閆 雷，鄒 瑩，張等宏，沈艷芬，高劍華，肖春芳，吳承金，王 甄，張遠學

(1.湖北恩施中國南方馬鈴薯研究中心，湖北 恩施 445000；2.恩施土家族苗族自治州農(nóng)業(yè)科學院，湖北 恩施 445000)

馬鈴薯是全球主要的糧食作物，適種性好、營養(yǎng)全面、產(chǎn)量潛力高，對保障糧食安全、消除饑餓、促進鄉(xiāng)村經(jīng)濟發(fā)展有重要意義[1]。單產(chǎn)水平的提高一直是從業(yè)者關(guān)注的重點，高光效品種選育是提高產(chǎn)量的重要途徑，而對葉片光合特性遺傳變異的研究是開展高光效育種的前提和基礎。我國西南地區(qū)為亞熱帶季風氣候，多云、多雨、多霧、弱光，這種弱光高濕的環(huán)境影響馬鈴薯的產(chǎn)量。一些間套作栽培模式也容易形成弱光脅迫的條件，所以選育高光效品種對增強馬鈴薯光合能力，保證弱光環(huán)境及特殊栽培模式下的馬鈴薯產(chǎn)量有重要意義。

表1 2021年試驗基地氣象數(shù)據(jù)Table 1 Meteorological data of test base in 2021

光是作物直接的能量來源。研究表明，光合效率的高低決定了作物的產(chǎn)量潛力，同一作物的不同品種間存在顯著的差異。馬鈴薯作為重要的糧食作物，在光合效率方面前人做了大量的研究。張貴合等[2]分析了17個馬鈴薯品種盛花期的光合特性，篩選出用于劃分光合類別的6個主導因子以及5個高光效品種；李彩斌、郭華春[3]研究了遮陰70%的脅迫壓力評價9個品種的耐陰性，表明馬鈴薯耐陰性在品種間存在顯著差異，中薯20號表現(xiàn)最好；唐鑫華等[4]以12個馬鈴薯品種為材料，分析了不同遮光條件對馬鈴薯光合特性的影響；李晨陽等[5]研究了不同生育時期遮光對冀張薯12號和冀張薯8號光合特性和產(chǎn)量的影響；尹旺等[6]對收集的73個全國馬鈴薯品種在貴州生態(tài)條件下進行了高光效評價，篩選出青薯9號、威芋5號等18個高光效育種親本；秦玉芝等[7]在弱光條件下，研究了不同品種光合響應差異。許國春等[8]以24份不同來源的馬鈴薯品種為試材，分析了葉片光合效率遺傳變異，并篩選出閩薯4號、閩薯7號等8份高光效種質(zhì)資源。目前，評價作物光合效率的指標主要以凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)為主，但也有結(jié)合考慮相對葉綠素含量(SPAD)及內(nèi)稟水分利用率(iWUE)、氣孔限制值(Ls)、瞬時羧化效率(CE)等衍生指標。

盡管前人對馬鈴薯的光合作用開展了大量的研究，但多集中在不同品種間的比較和不同條件對光合強度的影響上，對馬鈴薯光合效率的遺傳變異特征研究較少，并且生產(chǎn)或者育種上缺乏高光效的種質(zhì)資源。本研究通過分析8個光合生理指標的變異情況，探討其廣義遺傳力，評價不同種質(zhì)的光合效率，篩選高光效種質(zhì)，以期為馬鈴薯光合特性的研究及高光效育種提供數(shù)據(jù)參考和種質(zhì)親本。

1 材料與方法

1.1 試驗設計與供試材料

試驗于2021年1—7月在中國南方馬鈴薯研究中心(湖北恩施)天池山科研基地(東經(jīng)109°39′11″，北緯30°20′34″)進行，海拔1 250 m，黃壤土，前茬作物玉米。采用單因素隨機區(qū)組設計，17個品種，每個品種播2行，每行20株，3次重復。單行播種，密度4 000株/667 m2，每667 m2施肥80 kg(N、P、K比為17∶17∶17)，播種后采用統(tǒng)一追肥和晚疫病防控等田間管理，試驗期間氣象狀況來源于晚疫病預警儀器的收集(表1)。試驗共測定17個馬鈴薯品種，均為中晚熟品種，其中南方馬鈴薯研究中心自主選育的品種16個，當?shù)刂髟云贩N米拉1個(表2)，均由中國南方馬鈴薯研究中心提供原原種。

