引-31”（3A/Y-31）；3、“3A/引-65”（3A/Y-65）；4、“引-20”（Y-20）；5、“引-31”（Y-31）；6、“引-65”（Y-65）；7、“丽欧”（Lio）；8、“07-41”；9、“GL498”；10、“GL503”；11、“GL505”。

1.2   试验设计

试验于2016—2017年在天津市静海区良种场进行。试验地土壤为黏质土，轻度盐渍化，土壤肥力均匀，前茬作物为玉米。2016—2017年均于5月15日播种，采取完全随机区组设计，各品种（系、组合）各种植3行，杂交后代种植30行，行长10 m，行距0.5 m，株距0.25 m。其他管理同一般大田。

1.3   光合生理指标的测定

待供试品种（系、组合）抽穗后，每个品种（系、组合）选取长势一致、无病虫害的3株植株，挂上标牌，分别在开花期、乳熟期、蜡熟期、完熟期4个生育时期的初始期进行光合生理指标的测定。测定时，同一个品种（系、组合）不同时期叶片测定的点位一致，测定时间相同，最多用时30 min。使用CRIAS-2便携式光合仪，在上午9：00—11：30测定高粱从旗叶开始依次往下的7片叶（叶片编号依次为1、2、3、4、5、6、7）的光合生理指标，主要包括：参比CO2浓度（CO2R）、参比CO2浓度落差（CO2D）、光合有效辐射（PAR）、参比空气湿度（MBR）、参比空气湿度落差（MBD）、叶室温度（TC）、蒸腾速率（EVAP）、气孔导度（GS）、叶片温度（TL）、净光合速率（PN）、细胞间CO2浓度（CI）。每片叶测量3次，取3株的平均值进行统计分析，待植株成熟后，测定穗质量。

1.4   数据处理

利用Microsoft Excel2007和SPSS19.0进行数据统计分析。

2  结果与分析

2.1   高粱叶片的光合生理指标

2016年高粱穗质量与下列5个光合生理指标有极显著的相关关系（图1），即分别与气孔导度（GS）呈极显著正相关（0.547**），与参比空气湿度落差（MBD）呈极显著正相关（0.518**），与蒸腾速率（EVAP）呈极显著正相关（0.517**），与参比二氧化碳落差（CO2D）呈极显著负相关（-0.464**），与净光合速率（PN）呈极显著正相关（0.457**）；2017年高粱穗质量与气孔导度（GS）相关程度最高（图2），呈极显著正相关（0.812**），其次为蒸腾速率（EVAP）（0.759**）、参比空气湿度落差（MBD）（0.739**）；穗粒质量与气孔导度（GS）也具有较高的相关性，相关系数为0.773**。综合2016—2017年两年间数据，气孔导度和叶片的净光合速率可作为高粱高光效育种的主要光合生理指标。

2.2   不同类型高粱气孔导度和净光合速率的差异

比较

不同类型高粱之间的气孔导度和净光合速率差异显著（图3和图4）。根据气孔导度和净光合速率的变化，可将11份高粱品种（系、组合）划分为两类，甜高粱和粒用高粱为一类（编号1、2、3、4、5、6、7），饲草高粱为一类（编号8、9、10、11）。不同类型高粱间的差异主要表现为粒用高粱的气孔导度和净光合速率明显高于饲草高粱，其中气孔导度最大值是粒用高粱组合“3A/引-65”，为589.61 mmol·（m2·s）-1，最小值是饲草高粱“GL505”，为198.45 mmol·（m2·s）-1。净光合速率最大值是“3A/引-65”组合，为14.731 5 μmolCO2·（m2·s）-1，最小值是“GL505”，为4.887 8 μmolCO2·（m2·s）-1。

在2017年的试验中，气孔导度最大值是“丽欧”，为567.68 mmol·（m2·s）-1，最小值是“GL505”，为100.92 mmol·（m2·s）-1；在净光合速率的变化中，最大值是“引-65”恢复系，为16.20 μmolCO2·（m2·s）-1，最小值是“GL498”，为5.92 μmolCO2·（m2·s）-1。气孔导度和净光合速率这2个指标在高粱多份材料中均表现一致。

