小麦远源杂交种光合性状的杂种优势分析

赵小光，翟周平，尚 毅，柴 靓，赵鹏涛

（1.陕西省杂交油菜研究中心，陕西 杨凌 712100；2 四川省农业科学院 作物研究所，四川 成都 610066）

0 引言

远缘杂交是指在生物分类中种以上物种间进行的杂交，包括同属生物的种间杂交、不同属生物的属间杂交以及更高分类单位之间的物种杂交，如亚族间杂交、族间杂交等，是实现基因在不同物种之间远缘转移的一条重要途径［1-3］。远缘杂交可以打破生物界种属间存在的生殖隔离现象，使不同物种各自具有的优良基因进行聚合，从而形成新的农艺、品质和产量性状，同时具有对病虫害和旱、涝等自然灾害更强的抵抗能力［4］。在育种过程中，种质资源是进行种质创新和品种选育的前提，而野生种和近缘种是改良农作物性状的重要基因来源,也是培育优质、高产、抗病、抗逆新品种的物质基础［5］，远缘杂交则是实现这一目标的有效途径。

近年来，随着农业科学技术的发展，化学杀雄［6］、辐射诱变［7］、小孢子培养［8］、转基因工程［9-10］等新技术极大地加快了育种进程，农户种植了多年的农家种因为产量较低而被淘汰，逐渐被遗传改良的高产优质品种所替代。然而，现代育种技术也存在一定的缺陷，尽管作物的产量和品质得到了提高，但是却造成了主流品种的相似化，降低了遗传多样性。目前，国内种植的小麦主要为六倍体普通小麦，而四倍体和八倍体小麦在科研领域应用较多，尚未大面积推广。在普通小麦的育种过程中，首先选择优质的亲本资源开展选育工作，由于优质亲本资源数量较少,导致育成的小麦品种虽然数量较多，但是遗传距离较近，从而降低了小麦的遗传多样性，使其遗传基础日益狭窄［11］。同时，由于在种质资源创新时过多地使用现代育种技术，减少了野外自然选择的压力，品种表现出综合性状退化、抗逆性减弱以及对突发的病虫害和极端天气的抵御能力降低［12］等缺陷，制约了小麦育种进一步的发展。因此，利用小麦近缘属种来增加自然遗传变异对于提高现代栽培小麦的遗传多样性和进一步开展小麦高产、抗病、优质育种具有重要意义［13-14］。

光合作用是植物进行生命活动和物质积累的能量来源，光合效率的高低与作物最终产量密切相关［15］。光合遗传研究是利用作物光合特性进行杂种优势评价的一种新方法，是作物遗传育种研究中的一个新领域［16］，利用光合杂种优势进行高光效育种已经在水稻、大豆、玉米等作物生产上取得了成功。近年来，小麦杂种优势的利用主要集中于常规育种上，如品质改良、产量提升等，而对于小麦光合特性杂种优势的研究较少［17］。目前，国内外对小麦不同进化材料之间的光合性能进行了较多的报道，探讨了不同材料光合性能差异的机制［18-20］，但与小麦高光效育种结合的较少。本研究利用四倍体小麦和六倍体小麦进行远缘杂交，分别测定亲本和F1代杂交种的旗叶光合气体交换参数、叶绿素浓度、叶面积指数、绿叶面积等光合相关性状，测定光合速率在不同光照强度和CO2浓度下的响应曲线以及光合日变化，通过远缘杂交种的光合性状杂种优势分析，对小麦的光合特性有较全面的了解，以期为充分利用小麦近缘种、扩大普通小麦的遗传基础、进行高光效遗传改良和改善栽培措施等提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料四倍体小麦波引小麦和六倍体小麦陕垦224均由陕西省杂交油菜研究中心小麦研究室提供。2020年4月在大田进行小麦远缘杂交试验，以六倍体小麦作为母本，四倍体小麦作为父本进行杂交，收获种子后于2020年10月播种，2021年4月测定光合性状。试验在陕西省杨凌示范区小麦试验田进行，田间试验采用随机区组设计,每小区5行,行长2.00 m，行距0.25 m，试验重复3次，所有田间管理措施均采用当地常规管理方法。

