不同玉米自交系灌浆期棒三叶光合特性及产量差异比较分析

赵泽群，师赵康，张远航，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)

玉米是世界上主要的粮饲两用型作物，其产量的提高在很大程度上依赖于新品种的培育[1]。目前，农业生产上的玉米以单交种为主，即通过两个遗传背景不同的玉米自交系杂交育成的品种。因此，选育综合性状优良的玉米自交系为新品种培育奠定重要的材料基础。在玉米杂交种亲本的选育过程中，育种家多关注株型、光合特性、产量及抗逆性等性状[2～3]。有关自交系选育的手段也比较多样，包括直接选系、回交转育、杂交选育以及单倍体选育等方法或技术[4～5]。

叶片是植物合成碳水化合物的源器官，在营养和生殖生长过度过程中，最终将光合产物转运至子粒中，从而影响产量的形成[6]。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[7～8]。因此，众多研究围绕玉米棒三叶的光合特性展开。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主要参数[9]。然而迄今为止，虽然通过利用玉米光合特性分析特定性状的研究较为广泛，但是有关玉米光合特性与产量性状关系仍不清楚。

本研究以6个玉米自交系为研究材料，通过对其灌浆盛期的棒三叶的叶片形态、叶绿素含量、光合特性及其产量性状进行分析，探讨四者的相关关系，为筛选高光效玉米种质奠定一定基础，也为培育优良的玉米新品种积累有价值的资料。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本研究选用PH6WC、PH4CV、唐65(T65)、郑58(Z58)、综3(Z3)和87-1等6个玉米自交系，其中PH6WC、PH4CV和综3、87-1分别是玉米杂交种先玉335和豫玉22的母本和父本，郑58为郑单958的母本，而唐65为自主选育自交系。

1.2 田间设计

于2016将供试材料在山西农业大学农作站分小区点播，每自交系种植6行，株行距分别为30 cm和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 kg·hm-1、120 kg·hm-1和112.5 kg·hm-1)，玉米生长期间在大喇叭口和抽雄期分别浇灌一次，其他管理措施同一般试验田。

1.3 叶片性状测定

在各玉米自交系吐丝期15 d，每个玉米自交系选定10株，用直尺测量各自交系棒三叶的长和宽。根据公式，面积=长×宽×0.75计算3个叶片的面积。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两组，分别测定其叶绿素含量和干重。将待称重叶片放置于鼓风干燥箱，120 ℃杀青30 min，随后80 ℃烘至恒重，而后称重。

1.4 叶绿素含量测定

将选定的6个玉米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 nm和645 nm两个波长下的测定吸光值，根据公式：叶绿素a含量(Chla)=12.7(A663)-2.69(A645)，叶绿素b含量(Chlb)=22.9(A645)-4.68(A663)，总叶绿素含量(Total Chl)=叶绿素a含量+叶绿素b含量。分别计算叶片中叶绿素a和叶绿素b含量以及叶绿素总含量和Chla/ Chlb比值。

1.5 光合参数的测定

在当日上午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个玉米自交系棒三叶光净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)等4个光合参数，水分利用率(WUE)依照公式WUE=Pn/Tr计算，测定条件为红蓝光源，光强(PFD)为1200～1 500 μmol·(m2·s)-1，叶室温度为28±5 ℃，CO2流速在350～400 μmol·s-1之间，每自交系测定5株。

1.6 产量测定

在收获期，在各玉米自交系种植区内，随机选定长势均匀一致的10个植株，收获其雌穗，放入网袋中自然晾晒两个月后，测定其穗长(ear length，EL)、穗粗(ear diameter，ED)、秃尖长(Bald tip length, BTL)、轴粗(cob diameter,CD)、穗行数(row number per ear，RN)、行粒数(kernel number per row，KN)、百粒重(100 kernel weight，KW)、穗重(ear weight,EW)和单穗粒重(kernel weight per ear，KWE)等产量相关性状。

1.7 数据处理

采用DPS数据处理系统对测定的所有数据进行处理，再利用Excel软件整理数据并绘制相关图表，分析不同玉米自交系棒三叶形态大小、叶绿素含量、光合特性及产量差异，并进行主因子分析。

2 结果与分析

2.1 6份玉米自交系棒三叶形态差异分析

分析结果显示，不同自交间同一叶片的大小存在明显差异，且经显著性分析达到显著或极显著水平，而同一自交系穗位及其上下3个叶片的长度差异不大，这也导致自交系间棒三叶的长度具有基本一致的差异表现。在叶长上，以PH6WC叶片最长，达到80 cm，而以PH4CV为最小，仅有60 cm，其他依次排序为唐65、87-1、综3和郑58(图1 A)。对叶宽分析发现，除87-1和郑58的穗上叶宽在3个叶片间变化较大外，其他自交系的棒三叶间宽度差异并不明显，且大小排列顺序与长度排序结果相似(图1B)。叶面积统计结果表明，PH6WC的棒三叶面积相较其他自交系均为最大，为600 cm2左右，而PH4CV、综3和郑58的相对较小，变化范围在350～400 cm2，另外两个居中(图1C)。进一步对棒三叶的生物量测定后发现，仍然以PH6WC的3个叶片干重为最大，均在2 g左右，而以PH4CV、综3和87-1的相对较小，基本都在0.9～1.0 g之间(图1D)，这与叶面积测定结果基本吻合，说明不同自交系叶片厚度差异不大。

