光合作用对作物的产量起着十分重要的作用,作物积累的干物质中有90%~95%来自叶片的光合作用[1,2,3]。甘薯是蔓生植物,群体内部叶片密集,通风透光性差,因此甘薯高光效育种较其他作物更具有重要意义[4]。据相关资料表明,我国在大豆[5,6]、水稻[7]、小麦等作物上已完成了与高光效相关的生理基础和形态特征研究并选育出了高光效的品种,实现了产量与光合效率的同步提高[8]。高光效育种的主要任务是鉴定筛选高光效作物品种资源,前人筛选高光效品种主要是掌握不同作物的光合速率光合特性和遗传规律,如原初光能转化效率、PEP羧化酶活性、耐光氧化鉴定等方法[8]。关于甘薯光能利用的研究涉及了密度调节,短蔓多分枝,株型半直立,经济系数高,同时具备优质、抗病、早熟等优良性状的基础研究[9]。如冯国郡等[10]认为,甘薯高光效育种应选择叶面积迅速上升、结薯早、经济系数高、株型好, 不旺长的材料。张松树等[11]认为,甘薯块根高产与枝蔓的数量及长度有关。综合前人高光效研究结果表明,目前甘薯高光效品种资源的鉴定筛选研究相对较少且针对性范围较窄。
甘薯（Ipomoea batatas Lam.）,又名甜薯、红薯或者地瓜,为典型的高温短日照作物,中国是世界上最大的甘薯生产国,其甘薯总产量位于水稻、小麦和玉米之后,在国内居第四[12]。甘薯块根产量形成受许多因素影响,其中光合作用是主要影响因素之一。本研究对甘薯的种质进行调查,对其农艺性状及生育期进行了鉴定,基于以上研究结果确定了23个甘薯种质资源进行光能利用研究。对上述23个来自不同地区的甘薯种质资源进行光合研究,利用方差分析、主成分分析与聚类分析法筛选鉴定出一批高光效甘薯种质资源,为高光效甘薯品种育种提供了理论和材料基础。
1 材料与方法
1.1 材料
供试材料共23份,具体信息见表1。试验于广东省湛江市麻章区湖光镇广东海洋大学（湖光校区）甘薯实习基地。基地地理坐标：110°17’38.73”E,21°9’1.51”N,海拔34.4 m,地处北回归线以南的低纬地区,属热带和亚热带季风气候;年平均气温23 ℃,年平均相对湿度82%,年平均雨量1417~1802 mm,年平均日照时数1817~2106 h,夏秋之间热带风暴和台风较为频繁,地势平坦,土壤为砖红壤。
表1 参试甘薯种质资源及编号Tab. 1 Germplasm resources and numbers of sweet potatoes |
| 编号Code | 种质Germplasm | 来源Origin | 编号Code | 种质Germplasm | 来源Origin |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | AU-1 | 澳大利亚 | 13 | 桂经紫8 | 中国广西 |
| 2 | AU-2 | 澳大利亚 | 14 | 秦薯8号 | 中国陕西 |
| 3 | AU-3 | 澳大利亚 | 15 | 秦薯5号 | 中国陕西 |
| 4 | AU-4 | 澳大利亚 | 16 | 西农431 | 中国陕西 |
| 5 | 西蒙1号 | 巴西 | 17 | 龙薯515 | 中国福建 |
| 6 | 新娘高 | 日本 | 18 | 大叶红 | 中国福建 |
| 7 | 台湾紫秧 | 中国台湾 | 19 | 福薯18 | 中国福建 |
| 8 | 天鹅薯 | 中国广东 | 20 | 浙薯75 | 中国浙江 |
| 9 | 紫罗兰 | 中国广东 | 21 | 商薯19 | 中国浙江 |
| 10 | 普薯32 | 中国广东 | 22 | 济薯26 | 中国山东 |
| 11 | 五里香 | 中国广东 | 23 | 遗字138 | 中国北京 |
| 12 | 广薯87 | 中国广东 |
1.2 方法
1.2.1 试验设计 试验采用随机区组设计,2019年9月10日大田种植,每份材料3次重复,3垄区,垄长3 m,株距20 cm,垄距25 cm,采用人工扦插的方法,试验地四周设计保护行。每个重复选3株并取主枝上成熟叶（从上到下数第3~6片叶）进行测量,每个重复测量3个叶片,每个叶片重复记录3组数据,结果取平均值。
