不同基因型绿豆光合特性分析

申慧芳，郭 锋

（1.山西农业大学基础部，山西太谷030801；2.山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

绿豆是我国的主要杂粮作物之一，其在全国各地均有种植，不仅在种植业结构调整和现代高效农业发展中占据重要作用，而且其籽粒营养丰富，除具有较高的食用价值外，还具有较高的药用价值和保健作用，可作为药食同源双重功效的食品资源，在现代保健功能型食品开发中占有重要地位[1-3]。我国是全球主要的绿豆生产国和出口国，绿豆是我国传统出口创汇豆种。近年来，国内消费和国际市场的需求量持续增加，产品附加值不断提高，绿豆成为农民脱贫致富的首选作物[4-7]。光合作用是作物生长发育和干物质形成过程的重要生理基础，光合能力的强弱是作物产量形成的物质基础，光合速率则是衡量光合作用程度的常用指标。叶绿素是存在植物体内进行光合作用的光敏催化剂，其含量的多少直接反映植物光合能力的大小[8-11]，而高光合速率的品种能够提高光合利用效率和单位面积产量[8，12]。

此外，净光合速率的大小可以反映植物叶片光合同化作用的强弱；胞间CO2浓度的变化方向是确定光合速率变化的主要原因；蒸腾速率可以用来衡量植物在一定时间内蒸腾作用，蒸腾作用通过植物根部吸收水分，促进植物对矿物质与有机物运输，降低叶片温度，因此蒸腾作用对植物生产发育具有重要作用；气孔导度表示气孔张开的程度，直接影响胞间CO2浓度和蒸腾速率的大小，从而影响光合速率；水分利用效率表示单位蒸腾耗水量的光合作用量或生长量，同时也是反映植物耐旱性的一个有效指标，其值越高，表明在同等耗水量的情况下，作物生产效率越高，产量越高[8]。

高小丽等[9]对4个不同基因型绿豆叶片光合性能的研究发现，在开花结荚期间，较高的叶绿素含量和功能叶片的光合生产能力对籽粒产量形成具有重要作用。李松雪[13]研究发现，绿豆产量与结荚期叶片净光合速率呈现出显著的正相关，与鼓粒期叶片净光合速率呈现极显著的正相关水平，说明虽然结荚期叶片净光合速率对产量形成的影响较大，但鼓粒期叶片净光合速率与产量形成更为密切。但是，也有研究表明[12]，绿豆产量与光合速率在结荚盛期呈不显著正相关，在盛花期和鼓粒盛期则分别呈极显著和显著正相关。在种质资源评价上，经常利用主成分和聚类分析法来对作物不同品种进行综合评价[14-18]，一些研究者利用主成分及聚类分析对不同品种绿豆资源的农艺性状和光合特性进行了评价分析[8，14，19-21]。

本试验选取32个不同基因型的绿豆品种为材料，于开花结荚期研究不同基因型绿豆的叶绿素含量和光合生理特性，并对这些光合生理指标进行相关性分析、主成分分析和聚类分析，旨在评价筛选出高光合效率的绿豆种质资源，为绿豆优良品种选育与高效栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验共选用32份不同基因型绿豆品种（表1），分别由河北省农林科学院、河北省张家口市农业科学院、江苏省农业科学院、山西农业大学（山西省农业科学院）高粱研究所和基础部杂粮诱变育种课题组提供。

表1 供试绿豆品种

1.2 试验设计

试验采用随机区组排列，3次重复，2020年在山西农业大学太谷校区附近桃园堡村农田进行。小区面积为8 m2（2 m×4 m），6行区，行距0.33 m，人工进行分行条播，播后覆土镇压。于5月20日播种，苗齐后单株定苗，株距0.25 m。试验地肥力中等，整个生育期管理同大田。