图1 6个自交系棒三叶形态大小及其生物量差异Fig.1 The size and biomass of rod-trefoil in 6 inbred lines注：图中不同填充图案的柱状图代表不同玉米自交系，与图A中图例表示相同；不同大写和小写字母分别表示同一部位叶片不同自交系间P<0.01和P<0.05水平的显著性差异。Note:The histograms containing different filling patterns in all figures represent the different maize inbred lines, which are the same as those in figure A, and the capital and lowercase letters in all figures represent significant differences in P<0.01 and P<0.05 level on the identical leaf of different inbred lines.

2.2 叶绿素含量差异分析

叶绿素含量是反应叶片光合能力的重要指标。因此，我们对6个玉米自交系棒三叶中叶绿素a(Chla)和叶绿素b(Chlb)含量进行了测定。结果显示，不论Chla和Chlb，除了PH4CV和87-1以穗下叶含量较高外，其他基本呈现穗位叶≥穗上叶>穗下叶的变化规律。对比不同自交系发现，唐65的3个叶片Chla含量均为最高，其穗下叶，穗位叶和穗上叶中分别达到2.7 mg· g-1、3.5 mg· g-1和3.6 mg· g-1，而以PH6WC为最低，仅有0.8 mg· g-1、0.3 mg· g-1和0.4 mg· g-1，其他4个玉米基因型棒三叶的CHla含量居中。对CHlb含量测定发现，仍然以PH6WC的为最小，仅有0.3 mg·g-1左右，而以唐65和PH4CV为最大，分别达到1.5 mg· g-1和1.7 mg·g-1。对Chla和Chlb综合来看，唐65的总叶绿素含量为最高，这与叶绿素a的结果相同。进一步对Chla/Chlb比值统计结果显示，除郑58的穗位叶和87-1的穗上叶的比值在3.5左右，其他叶片的Chla/Chlb比值基本在2.5～3.0之间，这与前人研究结果相似[10]。

图2 6个自交系棒三叶叶绿素含量差异Fig.2 The chlorophyll content of rod-trefoil in 6 inbred lines注：图中不同填充图案的柱状图代表不同玉米自交系，与图A中图例表示相同；不同大写和小写字母分别表示同一部位叶片不同自交系间P<0.01和P<0.05水平的显著性差异。Note:The histograms containing different filling patterns in all figures represent the different maize inbred lines, which are the same as those in figure A, and the capital and lowercase letters in all figures represent significant differences in P<0.01 and P<0.05 level on the identical leaf of different inbred lines.

2.3 光合参数差异比较

统计发现，Pn、Tr、Gs、Ci及WUE这5个光合参数在不同自交系相同叶片间均存在较大变异，且差异达到显著或极显著水平。例如，PH6WC的Pn值在穗位叶为最大，达到15.11 umol· m-2·s-1，而穗上叶的值则最小，仅有6.65 umol· m-2·s-1，而唐65穗上叶的Pn值最大，穗位叶的值为最小。有意思的是，同一自交系3个叶片所有光合参数的变化趋势基本一致。例如，PH6WC穗位叶的Pn、Tr、Gs、Ci及WUE数值均比另外两个叶片要大，而唐65穗上叶的上述5个参数具有最大值(图3,4)。上述说明，不同玉米自交系的光合能力存在差异，而且3个叶片间光合特性并不一致，这可能是由于植株构型差异影响自然光照射所致。

进一步依照Pn、Tr、Gs、Ci及WUE顺序排列，在6个玉米自交系中，穗上叶5个光合参数数值最大的分别为唐65、唐65、87-1、87-1和综3；穗位叶以综3、PH6WC、综3、87-1和综3分别具有最大值；而穗下叶则分别以综3、唐65、综3、综3和综3的5个光合参数值为最大(图3,图4)。综合来看，综3棒三叶的WUE值均为最大，其Pn值除穗上叶较低外，穗位叶和穗下叶都较大，表明其光合作用能力也较强，且Gs和Ci数值也较大，这说明该自交系光合能力较强，水分利用率较高，综3为光合特性较，综3为光合特性较为突出的育种材料。

2.4 不同玉米自交系产量差异及其与叶片性状的相关分析

在分析叶片形态、叶绿素含量及光合特性的基础上，我们又对6个玉米自交系的9个产量性状进行了统计分析。结果发现，秃尖长、行粒数、穗重和穗粒重这4个性状在6个自交系间变异较大，而其他5个参数变化幅度不大。其中，以PH6WC的单株产量为最大，达到116.63 g，而以郑58为最小，仅有92.80 g，其他依次排序为综3、唐65、PH4CV和87-1(表1)。