1.2.2 项目测定 在甘薯生长期的晴天上午9：00—11：30,使用LCi-SD（ADS BioScientific Ltd. UK）便携式光合仪测定光合指标。光合指标测量于2019年11月7日至9日连续3 d进行,每天9：00—11：30。测定的指标有净光合速率（Pn,μmol/m2·s）、气孔导度（Gs,mol/m2·s）、蒸腾速率（Tr,mmol/m2·s）、胞间CO2浓度（Ci,μmol/mol）、叶绿素含量C。通过公式WUE(叶片瞬时水分利用效率) = Pn/Tr和TE(蒸腾效率) = Pn /Gs,计算出WUE和TE的数值[13]。利用TYS-A叶绿素仪测定23份甘薯的叶绿素含量（C）。
1.3 数据处理
使用Microsoft Excel 2010和SPSS Statistics 19.0软件进行数据处理与分析。
2 结果与分析
2.1 不同甘薯种质光合特性分析
参试的23份甘薯种质间的7个光合参数差异均达极显著水平（表2）,其中变异系数较大的是气孔导度（Gs）、净光合速率（Pn）和蒸腾效率（TE）,变异系数较小的是胞间CO2浓度（Ci）和叶绿素含量（C）。从23份甘薯种质中,筛选出8份高光效材料,这些材料的Pn都超过16.00 μmol/(m2·s),其中最高的是来自澳大利亚的‘AU-4’,达到17.12 μmol/(m2·s),净光合速率最低的材料是来自巴西的材料‘西蒙1号’,只有8.91 μmol/(m2·s)。各甘薯种质Gs在0.18~ 0.34 μmol/(m2·s)范围变化,其中Gs较高的品种是‘浙薯75’‘台湾紫秧’‘新娘高’‘秦薯5号’‘普薯32’和‘广薯87’,Gs最低的材料仍然是‘西蒙1号’。Ci变幅为200.33~271.00 μmol/mol,其中较高的是‘西蒙1号’‘AU-2’‘新娘高’‘台湾紫秧’和‘济薯26’,而最低的是‘五里香’。Tr变幅为5.00~8.41 mmol/(m2·s),其中较高的种质是‘浙薯75’‘普薯32’‘AU-4’‘天鹅薯’和‘广薯87’,而最低的种质是‘AU-1’。叶绿素含量变幅为33.80~46.40 SPAD单位,其中叶绿素含量较高的种质是‘新娘高’‘秦薯8号’‘AU-3’和‘广薯87’,含量最低的种质是‘西农431’。
表2 不同甘薯种质光合参数及方差分析Tab. 2 Analysis of photosynthetic parameters and variance of different sweet potato germplasms |
| 种质 Germplasm | Ci /(μmol·mol-1) | Tr /(mmol·m-2·s-1) | Gs /(mol·m-2·s-1) | Pn /(μmol·m-2·s-1) | WUE /(μmol·mmol-1) | TE /(μmol·mol-1) | C SPAD | 叶形 | 叶色 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AU-1 | 247.56 | 5.00 | 0.20 | 10.03 | 2.01 | 50.15 | 37.80 | 全缘 | 绿 |
| AU-2 | 269.27 | 7.22 | 0.27 | 12.17 | 1.69 | 45.07 | 36.50 | 全缘 | 淡紫 |
| AU-3 | 231.56 | 6.73 | 0.24 | 15.20 | 2.26 | 63.33 | 45.40 | 全缘 | 淡紫 |
| AU-4 | 227.67 | 7.24 | 0.28 | 17.12 | 2.36 | 61.14 | 42.50 | 深度缺刻 | 绿 |
| 西蒙1号 | 271.00 | 5.24 | 0.18 | 8.91 | 1.70 | 50.34 | 40.30 | 全缘 | 绿 |
| 新娘高 | 265.22 | 6.17 | 0.29 | 13.00 | 2.11 | 44.83 | 46.40 | 深度缺刻 | 绿 |
| 台湾紫秧 | 264.44 | 6.72 | 0.30 | 11.35 | 1.69 | 37.83 | 43.00 | 全缘 | 紫 |
| 天鹅薯 | 232.56 | 7.23 | 0.28 | 16.73 | 2.31 | 59.75 | 40.50 | 全缘 | 绿 |
| 紫罗兰 | 252.44 | 6.96 | 0.23 | 12.56 | 1.81 | 54.61 | 41.50 | 三角 | 绿 |
