不同叶型紫花苜蓿不同茬次光合效率的差异

2010-07-25王雯玥韩清芳宗毓峥贾志宽丁瑞霞王俊鹏聂俊峰闵安成

草业科学 2010年5期

王雯玥,韩清芳,宗毓峥,贾志宽,丁瑞霞,王俊鹏,聂俊峰,闵安成

（西北农林科技大学干旱半干旱农业研究中心农业部作物生产与生态重点开放实验室,陕西杨凌 712100）

紫花苜蓿的叶子一般为三出羽状复叶,而通过变异具有多于3个羽状复叶的苜蓿被称为多叶型苜蓿。目前,国内外对多叶苜蓿性状的基因表达、光合生理及产量等方面已进行了研究。如在遗传方面,Bingham等[4-5]和Brick等[6]研究认为多叶性状由基因控制且易传递,高度遗传；于林清和何茂泰[7]常规的人工授粉能使其多叶性状提高并稳定表达。在光合方面,由于作物生物学产量的90%～95%来自于光合作用产物,植株的生长发育和产量品质的改善都是通过各种农事活动直接或间接地改善植物的光合生理性能来实现的,改善光合作用对于提高作物的产量潜力具有重要意义,而提高干物质产量一个有效的方法就是选择光合能力强的品种。叶片是植物进行光合作用的基本器官,影响光合产物累积的一个重要因素是叶面积,因而小叶叶片数量变多的多叶型苜蓿被认为具有提高苜蓿产量和品质的潜力,是苜蓿育种与生产的良好种质资源[8-9]。对光合特性的研究主要集中于环境因子及栽培措施的影响方面[10-12],对不同紫花苜蓿品种在不同生长阶段[13]、不同年限[14]的光合生理生态特性及其对光合CO2浓度的响应特征[15]也已有大量研究,如赵金梅等[16]分析了水分胁迫对紫花苜蓿分枝期光合性能的影响,卫新菊等[17]研究了不同施肥处理对紫花苜蓿光合特性及生长的影响。但是关于多叶型苜蓿品种的光合特性研究甚少。

光合速率是反映光合作用时光合产物积累状况的重要指标。蒸腾速率是反映植物消耗水分状况的重要生理指标。本试验通过分析两类不同叶型紫花苜蓿前3茬初花期的光合和水分利用效率及相关因子,研究不同叶型苜蓿品种的光能、水分利用效率及生产潜能的差异,为利用多叶型苜蓿种质资源进行苜蓿良种选育和生产提供参考,对促进我国牧草高产优质生产有着重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料试验所用的3个多叶型苜蓿品系为6个普通三叶型紫花苜蓿品种中选择的多叶型变异体无性繁殖亲本群体杂交、母本分别收获获得的杂交一代材料。3个三叶型对照品种分别为1个种植面积较大的地方品种、1个地方适宜种和1个引进种植面积较大的品种。6个苜蓿品种的名称、来源及叶型见表1。

表1 试验苜蓿品种（系）及类型

1.2 试验设计试验设在西北农林科技大学农作试验一站。该站位于秦岭北麓、渭河平原西部的头道塬上 ,34°21′N,108°10′E,属暖温带半湿润气候。海拔454.8 m,年均日照时数2 150 h,年平均气温12～14℃,极端最高气温40℃,极端最低气温-21℃,年平均降水量580.5 mm。春季降水偏少、干旱,降水主要集中在7-9月,土壤为黑垆土,土层深厚、通气良好,0～20 cm 土层土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为 15.9、1.12、0.15和 11.7 g/kg。田间土壤持水量为21.12%,地下水埋深约80 m。

各材料均于2005年9月24日播种,每材料（品种）种植3个小区,每个小区分别作为1个测定样方,小区面积 2.6 m×6 m。播种量 7.5 kg/hm2,行距30 cm,每小区7行,田间栽培条件相同：种植后苜蓿整个生育期全部为旱作,不喷洒农药,不施肥,自然状态生长,适时进行人工除草。

