玉米gif1突变体与其野生型间的株型及光合生理性状比较分析

张富来，高芙蓉，张丹，米桂宁，李新平

（塔里木大学农学院，新疆 阿拉尔 843300）

玉米是禾本科粮食作物中功用多且不可缺少的作物资源，作为高产粮食作物，具有广阔的发展前景。玉米株型育种的第三个发展阶段主要是研究玉米杂种优势的利用及生理形态相结合的理想株型育种。玉米的理想株型是以植株的形态、杂交优势和生理特性等作为综合指标的高光效性状组合类型［1］，相关理论及技术研究已取得一些重大进步。作物光合利用效率的高低直接影响作物的光合产量和生物产量。LAMINE［2］指出光合速率是评价作物光合优势的重要指标，玉米品种更替过程中的生理特性具有独特的规律［3］。

玉米突变体基因的克隆为玉米株型及生理性状的研究提供了良好的资源，例如：玉米矮秆突变研究已初步分析了平展叶突变体的遗传机理［4］，并进一步指导了玉米育种。对玉米gif1突变体及其野生型形态性状等研究已有相关报道［5］，研究表明，ZmGIF1基因在调控玉米雌雄穗分生组织确定性和活性维持方面有重要的作用，对玉米植株表型的影响具有多效性［5］。本研究通过对gif1突变体与其野生型的株型形态指标及光合生理性状进行分析比较，研究gif1突变体的多效性以进一步补充ZmGIF1基因在玉米株型、光合生理方面的作用，为玉米株型育种和高光效育种提供基因资源。

1 材料方法与试验设计

1.1 试验材料

BS238家系是从衣阿华坚秆综合种的BSSSC9分离出来的自交系，而gif1突变体来自BS238，已有研究表明，gif1突变体的表型性状由一对隐性基因控制，基因型GIF1/GIF1为野生型，杂合基因型GIF1/gif1的表型与野生型相同［5］，本研究于2020年4月将由杂合基因型自交形成的400株F2群体种植于塔里木大学农学试验站，株距40 cm，行距80 cm；野生型及gif1突变体植株根据表型区分以及基因型鉴定，分别对两类植株挂牌标识以备测定光合性状和形态性状，田间管理同大田。

1.2 试验设计

对野生型和gif1突变体杂交F2两种类型植株随机各取30株，于苗期、拔节期、成熟期测定全株叶片数、茎叶夹角、叶向值、叶绿素含量，拔节期测定植株光合速率等。

1.3 测定指标及测量方法

1.3.1 主要指标测定

1）株高、穗位高、穗位叶长、穗位叶宽：卷尺测量玉米gif1突变体及其野生型在成熟期的株高、穗位高、穗位叶长及叶宽。

2）叶绿素含量：用SPAD-502 Plus叶绿素仪测定，玉米gif1突变体及其野生型在苗期、拔节期、成熟期植株上、中、下部位各一片叶片的叶绿素含量。

3）茎叶夹角：用量角器测量gif1突变体与其野生型植株叶片1/3处叶脉与茎秆之间的夹角［6］。

4）叶向值：测量gif1突变体与其野生型植株单株从上部到下部完全展开叶叶片数，n表示测定单株的叶片数，θ为单株叶片与水平面的夹角；°，L为叶长；cm，Lf为从叶基点至叶最高点的距离；cm。用lov（叶向值）={ ∑θ（Lf/L）}/n［7-8］计算叶向值。

5）光合生理指标测定：用Li-6400光合仪测定gif1突变体与其野生型植株单株净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等。

1.3.2 数据分析方法

利用Microsoft Office Excle 2010对数据进行整理，根据表型采用t测验对两种类型植株的各性状进行显著性检验（DPS 9.0.1.0软件）。

2 结果与分析

2.1 gif1突变体与野生型植株形态差异分析

突变体就是产生突变的个体，这些个体的突变通常会导致基因功能的下降或丧失，最终导致突变表型的产生，严重的会导致植株死亡［5］。本研究中将gif1突变体与野生型植株形态进行比较分析（如图1所示），结果表明，与野生型相比，gif1突变体株高、穗位高、穗位叶长、穗位叶宽等与野生型差异极显著，gif1突变体表现出株型矮小，穗位高度极低，穗位叶长而窄小，说明ZmGIF1基因可能会导致植株基因功能的下降，严重甚至会丧失。

