红富士芽变类型及芽变品种叶片特征与光合特性

吴泽珍，温 玥，胡 真，王安丽，周文静，李文胜

(新疆农业大学林学与园艺学院/新疆农业大学特色果树研究中心，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】光合能力是果树产量和品质形成的基础，树体90%以上的干物质都来源于叶片的光合产物[1]。叶片是光合作用的主要场所，叶片长度、叶片宽度、叶片厚度等指标与其光合能力密切相关[2]。叶绿素是叶片光合作用的物质基础，其含量高低也会影响叶片的光合效率[3]。研究叶片特征、光合特性及相关性对优良芽变选种有重要作用。【前人研究进展】苹果是一种高度杂合的多年生木本植物，芽变频率较高[4]。国内外已利用苹果芽变的普遍性和多样性，选育了大量的优良品种[5]。苹果芽变选种已成为苹果优良品种的丰富来源。红富士苹果经过多代持续芽变选育，其生长特性、结果习性、果实着色、果实品质等性状得到有效改良[6]。叶片主要是通过气孔进行蒸腾作用，气孔导度通常是影响净光合速率的初始因素[8]。果树光合作用的主要原料之一是CO2，胞间CO2浓度对净光合速率有直接影响，从侧面反映果树光合能力的强弱[9]。水分利用率是植物光合与蒸腾特性的综合反映，其值大小可以反映植物对逆境适应能力的强弱[10]。利用苹果芽变的重演性，分析芽变的生物学特性，研究优良红富士芽变选种，对优质、晚熟、耐贮的红富士苹果产业的发展有重要意义。【本研究切入点】红富士品种在我国苹果产业中占比高达69.6%，是栽培面积最大的单一品种，但生产上也还存在着色不良、品质不佳等问题[7]。研究红富士芽变叶片的生物学特征。【拟解决的关键问题】优选出的3个易着色短枝红富士芽变类型和2个红富士芽变品种为材料，对比其叶片特征和光合特性，分析相关性，为优良红富士芽变选种提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验地位于新疆阿克苏地区红旗坡农场二分场(N 41°17′15″，E 80°17′33″)，属暖温带大陆性干旱气候，气候干燥、昼夜温差大、降水量稀少、蒸发量大，年日照时数2 505～3 136 h，平均日照时2 809 h，数全年日照百分率在60%～70%，太阳总辐射量为130～140 KW/ cm2，无霜期为190～251 d，年平均降水80.4 mm，年平均气温10.8℃，光能资源丰富，年平均≥10℃的稳定积温达3 953℃。土壤类型主要为沙壤土。

2015年优选出的3个红富士短枝芽变类型及芽变品种，芽变类型编号为N1、N2和N3，2个红富士芽变品种分别为长富2号和新红1号。供试材料均为20年生，株行距为3 m×5 m。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

每个供试材料选择3株生长状况良好、长势相同且无病虫害的植株。园地管理、环境条件基本一致，果园管理水平良好。

1.2.2 测定指标1.2.2.1 叶片指标

每株树随机选取新梢上100片健康完整的叶片测定叶片形态指标。

叶片长度、宽度：游标卡尺测量。

单叶重：电子秤称重，精确到0.01 g。

叶片厚度：从100个叶片中随机选取30片叠起，游标卡尺测量厚度，重复10次，测算平均叶片厚度。

叶面积：用网格纸(1 cm×1 cm)沿叶片边缘画出叶片图形，统计图形所占的方格数，计算叶面积。

叶绿素：手持SPAD-502叶绿素仪测定叶绿素含量，每片叶重复3次，取平均值。

1.2.2.2 光合特性

2019年7月中旬选择晴朗无风天气，利用Li-6800便携式光合测定系统测定光合指标：净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率。每株试验树随机选取树冠外围春梢上长势一致、健康完整的5片叶测定，重复3次，取平均值。测定时间为10:00～12:00，光源为太阳光，温度、相对湿度和CO2浓度为自然状态。

参数日变化：从08:00至20:00，每隔2 h(即08:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00)测定，每片叶测3次，取平均值。

