玉米杂交种及其亲本灌浆期棒三叶光合特性差异比较分析

张远航 ，师赵康 ，赵泽群 ，王 雯 ，冯万军

（1.山西农业大学农学院，山西 太谷 030801；2.山西农业大学农业生物工程研究所，山西 太谷 030801）

杂种优势（Hybrid vigor或Heterosis）是生物界广泛存在的一种生物学现象，指2个遗传背景不同的亲本杂交产生的F1，在生长势、抗逆性、繁殖力、适应性、产量和品质等性状上优于亲本的现象[1]。迄今为止，有关杂种优势的遗传机制涉及显性、超显性和上位性等[2]，但其形成的分子机理仍不清楚。玉米是杂种优势利用最早、并在世界范围内普及推广取得最有成效的作物，现已成为研究杂种优势形成机理的重要模式植物。

叶片是植物进行光合作用的主要场所，并可通过蒸腾作用提供根系从外界吸收水和矿质营养的动力，对植物生长发育及产量形成发挥重要功能。研究发现，2个叶片数相近亲本的杂交后代的叶片数存在一定变异，可能与数个杂种优势位点的加性效应有关[3]，而杂交种F1的叶面积较2个亲本也表现出显著的杂种优势[4]，这可能源于杂交种叶片细胞数目的增加而非细胞大小。在玉米中，穗位叶和结实雌穗上下节的叶片（棒三叶）是其主要的光合层，在干物质积累特别是产量形成过程中发挥主要作用[5]。众多研究表明，光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）及水分利用效率（WUE）等是鉴定植物光合能力的有效参数[6]。然而迄今为止，多数研究针对玉米穗位叶的光合特性展开，而有关综合分析杂交种与亲本棒三叶形态、叶绿素含量及光合特性的研究鲜有报道。

本研究以2个玉米杂交组合为研究对象，通过对其灌浆盛期棒三叶的叶片形态、叶绿素含量以及光合特性表现差异进行分析，旨在为解析玉米棒三叶杂种优势形成的生物学机理奠定基础，也为培育光合能力高效的玉米新品种积累有价值的资料。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究选用 PH6WC（母本）、PH4CV（父本）及其杂交种先玉335和唐65、昌7-2及其杂交种唐65/昌7-2共6个基因型为试验材料。其中，昌7-2为郑单958父本，唐65为自主选育自交系。

1.2 试验设计

于2016年将供试材料在山西农业大学农作站分小区点播，每基因型种植6行，株行距分别为30，50 cm。玉米种植区土质为轻壤土，播前施加东方红玉米专用复合肥750 kg/hm2（含氮、磷、钾肥的量分别为 105，120，112.5 kg/hm2），玉米生长期间在大喇叭口期和抽雄期分别浇灌一次。其他管理措施同一般试验田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶片性状测定 在各玉米自交系吐丝期15 d，每个玉米基因型选定10株，用直尺测量各自交系棒三叶的长和宽。随后对光合特性进行测定，待光合参数测定完成后，随机将选定叶片等量分为2组，分别测定其叶绿素含量和干质量。将待称质量的叶片放置于鼓风干燥箱，120℃杀青30 min，随后80℃烘至恒质量，称质量。

1.3.2 叶绿素含量测定 将选定各基因型新鲜棒三叶剪碎，称取0.5 g放置于试管中，加95%乙醇10 mL，于阴暗处静置提取，直到材料变白，再将其过滤，得到叶绿素色素提取液，将其定容至100 mL。取出1 mL叶绿素色素提取液，利用分光光度计，在663，645 nm这2个波长下测定吸光值。

1.3.3 光合参数的测定 在当日9：00—11：00，采用Li-6400便携式光合作用测定仪（LI-COR Inc.Lincoln，Nebraska，USA）测定6个玉米基因型棒三叶净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）4个光合参数，光合参数的测定条件为红蓝光源，光强（PFD）为 1 200～1 500 μmol/（m2·s），叶室温度为（28±5）℃，CO2流速在 350～400 μmol/s，每基因型测定 5 株。

