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利用LI-6400XT便携式光合仪, 测定盛花期17个马铃薯品种(系)倒四叶的顶小叶的光响应曲线和CO2响应曲线, 并使用直角双曲线模型拟合光合参数。结果表明, 马铃薯品种(系)间的光合性状均达到极显著差异; 利用主因素分析, 在方差累计贡献率为86.58%时, 筛选出对划分马铃薯光合类别有显著影响的6个主导因子, 即最大净光合速率( Amax)、光补偿点( Ic)、暗呼吸速率( Rd)、初始羧化效率(CE)、叶片蒸腾速率( Tr)、气孔导度(Cond.)。以6个光合性状进行聚类分析和判别分析, 可以将马铃薯17品种(系)分为4大类, 建立4个判别能力较高的判别模型。通过对综合性状的评价, 选出具有较高净光合速率、特别耐阴、较低消耗、中等蒸腾速率、较高气孔导度、中等初始羧化效率的D类5个高光效品种(系), 即合作88、D520、东农1014III03、青薯9号和2010-11。
The light response curve and CO2 response curve of 17 potato varieties (lines) at the full-bloom stage were measured by using the LI-6400XT (a portable photosynthetic apparatus), and photosynthetic parameters were calculated fitting with a rectangular Hyperbola model. There were significant differences among different varieties (lines) in photosynthetic traits. Using principal factor analysis method, six photosynthetic parameters which had a significant impact on photosynthetic type of potato were selected when the cumulative contribution of variance accounted for 86.58%, including maximum net photosynthetic rate ( Amax), light compensation point ( Ic), dark respiration rate ( Rd), initial efficiency of carboxylation (CE), leaf transpiration rate ( Tr), and stomatal conductance (Cond.). According to the cluster and discriminant analysis of the six photosynthetic characteristics, 17 varieties (lines) of potato were divided into four categories. After comprehensive evaluation of the traits, five high photosynthetic efficiency varieties (lines) which belong to D class were picked out. These varieties showed higher net photosynthetic rate, stronger shade tolerance, lower consumption, moderate transpiration rate, higher stomatal conductance and medium initial carboxylation efficiency. They were Hezuo 88, D520, Dongnong 1014III03, Qingshu 9, and 2010-11, which can be regarded as high photosynthetic efficiency breeding.