2.3   不同类型高粱叶位气孔导度和净光合速率的

变化

通过测定高粱旗叶以下（含旗叶）1～7片叶的光合生理指标，比较不同类型高粱在不同生育时期气孔导度和净光合速率的变化（图5～7）。结果表明，气孔导度在不种类型高粱的不同生育时期差异较大，其中开花期和乳熟期较高，进入蜡熟期后变化平缓。甜高粱乳熟期的气孔导度较高，而饲草高粱和粒用高粱开花期的气孔导度较高。3种类型高粱叶片的气孔导度自上而下有降低趋势，但第1叶和第2叶变化较大。

净光合速率在不同类型的高粱间、不同品种间、不同叶位间变化较大，且变化幅度远超过气孔导度。本研究选用6个粒用高粱材料（3个杂交种、3个恢复系）进行分析，高粱同一品种不同生育时期各叶位叶片净光合速率的变化趋势不尽一致（图8），开花期和乳熟期各叶位间变化幅度较大，只有“3A/引-65”和“3A/引-20”2个组合表现一致，进入蜡熟期以后各品种各叶位的变化平缓，而且高粱杂交组合和相应的亲本恢復系未表现出一致的规律性。这说明净光合速率的瞬时变化速率较快，用净光合速率作为高粱高光效育种的筛选指标不易控制。

2.4   高粱气孔导度和净光合速率的日变化分析

高粱不同品种（系、组合）的气孔导度和净光合速率日变化数据的测定选择在乳熟期进行，分别在9：00、10：00、11：00、14：00、16：00进行测定（因高粱在中午气孔关闭，故12：00不作测定）。从“引-65”和“引-20”2个恢复系的气孔导度（GS）和净光合速率（PN）日变化来看（图9和图10），下午高粱叶片的光合生理指标变化趋势明显低于上午，整体趋势表现为先增加后下降趋势，有明显的峰值，并且2个指标的最大值均出现在第2叶。“引-65”最大值出现在上午11：00，净光合速率为1 846.6 mmol·（m2·s）-1，气孔导度为34.68 molCO2·（m2·s）-1；“引-20”最大值出现在上午10：00，净光合速率为1 492.8 mmol·（m2·s）-1，气孔导度为46.76 μmolCO2·（m2·s）-1，可以看出气孔导度（GS）和净光合速率（PN）的变化趋势高度相似，并且气孔导度（GS）的变化更具有稳定性，所以选择气孔导度作为表征叶片光合作用的指标。

3  最佳测定时期

3.1   不同类型高粱在不同生育时期气孔导度和净

光合速率的变化情况

为进一步比较不同类型高粱气孔导度和净光合速率在不同时期的变化情况，对11个品种（系、组合）进行了分类比较（图11和图12）。

结果表明，粒用高粱和饲草高粱这两类高粱的气孔导度在开花期较高，以饲草高粱最为显著，并表现出随生育进程延迟大体上呈递减趋势。净光合速率在两类高粱中存在差异，未表现出一致的变化规律。净光合速率，粒用高粱的最高时期出现在蜡熟期，而饲草高粱则出现在开花期，且随生育进程延迟而明显递减。气孔导度和净光合速率这2个光合生理指标在不同品种间和不同时期间差异明显。通过以上分析进一步证明，高粱光合生理指标在生育进程中都在不断变化，且受到环境因子的影响，这为育种筛选带来了困难，所以选定测定时期尤为重要。

3.2   高粱适宜光合生理指标测定时期的确定

高粱籽粒产量的形成主要是在开花期以后，因此选择开花期、乳熟期、蜡熟期、完熟期4个时期的叶片气孔导度和穗质量进行相关分析，得出相关系数依次为0.399**、0.539**、0.381*、0.410*，其中乳熟期叶片的气孔导度变化与穗质量的关系最为密切，其次为开花期，均表现为极显著正相关，蜡熟期相关性最低。4个时期的叶片净光合速率与穗质量的相关系数依次为0.367*、0.558**、0.319、0.383*，其中乳熟期的叶片净光合速率与穗质量的相关性最高，达到极显著水平。因此，选择乳熟期为高粱最佳的测定时期。

3.3   高粱代表性叶片的选择

3.3.1 各叶片气孔导度与穗质量的相关性分析 测定有代表性的叶片是提高育种效率的重要手段，试验共测定旗叶以下（含旗叶）7片叶的气孔导度。通过分析叶片气孔导度与穗质量的相关性，可以发现第2叶、第3叶和第6叶的气孔导度与穗质量呈显著相关关系，相关系数分别为0.716*、0.642*、0.606*，2片叶的均值对穗质量影响较大的主要为前4片叶，其中与穗质量相关性最高的为第2、3片叶的均值，相关系数为0.697*（表1）。

