新疆杂草黑麦的光合特性分析及综合评价

崔 敬，穆云森，温晓蕾，杨燕萍，魏 莱，车永和

(河北科技师范学院农学与生物科技学院/河北省作物逆境生物学重点实验室，河北省秦皇岛市 066000)

光合作用是植物进行物质积累与生理代谢的基础[1]，是植物最基本的生理进程[2]。它决定着作物的生长发育、营养品质的好坏和生产力的高低。近些年来，光合作用已经成为作物产量提高的一个主要特性，因为传统的植物育种已经使作物的收获指数和吸收日光的能力达到了极限[3]，生物量成为了主要育种目标。在作物生物量的提高过程中，改善作物的光合能力起着重要作用。

高光效一直是国际上光合作用研究和遗传育种研究的热点问题[4]。研究表明，光合特性是高度可遗传的，且在可利用的种质中存在着显著的变异[5]。有研究者从马铃薯种质资源中筛选出5个高光效品系[6]。俄罗斯水稻研究所在不同水稻品种中鉴定了高光合潜力遗传系统和控制光合效率的多态性位点的供体和来源[7]。通过对水稻高光效基因型Hd3aKasa进行了分子标记鉴定，开发出包含4条引物的共显性分子标记hd3afnp，能够精确区分Hd3a基因的2个等位基因和杂合基因型[8]。通过筛选高光效种质可为高光效基因精细定位、作物高光效育种拓宽遗传基础。

黑麦属(SecaleL.)是小麦的近缘属[9]，属禾本科小麦族[10]，该属植物在麦类作物遗传育种和牧草种质开发中占有非常重要的地位。新疆杂草黑麦(Secalecerealsubsp.segetale)为一种杂草型黑麦类型，是我国一种独特的野生植物资源，具有分蘖多、抗性强、适应性广等特点[11]，可为小麦的遗传育种改良提供优异的基因资源。目前已有学者在新疆杂草黑麦遗传多样性、细胞学、形态学优良性状的鉴定等方面开展了研究[12-16]。相比于其他作物，黑麦光合方面的研究报道较少。而目前，小麦高光效育种大多以栽培品种为材料，遗传基础狭窄，导致种质资源匮乏[2]。近年来，很多研究人员在研究过程中将水分利用效率也作为研究光合特性的重要指标[17-18]，因此本课题组对收集保存的新疆杂草黑麦材料进行光合特性及水分利用率分析，发掘新疆杂草黑麦优异的基因资源，以期为麦类作物高光效育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料来自中国农业科学院作物科学研究所收集和保存的新疆杂草黑麦种质资源。本研究随机选取15个新疆杂草黑麦居群进行分析鉴定(表1)。

表1 新疆杂草黑麦来源信息Table 1 Origination of Secale cereale subsp. segetale

1.2 试验方法

1.2.1 试验地点及自然条件

试验地点为河北科技师范学院昌黎县农学与生物科技学院试验站。昌黎县位于秦皇岛西南部沿海地区(东经118°，北纬39°)，属中国东部的季风地区为暖温带半湿润大陆性气候，日照充足。

1.2.2 田间试验设计

2019年10月，在实验室内进行育苗，用赤霉素溶液20 mg·L-1于培养皿内浸种10 h。将蛭石和河沙(蛭石∶河沙=1∶1)混匀，装到培养盒内，于培养盒的三分之二即可。把浸种后的种子摆到培养土上，要求分布均匀，并在种子上覆一层薄土，放于培养箱进行低温春化处理。幼苗长到二叶期左右时移栽到试验田，每份材料单行栽植，3次重复，株距15 cm，行距 20 cm。材料按常规大田管理措施进行。

1.2.3 光合指标测定

在开花期，对新疆杂草黑麦旗叶的光合参数用GFS-3000光合测定仪(WALZ,German)进行测定。测定时设置流量为750 mL·min-1，CO2浓度为380 μmol·m-2·s-1，相对湿度为60%；因为光照强度的变化会对测得的数据造成影响，所以在测定时须借助GFS-3000光合测定仪配备的光源灯，光照强度设置为1 200 μmol·m-2·s-1；选在晴天上午9：00-12：00进行测定；每份材料5次重复。测定时待仪器内数据稳定后，读取旗叶的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、细胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)等指标的数值。然后计算水分利用效率(WUE)，WUE=Pn/Tr。

1.2.4 产量相关性状测定

参考《小麦种质资源描述规范和数据标准》[19]考察其产量性状，在成熟期随机选取10个单株，风干后测定单株生物量，并对其单株穗数、穗粒数、千粒重等进行考种，数值取10株的平 均值。