马铃薯的生物量中只有少量源自根系的吸收, 而绝大部分来自叶片的光合作用[1, 2, 3], 因此通过栽培技术来提高马铃薯的产量是相对有限的。光合作用是马铃薯十分重要的代谢过程[4], 是生长的基础, 其效率是决定植株生物生产力和作物产量的决定因素, 故提高叶片光能利用率是大幅度增产的有效途径[5, 6, 7]。从遗传上调节光合效率成为高光效育种的理论基础[8, 9, 10]。前人研究表明, 不同品种间的光合速率有着较明显的遗传差异, 并且遗传特性相对稳定, 这为选育高光效的品种提供可能[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]。近年来以LI-COR、CIRAS为代表的便携式光合分析系统因对叶片损伤小、测量精准而成为主流技术。因此在农艺性状分类研究取得较好成果的数量分析法, 也开始应用于作物的光合特性研究。相对传统分析法, 数量分析法有利于把不同品种依照多个光合参数综合分类, 可以较好反映出综合性状[18, 19, 20, 21, 22]。渐渐成为亲本选配的一种重要手段[23]。
20世纪80年代起, 马铃薯的光合特性及相关光合参数的研究成为热点, 普遍认为提高C3作物的光合能力是目前高光效育种的主要内容[24, 25]。大量报道了关于马铃薯光合特性的遗传稳定性、不同季节及同一季节不同天气光合日变化的规律[26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34], 不同施肥量、不同种植密度的光合差异和不同品种间的光合差异[35, 36, 37]。马铃薯品种资源的光合生理性状评价, 对马铃薯高光效育种中光合生理性状的遗传改良有一定指导意义。本研究拟采用系统聚类分析的方法对马铃薯品种资源的光合性状特性分类评价, 以期筛选光合效率较高的马铃薯品种资源, 为马铃薯光合生理育种提供高光效亲本和理论依据。
试验于2014年在云南农业大学后山实验基地进行。该地位于北纬25° 02° 11° ° , 东经102° 42° 31° ° , 属低纬度亚热带高原季风气候, 海拔约1891 m, 日温差大, 年温差小, 年平均气温在15℃左右, 全年无霜期341 d。年降水量1450 mm。一年内干湿分明, 年平均相对湿度为74%。土壤为砂质红壤, 排灌方便, 地势平坦。种植为株距30 cm, 行距60 cm, 按本地中下生产水平施肥, 最低施肥水平每公顷不低于15 000 kg有机肥和复合肥(N∶ P∶ K = 15∶ 15∶ 15), 无追肥, 封行前培土一次。
采用美国拉哥公司LI-6400便携式光合测定系统, 在盛花期选择晴天早晨8:00— 11:30测定植株倒四叶的顶小叶光合参数。采用红蓝光源叶室测定光响应曲线。由于中午的高温和低CO2浓度所造成的光抑制现象, 导致光合作用降低, 出现光合“ 午休” 现象, 测定前先对测定叶片用最大光强和25℃条件下诱导30 min。
1.3.1 SPAD值 用叶绿素计 SPAD-502测定马铃薯倒四叶的顶小叶, 每个品系取3片叶, 每片叶测30次取平均值。
1.3.2 光响应曲线 测量时CO2体积分数控制在300/1× 106, 叶室温度控制为25℃, 光强梯度为2000、1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、100、80、60、40、20、10和0 (μ mol m-2 s-1)。
1.3.3 CO2响应曲线 测量时光强设置为1600 μ mol m-2 s-1, 叶室温度控制为25℃, CO2体积分数梯度为1500/1× 106、1200/1× 106、1000/1× 106、800/1× 106、600/1× 106、400/1× 106、360/1× 106、300/1× 106、250/1× 106、200/1× 106、150/1× 106、100/1× 106、50/1× 106和45/1× 106。除拟合得到的数据外, 其他数据在光强1500 μ mol m-2 s-1, CO2体积分数300/1× 106, 叶室25℃条件下测得。