1.3 测定项目及方法

将采集的鲜样叶片切成细丝，用95%的乙醇进行提取，参照文献[22]的方法进行叶绿素含量的测定。

在开花结荚期，用yaxin-1101型便携式光合仪，选择晴天于8：30—11：00测定地上部完全伸展功能叶（倒3叶复叶中间小叶）[23-24]的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci），并计算水分利用效率（WUE）[8，10，23]。每个重复随机选取5株，取其平均值。

1.4 数据分析

每个处理的指标值均为3次重复的算术平均值，采用Microsoft Excel 2010对试验数据进行整理，采用SPSS 25.0统计软件进行相关性和聚类分析。对供试的32个绿豆品种之间的Chl、Pn、Tr、Gs、Ci和WUE，共6个指标先进行相关分析，数据进行标准化和正向化处理后，进行主成分分析，得到特征值、方差贡献率、累计方差贡献率及特征向量，获得各品种各主成分得分和综合得分，再采用欧氏距离法进行聚类分析得到树状图。

2 结果与分析

2.1 不同基因型绿豆叶片叶绿素含量及光合指标分析

不同基因型绿豆叶片叶绿素含量如表2所示，开花结荚期不同绿豆品种间叶绿素含量差异较大，差异性方差分析发现（表3），品种间差异达极显著水平（P＜0.01），32个绿豆品种叶片的叶绿素含量的变幅为0.77～1.47 mg/g，大部分品种叶绿素含量在1.00～1.20 mg/g，32个品种叶绿素含量的均值为1.18 mg/g，变异系数为14.22%。其中，叶绿素含量较高的品种依次为明绿8号＞霸县绿豆＞张绿1号，明绿8号叶绿素含量高达1.47 mg/g，分别比含量较低的同绿1号和保绿942高47.51%和42.53%。

由表2可知，不同品种间光合生理指标差异较大，品种间差异达极显著水平（表3）。Pn、Tr、Gs和Ci平均值分别为12.28 μmol/（m2·s）、4.10 mmol/（m2·s）和196.67 mmol/（m2·s）、296.11 μmol/mol，变异系数分别为28.98%、20.53%、26.54%和10.38%；32个绿 豆 品 种 中，Pn、Tr、Gs和Ci的 最 大 值 分 别 为17.62 μmol/（m2·s）（C5635）、5.57 mmol/（m2·s）（明绿8号）、317.33 mmol/（m2·s）（明绿8号）和358.4 μmol/mol（保绿942），分别比4个相应指标的最小值高68.73%（苏绿5号）、55.12%（张绿2号）、64.23%（晋绿7号）和37.75%（张绿2号）。

表2 不同基因型绿豆光合指标值

续表2

此外，不同品种间绿豆叶片WUE有所差异，而且有的品种间差异较大。由方差分析可知（表3），WUE的F值为13.046，P值小于0.01，说明不同品种绿豆之间的WUE差异极显著。WUE排名前3的品种依次为张绿2号＞C5635＞保绿942，其中，最大值是最小值的5倍。

表3 不同品种绿豆光合性状方差分析

2.2 光合生理指标之间相关性分析

由绿豆叶片Chl、Pn、Tr、Gs、Ci和WUE之间的相关分析（表4）可知，Pn与Chl含量呈显著正相关，与Tr、Gs和WUE呈极显著正相关，与Ci呈极显著负相关；Tr与Gs呈极显著正相关，与Ci浓度呈显著正相关；Ci与WUE呈极显著负相关。

表4 不同光合生理指标间相关性分析

2.3 光合生理指标主成分分析与聚类分析

主成分分析结果显示（表5），前3个主成分的累积贡献率已达到96.076%，即可代表绿豆光合特性，其中，第1主成分占43.8071%，Tr是第1主成分的主要因子，为正载荷；第2主成分占38.2912%，Chl和WUE是第2主成分的主要因子，Chl有较强的正载荷，WUE有较强的负载荷；第3主成分占13.9778%，Pn和Gs是主要因子，Gs为较强的负载荷，Pn有较强的正载荷。

