甘蔗高光效新品种筛选与光合潜力分析

安东升 聂虎子 刘洋 赵宝山 严程明 孔冉 苏俊波

关键词：甘蔗；高光效；新品种；筛选；光合潜力

作为我国重要的农产品和战略物资，糖料蔗的稳定与高质量发展是维护我国食糖供给安全的必要保障。由于品种单一、退化严重、单产波动大、机械化水平低而造成的甘蔗种植收益产出比低是甘蔗产业面临的主要问题[1]。蔗糖产量主要靠新品种选育和栽培模式革新实现，构成蔗糖产量的主要因素包括含糖量及由单茎重和有效茎数决定的蔗茎产量。在相同环境背景下，有效茎形成主要受甘蔗品种分蘖率[2]和宿根发株率[3]等遗传背景影响；单茎重和糖分的积累转运均由叶片光合作用相关的基因与蛋白反馈直接调控光合作用进程决定[4]。

作物高光效种质的筛选指标分为理想株型指标、光合生理指标、群体光合能力指标和光合产物指标[5]。高光效在粮、棉、油、糖等农业战略农作物中已有较为广泛研究。其中，在主粮作物水稻[6]、小麦[7]、玉米[8]，马铃薯[9]和甘薯[10]上均形成了较为系统的高光效种质筛选方法；在棉花上，综合株型特征、光合荧光特性、干物质生产与产量等系统阐释了不同基因型棉花高光效的生理基础[11]；在主要油料作物中，通过气体交换参数对大豆开展光合、气孔、水分3 个主成分分析，明确适合育种需要的高光效大豆种质群类[12]，同时在大豆光能高效利用的分子调控机制方面也有较为深入研究[13]，通过光合特性与农艺株型联合分析为不同油菜和花生高光效品系的筛选奠定扎实的基础[14-15]。

上述研究主要采用光合生理与光合株型指标，部分研究配合叶绿素相对含量（SPAD）、农艺性状等指标，部分研究辅以产量和品质指标。针对甘蔗的研究主要集中在能源甘蔗群体光合生产能力与重要株型参数的关系分析，明确了不同甘蔗品种叶面积指数，单位叶面积净同化速率与生长速率，干物质重量之间的关系，得出以作物生长率作为群体光合生产力的衡量指标[16]；刘杨杨[17]等利用不同模型拟合并比较不同甘蔗品种CO2 响应参数差异，进而评价甘蔗光合作用潜力。作为光合作用的探针，叶绿素荧光能够快速无损检测光合系统运转状况[18]，光合电子流对光响应的机理模型被用于拟合典型C3植物光响应曲线[19-21]，但在C4 作物中的应用尚未见报道。

本研究采用叶绿素荧光技术，对3 个经典商业主栽品种和10 个甘蔗新品种的光暗反应参数进行快速测定，通过多点测量、曲线拟合的方式，对阴天和晴天下不同甘蔗品种光合电子传递特征参数进行比较分析，为高光效的甘蔗新品种的快速筛选提供理论与数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

供试品种为中国热带农业科学院南亚热带作物研究所自主选育的10 个甘蔗新品种：热甘16117、热甘1876、热甘1997、热甘1339、热甘11713、热甘1、热甘1462、热甘14291、热甘16239、热甘11559，对照材料为新台糖22 号（ROC22）、新台糖16 号（ROC16）和桂柳05136。试验于2021年9 月—2022 年1 月在中国热带农业科学院南亚热带作物研究所甘蔗新品种选育综合试验基地进行（21°08′N，110°16′E，海拔16 m），试验期间环境背景数据见图1。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 2021 年9 月9 日布置桶栽试验，栽培桶口径40 cm、底径30 cm、高45 cm，每桶种植4 段，每段1 个芽，每个品种种植12 桶，置于硬化地面上，保证充分的水肥供应。基质配比为红壤∶有机质=9∶1，干容重为1.24 g/cm3，基质填充至桶内40 cm 高度。

1.2.2 測定项目与方法 （1）待甘蔗生长至拔节初期，每个品种筛选长势均匀一致的3 桶，采用便携式叶绿素荧光仪（MINI-PAM-II，德国WALS）分别测定上部正序3 片完全展开叶在阴天（2022年1 月14—15 日）和晴天（2022 年1 月16—17日）上午不同时刻的光反应参数，稳态荧光（Fs）和饱和光下最大荧光（Fm′），计算光量子效率ΦII=（Fm′–Fs）/Fm′[22]；光合电子流J=PAR×0.84×0.50×ΦII，其中，0.84 为经验性吸光系数，0.50 为假设天线色素吸收的光能被2 个光系统平均分配[23]，阴天采用人工光源测定PAR 为26、46、66、92、128、195、292、430、641、835、1168 μmol/（m2·s）的光反应参数，每个梯度适应时间90 s；晴天测定上午不同时刻自然光下[PAR 每跨越100 μmol/（m2·s）至少包含1 个测量点]PSII 达到稳定后的光反应参数，每个品种测24 个点以上用于曲线拟合。