表2表明, 马铃薯各品种(系)间的光合参数均达极显著差异。其中具有较高气孔导度的品种合作88达到0.864 mol H2O m-2 s-1, 而气孔导度较低的品系滇薯701只有0.217 mol H2O m-2 s-1, 不同的品种(系)之间气孔导度相差达3.98倍以上。
14个光合参数的主因素分析表明(表3), 第1主成分占总方差的30.77%, 光补偿点、初始羧化效率、暗呼吸速率、光呼吸速率、叶片蒸腾速率对第1主成分有较强的正载荷, 饱和光强、气孔导度、胞间CO2浓度、叶片水分利用率对第1主成分有较强的负载荷; 第2主成分占总方差的18.79%, 最大净光合速率、初始羧化效率、气孔导度、胞间CO2浓度、叶片蒸腾速率对第2主成分有较强的正载荷; 第3主成分占总方差的14.08%, 主要由CO2补偿点、暗呼吸速率、表光量子效率和SPAD值组成, 有较强的正载荷; 第4主成分占总方差的8.72%, 饱和光强、暗呼吸速率和光补偿点来承担正载荷, 第5主成分的方差占有率为7.58%, 主要由光合能力来承担正载荷; 第6主成分的方差占有率为6.63%, 主要由SPAD承担正载荷, 表观量子效率承担负载荷。由以上分析可知, 最大净光合速率、光补偿点、暗呼吸速率、初始羧化效率、叶片蒸腾速率、气孔导度是6个主成分的主导因子, 对马铃薯光合性状划分起主要作用。
表4表明, 当聚类数为3时, 各类群之间方差达到极显著水平。A类为高净光合速率型, 有4个品种(系) 109-1、D520、青薯9号和合作88, 拥有较高的净光合速率, 可作为高光效育种的亲本材料; B类为中等净光合速率型, 有9个品系(种); C类为低净光合速率型, 有4个品种(系) N× 8、滇薯701、34-2和云薯103, 光能利用效率较低, 不属于高光效的育种材料。
表5表明, 当聚类数为3时, 各类群之间方差达到极显著水平。A类为特别耐阴型, 共有3个品种(系), 即东农1014III03、青薯9号、2010-11, 能够适应较弱光照地区的种植; B类为比较耐阴型, 共13个品种(系); C类为不耐阴品系, 有1个品系。由此可知, 具有高光补偿点或者低补偿点的马铃薯品种(系)较少, 大多品种(系)处于中间类型。
表6表明, 当聚类数为3时, 各类群之间达极显著水平。A为低消耗型, 有3个品种(系)东农1014III03、2010-11和云薯103; B为中等消耗类型, 有10个品种(系); C为高消耗类型, 有4个品系(种)。
从表7看出, 通过初始羧化效率的系统聚类, 把17个马铃薯品种(系)分为4类。A为低初始羧化效率型, 有5个品种(系); B类为中等初始羧化效率型, 有8个品种(系); C类为高初始羧化效率型, 有3个品种(系); D类为超高初始羧化效率类型, 仅有1个品系, 即滇同薯1号。
系统聚类(表8)把17个马铃薯品种(系)分为3类。A类为低蒸腾速率型, 有1个品种; B类为中等蒸腾速率型, 有13个品种(系); C类为高蒸腾速率型, 有3个品种(系)。由此可以看出, 马铃薯植株蒸腾速率多数处于中等水平, 具有极高或者极低蒸腾速率的品种(系)较少。
按气孔导度可把17个马铃薯品种(系)分为3类(表9)。A为低气孔导度型, 有9个品种(系); B为中等气孔导度型, 有6个品种(系), C为高气孔导度型, 有2个品种(系)。由此可已看出具有较高气孔导度的品种(系)较少, 并且青薯9号、合作88的“ 光合午休” 现象比较弱, 是优良的育种材料。
由表10看出, 除光补偿点和最大净光合速率外, 光补偿点和气孔导度, 初始羧化效率和气孔导度之间为负相关, 其余均为正相关。最大净光合速率和气孔导度、光补偿点和暗呼吸速率、初始羧化效率和蒸腾速率之间在0.01水平达到极显著正相关。表明叶片和大气中气体交换的速率提高(降低)会使最大净光合速率增大(减小), 同时暗呼吸速率的消耗直接决定光补偿点的高低; 但初始羧化速率和蒸腾速率之间也达到极显著正相关。