1.4 数据处理

采用DPS数据处理系统对测定的所有数据进行统计分析，再利用Excel软件整理数据并绘制相关图表。根据测量数据计算各性状杂交种中亲优势和超亲优势，中亲优势（MPH）是指杂交种F1的某个数量性状数值超过双亲平均数（MP）的百分率。

超亲优势（BPH）指杂交种F1的某个数量性状数值超过最优亲本（HP）的百分率。

式中，F1表示杂交种；P1，P2分别表示双亲不同性状的值；HP表示最优亲本不同性状的值。

2 结果与分析

2.1 2个玉米杂交组合棒三叶叶片形态杂种优势分析

以唐65/昌7-2和PH6WC/PH4CV这2个玉米杂交组合为研究对象，对其灌浆期棒三叶的叶片长、宽、叶面积以及干质量分析发现（图1），2个杂交种在4个性状上都存在显著或极显著超亲优势。在叶片长度和宽度2个性状上，2个杂交种的棒三叶相较于其亲本均以宽度优势更为显著，其中，又以先玉335穗位叶的超亲优势最大，达到31.73%，其穗上下两叶的超亲优势仅有15%左右，而唐65/昌7-2在3个叶片的宽度上超亲优势均在20%以上；在叶长上，除了先玉335穗位叶和穗下叶超亲优势值较小（8.20%和5.09%）外，其余叶片超亲优势值均在10%以上，且以唐65/昌7-2穗下叶超亲优势值为最大，达到13.55%。由于叶面积是综合了叶长和叶宽2个性状的结果，因此，2个杂交种的叶片面积均较其亲本极显著增大，且其中亲或超亲优势值均相对于叶长、叶宽明显提高。叶面积大小是决定其生物量多少的直接原因。对叶片干质量与叶片杂种优势比较发现，二者并不全吻合，并且有几个叶片在2个性状上杂种优势表现差异还比较大。唐65/昌7-2穗位叶叶面积与干质量的超亲优势分别为37.78%和8.9%，而先玉335穗位叶和穗上叶其超亲优势则分别为43.71%，40.81%和40.46%，15.65%，这可能与叶片含水量甚至叶片厚度存在差异有关，其还有待进一步研究。从叶片表型比较来看，2个杂交组合以PH6WC/PH4CV组合表现更为优异，其2个亲本棒三叶形态存在较大差异，从而使得杂交后代的超显性效应更为明显。上述结果表明，2个杂交组合同一叶片性状杂种优势表现不同，即使同一组合不同性状间杂种优势表现也不一致，这也暗示了杂种优势形成机制的复杂性。

2.2 2个玉米杂交组合棒三叶叶绿素含量差异分析

在叶片表型性状分析的基础上，进一步对2个杂交组合6个玉米基因型棒三叶的叶绿素含量进行了测定，结果表明（图2），仅先玉335穗位叶和穗下叶的Chla和Chlb含量具有显著的超亲优势外，其余叶片2种叶绿素含量均不具有超亲优势。唐65/昌7-2穗上叶Chlb含量为加性表达，其穗下叶的Chla和Chlb含量均为偏低亲表达，其余则为偏高亲表达。从叶绿素含量绝对值来看，唐65/昌7-2的3个叶片均比先玉335的2种叶绿素含量要高，暗示其光合能力可能更强。此外，对Chla/Chlb的值分析结果显示，相对于亲本，杂交种的Chla/Chlb的值变化较小。其中，先玉335的Chla/Chlb的值以穗位叶较大，在3.0左右，另外两叶均在2.0左右；而唐65/昌7-2以穗上叶具有最大值（3.0左右），其余两叶则相对要小（2.0左右）。由此推测，杂交种叶片中2种叶绿素水平更为协调，这可能也是 叶片杂种优势形成的一个原因。

