黑小麦光合特性的变化及对产量的影响

张耀文，赵鹏涛，李积铭，赵小光，尚 毅，张振兰，翟周平，李龙华

（1陕西省杂交油菜研究中心，陕西 杨凌 712100；2河北省农林科学院旱作农业研究所，河北 衡水 053000）

0 引言

由于忽略了对主粮作物中有益矿质和微量元素含量的提升[1]，导致中国人群从日常膳食中摄入的微量营养元素普遍不足[1-2]，亚健康问题日益严重。随着对国民营养和保健需求的增加，主粮中的有益营养元素愈来愈受到关注[2-3]。较普通小麦，黑小麦的蛋白质、必需氨基酸、维生素(C、B1、B2)分别高 10%～60%[4-5]、33.3%～75.0%[6-7]、50%～150%[8-9]；且氨基酸种类齐全、结构合理，膳食纤维中80%为可溶性多糖和水溶性纤维素[9]；对人体有益的多酚、类胡萝卜素、花青素、微量元素（锌、硒、铬、锰）等含量较高[2,10]；被认为是优质天然黑色食品[10-11]。对黑小麦的研究日益受到重视，先后审定了‘黑小麦76号’[5]、‘农大3753’[12]、‘陇紫麦2号’[13]、‘稷紫黑麦9号’[14]等一批黑小麦品种，为黑小麦的产业化发展奠定了良好基础。培育高产黑小麦品种是加速黑小麦产业化发展的有效措施，虽然有产量达到7423.5 kg/hm2[15]接近或超过普通小麦的报道，但更多的是如3个品系比对照（‘豫麦50’）减产14.46%～19.79%[16]，6个品系比对照（‘山农129’）减产36.63%～83.91%[17]，10 个品系比对照（‘周麦 18’）减产 15%～20%[18]等关于黑小麦品种的产量较低的报道；产量较低严重已制约了黑小麦的推广应用，加剧了供需矛盾[3,19]。培育高产、稳产的黑小麦新品种是目前及今后相当时期内必须面对的挑战之一。

小麦较高的产量水平是由于直接或间接改善其光合性能来实现[20-21]，提高光合效率已成为提高小麦产量水平的重要途径[22]。小麦籽粒产量的80%以上来自花后的光合产物[23]，旗叶是小麦在生育后期进行光合作用的主要器官，其光合能力的强弱对产量的形成具有重要影响[24]；因此，研究花后期黑小麦的旗叶的光合特性有助于对黑小麦产量的改良。本研究通过对5个不同黑小麦品种（系）和1个普通小麦穗后旗叶的光合特性变化过程及对产量的影响进行研究，以期为开展黑小麦高产育种研究提供有益的参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

5个黑小麦品系‘稷紫黑麦9号’、‘稷黑麦803’、‘稷黑麦804’、‘稷黑麦810’、‘稷黑麦816’和普通小麦‘陕垦6号(CK)’均由本中心小麦研究室提供。试验于2019—2021年度在陕西省杨凌示范区省杂交油菜研究中心试验田(E108°05′，N34°30′)进行。按随机排列，小区面积3 m2重复3次，田间种植与管理按国家区域试验要求进行。

1.2 试验方法

1.2.1 测定时期 分别于抽穗期（HS，4月24日）、开花期（FS，5月1日）、灌浆前期（ESFP，5月9日）、灌浆中期（MSFP，5月13日）、灌浆后期（LSFP，5月19日）、灌浆末期（FSFP，5月24日）、成熟前期（EMS，5月29日）等7个不同时期，选择生长健壮、均匀一致的单株按照文献24的方法进行测定。

1.2.2 叶片叶绿素含量测定 用SPAD502叶绿素测定仪在旗叶的不同部位测定8～12次，取平均数进行统计分析。

1.2.3 气体交换参数测定 用Li-6400便携式光合作用测定仪进行活体测量。

1.2.4 光合面积测量 每个时期选取10个代表性单株，弃去老衰黄叶后用打孔法进行绿叶面积(Green leaf area，GLA)的测定。

1.2.5 生物学产量和籽粒产量测量 每个时期将10个代表性单株，清洗干净后，按根、茎、叶、穗等部位分别烘干称重，所有部位干物质之和为生物学产量(Biological yield，BY)。从灌浆前期开始，剥离小麦穗中的籽粒单独烘干称重计算籽粒产量(Grain yield，GY)和灌浆速度(Grain filling speed，GFR)，GFR=GY/BY。