6个光合指标对17个品系的系统聚类分析, 将其分为4个类型(表11)。A类有1个品系, 为低净光合速率、不耐阴、高消耗、中等蒸腾速率、中等气孔导度、低初始羧化效率型; B类共有6个品系, 为中等光净合速率、比较耐阴、较高消耗、较高蒸腾速率、低气孔导度、高初始羧化速率类型; C类共有5个品系, 为较低净光合速率、比较耐阴、中等消耗、中等蒸腾速率、中等气孔导度、中等初始羧化速率类型; D类共有5个品种(系), 为较高净光合速率、特别耐阴、较低消耗、中等蒸腾速率、较高气孔导度、中等初始羧化效率类型; 根据系统聚类分析的分类结果进行判别分析, 用6个光合生理指标作为判别式变量建立4个判别函数, 对系统聚类的分类结果重新分类, 交叉验证分组中的82.4%进行了正确分类, 可以认为本研究方法所建立的4个判别函数判别能力较高。
受每天最佳测定时间的限制, 在马铃薯生育期内, 可以测定的样本数较少。为保证试验结果的可靠性, 选择遗传资源比较丰富的17个马铃薯品种(系)。这与董倩等[45]和贺安娜等[46]对试验材料选择的依据相一致。严格对每个品种(系)的倒四叶的顶小叶进行测定, 使测量结果能够代表本品种(系)最佳的光合参数测定值。本试验仅对马铃薯叶片的光能利用效率进行了研究, 但整体的光能利用率还和株型等农艺性状相关, 有待进一步的研究。
罗俊等[47]对甘蔗杂交F1代和亲本主要经济性状和光合性状的遗传力和配合力进行分析时, 认为F1代平均值和亲本的一般配合力之和的相关系数达到极显著水平, 吕建林等[48]也通过高光效亲本的选择而杂交得到高光效的杂交一代, 因此可以认为高光效育种的过程中亲本的选择极为重要。对马铃薯17个品种(系)的单一光合性状进行聚类分析时, 分类结果比较清晰明确, 这有利于育种过程中改良某单一光合性状时亲本的选择。但是当多个光合性状进行聚类分析时, 类群之间会出现某些光合性状相互掩盖的现象, 以至于类群之间差异不清。这与赵明等[20]、罗俊等[21]和莫惠栋等[22]对玉米、甘蔗、小麦的光合性状聚类分析的结果相一致。因此根据马铃薯高光效育种的特点, 应该采取某一光合性状和综合性状相结合的要点进行亲本的筛选。多性状的聚类分析中并未出现高净光合速率、特别耐阴、低消耗、高初始羧化效率、高蒸腾速率、高气孔导度类型。表明为取得马铃薯高光效育种的进展, 仍需进一步遗传重组, 扩大丰富基因类型。
高光效育种作为当前育种家关注的热点[5, 6, 7, 8, 9, 10], 并不仅仅指具有较高的光合速率, 而是多个光合性状的综合表现优良。本研究中的D类群具有较高净光合速率、特别耐阴、较低消耗、中等蒸腾速率、较高气孔导度、中等初始羧化效率, 在马铃薯的高光效育种的理论实践中是较为理想的育种材料, 以此为亲本可以选育出优异马铃薯品种。D类的5个品种(系)中D520、东农1014III03、2010-11为高代品系尚未形成品种, 因此用这3个品系为亲本育成的品种未见报道。丽江农业科学研究所和云南省农业科学院经济作物研究所以合作88为亲本, 已选育出产量高、抗性好的高光效品种丽薯11 (合作88× Garant)、丽薯12 (合作88× Garant)[49]。由此可以看出通过筛选高光效的亲本来培育马铃薯的新品种是可行的。从光合性状的方差分析可以看出马铃薯品种间的光合差异达到极显著水平, 说明马铃薯光合性状的基因库比较丰富、遗传背景复杂、可选择的品种广泛, 加之马铃薯的营养繁殖特性, 可加速性状固定的进程, 从而改良马铃薯光合作用能力, 为高光效育种提供了可能。
马铃薯品种间的光合性状基因型差异显著。最大净光合速率和气孔导度、光补偿点和暗呼吸速率、初始羧化效率和蒸腾速率之间呈极显著正相关。17个马铃薯品种(系)按照最大净光合速率分为高、中、低3类; 按光补偿点分为特别耐阴、耐阴、不耐阴3类; 按暗呼吸速率分为低、中、高3类; 按初始羧化速率分为低、中、高、超高4类; 按蒸腾速率分为低、中、高3类; 按气孔导度分为低、中、高3类。以6个光合指标作为综合判别标准对马铃薯17个品种(系)进行聚类分析, 可以分为4类, 并建立4个判别能力较高的判别模型, 从中选出5个高光效品种(系)合作88、D520、东农1014III03、青薯9号和2010-11, 为马铃薯的光合生理育种提供高光效的亲本。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.
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