测定指标有净光合速率、气孔导度胞间CO2浓度、蒸腾速率。水分利用率=净光合速率/蒸腾速率。

1.3 数据处理

采用Excel 2010整理数据，用SPSS 20.0对数据进行方差分析及相关性分析，叶片、光合特征采用平均值±标准误表示，并利用Microsoft Office Excel 2013制作图表。

2 结果与分析

2.1 5份苹果叶片特征比较

研究表明，苹果叶片长度、叶片宽度、叶片厚度和叶面积的差异不显著，而单叶重、叶绿素含量差异显著。N1与N2单叶重差异显著，与其它3份材料(N3、长富2号和新红1号)差异不显著，其中N1的叶片最重，为1.09 g，N2最轻，为0.78 g；N1与N2叶片的叶绿素含量差异显著，与其它3份材料差异也显著，叶绿素含量由高到低次序为N1>长富2号>新红1号>N3>N2。表1

表1 5份苹果叶片特征比较Table 1 The comparison of leaf characteristics of five apple materials

2.2 5份苹果光合特征参数比较

研究表明，光合特征参数差异显著。N1的净光合速率明显高于其它材料，较长富2号和新红1号分别高32.59%和25.31%，其次为N3和N2，长富2号最低；供试材料气孔导度也表现出明显差异，N1叶片的气孔导度最大，为0.21 mol/(m2·s)，长富2号的最小，为0.16 mol/(m2·s)；胞间CO2浓度N1与N3无显著性差异，但与N2和长富2号差异显著，其中长富2号的胞间CO2浓度最高，为241.77 μmol/(m2·s)，N1最低，为224.53 μmol/(m2·s)；供试材料的蒸腾速率差异显著，新红1号叶片的蒸腾速率最高，为5.47 mmol/(m2·s)，长富2号最低，为3.77 mmol/(m2·s)；长富2号与其它材料的水分利用率也表现出显著差异，N2的水分利用率最高，为2.85 μmol/mmol，长富2号最低，为2.07 μmol/mmol。表2

表2 5份苹果光合特征参数Table 2 Photosynthetic characteristic parameters of five apple materials

2.3 5份苹果叶片光合日动态变化

2.3.1 净光合速率日动态变化

研究表明，净光合速率日变化呈“双峰型”曲线，表现出明显的光合“午休”现象，但高峰时间、午休时间和“午休”时的光合速率不同。长富2号和新红1号净光合速率高峰分别出现在12:00和18:00；3个红富士芽变峰值则在12:00和16:00出现。08:00～12:00试材随着PAR和T的升高而逐渐升高，12:00出现第1次高峰，此时N1的净光合速率最高，为14.16 μmol/(m2·s)，长富2号最低，为10.68 μmol/(m2·s)；之后随着PAR和T的升高开始下降，各材料的光合速率也开始下降，14:00时3个芽变材料出现低谷，表现出光合“午休”现象，而长富2号和新红1号的光合速率则持续下降，到16:00时才出“午休”现象，晚于芽变材料。因温度下降，气孔开放，光合速率上升，光合速率出现次高峰，随后各材料净光合速率迅速降低。图1

图1 5份苹果Pn日变化Fig.1 Diurnal changes of net photosynthetic rate of five apple materials

2.3.2 气孔导度日动态变化

研究表明，芽变的气孔导度日变化曲线呈“双峰型”，长富2号和新红1号呈“单峰型”。长富2号和新红1号自08:00起气孔导度上升，12:00时达到高峰，其峰值分别为0.16和0.18 mol/(m2·s)，因光合有效辐射、气温相对较高，气孔关闭，气孔阻力增大，气孔导度呈下降趋势。3个红富士芽变的气孔导度自08:00起逐渐上升，第1次峰值出现在12:00，此后又开始下降，14:00降至最低，随后又逐渐上升，16:00出现次高峰，然后快速降低，18:00开始缓慢下降。N1的2次峰值最高，分别为0.21和0.18 mol/(m2·s)，长富2号的2次峰值最低。图2

图2 5份苹果Gs日变化Fig.2 Diurnal changes of stalemate stalemat conductance rate of five apple materials

