马铃薯叶片光合效率遗传变异分析及高光效种质筛选

闫 雷，邹 莹，张等宏，沈艳芬，高剑华，肖春芳，吴承金，王 甄，张远学

(1.湖北恩施中国南方马铃薯研究中心，湖北 恩施 445000；2.恩施土家族苗族自治州农业科学院，湖北 恩施 445000)

马铃薯是全球主要的粮食作物，适种性好、营养全面、产量潜力高，对保障粮食安全、消除饥饿、促进乡村经济发展有重要意义[1]。单产水平的提高一直是从业者关注的重点，高光效品种选育是提高产量的重要途径，而对叶片光合特性遗传变异的研究是开展高光效育种的前提和基础。我国西南地区为亚热带季风气候，多云、多雨、多雾、弱光，这种弱光高湿的环境影响马铃薯的产量。一些间套作栽培模式也容易形成弱光胁迫的条件，所以选育高光效品种对增强马铃薯光合能力，保证弱光环境及特殊栽培模式下的马铃薯产量有重要意义。

表1 2021年试验基地气象数据Table 1 Meteorological data of test base in 2021

光是作物直接的能量来源。研究表明，光合效率的高低决定了作物的产量潜力，同一作物的不同品种间存在显著的差异。马铃薯作为重要的粮食作物，在光合效率方面前人做了大量的研究。张贵合等[2]分析了17个马铃薯品种盛花期的光合特性，筛选出用于划分光合类别的6个主导因子以及5个高光效品种；李彩斌、郭华春[3]研究了遮阴70%的胁迫压力评价9个品种的耐阴性，表明马铃薯耐阴性在品种间存在显著差异，中薯20号表现最好；唐鑫华等[4]以12个马铃薯品种为材料，分析了不同遮光条件对马铃薯光合特性的影响；李晨阳等[5]研究了不同生育时期遮光对冀张薯12号和冀张薯8号光合特性和产量的影响；尹旺等[6]对收集的73个全国马铃薯品种在贵州生态条件下进行了高光效评价，筛选出青薯9号、威芋5号等18个高光效育种亲本；秦玉芝等[7]在弱光条件下，研究了不同品种光合响应差异。许国春等[8]以24份不同来源的马铃薯品种为试材，分析了叶片光合效率遗传变异，并筛选出闽薯4号、闽薯7号等8份高光效种质资源。目前，评价作物光合效率的指标主要以净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)为主，但也有结合考虑相对叶绿素含量(SPAD)及内禀水分利用率(iWUE)、气孔限制值(Ls)、瞬时羧化效率(CE)等衍生指标。

尽管前人对马铃薯的光合作用开展了大量的研究，但多集中在不同品种间的比较和不同条件对光合强度的影响上，对马铃薯光合效率的遗传变异特征研究较少，并且生产或者育种上缺乏高光效的种质资源。本研究通过分析8个光合生理指标的变异情况，探讨其广义遗传力，评价不同种质的光合效率，筛选高光效种质，以期为马铃薯光合特性的研究及高光效育种提供数据参考和种质亲本。

1 材料与方法

1.1 试验设计与供试材料

试验于2021年1—7月在中国南方马铃薯研究中心(湖北恩施)天池山科研基地(东经109°39′11″，北纬30°20′34″)进行，海拔1 250 m，黄壤土，前茬作物玉米。采用单因素随机区组设计，17个品种，每个品种播2行，每行20株，3次重复。单行播种，密度4 000株/667 m2，每667 m2施肥80 kg(N、P、K比为17∶17∶17)，播种后采用统一追肥和晚疫病防控等田间管理，试验期间气象状况来源于晚疫病预警仪器的收集(表1)。试验共测定17个马铃薯品种，均为中晚熟品种，其中南方马铃薯研究中心自主选育的品种16个，当地主栽品种米拉1个(表2)，均由中国南方马铃薯研究中心提供原原种。

表3 各光合性状的遗传变异分析Table 3 Analysis on the genetic variation of photosynthetic traits

表2 供试马铃薯种品种信息Table 2 Information of tested potato varieties

1.2 测定指标与测定方法

试验指标于马铃薯蕾期测定，采用便携式光合仪(LCpro-SD，英国)进行叶片Pn、Gs、Ci和Tr等指标的测定。采用自然光源叶室，光量子通量设定为工程师常规设定，开放式气路。每个小区选择健康、长势一致的代表性植株3株进行测定，测定时间为09：00—11：30时，测定对象为主茎倒数第4片完全展开叶顶小叶。同时利用便携式叶绿素仪测定叶片相对叶绿素含量(SPAD值)，每个品种3次重复，取平均值。利用相应公式计算瞬时羧化效率、气孔限制值和内禀水分利用率[9-11]。

