低温弱光胁迫下辣椒苗期光合相关指标的杂种优势

苟秉调，段盼盼，杨 楠，赵淑芳，王永富，张高原，魏兵强

(甘肃农业大学 园艺学院，甘肃 兰州 730070)

辣椒(CapsicumannuumL.)是喜温性且对光周期不敏感、受有效积温影响的茄果类蔬菜，原产中南美洲，16世纪后期传入中国[1-3]。在一些高纬度地区国家，比如中国的北方地区，以及荷兰、西班牙、以色列等地区，低温弱光严重影响了栽培辣椒的大面积种植。植物干物质的90%来自光合作用[4-5]，而光合作用是对低温弱光最敏感的生理过程之一[6]。长期或短期的低温弱光胁迫是冬季和早春辣椒生产中常见的问题，其对辣椒幼苗光合参数的影响较大[7]。低温弱光或低温处理时，辣椒叶片叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率都降低，但叶片胞间CO2浓度增大，严重影响了植株的正常生长，进而影响其产量、品质等特性[8]。

杂种优势是指杂种F1个体在生长势、适应性和产量等方面优于亲本的现象。在生产实践中，育种工作者利用杂种优势现象对作物进行遗传改良，提高其产量和抗性等品质[9]。近年来，有关低温弱光对不同辣椒品种光合特性的影响已有诸多报道，但在筛选预测辣椒杂种优势的光合指标或者鉴定其杂种优势方面报道较少。为此，本文选取了与光合特性密切相关的5项指标，分析其对低温弱光逆境的响应情况，从而对3个辣椒材料(父本、母本及其杂交种F1)的抗寒性进行综合评价；采用灰色关联分析法对这5个指标进行优劣排序，并用相关性分析法分析光合指标与杂种优势的关系。此研究丰富了辣椒杂种优势理论，为预测辣椒杂种优势提供科学的依据，也为培育耐低温弱光辣椒品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为辣椒杂交种F1强丰及其父、母本，种子均由甘肃农业大学园艺学院提供。

1.2 方法

将供试种子播种于72孔育苗盘中，30 ℃黑暗条件下发芽后置于人工气候箱中，昼/夜温度28 ℃/22 ℃，光照强度6 000 lx，光周期16 h/8 h(L/D)。待幼苗长至六叶一心时移入营养钵中培养，培养条件不变。待八叶一心时将幼苗置于人工气候箱中处理。对照组(CK)：昼/夜温度28 ℃/23 ℃，光照强度6 000 lx，光周期16 h/8 h(L/D)；T1：昼/夜温度15 ℃/10 ℃，光照2 000 lx，光周期16 h/8 h(L/D)。每隔2 d用1‰的大量元素水溶肥料(史丹利农业集团股份有限公司)浇灌补充水分。处理3 d后取第3片或者第4片功能叶进行光合气体参数和叶绿素含量测定，每个处理3次生物学重复。

1.3 测定指标与计算方法

1.3.1 指标测定与杂种优势、隶属函数值计算方法

在人工气候室内采用美国Li-COR公司的Li-6400 XT型便携式光合测定仪测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。叶绿素相对含量采用SPAD-502仪测定。对照和低温弱光处理尽可能在同一时间段内测定。

超中优势=[F1-(P1+P2)/2]/[(P1+P2)/2]；

超亲优势=(F1-Ph)/Ph；

离中优势=[F1-(P1+P2)/2]/[(P1-P2)/2]。

其中，F1为杂种1代，P1和P2分别为2个亲本，Ph为亲本中的较高值。以上数值均取低温弱光处理后的平均值进行计算[10]。

参考贺仲雄[11]和邓聚龙[12]的方法，采用优化后的模糊数学隶属函数法，求得各材料隶属函数平均值，该平均值代表辣椒的抗寒性。若指标与抗寒性成正相关，隶属函数值的计算方法为：

(1)

若指标与抗寒性成负相关，隶属函数值的计算方法为：

(2)

(3)

式(1)、(2)和(3)中，Zij表示i辣椒j指标的抗寒隶属函数值，Xij为i辣椒j指标3个测定值的均值，Ximax和Ximin分别为各指标的最大值和最小值，n为指标数。

1.3.2 灰色关联分析

按灰色系统理论要求，将3个辣椒材料的光合特性隶属函数均值和5个指标视为一个整体，即灰色系统。原始数据经标准化处理后，根据关联分析理论，计算各指标与隶属函数均值的关联系数，然后分别求出各指标与光合特性隶属函数均值的关联度，并按照关联度大小排列出关联序。

1.3.3 标准化处理

由于灰色关联系统中各因素代表的含义不同，导致数据的量纲也不相同，不便于比较，或在比较时难以得到正确的结论。因此，在进行灰色关联度分析时，要进行无量纲化的数据处理。按下列公式进行标准化处理[13]。

(4)