2.3.3 胞间CO2浓度日动态变化

研究表明，胞间CO2浓度日变化规律基本相似，表现出与净光合速率、气孔导度日变化相反趋势，呈“W型”。08:00～12:00胞间CO2浓度随着光合有效辐射和净光合速率的增加呈下降趋势，08:00～10:00下降较缓，12:00时出现第1次低谷，随后逐渐上升，14:00出现高峰，此后逐渐下降，在18:00出现第2次低谷，随后又上升。图3

图3 5份苹果CO2日变化Fig.3 Diurnal changes of inter cellular CO2 concentration rate of five apple materials

2.3.4 蒸腾速率日动态变化

研究表明，蒸腾速率的日变化曲线均呈“单峰型”，14:00时长富2号和新红1号蒸腾速率最高，而3个红富士芽变的蒸腾速率高峰出现在16:00，其中N1蒸腾速率最高，达8.64 mmol/(m2·s)，长富2号最低，为3.77 mmol/(m2·s)。自08:00起，各供材料随着气温和光合有效辐射的增加，蒸腾速率逐渐上升，芽变材料和品种材料分别在14:00和16:00达到高峰，此后逐渐下降。图4

图4 5份苹果Tr日变化Fig.4 Diurnal changes of stalemate transpiration rate of five apple materials

2.3.5 水分利用率日动态变化

研究表明，水分利用率日变化规律基本相近，呈“双峰”型。自08:00时水分利用率逐渐上升，10:00达到高峰，之后水分利用率明显下降，红富士芽变14:00出现低谷，而长富2号和新红1号则在16:00最低，水分利用率缓慢上升，第2次高峰出现在18:00，随后迅速下降。图5

图5 5份苹果WUE日变化Fig.5 Diurnal changes of stalemate water use efficiency rate of five apple materials

2.4 光合特性与叶片特征参数相关性

研究表明，净光合速率与气孔导度、叶绿素含量、水分利用率和蒸腾速率呈极显著正相关(P<0.01)，与胞间CO2浓度呈极显著负相关(P<0.01)，其中气孔导度相关系数最高，为0.747，其次为叶绿素含量、水分利用率、蒸腾速率。气孔导度与叶绿素含量、蒸腾速率和水分利用率呈极显著正相关(P<0.01)；胞间CO2浓度与叶绿素含量呈极显著负相关(P<0.01)，与蒸腾速率呈显著负相关(P<0.05)，蒸腾速率与叶绿素含量呈极显著正相关(P< 0.01)，与水分利用率呈极显著负相关(P<0.01)。叶面积与叶片宽度、单叶重及叶片长度呈极显著正相关(P<0.01)；单叶重与叶片长度、叶片宽度呈极显著正相关(P<0.01)。表3

表3 光合特性及与其叶片特征参数间相关性Table 3 Correlation analysis of photosynthetic characteristics and leaf characteristic parameters of five apple materials

3 讨 论

3.1 光合作用是果树生长发育的基础，而叶片是植物接受光的器官，叶片形态、叶绿素含量等均会影响植物光合能力[11-12 ]。不同生长型自身的遗传对叶片特征的影响很大，普通型、短枝型和柱型苹果的叶片特征之间存在很大差异，短枝型的叶片质量较为突出，比叶重较大，短枝型光合性能较高[13-14 ]。研究发现，供试材料叶片长度、叶片宽度、叶片厚度和叶面积之间没有明显差异，而单叶重、叶绿素含量存在明显差异(P<0.05)，N1单叶重、叶绿素含量分别为1.09 g、57.42，其有利于同化产物的积累，具有较高的光合效能。光合作用不仅受叶片自身因素影响，还受气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度等因素影响。各供试材料光合特征参数存在明显差异，N1净光合速率、气孔导度分别为14.16、0.21 μmol/(m2·s)，明显高于其他材料，而胞间CO2浓度为224.53 μmol/(m2·s)，显著低于长富2号，其在“午休”期间气孔闭合的条件下对胞间CO2的利用能力较强，表现出较强的光合能力。