1.3 测定指标及方法试验中各性状指标分别于2008年第 1、2、3茬进行测定,共测定 6茬次。测定指标主要有光合参数及环境因子、叶片性状及产量等。

1.3.1光合参数及环境因子采用LI-6400便携式光合作用测定系统（美国,LI-COR公司生产）,在各茬初花期（2008年5月19日、7月11日、8月19日）分别选择不同品种（系）生长健康、长势一致的同一叶位复叶（从顶部向下第1片完全展开叶）的中间小叶测定其光合日变化,重复5次,每天8：00-18：00每隔2 h测定1次。测定指标包括叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（T r）、光合有效辐射（PAR）、气温（Ta）、湿度（RH）、大气CO2浓度（Ca）和胞间CO2浓度（Ci）。叶片瞬时水分利用效率（WUE）、光能利用效率（LUE）和气孔限制值（Ls）,计算公式分别为：

村口的老樟树就这样每天早上看着麻糍用双手双脚推着独轮车带着小羽出村，每天傍晚看着小羽一人进村。麻糍一般是晚上八点左右才会回来，那个时候的天空不是已经黑得像被泼了墨，就是星星点点的图画了。

1.3.2叶部性状指标每样方中分别取10个代表性的植株并从每株中选取一枝具有代表性的单枝,测定其每1茬初花期的单枝鲜质量、复叶总数、三叶数、多叶数、小叶总数等,同时统计田间枝条密度（枝/m2）。枝条密度统计每品种每茬1 m长的1行枝条数,重复3次,根据行距计算。最后计算多叶数量百分率（多叶率）、复叶平均小叶数等。

多叶率=（单枝多叶复叶数/复叶总数）×100%[21]；

复叶平均小叶数=单枝小叶总数/单枝复叶总数。

1.3.3产量每个样方选取代表性子样方1 m2,齐地刈割,称其鲜质量后,随机抽取200 g左右鲜草,茎、叶分离,于105 ℃下杀青 30 min、65 ℃烘干至恒质量,称其干质量,计算鲜干比、总干生物量。根据总干生物量换算成各品种干草产量（kg/hm2）。

鲜干比=取样鲜质量/取样干质量；总干生物量（g）=鲜质量/鲜干比。

1.4 数据处理数据在MS office Excel 2007下完成整理,方差分析采用SAS8.0的GMP过程,两类叶型苜蓿间采用单一自由度的独立比较。

2 结果与分析

2.1 多叶品系初花期的多叶性状指标多叶性状是多叶型苜蓿的代表性状。通过对2008年3个多叶品系的6个与多叶有关性状的分析（表2）,可以发现各茬次之间多叶率并不稳定。3个多叶品系均表现为小叶数较多的多出复叶出现的频率较低,即四叶的发生率最大,而五叶、六叶、七叶以及七叶以上多叶率逐步递减。3个多叶品系之间四叶率和五叶率均表现为DYF1全能最低,而六叶率和七叶及七叶以上的多叶率以DYF1卫士最低,但品系间差异均不显著。2008年测定前3茬复叶平均小叶数和多叶率均值排序均为DYF1牧歌＞DYF1卫士＞DYF1全能,品种间差异亦不显著（P＞0.05）。

表2 2008年3个多叶型苜蓿初花期的多叶性状指标分析

2.2 各茬初花期环境因子日变化外界环境因子的变化影响着植物光合、蒸腾等各种生理指标的变化,使光合与蒸腾作用呈现出复杂的日变化规律。由图1可知,PAR和Ta的日变化都呈先上升后下降的单峰曲线,第1茬和第2茬PAR在12：00达到峰值,此时PAR值分别为1 799.5和 1 600.6 μ mol/（m2·s）,第3 茬 PAR 在10：00达到峰值,为 1 288.1 μ mol/（m2·s）；而 Ta第1茬在16：00达到峰值,为35.02℃,第 2茬在14：00达到峰值,为39.77 ℃,第3茬在 12：00达到峰值,为37.32℃。RH和Ca各茬之间的变化没有规律性。但是同茬之间RH和Ca的日变化规律相同。