1.3.4 关联系数与关联度计算

根据数据的标准化处理结果可分别求得参考数列(平均隶属函数值)X0与比较数列(各指标)Xi各对应值的关联系数，计算公式[11]如下。

ξi(k)=

(5)

式(5)中，i为某个指标；ξi(k)为比较数列Xi对参考数列X0在第k点的关联系数；ζ为分辨系数，0<ζ<1，本文取中间值，即取ζ=0.5。利用各比较数列Xi对参考数列X0的关联系数求出各指标对辣椒抗低温弱光性的关联度，计算公式[11]为：

(6)

式(6)中，ri为比较数列Xi与参考数列X0的关联度，i=1，2，3，4，5。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0软件进行数据处理、图表制作、差异显著性分析、相关性分析与灰色关联分析。

2 结果与分析

2.1 灰色关联分析

2.1.1 灰色关联系统的建立

如表1所示，将3个辣椒材料光合指标的平均隶属函数值作为参考数据列(母序列)，记为X0(X0=0.724，0.706，1.049)；净光合速率等5项光合指标为比较数列(子序列)，记为Xi(i=1，2，3，4，5)。具体值见表1。各指标标准化后的结果见表2。

2.1.2 关联系数和关联度分析

由表3可以看出，父本、母本、杂交种F1抗低温弱光性与各指标之间的关联度从大到小为0.959、0.928、0.899、0.837、0.774。基于灰色关联系统理论，关联度ri越大，参考序列与比较序列关系越紧密，反之，它们的关系越远。因此，关联度大小可表明某项指标与低温弱光胁迫之间的敏感程度。由表3可知，各指标对父本、母本、杂交种F1的抗低温弱光性的影响，以胞间二氧化碳浓度最大，气孔导度次之，其次为叶绿素含量和蒸腾速率，净光合速率最小。

表1 三种辣椒材料在低温弱光胁迫下的隶属函数值与各项光合指标值

表2 不同辣椒材料在低温弱光胁迫下光合指标标准化处理的结果

表3 不同辣椒材料对低温弱光的抗性与各指标的关联系数、关联度和关联序

2.2 低温弱光胁迫对辣椒苗期叶片光合相关指标及其杂种优势的影响

2.2.1 净光合速率

如图1-A所示，对照组中各辣椒材料之间的净光合速率无显著差异；在低温弱光胁迫下，父本、母本、杂交种F1的净光合速率均降低，分别较CK降低54.46%、76.33%、48.92%，且杂交种F1的净光合速率与父本无显著差异(P>0.05)，但显著(P<0.05)高于母本。

由图1-B可以看出，在低温弱光胁迫下，辣椒苗期叶片净光合速率的离中优势最明显，达到0.623，显著高于超亲优势和超中优势；超亲优势次之，超中优势最差，其值分别为0.347和0.189。

2.2.2 气孔导度

由图2-A可以看出，对照组中各辣椒材料之间的气孔导度无显著差异；在低温弱光胁迫下，父本、母本、杂交种F1的气孔导度均降低，分别较CK降低69.63%、86.20%、59.46%，且杂交种F1的气孔导度显著(P<0.05)大于亲本。

CK，对照；T1，低温弱光处理。柱状图上无相同小写字母的表示各处理间差异显著(P<0.05)。下同。CK， Control; T1， Low temperature and low light treatment. Data on the bars marked without the same lowercase letter indicated significant differences at P<0.05. The same as below.图1 低温弱光胁迫对辣椒苗期叶片净光合速率及其杂种优势的影响Fig.1 Effects of low temperature and low light stress on net photosynthetic rate and heterosis of pepper leaves at seeding stage

图2 低温弱光胁迫对辣椒苗期叶片气孔导度及其杂种优势的影响Fig.2 Effects of low temperature and low light stress on stomatal conductance and heterosis of pepper leaves at seeding stage

由图2-B可知，在低温弱光胁迫下，辣椒苗期叶片气孔导度的离中优势最明显，值为0.531；其次是超亲优势，达到0.322；超中优势最差，为0.213。

2.2.3 胞间CO2浓度

对照组中杂交种F1的Ci显著(P<0.05)高于亲本，且各材料间之间差异显著(P<0.05)；在低温弱光胁迫下，父本、母本、杂交种F1的Ci均升高，分别较对照组升高5.26%、3.67%、8.87%，且杂交种F1的Ci仍显著高于(P<0.05)亲本(图3-A)。

低温弱光胁迫下，辣椒苗期叶片Ci的离中优势最明显，达到1.257，显著高于超亲优势和离中优势；超亲优势次之，其值为0.083；超中优势最差，其值为0.027(图3-B)。

2.2.4 蒸腾速率

由图4-A可以看出，对照组中杂交种F1的Tr显著(P<0.05)高于父本，与母本之间差异不显著(P>0.05)；低温弱光胁迫下，父本、母本、杂交种F1的Tr均降低，分别较CK降低53.20%、87.52%、34.75%，母本降低幅度最大，且杂交种F1的Tr显著(P<0.05)高于亲本。

