高粱高光效育种方法研究

高粱高光效育种方法研究

本研究通过分析不同类型高粱在产量形成阶段不同叶片光合生理指标的变化，并建立单叶气孔导度（Gs）与穗重回归模型，旨在确定一种能够表征植物叶片光合作用的高效准确客观的鉴定方法。试验以不同类型的11份高粱品种（系）为试验材料，测定了单株7片叶在4个生育时期的11个光合生理指标及穗重，通过分析筛选气孔导度（Gs）作为选择高光效种质的主要光合生理指标，确定乳熟期为高粱光合速率测定的最佳生育时期,第二叶为光合速率测定的最佳叶片部位，以期为高粱光效育种提供参考依据。

关键字：高粱光合生理指标生育期叶片穗重

依据高粱因具有抗旱、耐涝、耐盐碱等诸多特性,而广泛分布在干旱半干旱和低洼易涝地区，也是一些地区的重要粮食作物[1-4]。高粱在我国栽培历史悠久，曾为解决我国的粮食安全问题做出过突出贡献，对高粱研究也有过辉煌的历史，但到上世纪90年代，已从主粮位置上替换下来[5-6]。近年来因环境的变化、供给侧结构调整和生产成本低等因素，种植面积又有所回升，大量的高粱用于饲料、酿酒及作为其他工业原料[7-8]，从而对高粱高产新品种的需求又重新被激发起来。

长期以来，杂种优势利用一直是高粱高产育种的主要途径，尽管对高光效育种早有关注，但因基础资料不足，迄今并无大的突破[9-11]。高粱属于C4作物，本身具有较高光合效率[12]，但实践证明，品种之间是有差异的，这为选择高光效基因型提供了必要条件。长期以来，一提到高光效育种，直接想到的就是提高光合速率，但对光合速率测定方法，测定时期，测定部位并没有系统的说明，由于测定光合速率方法的多样性、测定部位和测定时期的不同，使得以往研究结果无法有效用到育种中来，高效准确客观的选择和鉴定方法是目前亟待解决的难题。

试验以三种不同类型的高粱为试验材料，第一类是甜高粱，品种为丽欧；第二类是饲草高粱，主要包括07-41、GL498、GL503及等品种；第三类是粒用高粱，包括3份高粱恢复系材料引-20、引-31、引-65（由美国普渡大学引进）以及以它们为父本，以高粱雄性不育系314A(下文中均简写为3A)为母本配制的3个杂交组合3A/引-20、3A/引-31、3A/引-65。

试验在天津静海县良种场进行，该试验地土质属于粘质土，轻度盐渍化，土壤肥力均匀，前茬作物为玉米2016年5月15日进行播种，采用完全随机区组设计，亲本和其他品种（系）各种3行，行长10m，行距50cm，株距25cm杂交后代种30行，行长10m，行距50cmm，株距25cm。其他管理同大田生产。

待材料抽穗后，每个品种选取长势一致、无病虫害的3株，挂上标牌，分别在开花期

(2016年8月14-15日)、乳熟期（2016年8月21-22日）、蜡熟期（2016年8月28-29日）、完熟期（2016年9月10-11日）4个生育时期选择晴朗天气进行光合生理指标的测定。具体测定时，测定时使用CRIAS-2便携式光合仪,在上午9：00-11:30测定高粱从旗叶开始依次往下的七片叶的光合生理指标，生理指标包括：参比CO2浓度（CO2R）、参比CO2浓度落差（CO2D）、光合有效辐射（PAR）、参比空气湿度（MBR）、参比空气湿度落差（MBD）、叶室温度（TC）、蒸腾速率（EVAP）、气孔导度（Gs）、叶片温度（TL）、净光合速率（PN）、细胞间CO2浓度（CI）。每片叶测定3次，取3株的平均值进行统计分析。待植株成熟后，测定穗重。

利用 Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0对试验数据进行处理，主要包括方差分析、相关分析以及逐步回归统计分析。

不同类型高粱叶片光合生理指标差异分析（图1），不同类型的高粱光合生理指标存在一定的差异,其中光合有效辐射差异比较明显，分析其原因主要是环境因子导致，大田环境不同于室内试验，存在很多不可控的因子。在其他光合生理指标中，不同类型高粱气孔导度（Gs）差异十分明显（图1），并且根据气孔导度（Gs）的变化将11份高粱材料划分为两类，甜高粱和粒用高粱为一类，饲草高粱为一类，最大值为粒用高粱品种3A/引-65，其值为589.61mmol·m-2·s-1，最小值为饲草高粱07-41，其值为198.45mmol·m-2·s-1，两者差距较大。且不同品种间的差异也比其它指标明显，气孔导度（Gs）为重要的遗传性状，从本研究来看，气孔导度（Gs）比净光合速率(Pn)更具有区分度，且受环境影响的瞬时变化速度慢。

图1 高粱光合生理指标差异结果分析

Figure.1 Analysis of differences in photosynthetic physiological indexes of sorghum 为了进一步比较不同品种高粱光合有效辐射(PAR)和气孔导度（Gs）的差异，对11个品种进行了差异比较（图2和图3），以甜高粱为对照，品种间光合有效辐射(PAR)的差异主要表现为粒用高粱明显高于饲草高粱，其中饲草高粱GL498、GL505与3A/引-20、引-31、引-65差异显著，与其他五个品种差异不显著。由图3可以看出，不同类型高粱气孔导度（Gs）存在明显的差异，粒用高粱与饲草高粱差异显著，其中粒用高粱引-20和07-41差异显著。

图2 不同高粱品种光合有效辐射差异性分析

Figure 2 Analysis of the difference of photosynthetically active radiation of different sorghum varieties 1:3A/引-20(3A/Yin-20);2:3A/引-31(3A/Yin-31);3A/引-65(3A/Yin-65);4: 引-20(Yin-20);

5:引-31(Yin-31);6:引-65(Yin-65);7:丽欧(Liou);8:07-41;9:GL498;10:GL503;11: GL505.The below is same.

图3 不同高粱品种气孔导度差异性分析

Figure 3 Differences in stomatal conductance of different sorghum varieties

综上所述，光合有效辐射（PAR）和气孔导度（Gs）不同血缘材料在生育期均有不同的

表现，为了进一步剖析光合生理指标在高粱产量中的相对重要性，用各个光合生理指标与穗

重进行相关分析。高粱穗重参比二氧化碳落(CO2D)差呈极显著负相关（-0.464**），与参比

空气湿度落差(MBD)呈极显著正相关（0.518**），与蒸腾速率(EVAP)呈极显著正相关

（0.517**），与气孔导度（Gs）呈极显著正相关（0.547**），与净光合速率(Pn)成极显著

正相关（0.457**），与穗重相关程度最高的是气孔导度（Gs），其次是蒸腾速率(EVAP)，

而叶片的净光合速率(Pn)排在第四位。因此综合这两部分的比较，选择气孔导度（Gs）（Gs）

为植物光合作用的最佳参考指标。