1.2 试验方法

在小麦灌浆期，用Li-6400光合仪测定亲本及杂交种的旗叶光合气体交换参数，选用红蓝光源，光照设为1200 μmol/(m2·s)；温度设为28 ℃，测定时间为上午8：00~12：00，每种材料测定10个单株。测定指标包括：净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率，水分利用效率（WUE）按照WUE=净光合速率/蒸腾速率［21］进行计算，对于旗叶不能充满叶室的叶片，需要测量叶面积后用光合仪重新计算参数。

在小麦灌浆期，用叶绿素测定仪SPAD502测定3种小麦材料的旗叶叶绿素含量，每种材料测定10个单株，在每个叶片上均匀选取8个点进行测定，取平均数值进行记录；用Li-3000C叶面积仪测定3种小麦材料的旗叶面积和总叶面积，每种材料测定10株；用LAI-2200冠层分析仪在每种材料的种植小区测定叶面积指数；灌浆后期，每种材料选取10个单株，烘干后称重，即为干物质积累量，试验重复3次。

在小麦灌浆期，用Li-6400光合仪测定3种小麦材料旗叶的光响应曲线，选用红蓝光源，叶室温度设为28 ℃，叶室CO2浓度控制为400 μmol/mL，夹住旗叶后在1200 μmol/(m2·s)光照下适应15 min后，采用自动光曲线程序进行测定，然后计算光饱和点、光补偿点、光量子效率等［22］，每种材料测定5个单株；测定CO2响应曲线时，叶室温度设为28 ℃，光照设为1200 μmol/(m2·s)，夹住旗叶后在1000 μmol/mL CO2浓度下适应15 min后采用自动CO2曲线测定程序进行测定，然后计算CO2饱和点、羧化效率、CO2补偿点等［23］，每种材料测定5个单株。在晴朗的天气条件下用Li-6400光合仪测定光合日变化，选用透明叶室，空气流速设为500 mol/s，从上午8：00开始测定，直到18：00结束，每小时测定1次。

1.3 数据处理

光合作用杂种优势的计算公式为：中亲优势(%)=(杂交种光合指标值-双亲光合指标均值)/双亲光合指标均值×100%［24］；超亲优势(%)=(杂交种光合指标值-高亲本光合指标值)/高亲本光合指标值×100%［25］。测定数据利用Excel 2003软件进行整理，用SPSS 11.9统计软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 光合气体交换参数的杂种优势分析

从表1可以看出，小麦杂交种的气孔导度和水分利用效率均显著高于2个亲本，杂交种的净光合速率处于2个亲本之间，杂交种的蒸腾速率高于父本，与母本无显著差异，而胞间CO2浓度则表现为杂交种低于母本，与父本无显著差异。通过分析可以得出，小麦杂交种的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度、水分利用效率的中亲优势分别为1.62%、29.55%、17.66%、-3.62%、3.00%，超亲优势分别为-3.38%、26.67%、3.07%、-7.27%、2.88%。远缘杂交种净光合速率的中亲优势较弱，超亲优势表现为负向杂种优势，而气孔导度、蒸腾速率和水分利用效率均表现为正向杂种优势。因为胞间CO2浓度越低，表明叶肉细胞里被同化的CO2越多，光合效率越高，所以杂交种的胞间CO2浓度具有负向杂种优势，也是光合能力提升的表现。因此，通过远缘杂交提高了小麦后代的光合作用，其中气孔导度提升效果最为显著，净光合速率的改变最小。