图1 gif1突变体与野生型在株高、穗位高度、穗位叶长、穗位叶宽性状上的比较

2.2 gif1突变体与野生型植株的株型相关性状差异分析

2.2.1 gif1突变体与野生型叶片数目分布动态分析

研究中将gif1突变体与野生型不同生育时期叶片数的分布动态进行比较分析（如图2所示），苗期植株叶片数相差不大，大约为5片；但在拔节期植株营养生长发育拉开差距，gif1突变体与野生型的叶片数量表现出显著性的差异，gif1突变体叶片数平均达到7片，而野生型叶片数平均达到9片；成熟期停止营养生长后gif1突变体叶片数稳定于10片，野生型稳定在11片，二者差异不显著。因此，gif1突变体与野生型虽在总叶片数上差异不显著，但拔节期之后叶片的发育表现出滞后于野生型的特点，进而说明ZmGIF1基因对玉米叶片发育的调控除了通过调控叶片细胞的分裂增殖来影响叶片的大小之外［5］，也明显地在调控叶片的发育进程和速度上起到了重要作用。

图2 gif1突变体与野生型不同时期叶片数的分布动态变化比较

2.2.2 gif1突变体与野生型茎叶夹角比较分析

植株叶片的生长发育及叶片与茎秆之间的夹角不仅影响株型，也关乎植株对光能的利用［9］。通过对gif1突变体与野生型不同部位的茎叶夹角进行测定分析（如图3所示），结果表明，gif1突变体与野生型上部茎叶夹角表现为显著差异。gif1突变体与野生型植株下部叶片的茎叶夹角表现相同的趋势，叶片与茎之间的夹角最大，叶片更加平展；与下部相比，gif1突变体与野生型中部和上部叶片茎叶夹角表现出减小的趋势，通过在田间观察发现野生型的叶片相对平展，叶尖有部分弯曲向地，通风透光性相对较好；而gif1突变体中上部叶片呈紧凑型形态，表现为下部到上部茎叶夹角减小，这导致gif1突变体对光能的利用不如野生型植株有利。

图3 gif1突变体与野生型不同部位茎叶夹角变化比较

2.2.3 gif1突变体与野生型叶向值差异分析

玉米植株叶片的叶向值作为评价玉米株型的重要指标，同时反映叶片“直”和“立”的两个特性。本研究中进一步对gif1突变体与野生型的叶向值进行分析（如表1所示），结果表明，野生型植株叶片有向下弯曲的叶最高点，gif1突变体植株叶片较为平直，总体叶向值较大，与野生型间叶向值两处理方差齐性,均值差异检验差异达显著（P=0.008＜0.01）水平。因此，从株型角度分析，说明ZmGIF1基因对玉米叶片的空间分布形态具有一定的调控作用，很大程度上影响了植株的整体株型，这也可能会对植株光能的吸收利用产生影响。

表1 gif1突变体与野生型叶向值t测验分析

2.3 gif1突变体与野生型植株光合生理性状的差异分析

2.3.1 gif1突变体与野生型不同部位、不同时期叶绿素含量的动态变化

已有研究表明，在适当的光照条件下，增加叶绿素的含量能够促进植物的生长产量和品质的提高；叶绿素的含量与光合速率之间存在一定的关系，尤其在弱光情况下，叶绿素含量与作物产量呈正比例关系［4］。对gif1突变体及野生型不同部位和时期叶绿素含量进行比较分析（如图4所示），结果表明，二者苗期、拔节期下部叶片的叶绿素含量差异显著，且野生型植株叶绿素含量均高于gif1突变体，成熟期二者差异不显著；同时野生型植株的叶绿素含量在拔节期最高，苗期次之，成熟期最低，侧面反映了植株下部叶片其光合效率在各生育期变化的特点。对于gif1突变体而言，各个生育时期的叶绿素含量总体变化趋势与野生型接近，整体波动不大。

图4 gif1突变体与野生型下部叶片叶绿素含量差异比较

由图5可知，植株中部叶片在gif1突变体及野生型间叶绿素含量差异不显著，gif1突变体植株中部叶片的叶绿素含量在拔节期最高，成熟期次之，苗期最低，而野生型植株中部叶片的叶绿素含量随生育期的成熟而逐渐增加。

图5 gif1突变体与野生型中部叶片叶绿素含量差异比较

由图6可知，植株上部叶片在整个生育期中、不同部位中叶绿素含量与其他生育期和部位相比含量均较高；在整个生育期中，上部叶片叶绿素含量随生育时期持续升高，且各生育期gif1突变体与野生型叶绿素含量变化趋势相近，呈上升趋势，但成熟期gif1突变体与野生型间叶绿素含量差异显著。上部叶片的叶绿素含量在不同生育时期相对较高，尤其在拔节期后表现明显，这为后期的生长发育提供一个很好的光合基础。

图6 gif1突变体与野生型上部叶片叶绿素含量差异比较

ZmGIF1基因在gif1突变体中的转录终止已有文献指出，其具有调控玉米器官发育的多效性［5］，通过比较与光合性状相关的叶绿素含量差异，进一步说明ZmGIF1基因可能对玉米植株叶绿素的合成具有一定的影响。