（2）采用人工光源测定充分光适应后+1 叶片中部叶位低光[PAR 为190 μmol/（m2·s）]、中光[PAR为625 μmol/（m2·s）]和高光[PAR 为1150 μmol/（m2·s）]下光反应参数，方法同1.2.2-（1），用黑布遮挡30 min 后测定初始荧光（Fo）和饱和光强下最大荧光（Fm），计算潜在最大光能利用效率Fv/Fm=（Fm–Fo）/Fm， 非调节性能量耗散ΦNO=1/[NPQ+1+qL（Fm/Fo–1）] ， 其中， qL=（Fo′/Fs）（Fm′–Fs）/（Fm′–Fo′）[22]，NPQ=Fm/Fm′–1，光反应下稳态最小荧光Fo′=Fo/[（Fv/Fm）+（Fo/Fm′）][24] ； 可调节性能量耗散ΦNPQ=1–ΦII–ΦNO。每个品种重复3 次。

1.3 数据处理

采用Excel 软件进行数据统计，利用SlideWrite Plus for Windows（Version 7.0）软件将曲线与参数拟合。

2 结果与分析

2.1 不同甘蔗品种叶绿素荧光特性分析

基于Lake-model 的叶绿素荧光参数对不同甘蔗品种在低光、中光、高光下叶片能量平衡分析图2，结果表明，低光条件下，ΦII 最高和最低的3 个品种分别为ROC16、ROC22、热甘1462 和热甘14291、热甘11559、热甘11713，且ROC16 的ΦII显著高于除ROC22 之外的其他品种，热甘14291和热甘11559 的ΦII 则显著低于除热甘11713 之外的其他品种；ΦNPQ 在不同品种之间的变化趋势与ΦII 相反，热甘14291 和热甘11559 最高而ROC16 最低；ΦNO 在不同品种之间差异不显著。

中光条件下，ΦII 最高和最低的3 个品种分别为ROC16、热甘1997、ROC22 和热甘11559、热甘14291、热甘1876，ROC16 和热甘1997 的ΦII显著高于除ROC22 和热甘16117 之外的其他品种，热甘11559 显著低于其他品种；ΦNPQ 表现为热甘11559 显著高于ROC16 和热甘1997，而ΦNO 则表现为热甘1876 和热甘1462 显著高于热甘16239。

高光条件下，ΦII 最高和最低的3 个品种分别为ROC22、热甘1997、热甘16239 和热甘11559、热甘1876、热甘11713，且ROC22 和热甘1997显著高于除热甘16239 之外的其他品种，热甘11559 显著低于除热甘1876 之外的其他品种；热甘11559、热甘1876 和热甘11713 的ΦNPQ 最高，显著高于ROC22 和热甘1997，ΦNO 在不同品种之间差异不显著。

Fv/Fm 在不同品种之间差异不显著，说明不同甘蔗品种拥有相同的潜在最大光能利用效率。ΦNO 对光照强度的变化不敏感，将不同光强下的ΦNO 汇总分析结果表明，除热甘1876 的显著高于热甘16239 和ROC22 外，其余品种之间的差异并不显著。

2.2 不同甘蔗品种的光合潜力分析

阴天条件下，所有品种的PAR-J 响应曲线均表现为先上升后趋于稳定（图3）。对不同品种的αe、PARsat 和Jmax 的拟合结果表明，ROC16 和热甘16117 分别具有最高的初始光能利用效率和最大电子传递速率，总体上，除ROC22 之外初始光能利用效率高的品种，其最大电子传递速率小。饱和光强代表品种能够承受环境光合能量输入的能力，ROC16 和热甘14291 同时具备较高的初始光能利用效率及饱和光强。由于弱光环境下不需考虑光抑制的影响，因此，最大电子传递速率大，且随着光照的增强越早达至最大电子传递速率的品种光合效率越高。可确定热甘16117 和热甘11713的JPC 最高（表1），可作为弱光下高光效品种。