1.3 统计分析

利用SPSS22.0进行方差分析、主成分分析、聚类分析、相关性分析等。

2 结果与分析

2.1 不同新疆杂草黑麦居群光合参数的差异

方差分析结果(表2)表明，不同材料间Pn、Tr、Gs和WUE均存在显著差异，Ci差异不显著。不同材料间各指标的变异程度不同，其中Pn变异最大，变异系数为19.47%；Ci变异最小，变异系数为13.94%。Pn、Tr、Gs和WUE的最高值和最低值之间分别相差1.76倍、1.44倍、 1.68倍和1.55倍。这说明不同新疆杂草黑麦材料的光合特性遗传变异较大，具有较丰富的遗传信息。

表2 新疆杂草黑麦光合参数方差分析Table 2 Analysis of photosynthetic parameters and variance of Secale cereale subsp. segetale

2.2 不同新疆杂草黑麦居群光合参数的相关性分析

从相关性分析结果(表3)看，新疆杂草黑麦Pn与Tr呈显著正相关，与Gs和WUE呈极显著正相关，与Ci呈极显著负相关；Tr与Gs呈极显著正相关；Ci与Gs呈极显著负相关。这表明，新疆杂草黑麦的光合指标间相关性比较强，不同指标间存在信息重叠，因此有必要采用综合分析方法对整个光合特性进行评价。

表3 新疆杂草黑麦光合参数相关性分析Table 3 Correlation analysis of photosynthetic parameters of Secale cereal subsp. segetale

2.3 不同新疆杂草黑麦居群光合参数的主成分分析

先利用极差法对原始数据进行标准化(因Ci与Pn呈显著负相关，所以计算有别于其他指标)，再进行主成分分析。结果(表4)表明，5个指标可以转换为两个主成分。其中，第一主成分的贡献率达65.126%，其中Pn、Tr和Gs都具有较强的正载荷，Ci具有较强的负载荷，故此主成分主要反映光合能力；第二主成分的贡献率为 23.547%，其中WUE具有较强的正载荷，该成分主要反映水分利用。这两个主成分的累计贡献率为88.673%，说明二者能够反映新疆杂草黑麦 光合特性的绝大部分信息，可作为评价的综合 指标。

表4 主成分分析的特征向量和特征根Table 4 Eigenvectors and eigen values of PCA

2.4 不同新疆杂草黑麦居群的综合评价

根据各主成分的特征值及其标准值计算不同材料的各主成分值，进而以各主成分的贡献率为权重，对两个主成分进行线性加权，分别计算15个新疆杂草黑麦居群的综合评价值并排序(表5)。从综合评价值看，排在前三位的材料依次为89R66、89R6、89R33，综合表现较好，其中89R66在第一主成分及综合得分均排名第一，表明其光合性能最好。综合表现最差的材料为89R65。

表5 新疆杂草黑麦主成分得分及优良排序Table 5 Principal component score and rank of Secale cereal subsp. segetale

2.5 不同新疆杂草黑麦居群的聚类分析

以新疆杂草黑麦5个光合参数的综合评价值为依据，采用欧氏距离对15个新疆杂草黑麦居群进行系统聚类分析。当Euclidean距离为10时，可将15个参试居群分成三类(图1)。其中，第Ⅰ类包含4个居群，分别为89R39、89R47、89R65、89R43，其Pn、Tr、Gs和WUE均较低，Ci较高，综合评价值排名靠后；第Ⅱ类包含6个居群，分别为89R57、90R33、89R54、89R14、89R48、90R2，其Pn、Tr、Gs和Ci较低，但WUE较高WUE，综合评价值排名居中；第Ⅲ类包含5个居群，分别为89R6、89R33、89R59、89R30、89R66，Pn、Tr、Gs和WUE均较高，Ci较低，综合评价值排名靠前。

图1 基于综合评价值的15个新疆杂草黑麦居群的聚类图Fig.1 Cluster diagram of 15 Secale cereal subsp. segetale based on comprehensive evaluation value

2.6 不同新疆杂草黑麦居群的产量性状的比较

对15个新疆杂草黑麦的产量性状进行方差分析，结果(表6)表明，不同材料间单株穗数和单株生物量存在显著差异，穗粒数和千粒重差异不显著。结合图1聚类分析结果，第Ⅰ类中89R39、89R47、89R65、89R43的单株穗数、穗粒数、千粒重、单株生物量均处于较低水平，其中89R65的单株穗数、穗粒数、千粒重、单株生物量最低。第Ⅱ类中89R57、90R33、90R2、89R54的单株穗数、穗粒数、千粒重、单株生物量都处于较低水平；89R14、89R48的穗粒数、千粒重、单株生物量也较低，但其单株穗数处于较高水平；第Ⅱ类材料相比与第Ⅰ类群中的材料产量性状并无明显差异。第Ⅲ类中的89R66、89R6、89R33、89R59、89R30的单株穗数、穗粒数、千粒重和单株生物量都较高，其中89R66的穗粒数、千粒重和单株生物量最高。综合来看，所选新疆杂草黑麦材料产量相关性状的差异与其光合特性基本对应，说明第Ⅲ类群的材料与第Ⅰ、Ⅱ类群的材料相比较，不仅综合光合特性表现突出，产量相关性状和生物量也表现较好。