表3 各光合性狀的遺傳變異分析Table 3 Analysis on the genetic variation of photosynthetic traits

表2 供試馬鈴薯種品種信息Table 2 Information of tested potato varieties

1.2 測定指標與測定方法

試驗指標于馬鈴薯蕾期測定，采用便攜式光合儀(LCpro-SD，英國)進行葉片Pn、Gs、Ci和Tr等指標的測定。采用自然光源葉室，光量子通量設定為工程師常規(guī)設定，開放式氣路。每個小區(qū)選擇健康、長勢一致的代表性植株3株進行測定，測定時間為09：00—11：30時，測定對象為主莖倒數(shù)第4片完全展開葉頂小葉。同時利用便攜式葉綠素儀測定葉片相對葉綠素含量(SPAD值)，每個品種3次重復，取平均值。利用相應公式計算瞬時羧化效率、氣孔限制值和內(nèi)稟水分利用率[9-11]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用WPS 2019軟件進行數(shù)

據(jù)統(tǒng)計，R語言作圖，并計算不同光合性狀的平均值、標準差和變異系數(shù)。以各種質(zhì)8個光合性狀的測定值為基礎數(shù)據(jù)，使用DPS軟件進行差異顯著性分析、相關(guān)性分析和主成分分析。計算各品種光合效率綜合評價指數(shù)(A)[8,12]，并采用歐氏距離-最短距離進行系統(tǒng)聚類分析，并劃分光合效率等級。根據(jù)方差分析結(jié)果，參照F值檢驗達顯著或極顯著水平的性狀，進行廣義遺傳力(H2)計算。

式中：MSv為品種均方，MSe為誤差均方，r為重復次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合性狀的遺傳變異

17 個馬鈴薯品種的光合性狀差異明顯(見表3)，變異系數(shù)和F值(LSD)顯著性檢驗表明，光合性狀在不同品種間的變異系數(shù)介于5.547%～27.722%之間。其中Gs、Pn、CE、iWUE的變異系數(shù)較大，極值間相差2倍以上，變異系數(shù)均大于15%；而Ci和SPAD值的變異系數(shù)相對較小，分別為5.547%和8.145%；說明選取的17個馬鈴薯品種的光合性狀具有較豐富的遺傳多樣性。光合性狀廣義遺傳力分析顯示，性狀iWUE的F值不顯著，不計算廣義遺傳；剩余光合性狀廣義遺傳力變化范圍為27.33%～45.85%，均值為36.55%，廣義遺傳力均小于50%，說明本研究條件下這些性狀的廣義遺傳力均較低。由表3可知，遺傳力最高的為Ci，其次為Ls和Pn，而Gs的遺傳力最低。

2.2 光合性狀間的相關(guān)性

對光合性狀進行相關(guān)性分析可知(圖1)，SPAD值與Ls、CE、Ci和Tr顯著相關(guān)，Gs和Pn顯著相關(guān)；Ls與Tr顯著相關(guān)，與iWUE、CE、Ci和Pn極顯著相關(guān)；iWUE與CE和Ci極顯著相關(guān)，與Pn顯著相關(guān)；CE與Gs顯著相關(guān)，與Ci、Tr、Pn極顯著相關(guān)；Ci與Tr顯著相關(guān)，與Pn極顯著相關(guān)；Gs與Tr和Pn存在極顯著相關(guān)；Tr與Pn極顯著相關(guān)；由此可知，大部分光合性狀之間存在顯著或極顯著的相關(guān)性，說明這些性狀在高光效資源評價方面，存在某些重疊的信息。

