含斑茅血缘甘蔗亲本叶片叶绿素荧光特性的研究

邱永生　王勤南　周峰　陈俊吕　刘壮　许环映　常海龙　张伟　刘少谋

摘 要 为了探究含斑茅血缘甘蔗亲本的光合特性，本研究利用叶绿素荧光技术研究了含斑茅血缘甘蔗亲本的叶片叶绿素荧光特性，为含斑茅血缘甘蔗亲本抗逆性评价及含斑茅血缘甘蔗品种的选育研究奠定基础。结果表明：含斑茅血缘甘蔗亲本具有较强的实际光能捕获效率，能将所捕获的光能更多地利用于光化学反应，具有较强的光能利用效率、较低的最大电子传递速率、较低的最小饱和光强和强光耐受能力，具有较强的光合作用原初光能捕获效率，较多的ATP和NADPH形成，为碳同化提供充分的能量和还原能力，但其光合机构自我保护能力较弱，在光能过剩时用于热耗散的比例较少。

关键词 斑茅；甘蔗；亲本；叶绿素荧光特性

中图分类号 S566.1 文献标识码 A

Abstract The chlorophyll fluorescence characteristics of the leaves of sugarcane with consanguinity of E.arundinaceus were studied to evaluate the stress resistance of sugarcane parents containing consanguinity of E.arundinaceus， and to selectand breed sugarcane varieties containing consanguinity of E. arundinaceus. The results showed thatthe sugarcane containing consanguinity of E. arundinaceus had stronger practical light capture efficiency，and more light was used for photochemical reaction；They had stronger light use efficiency，lower maximum electron transfer rate，weaker ability tolerance on minimum saturation light intensity and strong light；They had stronger primary light capture efficiency in photosynthesis，more ATP and NADPH were produced in the leaves， thus providing sufficient energy and reducing power for carbon assimilation. But the self-protection ability of photosynthetic apparatus was weaker，and the ratio used for heat dissipation was less when the light was excessive.

Key words E. arundinaceus；Sugarcane；Parental；Chlorophyll fluorescence characteristics

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.07.011

光是影响光合作用最重要的因素，光合作用是植物生长和发育的基础，是衡量作物光合生产力的重要指标，是决定作物产量和品质构成的主要因素[1]。由于植物生存条件的不同，所处的光环境往往是有差异的，光环境的优劣对光能利用效率和作物生产力起着决定性作用[2]。自1960年Kautsk发现叶绿素荧光产量的变化之后，相关学者就开始通过对叶绿素荧光产量进行研究来获得植物光合性能信息。经过50多年的研究，产生了叶绿素荧光动力学技术，通过对水稻[3-4]、玉米[5]、小麦[6-7]、番茄[8]、茶叶[2]、橡胶树[9]、夹竹桃[10]、珊瑚树[10]、林木[11]等的研究，发现在测定叶片光合作用过程中光系统对光能吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用，并在环境胁迫条件下对植物光合作用、作物增产潜力预测和环境保护等方面起重要应用。

斑茅（S. arundinaceum Retz）是甘蔗的近缘属植物，具有生长旺盛、抗旱耐贫瘠、抗病抗虫性强、适应性广、生态竞争能力强等优异性状。因此，斑茅越来越受到国内外甘蔗界育种家的重视，期望通过甘蔗与斑茅的远缘杂交，将斑茅的特异性状导入甘蔗，寻求甘蔗育种新的突破。广州甘蔗糖业研究所海南甘蔗育种场从20世纪50 年代中期开始进行斑茅与甘蔗的远缘杂交利用研究，但直到2001年才突破甘蔗与斑茅杂交第1代杂种（F1）杂交不孕的难题，获得第2代杂种（BC1），2003年成功育成一批第3 代杂种（BC2）。现已将回交世代推进到BC5及保存了大量的育种中间材料，并已筛选出农艺性状较优的含斑茅血缘的甘蔗优良亲本，供给全国各育种单位利用。目前，国内外对影响甘蔗常用亲本光合作用的因素及其相互关系的研究报道不少[12-16]。但是，关于含斑茅血缘亲本与甘蔗常用亲本叶绿素荧光特性方面的研究少有报道。因此，笔者采用叶绿素荧光分析技术，分析了含斑茅血缘亲本与甘蔗常用亲本之间的光合能力差异性，以期为含斑茅血缘甘蔗品种选育、栽培或抗逆品种鉴定和筛选提供相应的理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验时间、地点 本试验于2013年8月在广州甘蔗糖业研究所海南甘蔗育种场（农业部广东甘蔗种质资源与利用科学观测实验站）的大田甘蔗亲本圃进行。

1.1.2 试验材料 供试材料为甘蔗亲本CP72-1210、粤糖93-159及含斑茅血缘甘蔗亲本崖城07-71、崖城06-166和崖城04-55，选择生长状况基本一致的植株，设3个重复，每个重复3株，每株选择相同部位，用于叶片测量。