1.3 数据处理与分析

采用WPS 2019软件进行数

据统计，R语言作图，并计算不同光合性状的平均值、标准差和变异系数。以各种质8个光合性状的测定值为基础数据，使用DPS软件进行差异显著性分析、相关性分析和主成分分析。计算各品种光合效率综合评价指数(A)[8,12]，并采用欧氏距离-最短距离进行系统聚类分析，并划分光合效率等级。根据方差分析结果，参照F值检验达显著或极显著水平的性状，进行广义遗传力(H2)计算。

式中：MSv为品种均方，MSe为误差均方，r为重复次数。

2 结果与分析

2.1 光合性状的遗传变异

17 个马铃薯品种的光合性状差异明显(见表3)，变异系数和F值(LSD)显著性检验表明，光合性状在不同品种间的变异系数介于5.547%～27.722%之间。其中Gs、Pn、CE、iWUE的变异系数较大，极值间相差2倍以上，变异系数均大于15%；而Ci和SPAD值的变异系数相对较小，分别为5.547%和8.145%；说明选取的17个马铃薯品种的光合性状具有较丰富的遗传多样性。光合性状广义遗传力分析显示，性状iWUE的F值不显著，不计算广义遗传；剩余光合性状广义遗传力变化范围为27.33%～45.85%，均值为36.55%，广义遗传力均小于50%，说明本研究条件下这些性状的广义遗传力均较低。由表3可知，遗传力最高的为Ci，其次为Ls和Pn，而Gs的遗传力最低。

2.2 光合性状间的相关性

对光合性状进行相关性分析可知(图1)，SPAD值与Ls、CE、Ci和Tr显著相关，Gs和Pn显著相关；Ls与Tr显著相关，与iWUE、CE、Ci和Pn极显著相关；iWUE与CE和Ci极显著相关，与Pn显著相关；CE与Gs显著相关，与Ci、Tr、Pn极显著相关；Ci与Tr显著相关，与Pn极显著相关；Gs与Tr和Pn存在极显著相关；Tr与Pn极显著相关；由此可知，大部分光合性状之间存在显著或极显著的相关性，说明这些性状在高光效资源评价方面，存在某些重叠的信息。

2.3 光合性状的主成分分析

利用光合性状的隶属函数值进行主成分分析，提取了特征值≥1的2个主成分，贡献率分别为68.030%和18.618%，累计贡献率达86.649%，结果列于表4。第1主成分特征向量中对应的CE、Ls、Ci和Pn载荷较大，第 2 主成分特征向量中对应的GS、iWUE和Tr载荷较大。综上表明，可将这 8 个光合指标转化为2个综合性指标，对资源光合效率进行进一步评价。

图1 光合性状相关分析及频率分布Fig.1 Correlation analysis of photosynthetic traits and frequency distribution

表4 光合性状主成分分析Table 4 Principal component analysis of photosynthetic traits

2.4 光合效率综合评价指数

根据主成分分析得出的2个综合性指标的贡献率和得分系数，计算光合效率综合评价指数(A)，A值越大表示光合效率越高。17个马铃薯品种的A值在-2.97～3.34之间，其中G 15、G 13、G 11、G 7、G 10、G 6的A值大于0.5，光合效率较高；G 1、G 14、G 12、G 8、G 17、G 5的A值小于-0.5，光合效率较低。经过相关分析，SPAD值与A值存在显著正相关关系，R2=0.579 4。

图2 马铃薯光合效率综合评价指数(A)Fig.2 Comprehensive evaluation indexes of potato photosynthetic efficiency(A)

图4 参试品种基于A值的聚类分析Fig.4 Cluster analysis based on A value of tested potato varieties

图3 SPAD值与A值的相关关系Fig.3 The relationship between SPAD value and comprehensive evaluation index of photosynthetic efficiency A value

2.5 聚类分析与高光效种质筛选

对供试材料A值进行聚类分析(图 4)，采用系统聚类-最短距离，可将参试品种聚为三类。第Ⅰ类为高光效种质，共1份(G 15，A=3.34)；第Ⅱ类为中光效种质，共14份(G 1、G 2、G 3、G 4、G 6、G 7、G 8、G 9、G 10、G 11、G 12、G 13、G 14、G 16)，A值介于-1.42～ 1.84之间；第Ⅲ类为低光效种质,共2份(G 5和G 17，A值分别为-2.49和-2.97)。综上可知，参试品种中大部分为中等光效的品种，高光效和低光效种质比例均较少。