表1 小麦远缘杂交种和亲本的光合气体交换参数

2.2 光合相关性状的杂种优势分析

从表2可以看出，小麦杂交种的旗叶面积、总叶面积、叶面积指数和干物质积累量均显著高于2个亲本，而叶绿素含量则高于母本，低于父本。通过分析可以得出，小麦杂交种叶绿素含量、旗叶面积、总叶面积、叶面积指数和干物质积累量的中亲优势分别为-1.95%、64.40%、80.05%、13.28%、33.14%，超亲优势分别为-8.21%、62.17%、65.63%、8.92%、16.62%。除叶绿素含量外，杂交种的其余4个光合相关性状的杂种优势均表现为正向优势，旗叶面积和总叶面积的杂种优势最为显著，中亲优势和超亲优势均超过了50%。总叶面积是决定作物接受光照量的决定因素，所以叶面积指标具有正向杂种优势，这也表明了小麦杂交种的光合相关性状得到了提升。

表2 小麦远缘杂交种和亲本的光合相关性状

2.3 不同光照强度影响下的杂种优势分析

由表3可知，3种小麦材料在光响应曲线下的光量子效率、最大净光合速率和平均净光合速率变化一致，均表现为母本>父本>杂交种，说明母本六倍体小麦具有较高的光能转化和利用效率，可以将接收到的外界光照较多地转化为化学能贮存起来。远缘杂交种的光量子效率、最大净光合速率和平均净光合速率的中亲优势分别为-16.87%、-15.84%、-13.80%，超亲优势为分别-18.05%、-20.89%、-19.86%，杂种优势均为负向优势，表明小麦远缘杂交种的光能转化和利用效率均低于亲本。小麦杂交种的暗呼吸速率、光补偿点、光饱和点均显著高于2个亲本，中亲优势分别为9.96%、25.06%、8.80%，超亲优势为分别5.34%、24.87%、3.98%。杂交种的暗呼吸速率杂种优势为正，表明在进行光合作用时，通过光呼吸途径消耗的能量比亲本高。小麦杂交种的光饱和点杂种优势为正，表明杂交种相比亲本材料，可以在中午高光照强度条件下进行正常的光合作用，对光照强度的适应范围扩大，受光的抑制作用较小。

表3 小麦远缘杂交种和亲本的光响应参数

2.4 不同CO2浓度影响下的杂种优势分析

从表4可以看出，3种小麦材料在CO2响应曲线下的羧化效率、最大净光合速率和平均净光合速率变化一致，均表现为杂交种＞母本＞父本，远缘杂交种的羧化效率、最大净光合速率和平均净光合速率的中亲优势分别为32.73%、42.67%、50.26%，超亲优势为分别20.51%、26.56%、17.78%，杂种优势均为正向优势，且优势显著，表明远缘杂交种CO2的利用和转化效率较亲本有了较大的提高。小麦杂交种的CO2补偿点低于2个亲本，中亲优势和超亲优势分别为-16.47%和-16.88%。杂交种的CO2饱和点低于母本，高于父本，中亲优势和超亲优势分别为-5.33%和-14.61%。由于3种小麦材料的CO2饱和点均远高于外界的大气CO2浓度，所以CO2饱和点杂种优势为负对小麦的光合作用不产生影响，而杂交种相比亲本具有低CO2补偿点，表明远缘杂交后对CO2的抗逆性较强，在较低CO2浓度下仍可以进行光合作用，具有较高的光合潜力。

表4 小麦远缘杂交种和亲本的CO2响应参数

2.5 光合日变化的杂种优势分析

作物的净光合速率代表某一个时间点的瞬时光合效率，在1日内处于一个动态的变化过程中，而光合日变化能综合反映出植物自身的光合能力和随环境因素的变化趋势。从图1可以看出，小麦杂交种净光合速率的中亲优势的在1日内的变化波动较大，最低值为0.60%，最高值为15.89%，平均值为5.11%。超亲优势变化较为平缓，在1日内均表现为负向杂种优势，变化范围为-8.67%～-1.17%,平均值为-4.84%。可以看出，杂种优势分别在上午和下午光合作用最佳时期比较低，而在中午“光合午休”时期则表现最高。通过远缘杂交，小麦后代的净光合速率尽管提升不是很明显，但是明显降低了“光合午休”的作用，使杂交种在1日内的光合作用一直处于一个较活跃的状态。