2.3 两类叶型紫花苜蓿Pn、Tr、Ci、Gs、LUE、WUE和Ls日均值比较

图1 各茬初花期光合有效辐射、气温、湿度和CO2浓度日变化

表3 两类叶型苜蓿品种第1茬光合及蒸腾特征指标日均值的差异显著性分析

表4 两类叶型苜蓿第2茬光合及蒸腾特征指标日均值的差异显著性分析

2.3.1第1茬水分利用效率表征植物经济用水的能力,LUE表征植物利用光能的能力,环境因素对其的影响很大。由表4可知,第1茬初花期DYF1牧歌、DYF1卫士、DYF1全能 3个多叶品种的Pn、LUE和Tr值均显著或极显著高于其他3个三叶型紫花苜蓿品种,而WUE极显著低于3个三叶型品种（P＜0.01）,说明第1茬初花期这3个多叶型品系属于高Pn、高LUE、高Tr、低WUE；而3个三叶型紫花苜蓿品种镇原苜蓿、陕北苜蓿和牧歌 401均属于低 Pn、低 LUE、低 Tr、高WUE。6个苜蓿品种按 Pn的大小排序依次为DYF1卫士＞DYF1牧歌＞牧歌401＞DYF1全能＞镇原苜蓿＞陕北苜蓿；Tr的大小排序依次为DYF1卫士＞DYF1牧歌＞DYF1全能＞镇原苜蓿＞牧歌401＞陕北苜蓿；3个多叶型紫花苜蓿的Ci极显著高于3个三叶型紫花苜蓿（P＜0.01）；LUE的大小顺序依次为DYF1牧歌=DYF1卫士＞牧歌401＞DYF1全能＞镇原苜蓿＞陕北苜蓿,3个多叶型品种显著高于3个三叶型品种（P＜0.05）；WUE的大小排序依次为陕北苜蓿＞牧歌 401＞镇原苜蓿＞DYF1牧歌＞DYF1卫士＞DYF1全能；而Ls则为3个三叶型品种极显著高于3个多叶型品种（P＜0.01）。

2.3.2第2茬第2茬不同叶型紫花苜蓿之间比较,总体上Tr、Ci均为多叶型极显著低于三叶型（P＜0.01）,WUE和Ls均为多叶型极显著高于三叶型（P＜0.01）。但不同品种之间进行比较分析发现,DYF1牧歌的T r最高,DYF1全能的Ls偏低。不同品种间显著性测验表明各影响因素在不同品种间差异均为极显著（P＜0.01）。DYF1牧歌的 Pn、LUE和T r最高,WUE偏低；DYF1卫士和DYF1全能的T r较低,LUE和WUE较高,因而DYF1牧歌属于高Pn、高 LUE、高 Tr、低WUE,而DYF1卫士和DYF1全能属于低 T r、高WUE。3个三叶型紫花苜蓿品种镇原苜蓿、陕北苜蓿和牧歌401均属于高 Tr、低WUE（表5）。

2.3.3第3茬第3茬初花期的不同叶型紫花苜蓿之间比较,总体上看Pn、WUE和Ls均为多叶型极显著高于三叶型（P＜0.01）,Ci为多叶型极显著低于三叶型（P＜0.01）。但不同品种之间进行比较分析发现,DYF1全能的Ci比牧歌401略高,DYF1卫士的WUE比镇原苜蓿和牧歌401略低。不同品种间显著性测验表明,除了LUE各品种间为显著（P＜0.05）外,其余因素各品种间差异均为极显著（P＜0.01）。3个多叶型紫花苜蓿均属于高Pn、高LUE、高WUE。而3个三叶型紫花苜蓿品种均属于低Pn、低 LUE和低 WUE（表 6）。

2.4 两类叶型紫花苜蓿各茬产草量和3茬总产草量比较综合2008年各品种（系）紫花苜蓿的各茬数据,通过方差分析和单一自由度的独立比较分析发现（表3）,多叶型和三叶型紫花苜蓿类型间以及各品种间第1茬干草产量差异均不显著（P＞0.05）,而其余各茬以及3茬总产草量均为多叶型显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）高于2个国内三叶型紫花苜蓿品种。三叶型品种牧歌401在第2茬和第3茬干草产量中与多叶型品系DYF1卫士和DYF1全能差异不显著（P＞0.05）,在第3茬中与DYF1卫士差异不显著,但在第2、3茬以及3茬干草总产均显著（P＜0.05）低于以其作为母本筛选出的子代多叶型品系DYF1牧歌。6个品种3茬总量的顺序为DYF1牧歌＞牧歌401＞DYF1全能＞DYF1卫士＞陕北苜蓿＞镇原苜蓿。