1.2.6 经济系数的测定 从灌浆前期开始，采用籽粒产量(GY)/生物学产量(BY)计算出经济系数(Economic coefficient，EC)。

1.3 数据处理

用Excel 2009进行初步整理后用SPSS 13.0数据统计软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 旗叶叶绿素含量变化与比较

从图1可看出，6个小麦品种（系）旗叶的叶绿素含量(Chlorophyll content，CC)均在前3个时期（抽穗期、开花期、灌浆前期）升高而在后4个时期（灌浆中期、灌浆后期、灌浆末期、成熟前期）降低；其中‘稷紫黑麦9号’与CK在灌浆中期升至最高而‘稷黑麦803、稷黑麦804、稷黑麦810、稷黑麦816’则在灌浆前期升至最高，6个小麦品种（系）均在成熟前期降至最低。与CK相比，5个黑小麦品系前3个时期平均低7.82%～17.66%。在灌浆后期、成熟前期与CK相比‘，稷紫黑麦 9 号、‘稷黑麦 803’、‘稷黑麦 810’分别高 8.45%～20.53%、188.29%～274.05%，而‘稷黑麦804’、‘稷黑麦816’分别低3.72%～18.08%、25.23%～35.68%。5个黑小麦品系相比较，‘稷紫黑麦9号’在7个时期均最高；‘稷黑麦816’除在灌浆中期外在其余6个时期均最低。

图1 不同时期旗叶绿素含量的变化

2.2 旗叶气体交换参数的变化与比较

2.2.1 旗叶净光合速率的变化与比较 从图2A可看出，6个小麦品种（系）的净光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)在前3个时期均升高而在后3个时期（灌浆后期、灌浆末期、成熟前期）均降低。‘稷紫黑麦9号’‘、稷黑麦816’、CK在灌浆中期‘，稷黑麦803’‘、稷黑麦804’、‘稷黑麦810’在灌浆前期分别升至最高。与CK相比，‘稷紫黑麦9号’在前3个时期低5.46%～6.49%而在后3个时期高5.96%～205.84%；‘稷黑麦 8034’、‘稷黑麦8044’、‘稷黑麦810’在前3个时期和灌浆后期低13.51%～26.64%‘；稷黑麦803’‘、稷黑麦810’在灌浆末期、成熟前期高25.58%、164.40%‘，稷黑麦804’在成熟前期，‘稷黑麦816’在后3个时期分别低38.76%、8.35%～40.19%。5个黑小麦之间比较‘，稷紫黑麦9号’在后4个时期均最高‘，稷黑麦816’在前3个时期最高而在后3个时期最低。

从图2B可看出‘，稷紫黑麦9号’‘、稷黑麦816’与CKPn的变化速率在前3个阶段（抽穗期—开花期、开花期—灌浆前期、灌浆前期—中期）均升高，在后3个阶段（灌浆中期—后期、灌浆后期—末期、灌浆末期—成熟前期）均降低。‘稷黑麦803’‘、稷黑麦804’‘、稷黑麦810’在前2个阶段（抽穗期—开花期、开花期—灌浆前期）均升高而在后4个阶段（灌浆前期—中期、灌浆中期—后期、灌浆后期—末期、灌浆末期—成熟前期）均降低。与CK相比较‘，稷紫黑麦9号’‘、稷黑麦803’、‘稷黑麦804’、‘稷黑麦810’在前2个阶段和灌浆中期—后期、灌浆后期—末期低10.66%～62.93%‘；稷紫黑麦9号’在灌浆前期—中期‘，稷黑麦804’在灌浆末期—成熟前期‘、稷黑麦816’在开花期—灌浆前期、灌浆中期—后期分别高81.60%、8.16%、12.77%、85.44%；‘稷黑麦 803’、‘稷黑麦 804’、‘稷黑麦 810’、‘稷黑麦816’在灌浆前期—中期‘，稷黑麦816’在灌浆后期—末期、灌浆末期—成熟前期分别低10.71%～468.30%、34.69%、18.23%。