1.2 方法

于2013年8月26日采用PAM-2500便携式荧光仪（德国Walz公司）测定叶绿素荧光动力学参数。选择晴朗无雨的晚上19：00～22：00进行测量，0～40 s用小于0.05 μmol/（m2.s）的测量光照射叶片，测定Fo值，后用9 000 μmol/（m2.s）的饱和脉冲光照射0.8 s，测定Fm，用公式Fv/Fm计算暗适应叶片PSⅡ最大光化学潜力；然后，打开测量光合作用光[380 μmol/（m2.s）]使其成60°角照射在所测叶片上，每隔20 s照射1次饱和脉冲光，测量Fm，导出报告文件记录光适应叶片最大荧光（Fm）、最小荧光（Fo）、 可变荧光（Fv）、电子传递速率（ETR）、光化学荧光猝灭（qP）和非光化学荧光猝灭（qN）。利用以下荧光参数公式计算出相应指标：PSⅡ最大光化学潜力（Fv/Fm），PSⅡ潜在光化学效率（Fv/Fo），PSⅡ有效光化学效率（Fv′/Fm′）=（Fm′-Fo′）/Fm′，则PSⅡ吸收光能分配百分率（Pc）计算公式为：Pc=qPxFv′/Fm′，PSⅡ反应中心非光化学耗散（Ex）计算公式为：Ex=（1-qP）xFv′/Fm′。光响应曲线参数（Light Curve）包括α（光能利用效率）、ETRm（最大电子传递效率）、Ik（最小饱和光强）。

1.3 数据分析

采用Eilers and Peeters（Ecological Modelling 42（1988）199-215）公式对光响应曲线参数α、ETRm、Ik进行光响应曲线拟合计算。所有数据均取9次数据的平均值，并用SPSS软件的Duncan邓肯氏测验后，用Excel软件作图分析。

2 结果与分析

2.1 不同甘蔗亲本叶片叶绿素荧光参数比较

由表1可知，不同甘蔗亲本叶片的Fo和Fm之间差异不显著，其中，Fo平均值表现为粤糖93-159>崖城04-55>崖城06-166>崖城07-71>CP72-1210；Fm平均值表现为崖城04-55>粤糖93-159>崖城06-166>崖城07-71>CP72-1210。不同甘蔗亲本叶片Fv/Fm、Fv和Fv/Fo之间差异显著，其中崖城04-55、崖城06-166的Fv/Fm和Fv/Fo与CP72-1210差异显著，崖城04-55、粤糖93-159的Fv与CP72-1210 差异显著。

2.2 不同甘蔗亲本光响应曲线参数比较

由表2可知，不同甘蔗亲本光响应曲线参数α和ETRm之间差异显著，其中崖城07-71的参数α与粤糖93-159差异显著，平均值表现为崖城07-71>崖城06-166>崖城04-55>CP72-1210>粤糖93-159；CP72-1210的参数ETRm与崖城06-166差异显著，平均值表现为CP72-1210>崖城04-55>粤糖93-159>崖城07-71>崖城06-166。不同甘蔗亲本的参数IK间则差异不显著，平均值表现为粤糖93-159>CP72-1210>崖城04-55>崖城07-71>崖城06-166.

2.3 不同甘蔗亲本叶片PSⅡ的实际光合量子产量[Y（Ⅱ）]

由图1可知，光照5 min后从暗处转到光下时，所有亲本PSⅡ的实际光合量子产量[Y（Ⅱ）]均升高，后迅速下降，40 s后Y（Ⅱ）开始上升，160 s后趋于稳定。Y（Ⅱ）由高到低为：崖城06-166>崖城07-71>粤糖93-159>崖城04-55或CP72-1210（崖城04-55和CP72-1210趋于相同）。

2.4 不同甘蔗亲本叶片光化学荧光猝灭系数（qP）和非光化学荧光猝灭系数（qN）

由图2可知，光照5 min后从暗处转到光下时，所有亲本qP均升高，后迅速下降，60 s后趋于相对稳定。qP由高到低表现为CP72-120或粤糖93-159（CP72-1210和粤糖93-159趋于相同）>崖城07-71>崖城04-55>崖城06-166。由图3可知，光照5 min后从暗处转到光下时，所有甘蔗亲本qN随着光照时间的延长呈逐渐上升趋势。160 s后qN由高到低表现为粤糖93-159>崖城04-55>CP72-1210>崖城07-71>崖城06-166。

2.5 不同甘蔗亲本叶片调节性能量耗散的量子产量Y（NPQ）和非调节性能量耗散的量子产量Y（NO）

由图4可知，光照5 min后从暗处转到光下时，所有甘蔗亲本Y（NPQ）随着光照时间的延长呈逐渐上升趋势。160 s后Y（NPQ）由高到低表现为粤糖93-159>崖城04-55>CP72-1210>崖城07-71>崖城06-166。由图5可知，光照5 min后从暗处转到光下时，所有亲本Y（NQ）均较高，后迅速下降，60 s后趋于相对稳定。Y（NQ）由高到低表现为崖城06-166>崖城07-71>CP72-1210>崖城04-55>粤糖93-159。