| 普薯32 | 246.90 | 8.25 | 0.29 | 13.69 | 1.66 | 47.21 | 39.70 | 全缘 | 绿 |
| 五里香 | 217.56 | 6.46 | 0.23 | 15.79 | 2.44 | 68.65 | 43.70 | 深度缺刻 | 绿 |
| 广薯87 | 236.89 | 7.24 | 0.29 | 16.50 | 2.28 | 56.90 | 45.10 | 深度缺刻 | 绿 |
| 桂经紫8 | 235.11 | 6.05 | 0.24 | 15.00 | 2.48 | 62.50 | 42.70 | 掌状缺刻 | 绿 |
| 秦薯8号 | 248.00 | 7.19 | 0.28 | 15.14 | 2.11 | 54.07 | 45.20 | 全缘 | 绿 |
| 秦薯5号 | 236.78 | 6.93 | 0.29 | 16.84 | 2.43 | 58.07 | 35.30 | 全缘 | 绿 |
| 龙薯515 | 222.56 | 5.91 | 0.20 | 13.20 | 2.24 | 66.00 | 43.10 | 全缘 | 绿 |
| 大叶红 | 200.33 | 6.59 | 0.23 | 16.60 | 2.52 | 72.17 | 40.30 | 全缘 | 绿 |
| 福薯18 | 228.22 | 7.13 | 0.28 | 16.74 | 2.35 | 59.79 | 38.40 | 三角 | 绿 |
| 浙薯75 | 243.67 | 8.41 | 0.34 | 16.72 | 1.99 | 49.18 | 35.90 | 全缘 | 绿 |
| 商薯19 | 218.67 | 7.05 | 0.27 | 16.74 | 2.38 | 62.00 | 37.60 | 全缘 | 绿 |
| 济薯26 | 256.67 | 6.15 | 0.20 | 10.24 | 1.66 | 51.20 | 34.70 | 全缘 | 绿 |
| 西农431 | 233.56 | 5.74 | 0.21 | 12.12 | 2.11 | 57.71 | 33.80 | 全缘 | 绿 |
| 遗字138 | 225.22 | 5.86 | 0.18 | 12.86 | 2.20 | 71.44 | 34.00 | 深度缺刻 | 绿 |
| 平均值 | 240.22 | 6.72 | 0.25 | 14.18 | 2.11 | 56.42 | 40.03 | ||
| 变异系数 | 0.07 | 0.13 | 0.18 | 0.18 | 0.14 | 0.16 | 0.10 | ||
| F值 | 6.88** | 1.64** | 1.05** | 42.12** | 4.27** | 2.63** | 0.26** |
注：**表示差异达极显著水平（P<0.01）。 | |
Note: **indicates extremely significant difference (P<0.01). |
2.2 不同甘薯种质间光合参数的相关性分析
甘薯各项光合气体交换参数的相关性分析结果（表3）表明,Pn与Ci呈极显著负相关,与Gs和Tr呈极显著正相关,而与叶绿素含量相关关系不显著。Gs和Tr呈极显著正相关关系。
表3 光合参数的相关性Tab. 3 Correlation of photosynthetic parameters |
| 光合参数 Photosynthetic Parameter | Ci | Tr | Gs | Pn | C |
|---|---|---|---|---|---|
| Ci | 1 | -0.017 | 0.138 | -0.646** | 0.000 |
| Tr | 1 | 0.839** | 0.624** | 0.016 | |
| Gs | 1 | 0.593** | 0.170 | ||
| Pn | 1 | 0.177 | |||
| C | 1 |
注: **表示差异达极显著水平（P<0.01） | |
Note: **indicates extremely significant difference (P < 0.01). |
2.3 不同甘薯种质间光合参数的主成成分分析