图2 不同时期旗净光合速率的变化(A)和变化速率(B)的比较

2.2.2 旗叶气孔导度的变化与比较 从图3可看出，6个小麦品种（系）的气孔导度(Stomatal conductance，Gs)均是“升高-降低”，其中‘稷紫黑麦9号’、‘稷黑麦816’、CK在前4个时期、‘稷黑麦803’、‘稷黑麦804’、稷黑麦810’在前3个时期内均升高且分别在灌浆中期、灌浆前期升至最高，随后均逐步降低。与CK相比，‘稷紫黑麦9号’、‘稷黑麦803’、‘稷黑麦810’在前5个时期（抽穗期—灌浆后期）平均低14.13%～22.76%而在后2个时期（灌浆末期、成熟前期）则高23.58%、181.63%；‘稷黑麦804’‘、稷黑麦816’在前3个时期和灌浆末期高10.96%～13.95%而在成熟前期则低17.96%、21.42%‘；稷黑麦804’在灌浆中期、‘稷黑麦816’在灌浆后期低10.64%、6.29%‘；稷黑麦816’在灌浆中期高15.68%。

图3 不同时期旗叶气孔导度的变化

2.2.3 蒸腾速率的变化与比较 从图4可看出，6个小麦品种（系）旗叶的蒸腾速率(Transpiration rate，Trm)均在前4个时期均升高且在灌浆中期升至最高，在后3个时期均逐步降低。与CK相比，‘稷紫黑麦9号’、‘稷黑麦810’在前4个时期低8.73%～15.73%而在后2个时期（灌浆末期、成熟前期）则高10.27%～160.29%；‘稷黑麦803’在后3个时期高5.29%～78.94%；‘稷黑麦804’、‘稷黑麦816’仅在成熟前期低43.76%、36.99%其余6个时期则高7.92%～35.93%。

图4 不同时期旗叶蒸腾速率的变化

2.3 绿叶面积的变化与比较

从图5可看出‘，稷紫黑麦9号’、‘稷黑麦810’与CK在前3个时期‘，稷黑麦803’、‘稷黑麦804’‘、稷黑麦810’在前2个时期（抽穗期、开花期）绿叶面积(GLA)均升高且分别在灌浆前期、开花期升至最高。6个小麦品种（系）在后4个时期均降低且减低程度为成熟前期＞灌浆末期＞灌浆后期＞灌浆中期。与CK相比，5个黑小麦品系在灌浆后期低6.77%～26.77%而在成熟前期高23.31%～176.57%；其中‘稷紫黑麦9号’在前3个时期和灌浆末期分别高10.74%～11.32%、28.61%；‘稷黑麦803’在灌浆前期、灌浆中期低5.81%、18.92%而在灌浆末期则高18.30%；‘稷黑麦810’在前2个时期和灌浆末期高10.36%～13.68%而在灌浆中期则低11.15%；‘稷黑麦804’、‘稷黑麦816’在前3个时期和灌浆末期分别低11.98%～25.55%、20.02%～30.30%，18.76%、16.78%。5个黑小麦品系相比较，在7个时期内‘稷紫黑麦9号’均最高；除灌浆后期外‘稷黑麦816’在其余6个时期均最低。

图5 不同时期单株绿叶面积的变化

2.4 生物学产量的变化与比较

从图6可看出，6个小麦品种（系）生物学产量(BY)的变化为“升高-降低-升高”，5个黑品系在抽穗期—灌浆中期、灌浆后期—成熟前期，CK在抽穗期—灌浆前期均增加且分别在灌浆中期、灌浆前期升至最高。在灌浆前-后期，5个黑小麦品系平均降低11.24%而CK降低9.87%。与CK相比‘，稷紫黑麦9号’、‘稷黑麦803’、‘稷黑麦816’在7个时期内低5.23%～33.70%；‘稷黑麦804’、‘稷黑麦810’在前3个时期低6.79%～15.25%、5.43%～11.38%；‘稷黑麦810’在后3个时期高5.03%～8.72%。与CK间的差异，5个黑小麦品系均在灌浆中期最小(-16.28%～4.18%)，而‘稷紫黑麦9号’、‘稷黑麦803’在抽穗期、‘稷黑麦804’、‘稷黑麦810’、‘稷黑麦816’则在灌浆前期分别达最大。对5个黑小麦品系之间比较发现在7个时期均为‘稷黑麦810’＞‘稷黑麦804’＞‘稷黑麦803’＞‘稷紫黑麦9号’＞‘稷黑麦816’。