晴天条件下，所有品种的PAR-J 响应曲线均呈现为先上升后下降（图3）。不同甘蔗品种在阴天和晴天下的光合特征参数见表1。αe 最大的品种为ROC16（αe =0.317），热甘1997、热甘1462、ROC22 次之（αe>0.28）；Jmax 最大的品种为热甘1997[182.2 μmol/（m2·s）]，热甘16239、ROC16 和ROC22次之，分别为173.4、176.6、178.7 μmol/（m2·s）；PARsat 超过1300 μmol/（m2·s）的品种有热甘1997和热甘11713 的，Jmax 最高的品种分别为热甘1997、热甘16239、ROC16 和ROC22。热甘1997的JPS 最高，可做为强光下高光效品种。从2018年1 月至2022 年4 月基地农田小气候数据统计阴天180 d，晴天1400 d，通过权重计算得出的不同甘蔗品种总和光合电子传递能力指数（JPT）超过20 的为热甘1997、ROC22、ROC16 和热甘16239。综上所述，热甘1997 和热甘16239 可作为高光效新品种。

3 讨论

所有品种在阴天测定的初始光能利用效率均高于在晴天的测定结果，这是由于不仅阴生作物对弱光的利用功能高于阳生作物[25]，同种作物的光能利用效率在阴天条件下的日均值同样比晴天条件下高[26-28]。低光环境下作物Chla 和Chlb的含量相比高光环境下显著增加，但与中光环境下相比叶绿体长宽和数量则显著下降[28]，导致了本研究中尽管与晴天相比，阴天下初始光能利用效率明显增加（11.6%～90.4%），但PAR 在200～500 μmol/（m2·s）时光合电子流远低于晴天，这也与杨虎等[27]和李雨霏等[29]的研究结论相一致。同时，低光促进植物扩大类囊体膜面积，通过高度聚集补光机构获取更多的光能以满足自身生长发育的需要[30]，阴生植物的光系统II 补光复合体LCHII 含量也同样高于阳生植物[31]。

在低光和高光条件下，能量平衡发生在光合电子传递与可调节性能量耗散之间；但在中光条件下，非调节性能量耗散在不同品种之间表现出显著差异，说明不同甘蔗品种的能量分配在PAR增加的过程中呈现出差异化的过渡模式。例如，与热甘16239 相比，热甘1462 中光下的ΦNO 显著升高，ΦNPQ 显著下降，但在低光和高光下ΦNO和ΦNPQ 在2 个品种之间的差异均不显著，这表明随着环境光强的增加，热甘1462 可调节性能量耗散的激活晚于热甘16239，而并非出现生理损伤[32]。能量耗散在中光条件下的波动高于低光和高光，可能是由于与高低光强相比，中光下与热耗散密切相关的PsbB 基因以及与叶绿体生物合成途径相关的HEMA、CHLI、CHLH、CHLG 基因表达显著升高所致[28， 33-34]。

随着光强的增加，非光化学猝灭显著增加，光化学猝灭和相对电子传递速率则显著下降[29， 35]，这与本研究结果相一致。ROC16 和热甘1997 分别在中、低光和中、高光下均具有较高的光量子效率，热甘16239 虽然在中、低光下光量子效率显著低于ROC16 和ROC22，在中光下显著低于热甘1997，但在高光下却达到与ROC22 和热甘1997 相同水平；且由于中光下热甘16239 非调节性能量耗散最低，说明与其他品种相比其光系统不易发生生理损伤[32]。这也解释了晴天热甘16239 具有较高的饱和光强与最大电子传递速率，决定了其JPT 超过20，成为高光效品种。

本研究重点通过叶绿素荧光特性分析，对不同甘蔗品种的光合效率进行快速鉴定。但高光效只能作为作物高产评价的重要因素之一，除光合效率之外，光合面积是决定干物质生产量的另一重要因素[36]。分蘖率、宿根发株率、蔗茎产量和有效茎数的提升是甘蔗增产的关键因素[3]，与甘蔗产量相关的最高產量构成因子是有效茎数，其次则是单茎重，分蘖率则与有效茎数呈显著正相关[37]，分蘖率间接改变种植密度从而影响光合面积，进而与光合效率共同决定有效茎数与单茎重[38]。分蘖率和宿根性通过共同决定光合面积来影响当年及来年宿根蔗的产量构成[3]，而分蘖最终能否长成为有效茎应作为下一步重点研究方向之一，避免无效分蘖浪费农业资源。因此，本研究结论尚需要进一步结合不同甘蔗品种新植及宿根的株型特点与最终产量建立模型，方可对筛选出的高光效品种进行补充验证。