由图4-B可以看出，在低温弱光胁迫下，辣椒苗期叶片Tr的离中优势最明显，其值达到0.680；其次为超亲优势，值为0.605；超中优势的值最小，值为0.368。

2.2.5 叶绿素含量

由图5-A可知，对照组中杂交种F1的叶绿素含量显著(P<0.05)高于父本，与母本之间差异不显著(P>0.05)；在低温弱光胁迫下，父本、杂交种F1的叶绿素含量均升高，分别较对照升高7.53%、16.03%；母本的叶绿素含量降低，较对照降低4.13%；且杂交种F1的叶绿素含量显著高于亲本(P<0.05)。

由图5-B可以看出，在低温弱光胁迫下，辣椒苗期叶片叶绿素含量的离中优势最明显，值为1.555，显著高于超亲优势(值为0.124)与超中优势(值为0.038)。

图3 低温弱光胁迫对辣椒苗期叶片胞间二氧化碳浓度及其杂种优势的影响Fig.3 Effects of low temperature and low light stress on Ci and heterosis of pepper leaves at seeding stage

图4 低温弱光胁迫对辣椒苗期叶片蒸腾速率及其杂种优势的影响Fig.4 Effects of low temperature and low light stress on transpiration rate and heterosis of pepper leaves at seeding stage

图5 低温弱光胁迫对辣椒苗期叶片叶绿素含量及其杂种优势的影响Fig.5 Effects of low temperature and low light stress on chlorophyll content and heterosis of pepper leaves at seeding stage

2.3 低温弱光胁迫下辣椒苗期光合相关指标与杂种优势的相关性分析

植物生长指标与其性状、杂种优势紧密相关[14]。从表4可以看出，Gs与Pn、Tr、叶绿素含量呈极显著正相关；Ci与叶绿素含量呈显著正相关；Tr与Pn、Gs、叶绿素含量呈极显著正相关；叶绿素含量与Pn、Ci呈显著正相关，与Gs、Tr呈极显著正相关；超中优势与Pn、Gs、Ci、Tr、离中优势均呈负相关，与叶绿素相对含量、离中优势呈正相关；超亲优势与Pn、Gs、Tr、叶绿素含量、超中优势呈正相关，与Ci呈负相关；离中优势与Pn、Gs、Tr、叶绿素含量呈正相关，与Ci、超中优势、超亲优势呈负相关。

表4 低温弱光胁迫下辣椒苗期光合相关指标与杂种优势的相关性分析

3 讨论

大多数植物的生长主要依靠光合作用制造有机物来实现，因此光合相关指标很大程度上反映了植物的生存和竞争能力[7]。朱为民等[15]提出，可将光合特性作为番茄设施专用品种选育的指标；本研究进一步验证了其结论，并且发现低温弱光环境下Ci为最优指标，其次是Gs和叶绿素含量，再次是Tr和Pn。因此，在评价辣椒抗低温弱光性或预测其杂种优势时优选的光合相关指标是Ci。

光合指标的杂种优势与产量的杂种优势息息相关[16]。辣椒光合指标的杂种优势对培育高产量、高品质的育种工作至关重要。邹学校等[17]研究表明，超亲优势是以优势亲本为比较标准，是育种上的优势，主要用于育种研究。离中优势又称平均显性度，是以双亲平均值之差的一半作为尺度衡量F1优势的方法，是以遗传效应来度量杂种优势的，反应了杂种优势的遗传本质。辣椒的净光合速率在每个生育期的杂种优势表现不同。本研究发现，低温胁迫下，辣椒苗期叶片光合相关指标中离中优势明显，推荐作为鉴定辣椒杂种优势的标准；超亲优势次之，超中优势最差。建议评价辣椒杂种优势时以离中优势和超亲优势为主要标准。本研究之所以与邹学校等[17]的研究结果不同，可能是辣椒处于一定的低温弱光胁迫，以及所取样的辣椒生长期不同而导致的。

光合参数是鉴定植株耐低温弱光性的重要指标[18]。逆境胁迫下叶片叶绿素含量的高低不仅影响光合同化过程，同时也是衡量植物耐逆性的重要指标之一[19]。本研究表明，在低温弱光胁迫下，父本、母本及其杂交种F1的Pn、Gs和Tr均低于对照组，且3种辣椒材料在低温弱光下降低的幅度大小依次为母本、父本、杂交种F1；3种辣椒材料的Ci均升高，且在低温弱光下升高的幅度大小依次为杂交种F1、父本、母本，说明低温弱光胁迫下辣椒叶片光合速率降低的主要原因是非气孔因素；在低温弱光胁迫下，母本的叶绿素含量降低，而父本和杂交种F1的叶绿素含量均升高，且杂交种F1的叶绿素含量升高的幅度大于父本，说明3种辣椒材料的光合作用强弱依次为杂交种F1、父本、母本。综上所述，3种辣椒材料耐低温弱光胁迫的强弱依次为杂交种F1、父本、母本。