图6 不同时期单株生物学产量的变化

2.5 籽粒重量的变化与比较

从图7A可看出，6个小麦品种（系）的籽粒产量(GY)在5个时期（灌浆前期、灌浆中期、灌浆后期、灌浆末期、成熟前期）均升高。与CK相比较，5个黑小麦品系的GY在5个时期内平均低5.47%～52.25%；与CK间的差异，‘稷紫黑麦9号’、‘稷黑麦804’、‘稷黑麦816’在灌浆后期，‘稷黑麦803’、‘稷黑麦810’则在灌浆中期分别最大。5个黑小麦品系相比较，在灌浆前期、灌浆中期均为‘稷紫黑麦9号’＞‘稷黑麦803’＞‘稷黑麦804’＞‘稷黑麦816’＞‘稷黑麦810’，在灌浆后期、灌浆末期、成熟前期则分别为‘稷紫黑麦9号’＞‘稷黑麦803’＞‘稷黑麦804’＞‘稷黑麦810’＞‘稷黑麦816’、‘稷紫黑麦9号’＞‘稷黑麦803’＞‘稷黑麦810’＞‘稷黑麦804’＞‘稷黑麦816’、‘稷紫黑麦9号’＞‘稷黑麦803’、‘稷黑麦810’＞‘稷黑麦804’＞‘稷黑麦816’。

从图7B可看出，6个小麦品种（系）籽粒灌浆速度(GFR)均在灌浆末期—成熟前期最低。‘稷紫黑麦9号’、‘稷黑麦80’3、‘稷黑麦810’、‘稷黑麦816’在灌浆后—末期，‘稷黑麦804’、CK在灌浆中—后期最高。与CK相比较，5个黑小麦品系的GFR在灌浆前—中期、灌浆中—后期平均低47.95%、39.50%；‘稷紫黑麦9号’、‘稷黑麦803’、‘稷黑麦810’在灌浆后—末期，‘稷黑麦810’在灌浆末期—成熟前期分别高53.47%、42.95%、85.67%、36.22%；‘稷黑麦804’、‘稷黑麦816’在灌浆后—末期、灌浆末期—成熟前期低5.03%～30.80%。5个黑小麦相比较，在4个阶段分别为‘稷紫黑麦9号’＞‘稷黑麦803’＞‘稷黑麦804’＞‘稷黑麦816’＞‘稷黑麦810’、‘稷紫黑麦9号’＞‘稷黑麦803’＞‘稷黑麦804’＞‘稷黑麦810’＞‘稷黑麦816’、‘稷黑麦810’＞‘稷紫黑麦9号’＞‘稷黑麦803’＞‘稷黑麦816’＞‘稷黑麦804’、‘稷黑麦810’＞‘稷紫黑麦9号’、‘稷黑麦803’＞‘稷黑麦816’＞‘稷黑麦804’。

图7 不同时期籽粒重量的变化(A)和灌浆速率(B)的比较

2.6 经济系数的变化与比较

从图8可看出，6个小麦品种（系）的经济系数(EC)在5个时期均提高且在成熟前期达到最高，不同时期EC的提高程度，CK为灌浆前期—中期(240.48%)＞灌浆中期—后期(150.52%)＞灌浆后期—末期(16.80%)＞灌浆末期—成熟前期(0.39%)；5个黑小麦品系则为灌浆中期—后期(148.30%)＞灌浆前期—中期(90.12%)＞灌浆后期—末期(40.10%)＞灌浆末期—成熟期(5.53%)。与CK相比，5个黑麦品系在灌浆中期、后期低9.88%～53.41%、13.49%～51.43%；‘稷紫黑麦9号’、‘稷黑麦803’、‘稷黑麦816’在灌浆前期高25.96%、15.40%、21.70%；‘稷黑麦803’、‘稷黑麦804’、‘稷黑麦810’、‘稷黑麦816’在灌浆末期、成熟前期平均低6.56%～33.64%、4.27%～31.29%；‘稷黑麦810’在灌浆前期低15.21%。