2.3 光合性狀的主成分分析

利用光合性狀的隸屬函數(shù)值進行主成分分析，提取了特征值≥1的2個主成分，貢獻率分別為68.030%和18.618%，累計貢獻率達86.649%，結(jié)果列于表4。第1主成分特征向量中對應的CE、Ls、Ci和Pn載荷較大，第 2 主成分特征向量中對應的GS、iWUE和Tr載荷較大。綜上表明，可將這 8 個光合指標轉(zhuǎn)化為2個綜合性指標，對資源光合效率進行進一步評價。

圖1 光合性狀相關(guān)分析及頻率分布Fig.1 Correlation analysis of photosynthetic traits and frequency distribution

表4 光合性狀主成分分析Table 4 Principal component analysis of photosynthetic traits

2.4 光合效率綜合評價指數(shù)

根據(jù)主成分分析得出的2個綜合性指標的貢獻率和得分系數(shù)，計算光合效率綜合評價指數(shù)(A)，A值越大表示光合效率越高。17個馬鈴薯品種的A值在-2.97～3.34之間，其中G 15、G 13、G 11、G 7、G 10、G 6的A值大于0.5，光合效率較高；G 1、G 14、G 12、G 8、G 17、G 5的A值小于-0.5，光合效率較低。經(jīng)過相關(guān)分析，SPAD值與A值存在顯著正相關(guān)關(guān)系，R2=0.579 4。

圖2 馬鈴薯光合效率綜合評價指數(shù)(A)Fig.2 Comprehensive evaluation indexes of potato photosynthetic efficiency(A)

圖4 參試品種基于A值的聚類分析Fig.4 Cluster analysis based on A value of tested potato varieties

圖3 SPAD值與A值的相關(guān)關(guān)系Fig.3 The relationship between SPAD value and comprehensive evaluation index of photosynthetic efficiency A value

2.5 聚類分析與高光效種質(zhì)篩選

對供試材料A值進行聚類分析(圖 4)，采用系統(tǒng)聚類-最短距離，可將參試品種聚為三類。第Ⅰ類為高光效種質(zhì)，共1份(G 15，A=3.34)；第Ⅱ類為中光效種質(zhì)，共14份(G 1、G 2、G 3、G 4、G 6、G 7、G 8、G 9、G 10、G 11、G 12、G 13、G 14、G 16)，A值介于-1.42～ 1.84之間；第Ⅲ類為低光效種質(zhì),共2份(G 5和G 17，A值分別為-2.49和-2.97)。綜上可知，參試品種中大部分為中等光效的品種，高光效和低光效種質(zhì)比例均較少。

3 討論與結(jié)論

光合作用是綠色植物賴以生存的基礎，光合效率是代表植物通過光合作用固定干物質(zhì)的能力。同一作物不同品種間的光合效率存在一定的差異，這種差異為高光效育種提供了理論基礎。本研究結(jié)果表明，17 份馬鈴薯種質(zhì)光合指標中除iWUE外均差異顯著，8 個光合性狀的變異系數(shù)介于 5.547%～27.722%之間，表現(xiàn)出非常豐富的遺傳多樣性，說明選取的材料具有很好的代表性。唐鑫華等[4]的研究中，選取了SPAD值、Pn等5個指標，在不同品種間和處理間均有部分指標達到顯著差異；張貴合和郭華春[2]、尹旺等[6]的研究表明，不同品種間的光合指標均達到極顯著水平；說明不同生態(tài)環(huán)境和不同品種條件，其光合指標的研究結(jié)果會存在一定的差異。因此，在不同生態(tài)區(qū)開展光合特性研究對馬鈴薯高光效育種具有重要的意義。在性狀方面，不同品種間凈光合速率和瞬時羧化效率的變異最明顯，而且這兩個性狀在第1主成分中載荷量最大，另外與其他性狀間呈顯著相關(guān)性，說明這兩個性狀是馬鈴薯高光效育種研究的重要指標，這與許國春等[8]的研究結(jié)果不同。