对23份甘薯种质各光合参数进行主成分分析,结果见表4,前2个主成分的特征值均大于1,第一主成分的特征值是2.502,对于总方差的贡献率为50.034%,第二主成分的特征值是1.319,对总方差的贡献率为26.381%,二者累加达到76.415%,说明前2个主成分代表了数据的大部分信息,可以作为主成分分析的依据。第一主成分中Pn、Tr和Gs对Y1有较大贡献率,因此第一主成分Y1代表的是光合作用的光合因素和叶片蒸腾因素,三者均为光合速率的正因素。第二主成分中对Y2贡献率较大的是Ci,说明Y2代表的是光合作用的CO2因素,CO2浓度为光合速率的负因素。
表4 光合参数主成成分分析Tab. 4 Analysis of principle components of photosynthetic parameters |
| 光合参数 Photosynthetic Parameter | 主成分Principle components | |
|---|---|---|
| Y1 | Y2 | |
| Ci | -0.373 | 0.917 |
| Tr | 0.874 | 0.285 |
| Gs | 0.848 | 0.460 |
| Pn | 0.901 | -0.385 |
| C | 0.262 | 0.194 |
| 特征值 | 2.502 | 1.319 |
| 贡献率 | 50.340 | 26.381 |
| 累计贡献率 | 50.034 | 76.415 |
2.4 不同甘薯种质间光合参数的系统聚类分析
品种间多个性状基因型值构成的多维空间几何距离称为品种间遗传距离,遗传距离是衡量品种间性状综合遗传差异的指标。本研究采用欧氏距离-离差平方和法基于5个光合特征参数对23份甘薯种质资源进行系统聚类分析,聚类结果如图1所示。将23份种质资源划分为5大类群。通过对各个类群的光合参数进行分析结果发现,第Ⅰ类群共7份种质,约占参试材料的30%,属于高光效类群,该类群的特征除了高光效外,同时具备Gs和Tr也较高的特征。第Ⅱ类群属于亚高光效类群,共5份种质,约占参试材料的22 %,该类群除了表现Pn处于较高水平以外,蒸腾作用相关的2个指标Gs和Tr均处于较低水平。第Ⅲ类群和Ⅴ类群均属于低光效类群,2个类群的区别是前者在Pn处于较低水平的同时,Gs和Tr仍然较高,而后者3个指标都处于较低水平。第Ⅲ类群属于高蒸腾速率类群,只有2份种质,它们的Gs和蒸腾速率Tr均处于最高水平。
3 讨论
光合作用是作物重要的生理生化过程,对于作物产量的形成至关重要[14]。对于甘薯育种工作者而言,提高甘薯的光合效率及光合产物转化效率是促进甘薯产量增加的最理想途径,因此,筛选高光效甘薯种质、研究甘薯的光合特性具有重要的意义[15]。本研究从23份甘薯材料中筛选出8份高光合效率的种质,这些材料来自不同地区,其中6份都属于目前国内的主栽品种,从这一点上也进一步说明了高光效是甘薯优良品种中至关重要的因素。然而,在低光效种质中,来自澳大利亚的‘AU-1’和来自巴西的‘西蒙1号’药用甘薯都属于低产品种,而来自中国北京‘遗字138’和中国山东‘济薯26’都属于高产的主栽品种,这说明甘薯产量形成的复杂性,光合因素只是影响产量的重要因素之一。
本研究结果发现23份来自不同地区的甘薯种质资源光合参数存在显著差异。表明甘薯种质资源的光合性状在品种间存在遗传变异,这与玉米、大豆及水稻等的研究结果一致[16,17,18,19],说明甘薯种质具有丰富的光合遗传性状且可筛选高光效育种材料。本研究对参试甘薯种质进行了5个光合参数的相关性分析,发现这些参数Pn与Ci呈极显著负相关,与Gs和Tr呈极显著正相关,在其他作物中有类似的结果。叶绿素含量与各光合指标的相关性在不同植物上是不一致的,在甘蔗[20]、油菜[21]、水稻[22,23] 上净光合速率与叶绿素含量显著正相关,而甜叶菊[24]、绿茶[25]叶绿素含量与净光合速率是没有相关关系的,在甘薯上叶绿素含量与其他各个光合指标之间相关关系均不显著,这说明利用叶绿素含量估测光合速率是不可行的。主成分分析的结果与相关分析的结果是一致的,叶绿素由于与其他形状的不相关性而被排除在外。
聚类分析将23份甘薯品种分成5个类群,其中光合效率最高的类群的Gs和Tr也是最高的,光合效率最低的类群也是Gs和Tr最低的,这说明水分蒸腾因子与甘薯的光合作用关系最密切,可以作为筛选高光效甘薯的依据,但是在其他类群中,二者的关系却发生了变化,这说明甘薯光合作用的复杂性,受不同品种基因型的影响,为探索甘薯光合作用的机制,需要更深入的试验进行研究。