图8 不同时期经济系数变化的比较

2.7 旗叶光合特性指标与籽粒产量的相关性分析

相关性分析发现，在7个时期6个小麦品系的生物学产量(BY)与籽粒产量(GY)之间均呈正相关(0.43～0.69**)，尤其在灌浆前期—灌浆末期表现为显著或极显著正相关(0.59*～0.69**)。5项光合特性指标(PCI)与GY间均呈正相关（表1），5项PCI，不同时期的PCI与GY的相关程度大小的顺序分别为绿叶面积(GLA)＞蒸腾速率(Trm)＞净光合速率(Pn)＞气孔导度(Gs)＞叶绿素含量(CC)、灌浆中期＞灌浆前期＞灌浆后期＞灌浆末期＞抽穗期＞开花期＞成熟前期。5项PCI在灌浆中期，Pn、Gs、Trm、GLA在灌浆前期，Pn、Trm、CC、GLA在灌浆后期，GLA在灌浆末期均与GY显著或极显著正相关。

表1 不同时期黑小麦旗叶光合特性指标与籽粒产量的相关性分析

从表2可看出，不同时期旗叶的PCI的变化速率与GY的相关性不同：5项PCI的变化速率在前2个阶段与GY均正相关而在后3个阶段则均负相关；5项PCI的变化速率、不同时期的PCI的变化速率与GY相关程度的顺序分别为Pn＞Gs＞Trm＞CC＞GLA、开花期—灌浆前期＞抽穗期—开花期＞灌浆前期—中期＞灌浆末期—成熟前期＞灌浆后期—末期＞灌浆中期—后期。Pn、Gs、Trm、GLA在抽穗期—开花期，Pn、Gs、Trm、CC在开花期—灌浆前期，Pn在灌浆前期—中期均与GY显著正相关。5项PCI的变化速率在灌浆中期—后期，CC、GLA在灌浆后期—末期则与GY显著负相关。

表2 不同阶段黑小麦旗叶光合特性变化速率与籽粒产量的相关性分析

3 讨论与结论

小麦旗叶的光合特性受到内部和外部多种因素的影响[25-26]。本实验对5个黑小麦品系与普通白粒小麦旗叶在抽穗后7个时期光合特性变化的研究表明：与CK相比，黑小麦品系的5项PCI的随发育进程变化的趋势、变化程度均存在明显差异，究其原因可能在于‘陕垦6号’(CK)来源于‘兰考906/小偃22’的杂交后代[27]，而5个黑小麦品系则来源于‘96(38)18-2//西农2208/珍选1’[14]的杂交后代，也可能由于不同小麦品系旗叶的光合特性对外部环境的应变能力不同[28-29]。5个黑小麦品系间光合生理特性存在明显差异：‘稷紫黑麦9号’旗叶在7个时期内的叶绿素含量(CC)，在前2个阶段(HS—FS、FS—ESFP)叶绿素含量的提高程度均高于其他4个品系，而在后3个阶段(MSFP—LSFP、LSFP—FSFP、FSFP—EMS)的降低程度显著低于‘稷黑麦804’、‘稷黑麦816’，以上是‘稷紫黑麦9号’的绿叶面积(GLA)在7个时期内均高于其余4个黑小麦品系的生理基础。‘稷紫黑麦9号’的净光合速率(Pn)在7个时期内均高于‘稷黑麦803’、‘稷黑麦804’、‘稷黑麦810’则表明其具有较长的光合功能期，因而可将‘稷紫黑麦9号’归为“高叶绿素、高光合”品系。‘稷黑麦803’、‘稷黑麦804’的叶绿素含量(CC)、净光合速率(Pn)分别在前6个时期、前2时期均较低，可将2者归为“低叶绿素、低光合”品系。‘稷黑麦803’、‘稷黑麦804’、‘稷黑麦810’、‘稷黑麦816’因在后3个阶段叶绿素含量(CC)的的降低程度明显高于‘稷紫黑麦9号’导致其绿叶面积、净光合速率在3个时期较低，也表明‘稷黑麦803’、‘稷黑麦804’、‘稷黑麦810’、‘稷黑麦816’易于早衰。‘稷黑麦816’的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Trm)在前3个时期大于‘稷黑麦803’、‘稷黑麦804’、‘稷黑麦810’则表明‘稷黑麦816’在前期具有较高的光合能力，而‘稷黑麦816’的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Trm)在灌浆中—后期的降低程度显著高于其他4个品系则导致‘稷黑麦816’的净光合速率(Pn)在后3个时期显著较低，表明‘稷黑麦816’的高光合功能期较短。