作物廣義遺傳力代表作物親代性狀傳遞給子代的能力強弱，是性狀選擇的重要依據(jù)，對作物新品種選育有意義[13]。本研究中，光合性狀的廣義遺傳力均小于60%，其中Ci、Pn、CE、Ls的廣義遺傳力在40%～59%之間，屬于中等水平[14]。李純佳等[15]在云南斑茅研究中，Pn、Ls、Ci、Tr的廣義遺傳力均大于70%；高三基[16]在甘蔗的研究中，凈光合速率的廣義遺傳力較低；李純佳等[17]在研究國外甘蔗品種中，除瞬時羧化效率外其余光合性狀廣義遺傳力均在70%以上；許國春等[8]在馬鈴薯光合特性遺傳力的研究中，除Ci和Ls外，其余性狀廣義遺傳力均較高；說明，不同作物間光合性狀的廣義遺傳力存在差異，同一作物不同條件光合性狀的廣義遺傳力也不相同。

種質(zhì)資源以及遺傳特性是作物品種選育的基礎，要開展馬鈴薯高光效育種，必須先進行馬鈴薯高光效資源的鑒定以及光合特性的研究。在資源篩選過程中，客觀準確的評價是一個重要前提。本研究綜合多項相關(guān)性狀參數(shù)，結(jié)合顯著性分析、相關(guān)分析、主成分分析，最終基于綜合評價指數(shù)進行資源光合效率的聚類篩選，結(jié)果全面準確，已經(jīng)在其他作物及馬鈴薯的性狀研究上得到廣泛應用[8,18-20]?；谠摲椒?，本研究篩選得到高光效種質(zhì)1份、中等光效種質(zhì)14份和低光效種質(zhì)2份，說明同一生態(tài)條件下，不同來源親本可以選育出高光效品種，為湖北二高山地區(qū)高光效品種選育提供了理論支撐。中國馬鈴薯分四大種植區(qū)，各種植區(qū)生態(tài)環(huán)境復雜，不同的生態(tài)環(huán)境下種質(zhì)資源的光合特性可能存在較大差異，因此在開展高光效品種選育時，應該立足當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境條件來開展親本資源的研究及選配。在開展高光效資源篩選以及后代評價中，需要評價的群體巨大，無法在短時間內(nèi)完成大量的光合參數(shù)測定，這成為高光效育種中要克服的首要問題。因此，尋找具有代表性的測定簡單有效的光合化參數(shù)對提高群體的鑒定意義重大。SPAD值代表葉片葉綠素濃度及葉片含氮量，可以直接或間接反映作物的光合能力、養(yǎng)分狀況和生長健康狀況[21]。本研究中，SPAD值與光合效率綜合評價指數(shù)呈正相關(guān)，而且與除iWUE外的光合指標存在顯著的相關(guān)性，這與張貴合等[2]、許國春等[8]、Giunta等[22]的研究結(jié)果一致。因此，在群體源數(shù)量大的情況下可以應用SPAD值進行性狀篩選，品種比較階段再結(jié)合其他性狀進行綜合評價，這樣可以大大提高中間材料的鑒定速度，節(jié)省人力物力。

結(jié)果表明，參試的17個馬鈴薯品種的光合性狀差異明顯，在不同品種間的變異系數(shù)介于5.547%～27.722%之間。其中性狀Gs、Pn、CE、iWUE的變異較大；廣義遺傳力均小于60%，其中Ci、Pn、CE、Ls的廣義遺傳力在40%～59%之間，屬于中等水平；資源篩選方面，得到高光效種質(zhì)1份、中等光效種質(zhì)14份和低光效種質(zhì)2份；相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，光合參數(shù)間的相關(guān)性表現(xiàn)較好，另外，SPAD值與光合效率綜合評價指數(shù)顯著正相關(guān)。研究結(jié)果表明，SPAD值可以作為高光效群體評價的初篩指標，并且證明了湖北二高山環(huán)境中，具有篩選出高光效品種的可能性。