3.3.2 乳熟期高粱不同叶位叶片气孔导度与穗质量的逐步回归分析 为进一步确定乳熟期影响高粱穗质量的具体叶片并分析它们之间的数量关系，采用逐步回归分析的方法对2016—2017年两年间数据进行回归分析[9]，除去未通过显著性检验的叶片，建立最优的回归方程。高粱乳熟期不同叶位叶片气孔导度与穗质量关系的预测模型为：

Y=a+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5+b6x6+b7x7（Y为穗质量，a为常数，X为乳熟期某一叶片的气孔导度）

不同叶位气孔导度与穗质量的回归方程如下：

Y=26.325+0.200x1+0.331x2+0.056x3+0.012x4+0.063x5-0.112x6-0.162x7

通过进一步逐步回归，得到逐步回归方程如下：

Y=29.789+0.330x2

模型拟合优度检验及方差分析结果显示（表2），本次预测模型通过显著性检验，为可用模型。根据拟合优度R2越接近1模型越适合的条件，选择模型1为最优模型，调整后R2为0.846，表明高粱第2片叶气孔导度与穗质量关系预测模型的可信度达84.6%，因此选择第2片叶为主要测定叶片。

4  结论与讨论

4.1   结 论

综合2016—2017年试验，在高粱11个光合生理指标与穗质量的相关关系分析中，叶片气孔导度与穗质量相关程度最高，两年结果均达到极显著正相关关系（0.547**和0.812**），气孔导度和净光合速率也呈极显著正相关关系（0.789**和0.604**）。分析气孔导度和净光合速率的日变化情况，二者的变化趋势高度相似，但气孔导度（GS）的变化更具有稳定性。因此，选择气孔导度作为高粱高光效种质的主要光合生理指标。

高粱籽粒产量的形成主要是在开花期以后，通过分析开花期、乳熟期、蜡熟期、完熟期4个时期叶片的气孔导度与穗质量的相关性，得出4个时期二者的相关系数分别为0.399**、0.539**、0.381*、0.410*，乳熟期叶片的气孔导度与穗质量的关系最为密切，因此确定乳熟期为高粱最佳测定时期。

试验表明，高粱不同叶片的气孔导度与穗质量的相关性不同，其中旗叶以下第2片叶的气孔导度与穗质量相关程度较高，2016年和2017年二者的相关系数分别为0.716*和0.622*；逐步回归分析结果显示，第2片叶气孔导度对穗质量的决定系数达到84.6%，由此确定第2片叶为高粱主要测定叶片。

综上所述，本研究得出以下结论：筛选出气孔导度作为选择高粱高光效种质的主要光合生理指标，确定乳熟期为高粱光合速率测定的最佳生育时期，旗叶以下的第2片叶为光合速率测定的最佳叶片，其气孔导度能更加灵敏、准确、客观地表征叶片进行光合作用的状态，对高粱高光效育种具有一定的参考价值。

4.2   讨 论

作物产量形成的基础是光合作用，光合效率直接影响着作物的产量和品质，并反映其光能利用率。作物光合作用的差异不仅受作物自身的遗传特性和植物学特征的影响，还受到外界生态环境的影响。高粱属于C4作物，不同品种、不同叶位光合速率的變化均存在显著差异，这些为高粱高光效育种提供了选择。

前人对作物光合速率的研究一般包括以下指标：蒸腾速率、气孔导度、叶片温度、净光合速率、细胞间CO2浓度，并没有结合所有光合指标来分析作物叶片当时复杂的光合状态。特别是光合速率受环境影响较大，不同时期表现出显著的差异，测定结论无法应用。本研究综合考虑高粱光合作用测定指标、测定时间、测定叶片，分析各指标不同生育时期的变化差异，不同时期各指标与产量性状的相关关系，选择一种相对稳定的指标，建立与产量性状的回归模型，为确定高粱高光效育种的有效方法提供参考。

参考文献

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收稿日期：2021-05-20

主要作者简介：谭燕（1994—），女，在读博士生，主要从事作物遗传育种改良、水稻等方面研究。E-mail：529283778@qq.com