抽穗—成熟前期是小麦产量形成的关键时期亟需大量的光合产物用于籽粒产量(GY)的形成[25,28]；旗叶对GY的贡献可达41%～43%[25-26,30]，探究花后小麦旗叶的光合特性及对GY的影响对选育高产小麦品种具有指导意义[24,29-30]。本实验的结果表明，在7个时期内黑小麦的生物学产量(BY)与GY之间均正相关，尤其在灌浆前期—末期表现为显著或极显著正相关，印证了前人的关于小麦生物学产量是籽粒产量形成重要基础的结论[20,31-32]，也表明在开展黑小麦高产品种选育时应选择具有一定生物学产量(BY)的品系。本实验5项PCI与GY间均呈正相关的结果与吕强等[16]、武琦等[33]的结果相同。本实验的不同时期5项光合特性指标(PCI)、PCI的变化速率与籽粒产量(GY)间的相关性不同，则表明在进行小麦品种间光合特性比较时应进行不同时期、多项PCI的综合比较。前人的研究表明，黑小麦在生育后期具有较强的抗逆性[16,33]，本研究将在研究黑小麦品系光合抗逆性的基础上，开展栽培措施对（群体）光合能力的影响方面研究。

不同小麦品种的光合特性间的差异会导致籽粒产量(GY)表现出现明显差异[23,34]，本实验中5个黑小麦与普通小麦(CK)相比，在抽穗期—灌浆前期的生物学产量(BY)较低，在灌浆前期—后期的籽粒灌浆速度(GFR)较低，导致收获期的籽粒产量(GY)较‘CK’低5.47%～41.73%，这与前人对黑小麦产量的研究结果基本一致[3,23-24]，也表明培育高产、稳产的黑小麦新品种是亟需解决的问题。5个黑小麦之间的籽粒产量(GY)比较为‘稷紫黑麦9号’(2.69 g/plant)＞‘稷黑麦803’(2.40 g/plant)＞‘稷黑麦810’(2.29g/plant)＞‘稷黑麦804’(1.94g/plant)＞‘稷黑麦816’(1.66 g/plant)究其原因在于‘稷紫黑麦9号’的绿叶面积(GLA)、净光合速率(Pn)在7个时期均高于其他4个品系；在灌浆前期—成熟前期具有较高的灌浆速度(GFR)、经济系数(EC)，因此，可将‘稷紫黑麦9号’归为“高光合、高经济系数”类品系。‘稷黑麦810’虽在7个时期具有较高的生物学产量(BY)但在灌浆前期—中期、中期—后期的灌浆速度(GFR)则明显较低，导致籽粒产量(GY)、经济系数(EC)在灌浆前期—后期均明显较低，属于“高生物学产量、低经济系数”类品系。‘稷黑麦816’由于易于早衰导致在7个时期的绿叶面积(GLA)、生物学产量(BY)均较低，在灌浆前期—中期、中期—后期的灌浆速度(GFR)也较低，最终导致籽粒产量(GY)较低。穗粒数、穗质量、穗粒质量与黑小麦籽粒产量显著相关[34]，本研究将在后续的研究中加强对黑小麦品系光合特性对产量构成因素（有效穗数、穗粒数、百粒质量）影响的研究。

本实验的结果表明，黑小麦品系的5项光合特性参数(PCI)的随发育进程变化的趋势、变化程度与‘CK’，及5个黑小麦品系间均也存在明显差异。光合特性与籽粒产量(GY)的相关性分析则表明提高和维持旗叶在抽穗期—灌浆中期具有较高的光合能力，延缓旗叶衰老、延长旗叶功能期是提高黑小麦产量的重要手段。5个黑小麦之间的比较结果表明，“高叶绿素、高光合、高经济系数”的‘稷紫黑麦9号’品系具有较强的光合特性和较高的灌浆速度(GFR)、经济系数(EC)，具有一定的生产利用价值。