图1 小麦远缘杂交种净光合光速的杂种优势日变化

3 讨论

远缘杂交是形成一种新物种的有效手段,已经在育种上得到了广泛的应用，拓宽了种质资源的基因库，增加了遗传多样性，形成了丰富的种质资源和新品种［26-28］。在小麦的进化上，六倍体普通小麦来源于二倍体小麦和四倍体小麦的远缘杂交，目前是世界上种植面积最大的小麦类型。同时，通过远缘杂交还可以将小麦野生种的优良基因导入栽培小麦中,如抗蚜虫、抗条锈病、抗白粉病等抗病基因和不育系的恢复基因，以及耐寒、耐旱等基因［29］。这些异源多倍体基因的导入加速了小麦新资源的形成，在小麦育种中得到了广泛应用。本研究通过远缘杂交种光合性状的杂种优势分析可以看出，光合气体交换参数中，净光合速率的杂种优势较弱，仅中亲优势为1.62%，而其余4个参数的杂种优势都比较强，中亲优势和超亲优势变化一致，整体上看杂交种后代的光合效率较亲本有所提高。叶片指标中，旗叶面积、总叶面积、叶面积指数和干物质积累量均表现出显著的正向杂种优势，从而保证了杂交种可以在相同时间里获得足够多的光照，为进行光合作用提供能量来源。然而叶绿素含量具有负向杂种优势，主要与杂交种的营养体和叶面积变大有关，这也是净光合速率杂种优势较弱的一个原因。通过分析可知，远缘杂交后，小麦后代的光合作用得到了提升，但是需要在后续的选育中加强对叶片叶绿率含量的筛选，从而提高叶片的净光合速率，进一步改良小麦的光合能力。

植物的光合作用是一个复杂的生理生化反应，小麦的光合能力既受自身遗传因素的影响，在很大程度上还受外界环境中光照强度、CO2浓度、温度和湿度等因素的影响［20］。通过光响应参数杂种优势分析可以看出，虽然远缘杂交种的净光合速率杂种优势为负向优势，但是对光照强度的适应范围扩大，可以在正午高光照强度下进行光合作用，受光的抑制作用减小，提高了它对光的抗逆性。通过CO2参数杂种优势分析可以看出，远缘杂交种不仅CO2的利用效率较亲本有所提高，同时对CO2的抗逆性增强，在低CO2浓度下其光合作用不受抑制，具有较高的光合潜力。小麦为典型的C3植物，在中午具有“光合午休”现象，“光合午休”的存在明显抑制了小麦1日内光合作用的进行和产物的积累［30］，通过杂种优势的光合日变化分析可以看出，远缘杂交种的“光合午休”现象有所减弱，可以使小麦在1日内维持较长的正常光合作用。所以通过远缘杂交，提高了小麦后代光合作用对环境因子的抗逆性，对环境的适应性增强，使影响小麦光合特性的内因和外因均得到了改良。

4 结论

本研究对远缘杂交种和2个亲本的光合气体交换参数、叶绿素浓度、叶面积等光合性状和不同光照强度、不同CO2浓度、1日内不同时间净光合速率进行了比较，并分析各性状的杂种优势。杂交种的净光合速率杂种优势较弱，气孔导度、蒸腾速率和水分利用效率表现为正向杂种优势；叶绿素浓度表现为负向杂种优势，而旗叶面积、总叶面积、叶面积指数、干物质积累量均表现为正向杂种优势；光量子效率为负向杂种优势，暗呼吸速率、光补偿点、光饱和点表现为正向杂种优势；羧化效率为正向杂种优势，而CO2补偿点和CO2饱和点为负向杂种优势；净光合速率的中亲优势在1日内均表现为正向杂种优势，而超亲优势在1日内均表现为负向杂种优势。所以通过远缘杂交，主要提高了后代光合作用的抗逆性，在小麦的高光效育种中，可以通过远缘杂交技术来提高种质资源对环境的适应性，提高光能利用率，选育高光效种质资源，再结合传统的选育手段，提高小麦的抗逆性和产量。