图3 6个自交系棒三叶光和参数差异Fig.3 The photosynthetic parameters of rod-trefoil in 6 inbred lines注：图中不同填充图案的柱状图代表不同玉米自交系，与图A中图例表示相同；不同大写和小写字母分别表示同一部位叶片不同自交系间P<0.01和P<0.05水平的显著性差异。Note:The histograms containing different filling patterns in all figures represent the different maize inbred lines, which are the same as those in figure A, and the capital and lowercase letters in all figures represent significant differences in P<0.01 and P<0.05 level on the identical leaf of different inbred lines.

图4 6个玉米自交系棒三叶水分利用效率的差异Fig.4 Water use efficiency (WUE) of rod-trefoil in 6 inbred lines注：图中不同填充图案的柱状图代表不同玉米自交系，不同大写和小写字母分别表示同一部位叶片不同自交系间P<0.01和P<0.05水平的显著性差异。Note:The histograms containing different filling patterns in all figures represent the different maize inbred lines, and the capital and lowercase letters in the figure represent significant differences in P<0.01 and P<0.05 level on the identical leaf of different inbred lines.

进一步对不同自交系单株产量与棒三叶叶面积大小、叶绿素含量及光合参数进行相关分析，结果发现，叶绿素含量与光合特性均与产量不相关(结果未呈现)，仅棒三叶叶面积大小与产量显著相关，且穗下叶、穗位叶和穗上叶与单株产量的相关系数(r)分别为0.076 3，0.079 2，0.104 2。

3 讨论与结论

目前，玉米生产上以种植单交种为主，因此杂交种亲本的选育则显得尤为关键。只有当遗传背景不同的两个表现优良的玉米自交系通过杂交，生成的杂交种才更有可能具有较大的杂种优势，从而对于玉米高产、稳产具有重要意义。本研究选用PH6WC、PH4CV、唐65、郑58、综3和87-1这6个玉米自交系为研究对象，其中，PH6WC、PH4CV和综3、87-1分别为先玉335和豫玉22的两个亲本，郑58为郑单958的母本，由这几个自交系培育的杂交种过去或现在均在我国玉米生产上发挥重要作用，而唐65为自主选育自交系，经过配合力测定发现，其具有较高的一般配合力。因此，围绕这几个自交系进行研究，对玉米种质创新甚至是新品种培育具有借鉴意义。

表1 6个自交系产量性状统计结果Table 1 six inbred lines yield traits results

注：表中数字后面的字母代表不同基因型同一性状在P<0.05水平下的显著性差异。

Note:The letters behind the data in the table represent significant differences at theP<0.05 level for the same trait of different genotypes.

图5 玉米自交系棒三叶面积和单穗粒重的线性关系Fig.5 Linear Relationship between the Area of Stick Clover and the Per Capsgrain Weight in Maize Inbred Lines注：图中**表示叶片面积大小和单穗粒重之间达到显著相关性。Note: The figure ** indicates a significant correlation between leaf area size and grain weight per spike.

光合参数是反应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[11～12]。研究发现，玉米叶片的光合特性在一天内以上午9～11点较为稳定，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]。本研究表明，6个玉米自交系的棒三叶在Pn、Tr、Gs、Ci及WUE这5个光合参数上具有较大的差异，但是同一自交系3个叶片所有光合参数的变化趋势基本一致，这可能与植株构型差异影响自然光照射有关。自交系综3的所有光合参数均较高，是光合能力强、水分利用效率高的育种材料。由此说明，不同玉米基因型间的光合能力存在差异，即使对于同一基因型的不同生长发育时期的光合效率也不一致。

玉米产量的形成是一个渐变过程，主要取决于叶片将同化产物转运至子粒中的能力和数量以及时间长短。因此，并非光合能力强则同化产物转运的效率就一定会高，只有当“源”、“库”、“流”相互协调时，产量的形成才会有所保证，而单纯分析“源”而不考虑“流”，则不利于清晰解释“源”与“库”的关系。本研究发现，6个玉米自交系间棒三叶的形态大小、叶绿素含量、光合参数以及产量性状上存在一定变异，不过除了叶片面积与产量外，叶绿素含量和光合特性均与产量不相关，这可能因为产量形成是长期累积的结果，单独某一天的光合作用效果不足以对产量造成多大影响，也可能涉及较为复杂的转运机制。最近，华鹤良等[14]研究发现，在特定发育时期，玉米茎秆含糖量高低同光合速率大小并不一致，这可能与植株自身消耗量等因素相关，也暗示这两者之间存在较为复杂的关系。由此，我们推定，仅仅针对单一玉米生长发育阶段的光合特性分析，不能满足对其产量的预测，而究竟研究玉米哪些生长发育阶段的光合特性，对产量的预测较为关键值得进一步深入研究。