表6 2008年多叶型和三叶型苜蓿干草产量的比较 kg/hm2

3 讨论

3.1 环境因素对紫花苜蓿产量的影响环境因素对植物光合的影响很大[22]。苜蓿生长期间每茬的PAR与Ta差异很大,PAR随着茬数的增加而降低,Ta为第2茬＞第3茬＞第1茬,而各茬Ca的日变化趋势与其对应茬次的RH变化趋势相同,因此导致各苜蓿品种（系）的Pn、T r等各项指标日变化发生改变。3茬中Pn呈先降后升的趋势,Tr逐茬降低,而 LUE、WUE和 Ls均为逐茬升高。多叶型与三叶型苜蓿不同品种的Pn 、T r、Ci、LUE、WUE 和 Ls 在不同茬次的差异均达到显著水平（P＜0.05）,这与陈托兄等[23]对三叶型苜蓿研究的结论相同。Bingham[8]研究表明,多叶型紫花苜蓿产量高于三叶型苜蓿。苜蓿产量受品种和环境因素的共同作用,在相同生长环境下的产量差异完全由品种生长特性差异而致,本试验只对年生长周期内不同生长季节的不同叶型品种的差异进行了分析,苜蓿两类叶型间的产量差异还需进一步在多种生态条件下进行验证。

3.2Pn、Tr、LUE和WUE等对紫花苜蓿产量的影响影响苜蓿的产量的光合指标众多,普遍认为高 Pn、高 LUE、高 WUE[24]、低 T r的作物产量相对较高[25-26]。第1茬多叶型紫花苜蓿品系除DYF1卫士产量较低外,其他2个多叶型品系产量高于镇原苜蓿和陕北苜蓿。而DYF1卫士产量低可能由于其T r高且WUE低。第2、3茬及年产量均为多叶型苜蓿产量极显著高于三叶型苜蓿（P＜0.01）。第2茬生长处于高温季节,在7月份测定。DYF1卫士和DYF1全能虽然Pn低,但低Tr和高WUE可能是促使其产量高的原因。而三叶型品种可能由于Pn低、WUE和LUE低而T r高,导致低产；第3茬在8月中旬测定,为降雨期。3个多叶型紫花苜蓿均属于高Pn、高LUE和高WUE。而镇原苜蓿和陕北苜蓿这2个三叶型紫花苜蓿品种均属于低 Pn、低 LUE和低WUE。牧歌401的各项指标均处于多叶型与三叶型紫花苜蓿之间,因此牧歌401的产量高于其他三叶型苜蓿品种。平均年产量中牧歌401产量虽高于DYF1卫士和DYF1全能,但是仍然低于以其作为母本筛选出的后代多叶型品系DYF1牧歌。在进行苜蓿品种选育时,应结合Pn、WUE和LUE及Tr等光合指标,以获得高产品种。

3.3LUE对紫花苜蓿产量的影响LUE是表征植物固定太阳能效率的指标,反映植物通过光合作用将所截获或吸收的能量转化为有机干物质的效率,是植物光合作用的重要概念[27]。综合分析两类叶型苜蓿各茬LUE,除第1茬DYF1卫士、第2茬陕北苜蓿和第3茬的DYF1牧歌可能是由于高 Tr、低WUE和高Ls共同作用导致产量低,其余各品种均表现为LUE大的品种（系）产量相对较高。

4 结论

4.1本试验证明3个多叶型苜蓿品系中小叶片数越多的多出复叶出现频率越低,但茬次间随着气温及日照的变化,供试的3个多叶品种（系）多叶率并未表现出规律性,品种间差异不显著。

4.2通过对测定2008年前3茬的产量数据分析可知,两类叶型苜蓿间第1茬干草产量差异并不显著,但是第2、3茬以及3茬总干草产量均为多叶型极显著高于三叶型（P＜0.01）。

4.3分析3个多叶型与3个三叶型紫花苜蓿品种3茬初花期的光合特征指标,多叶型紫花苜蓿的第1、3茬Pn均高于三叶型品种,而第2茬两类叶型的品种间不显著；Ci第1茬高于三叶型品种（P＜0.01）,而第2、3茬低于三叶型品种（P＜0.01）；WUE和Ls均为第1茬低于三叶型品种（P＜0.01）,而第2、3茬高于三叶型品种（P＜0.01）；LUE第1茬高于三叶型品种（P＜0.05）,其余茬次不显著；T r第1茬显著高于三叶型品种（P＜0.01）,第2茬显著低于三叶型品种（P＜0.01）,而第3茬不显著。

4.4对两类叶型紫花苜蓿品种（系）的各茬 Pn、LUE、Tr等指标及年产草量的综合分析表明,多叶型紫花苜蓿品系的光能利用效率较高,具有较强的光合能力和高产优势。可通过对多叶性状的定向选择,选育多叶型苜蓿品种,进行苜蓿品种改良,促进高产优质牧草生产。

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