表5 不同光合生理指标主成分分析

将不同品种绿豆的前3个主成分分析因子得分通过加权特征值计算获得综合得分，不同品种综合得分排序结果如表6所示，综合得分排在前3位的品种分别为明绿8号、晋绿4号和冀绿0810，表明这3个品种的综合光合性状较优，且明绿8号光合性能最优。

表6 基于主成分分析的不同绿豆品种间光合性状综合比较

结合相关性与主成分分析可以得出，Chl、Pn、Tr以及WUE是绿豆光合特性的主导因子，利用这4个光合指标对32个绿豆品种进行聚类分析，结果如图1所示。

由图1可知，当把分类截值定在10时，可以将32个不同基因型绿豆品种分为4类：第1类只含1个品种（张绿2号），为高水分利用率、高叶绿素含量、中等光合速率和低蒸腾速率品种；第2类为中等水分利用率、中等叶绿素含量、高光合速率和高蒸腾速率，包含15个品种（鹦哥6号、苏绿2号、黑绿豆（张家口）、早2、冀绿0810、C5635、霸县绿豆、冀绿7号、同绿1号、保德9815、明绿5号、明绿8号、中科5号、晋绿4号和晋绿2号）；第3类为低水分利用率、中等叶绿素含量、中等光合速率和中等蒸腾速率，包含13个品种（苏黑绿2号、黄绿豆（张家口）、冀黑绿0506、冀绿13号、晋绿6号、晋绿7号、滩绿116、晋绿8号、隰县绿豆、冀绿8902-19、冀绿9号和晋绿3号）；第4类为低水分利用率、低叶绿素含量、低光合速率和高蒸腾速率，包含3个品种（苏绿5号、保绿942和冀绿1号）。

3 结论与讨论

本研究中，不同绿豆品种之间光合生理指标参数存在显著差异，相关性分析发现，本研究所用的绿豆品种叶片Pn与Chl、Tr、Gs和WUE呈显著或极显著正相关，与Ci呈极显著负相关，与段义忠等[8]、高小丽等[9]的研究结论相似。但王营营等[14]研究发现，Pn与Gs、Tr、Ci呈极显著正相关，与WUE无显著相关性，研究结果不尽一致的原因可能与所用品种类型的生长习性及生长环境有关。

利用主成分分析对绿豆不同品种进行综合评价已有报道，王营营等[14]对3种不同生长习性的18个绿豆品种的光合性状指标进行了主成分分析，结果表明，Tr和WUE为2个主成分的主导因子，对绿豆光合性状划分起主要作用；对不同品种主成分综合得分进行聚类分析，消除了光合指标间相关性的影响，结果表明，与通过单一的净光合速率指标评价相比更为准确。故本研究对32个绿豆品种的光合性状指标（Chl、Pn、Tr、Gs、Ci和WUE）进行主成分分析，发现Chl、Pn、Tr以及WUE是影响绿豆光合特性的主导因子；由聚类分析结果可知，32个绿豆品种分为4类。值得注意的是，主成分分析综合排名前3的品种依次为明绿8号、晋绿4号和冀绿0810，且在聚类分析中聚为一簇，表明这3个品种光合性能较高，在育种中可作为优质种质资源来培育高光合速率的绿豆品种。此外，植物叶片水分利用效率植物光合、蒸腾特性可作为反映植物耐旱性的有效指标，在相同条件下，水分利用效率高的植物固定单位数量CO2所需水量少，其抗旱能力强[9]。本研究发现，张绿2号、C5635、冀绿7号（J7）晋绿2号（JL2）等品种水分利用率较高，可以考虑用作抗旱性品种选育的种质资源。

本研究对32个绿豆品种花荚期叶片的Chl、Pn、Tr、Gs、Ci和WUE等光合生理指标的差异性分析结果表明，不同绿豆品种之间光合性能差异较大。统计分析表明，明绿8号、晋绿4号和冀绿0810综合光合性能表现较为突出，可作为选育优质高产绿豆新品种首选亲本材料，同时张绿2号可在绿豆抗旱育种中作为亲本材料进行改良。