2.6 不同甘蔗亲本PSⅡ反应中心能量分配

由图6可知，光照5 min后从暗处转到光下时，所有甘蔗亲本PSⅡ吸收光能分配百分率（Pc）均迅速下降，随后逐渐上升，80 s后趋于稳定。60～100 s，Pc由高到低表现为CP72-1210>崖城07-71>崖城04-55>粤糖93-159>崖城06-166，140 s后Pc由高到低为：粤糖93-159>CP72-1210>崖城07-71>崖城06-166>崖城04-55。由图7可知，从暗处转到光下时，所有甘蔗亲本非光化学耗散（Ex）迅速上升，随后逐渐下降，100 s后趋于稳定。80～200 s，Ex由高到低表现为崖城06-166>崖城04-55>崖城07-71>粤糖93-159>CP72-1210；200 s后Ex由高到低表现为崖城06-166>崖城04-55>崖城07-71>CP72-1210>粤糖93-159。

3 讨论与结论

植物对光能的利用情况可以通过对叶绿素荧光特征变化进行分析获得[17]。可变荧光（Fv）表示PSⅡ反应中心各指标的大小与PSⅡ中原初电子受体（QA）的氧化还原状态密切相关[18]。郑蓉等[19]对5属9个竹种的叶绿素荧光参数Fv/Fm、Fo、Fm、Fv、Fv/Fo进行测定比较发现，叶绿素荧光参数在属间、种间存在较大差异。沈宗根等[20]对3种石斛的叶绿素荧光参数Fv/Fm、Fo、Fm、Fv、Fv/Fo进行测定比较发现，美花石斛的Fv/Fm和Fv/Fo值高于春石斛，其在PSⅡ中具有较高的实际光能捕获效率，可将所捕获的光能更多地用于光化学反应。王世伟等[21]对5个枣品种的叶绿素荧光参数Fv/Fm、Fo、Fm、Fv、Fv/Fo进行测定比较发现，其在枣品种间差异极显著，其中骏枣Fv/Fm值在参试品种中较高，在耐光抑制和光合能力方面有较明显的优势。以上结果表明不同种属间或品种间的叶绿素荧光参数存在着差异，影响其在不同逆境条件下的适应能力。本研究结果表明，崖城04-55、崖城06-166的Fv/Fm和Fv/Fo显著高于CP72-1210，说明含斑茅血缘甘蔗亲本具有较强的实际光能捕获效率，能将所捕获的光能更多地用于光化学反应。

光响应曲线反映植物当前状态下光合作用的信息[22]。通过对光响应曲线进行拟合，可得到参数α（光能利用效率）、ETRm（最大电子传递速率）和Ik（最小饱和光强，反映对强光的耐受能力）。本研究表明，崖城07-71的α（光能利用效率）显著高于粤糖93-159，CP72-1210的ETRm（最大电子传递速率）显著高于崖城06-166，说明含斑茅甘蔗血缘亲本具有较强的光能利用效率、较低的最大电子传递速率、较低的最小饱和光强和较强的强光耐受能力。

Y（Ⅱ）用来反应光下叶片的实际光能转化效率；Ex用来反应PSⅡ反应中心中既不能用于光合电子传递也不能用于非光化学耗散的过剩光能[23]；Pc用来反应植物吸收光能用于光化学反应的能量比例。马瑞娟等[24]对6个桃品种研究发现，不同桃品种间Y（Ⅱ）值存在显著性差异。林达定等[25]对芳樟不同无性系的研究表明，各无性系间Y（Ⅱ）差异不明显，其叶片所捕获的光能转化为光化学能的效率较低。本研究表明，含斑茅血缘甘蔗亲本Y（Ⅱ）值远大于甘蔗常用亲本，具有较强的光合作用原初光能捕获效率，较多的ATP和NADPH形成，为碳同化提供充分的能量和还原能力，但叶片吸收的光能中用于光化学反应的部分较少。

qN反映的是植物光合机构的自我保护能力；qP反映了植物光合活性的高低；Y（NPQ）反应植物通过自身调节过剩光能的能力，是光保护的重要指标；Y（NO）是植物光损伤的重要指标[25]。于凤等[26]研究表明，达乌里胡枝子和紫花苜蓿的qN较高，能耗散掉过剩光能，避免了沙地强光环境对光合机构的破坏，具有较强的光保护能力。贺立红等[27]对银杏4个品种叶绿素荧光进行研究，结果发现“顺德清晖园银杏”和“大龙眼”的qN较高，对自身光合机构的保护作用较强。史发猛等[9]研究表明，3个橡胶树品种中RRIM600的qN、Y（NPQ）、qP都高于其他2个品种，具有较强的光能自我调节能力，对环境有较强的适应能力，在光能过剩时以热能耗散的光能所占比例较大。本研究结果表明，含斑茅血缘甘蔗亲本在光合机构中的自我保护能力较弱，在光能过剩时以热能耗散的光能所占比例较少。

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