3 讨论与结论

光合作用是绿色植物赖以生存的基础，光合效率是代表植物通过光合作用固定干物质的能力。同一作物不同品种间的光合效率存在一定的差异，这种差异为高光效育种提供了理论基础。本研究结果表明，17 份马铃薯种质光合指标中除iWUE外均差异显著，8 个光合性状的变异系数介于 5.547%～27.722%之间，表现出非常丰富的遗传多样性，说明选取的材料具有很好的代表性。唐鑫华等[4]的研究中，选取了SPAD值、Pn等5个指标，在不同品种间和处理间均有部分指标达到显著差异；张贵合和郭华春[2]、尹旺等[6]的研究表明，不同品种间的光合指标均达到极显著水平；说明不同生态环境和不同品种条件，其光合指标的研究结果会存在一定的差异。因此，在不同生态区开展光合特性研究对马铃薯高光效育种具有重要的意义。在性状方面，不同品种间净光合速率和瞬时羧化效率的变异最明显，而且这两个性状在第1主成分中载荷量最大，另外与其他性状间呈显著相关性，说明这两个性状是马铃薯高光效育种研究的重要指标，这与许国春等[8]的研究结果不同。

作物广义遗传力代表作物亲代性状传递给子代的能力强弱，是性状选择的重要依据，对作物新品种选育有意义[13]。本研究中，光合性状的广义遗传力均小于60%，其中Ci、Pn、CE、Ls的广义遗传力在40%～59%之间，属于中等水平[14]。李纯佳等[15]在云南斑茅研究中，Pn、Ls、Ci、Tr的广义遗传力均大于70%；高三基[16]在甘蔗的研究中，净光合速率的广义遗传力较低；李纯佳等[17]在研究国外甘蔗品种中，除瞬时羧化效率外其余光合性状广义遗传力均在70%以上；许国春等[8]在马铃薯光合特性遗传力的研究中，除Ci和Ls外，其余性状广义遗传力均较高；说明，不同作物间光合性状的广义遗传力存在差异，同一作物不同条件光合性状的广义遗传力也不相同。

种质资源以及遗传特性是作物品种选育的基础，要开展马铃薯高光效育种，必须先进行马铃薯高光效资源的鉴定以及光合特性的研究。在资源筛选过程中，客观准确的评价是一个重要前提。本研究综合多项相关性状参数，结合显著性分析、相关分析、主成分分析，最终基于综合评价指数进行资源光合效率的聚类筛选，结果全面准确，已经在其他作物及马铃薯的性状研究上得到广泛应用[8,18-20]。基于该方法，本研究筛选得到高光效种质1份、中等光效种质14份和低光效种质2份，说明同一生态条件下，不同来源亲本可以选育出高光效品种，为湖北二高山地区高光效品种选育提供了理论支撑。中国马铃薯分四大种植区，各种植区生态环境复杂，不同的生态环境下种质资源的光合特性可能存在较大差异，因此在开展高光效品种选育时，应该立足当地生态环境条件来开展亲本资源的研究及选配。在开展高光效资源筛选以及后代评价中，需要评价的群体巨大，无法在短时间内完成大量的光合参数测定，这成为高光效育种中要克服的首要问题。因此，寻找具有代表性的测定简单有效的光合化参数对提高群体的鉴定意义重大。SPAD值代表叶片叶绿素浓度及叶片含氮量，可以直接或间接反映作物的光合能力、养分状况和生长健康状况[21]。本研究中，SPAD值与光合效率综合评价指数呈正相关，而且与除iWUE外的光合指标存在显著的相关性，这与张贵合等[2]、许国春等[8]、Giunta等[22]的研究结果一致。因此，在群体源数量大的情况下可以应用SPAD值进行性状筛选，品种比较阶段再结合其他性状进行综合评价，这样可以大大提高中间材料的鉴定速度，节省人力物力。

结果表明，参试的17个马铃薯品种的光合性状差异明显，在不同品种间的变异系数介于5.547%～27.722%之间。其中性状Gs、Pn、CE、iWUE的变异较大；广义遗传力均小于60%，其中Ci、Pn、CE、Ls的广义遗传力在40%～59%之间，属于中等水平；资源筛选方面，得到高光效种质1份、中等光效种质14份和低光效种质2份；相关性分析发现，光合参数间的相关性表现较好，另外，SPAD值与光合效率综合评价指数显著正相关。研究结果表明，SPAD值可以作为高光效群体评价的初筛指标，并且证明了湖北二高山环境中，具有筛选出高光效品种的可能性。