3.2 光合日变化既反映环境对光合作用的影响，是果树对生态环境适应能力的主要表现，大多数果树光合日变化呈“单峰型”或“双峰型”曲线[15-16 ]。在试验中，各供试材料净光合速率日变化呈“双峰型”曲线，表现光合“午休”现象。这与多数人研究的结果一致[17-19 ]。也有研究表明，“午休”现象越明显、降幅越大，对强光或空气湿度的适应能力越差[20]。从供试材料光合速率日动态变化来看，N1的2次峰值分别为14.15、12.13 μmol/(m2·s)，均较高于其他材料，其适应强光能力较强，具有较高的光合能力，而长富2号的Pn值一直较低，且“午休”现象比较明显，日平均值也较低，表明其光合能力较弱。光合“午休”原因有气孔限制、非气孔限制，如果气孔导度、胞间CO2浓度都随净光合速率降低而降低，是由气孔因素引起；如果气孔导度降低，胞间CO2浓度升高，则为非气孔因素[21-22 ]。在试验中，气孔导度随净光合速率升高而升高，而胞间CO2浓度没有升高，反而降低，芽变光合“午休”主要是非气孔因素造成的，属于非气孔限制。这与曹生奎等[23 ]研究结果相似。蒸腾速率大小可以反映植物调节水分能力以及适应逆境能力的强弱[ 24]。该试验结果表明，N1的蒸腾速率、净光合速率日均值分别为4.16、7.61 μmol/(m2·s)，均高于其他供试材料，表明其对分水利用效率较好，耐旱的能力较强，其次为N3，而长富2号耐旱能力最弱。

3.3 有研究表明，光合指标间及其与叶片特征参数之间有密切联系[25-26 ]。研究发现，供试材料的净光合速率与气孔导度、蒸腾速率、水分利用率、叶绿素含量呈极显著正相关，与单叶重呈显著正相关，与胞间CO2浓度呈极显著负相关，与气孔导度相关系数最高，其次为叶绿素含量、水分利用率、蒸腾速率，说明净光合速率受气孔导度影响最大，叶绿素含量次之。这与魏书銮等[27 ]结果研究相似。

4 结 论

4.1 3个红富士芽变类型和2个芽变品种的叶片长度、叶片宽度、叶片厚度和叶面积的之间无明显差异；N1与N2的单叶重之间差异显著，其中N1的叶片最重，为1.09 g；N1与N2、N3、长富2号和新红1号的叶绿素含量之间差异显著，叶绿素含量最高的是N1，为57.42 SPAD。

4.2 3个红富士芽变类型和2个芽变品种的光合特征参数之间有明显差异。N1的净光合速率为14.16 μmol/(m2·s)，明显高于N2、N3、新红1号和长富2号；N1叶片的气孔导度最大，为0.21 mol/(m2·s)，长富2号的最小，为0.16 mol/(m2·s)；长富2号的胞间CO2浓度最高，为241.77 μmol/(m2·s)，N1最低，为224.53 μmol/(m2·s)。；新红1号和N1的叶片蒸腾速率较高，分别为5.47 mmol/(m2·s)、5.25 mmol/(m2·s)，长富2号最低，为3.77 mmol/(m2·s)，；N2的水分利用率较高，为2.85 μmol/mmol，其次为N1和N3，其值均为2.75 μmol/mmol，长富2号最低，为2.07 μmol/mmol。

4.3 3个红富士芽变类型和2个芽变品种叶片的净光合速率、水分利用率日变化均呈双峰型曲线；N1、N2和N3的气孔导度日变化曲线呈双峰型，长富2号和新红1号呈单峰型；3个红富士芽变类型和2个芽变品种的胞间CO2浓度日变化呈W型；蒸腾速率的日变化曲线均呈单峰型。

4.4 3个红富士芽变类型和2个芽变品种的净光合速率与气孔导度、叶绿素含量、水分利用率、蒸腾速率呈极显著正相关(P<0.01)，与胞间CO2浓度呈极显著负相关(P<0.01)，其中气孔导度相关系数最高，为0.747，其次为叶绿素含量、水分利用率、蒸腾速率，其值分别为0.653、0.619和0.511。

芽变N1的净光合速率、气孔导度、单叶重和叶绿素含量明显高于N2、N3、新红1号和长富2号，表现较强的光合能力。