2.3.2 gif1突变体与野生型净光合速率、气孔导度、蒸腾速率差异分析

植物进行光合作用是植物能量和基本物质转化的生理基础［10］，对gif1突变体与野生型净光合速率(Pn)［11］、气孔导度(Gs)［12］、蒸腾速率(Tr)［13］进行比较分析。由图7可知，野生型植株的净光合速率显著高于gif1突变体，说明在光合作用时所积累的有机物含量明显不同。积累有机物的含量越多，越有利于生殖生长，光合生理指标的差异可能有助于解析gif1突变体与野生型的长势差异。

其次，gif1突变体与野生型相比蒸腾速率也低（如图7所示），野生型植株的叶面积大，蒸发量也高，张丹［5］研究表明gif1突变体叶面积的减少主要是与野生型相比，虽叶片下表皮的细胞面积增大，但细胞数目的减少是导致叶面积减少的关键。同时，本研究表明gif1突变体气孔导度小，与野生型间差异显著，也辅助说明了野生型能更多地吸收CO2促进暗反应进行，促进光合速率的提高，增加光合产物的积累。

图7 gif1突变体与野生型净光合速率、蒸腾速率及气孔导度差异比较

2.3.3 gif1突变体与野生型基于空气温度、叶片温度的水汽压亏缺差异分析

水汽压的大小直接反应水分在植物叶片内蒸发的快慢，水汽压亏缺能影响气孔导度的变化，主要受温度控制。温度高时，植物蒸腾作用水分蒸发较快，水分丧失进入大气的水汽多，水汽压就大，水汽压亏缺就越多［14］。在中午高温测量基于叶片温度计算得到的水汽压亏缺（VpdL）、基于空气温度的水汽压亏缺（VpdA）的最大值表明（如图8所示），结果表明，基于空气温度、叶片温度的水汽压亏缺受环境温度控制，在同样温度环境下，gif1突变体的水汽压亏缺比野生型低且二者之间差异显著，这与蒸腾速率的结果相一致，进一步辅助说明了ZmGIF1基因可能在间接调控水分生理过程中起到了重要作用，也侧面说明gif1突变体与野生型相比，虽然光合产物的积累少，但在高温、干旱的情况下，通过降低气孔导度和蒸腾速率以及减少水汽压亏缺等方式也一定程度地提高了抗旱性。

图8 gif1突变体与野生型基于空气温度和叶片温度的水汽压亏缺差异比较

3 结论与讨论

3.1 ZmGIF1基因影响玉米株型的形成

ZmGIF1基因在调控植株形态建成的多个方面，具有多效性［5］。gif1突变体与野生型植株相比茎叶夹角、叶向值有显著性差异，野生型植株的株型更为合理，上中下部相对平展，而gif1突变体植株自下而上都相对紧凑，不能更好地通风透光、利用光能，说明ZmGIF1基因可能通过调控细胞的分裂增殖对玉米叶片的长短等发育过程进行调控，很大程度上影响了植株的整体轮廓进而影响叶片的空间分布，从而影响玉米株型。

3.2 ZmGIF1基因与玉米植株内在光合生理反应的调控相关

ZmGIF1基因不仅对调控植株形态有作用，同时也影响植株光合生理指标的变化［15］。gif1突变体与野生型植株不同部位、不同时期的叶绿素含量相比差异显著，尤其上部叶片的叶绿素含量在拔节期后显著上升，说明ZmGIF1基因在gif1突变体中的转录终止可能对玉米植株叶绿素的合成具有一定的影响，不能为后期的生长发育提供一个很好的光合基础。同时野生型植株中净光合速率显著高于gif1突变体，积累有机物的含量越多，越有利于生殖生长，光合生理指标的差异可能有助于解析gif1突变体与野生型的长势差异，说明了ZmGIF1基因可能与植株内在光合生理反应及玉米生长发育有关。

3.3 玉米ZmGIF1基因间接影响抗旱性生理过程的调控

gif1突变体与野生型相比蒸腾速率慢，水分散失少，基于叶片温度、空气温度的水汽压亏缺就小，阐明了玉米ZmGIF1基因通过调控细胞的分裂增殖减少叶片的细胞数目，进而可能间接影响植株水分蒸腾的生理过程。因而在高温、干旱的情况下，ZmGIF1基因的功能改变，可能通过降低气孔导度、蒸腾速率以及减少水汽压亏缺等途径为抗旱性育种工作提供一定的理论基础［16］。

综上，通过对gif1突变体与野生型的株型及光合生理相关性状的分析，进一步丰富和补充了ZmGIF1基因的功能研究，进而可能在光合育种、抗旱性育种上补充有益的基因资源。