表6 新疆杂草黑麦产量构成因素的比较Table 6 Comparison of yield components of Secale cereal subsp. segetale

3 讨 论

3.1 高光效种质资源光合指标的选择

同一种作物不同品种间的光合性状差异较大[20]，说明可选择种质资源的范围较广，遗传基础丰富。在二倍体、四倍体、六倍体、八倍体小麦材料间，Pn差异显著，Tr、Ci、Gs、WUE差异均不显著[21]，而在甘薯种质间7个光合参数均存在极显著差异[22]。本研究中，15份杂草型黑麦材料间Pn、Tr、Ci均存在显著差异。这说明不同植物的光合遗传特性表现不一样。

叶片的光合速率是反映光合机构运转状况的一个重要指标[23]，但不同作物的光合速率与其他光合参数之间的关系不尽相同。如，大豆种质的Pn与Gs、WUE呈显著正相关，而与Ci与Tr相关不显著[24]；高粱的Pn与Tr、Gs、WUE均呈显著正相关，而与Ci呈极显著负相关[25]。本研究表明，黑麦材料的Pn与Tr、Ci、WUE均呈显著正相关，与Ci呈极显著负相关，这与高粱的表现相一致，也说明说明水分蒸腾、气孔开度等因素对新疆杂草黑麦的净光合速率都有较大影响，所以黑麦高光效品种选育应综合考虑光合参数。

3.2 高光效种质资源的分类及筛选

光合作用是作物生长发育和籽粒形成的主要来源[26]。高光效种质资源的收集与利用是育种工作的基础[27-28]。以往育种人员将高光效与高光合速率两个概念混淆，认为高的光合速率就是高光效，但随着研究的不断深入，两者的区别也渐渐明朗，明确了高光效种质是综合性状指标均表现良好的种质[29]。有研究对蔗茅不同种质资源进行主成分分析，选出2个主成分即光合效率与水分利用效率，然后通过系统聚类将其分为五大类群[30]，该研究与本研究得出的结果一致。也有研究人员认为气孔行为是影响叶片光合的关键因素，仅针对Gs进行筛选，这一方案也已在小麦[31]、水稻[32]等作物中得到应用。

本研究中对15份新疆杂草黑麦材料光合参数进行主成分分析，剔除次要信息，以综合指标代表的原来大部分信息，并进行综合评分排序。其中提取的2个主成分光合因子与水分因子反映了原有全部指标88.89%的信息，通过对其得分进行线性加权得到各个材料的综合评分并进行排序，其结果能直观反映出各个新疆杂草黑麦种质的综合特性。因此，高光效优异种质的筛选也不应一味追求高的光合效率，应注重碳同化性能和水分利用效率的平衡。本研究聚类分析中，按照其综合得分将15份材料分成了3类，其中第Ⅲ类群具有较高Pn、Tr、Gs和WUE的特点。所筛选出的材料在于固碳性能好，且水分利用效率表现优异，二者间达到了平衡，属于比较理想的高光效材料。本研究进一步结合不同材料产量相关性状进行分析，明确第Ⅲ类群的材料综合表现较好，也表明对新疆杂草黑麦光合特性的综合评价分析具有重要的意义。

3.3 新疆杂草黑麦种质资源的进一步研究与 利用

在相关研究中，对小麦及其他不同倍性近缘物种进行了光合方面的探讨，而缺少对野生植物资源的深入研究利用。本研究在野生植物新疆杂草黑麦中进行光合生理方面的研究，旨在解决高光效种质资源匮乏的问题。故在当前小麦在提高收获指数方面的遗传潜力已基本耗尽的情况下[33]，应进一步加强在野生近缘种属中对高光效种质资源的筛选，拓宽遗传基础。

作为野生近缘植物物种在现代农业中贡献巨大，在提高作物的适应性、抗性、产量、品质等方面具重要作用[34]。新疆杂草黑麦含有丰富的遗传多样性，可作为麦类作物育种改良的重要基因资源。目前，由于自然及人为因素的破坏，新疆杂草黑麦正以很快的速度逐年减少[35]。新疆杂草黑麦作为我国珍贵稀缺的遗传基因资源，所以要在开发利用资源的同时注意加强对新疆杂草黑麦种质资源的保护，要重视从野生黑麦中发掘高光效、高产、优质资源，并创新种质。随着现代分子生物技术的发展，育种进程不断加快，水平不断提高，利用现代生物技术对新疆杂草黑麦进行更加深入、更加系统的研究，将为黑麦及小麦的遗传育种提供更多借鉴和开拓新的途径；同时对扩大种质资源、提高资源利用率具有重要意义。

4 结 论

综合主成分得分、聚类分析及产量性状的比较得出第Ⅲ类群中包含的5个居群89R6、89R33、89R59、89R30、89R66，综合表现突出，这些材料可以作为高光效种质，结合光合遗传规律及配合力效应，适用于开展高光效遗传及育种研究工作。