2.3 2个玉米杂交组合棒三叶光合特性差异分析

光合参数是反映叶片光合能力的重要指标。对2个杂交组合棒三叶光合特性分析结果显示（图3），在净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci）以及水分利用率（WUE）5个光合参数上，2个杂交种较其亲本存在较大的变化。其中，仅先玉335穗上叶的Pn，Tr，Gs这3个参数和唐65/昌7-2穗位叶的Pn表现为超显性表达模式，而先玉335穗位叶Ci存在负向超显性，其余则为加性或者显性表达模式。这些结果与叶绿素测定结果部分吻合，不过由于杂交种叶片面积具有极为显著的超亲优势，由此也导致其单位时间内光合同化产物积累的量要多于亲本。

进一步对棒三叶水分利用效率分析发现（图4），先玉335的穗位叶和穗下叶WUE较两亲本显著提高，超亲优势分别为48.04%和38.97%，而穗上叶WUE则为-18.40%；唐65/昌7-2则仅有穗下叶WUE具有超亲优势，达到52.12%，而穗位叶和穗上叶分别表现为偏低亲和偏高亲变化。上述结果说明，不同玉米杂交组合的光合能力存在差异，而且3个叶片间光合特性并不一致，这可能与植株构型差异影响自然光照射有关。

3 讨论与结论

杂种优势是生物界普遍存在的现象，但其表现形式非常复杂。一般来说，亲缘关系越远，遗传差异越大，杂种优势越明显。玉米是典型的异交作物，表现极端的近交衰退和杂种优势。研究表明，玉米苗期侧根密度的中亲优势值在12个杂交种中为51%～130%，发芽后3～7 d的杂交种初生根长度的中亲优势值为17%～25%[7]。SPRINGER等[8]对玉米B73/Mo17杂交组合多个性状分析发现，玉米穗粒质量杂种优势最高，籽粒产量和苗期生物量次之，而开花期和节间数杂种优势最低。郭宝剑等[9]对玉米杂交种Mo17/B73及其亲本发芽第5天第3片的叶长、叶宽和叶面积分析发现，杂交种较两亲本在3个性状上具有极显著的杂种优势，且中亲或超亲优势分别在70%，90%和200%以上。本研究发现，玉米杂交种先玉335和唐65/昌7-2在棒三叶叶面积上存在极显著的超亲优势，这更多源自叶片宽度上杂种优势较大，与前人研究结果吻合[10]；而2个组合在3个叶片上的优势大小并不一致，并且唐65/昌7-2穗位叶叶面积与干质量与先玉335穗位叶和穗上叶的超亲优势并不相近。由此可以看出，同一作物不同杂交组合作物相同性状的杂种优势表现并不一致，而特定杂交组合不同性状间的杂种优势表现也不相同，即使同一性状的不同生长发育阶段其表现也可能完全不同，说明杂种优势形成的机制异常复杂。所以，要解析杂种优势形成的生物学机制，还应从特异杂交组合的特定性状入手。

光合参数是反映叶片光合能力的重要指标，现常用于检测植物对营养匮乏、干旱等胁迫的反应过程中[11]。研究发现，玉米叶片的光合特性在一天内以 9：00—11：00 较为稳定[12]，而不同玉米品种的叶片光合特性并不一致，且在玉米不同的生长发育时期呈现动态变化[13]，玉米杂交种由于叶面积较两亲本更大，所以在光合能力上存在杂种优势现象[14]。本研究表明，仅有先玉335穗上叶的Pn，Tr，Gs与唐65/昌7-2穗位叶的Pn表现出超亲优势，而先玉335穗位叶Ci存在负向超亲优势，其余则未表现出超亲优势，且这些差异的产生与叶绿素含量有一定关联。这与前人研究结果并不完全相同，可能与所选杂交组合和测定生长发育时期不同有关。由此推测，光合作用有关基因在杂交种中多呈加性或显性表达模式，而较少呈超显性表达。最近，SONG等[10]对玉米杂交种与其亲本吐丝后玉米穗位叶研究发现，在2 000多个差异表达基因中，仅有9个基因与叶绿体合成或降解有关，且仅有1个参与淀粉合成的酶基因-ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGP）在杂交种中超显性表达，这也印证了本研究的推测。

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