不同小麦品种种子萌发生长、叶片叶绿素含量和荧光动力学特征差异分析

张 辉,张蓓蓓,景 琦,校思泽,武悦萱

(陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室/宝鸡文理学院,陕西 宝鸡 721013)

0 前言

小麦作为世界上分布最广泛的禾本科植物之一,在我国粮食作物种植面积上也名列前茅[1]。小麦品种的选择无论从生态学角度还是经济学角度,都具有较高的研究和应用价值[2]。小麦想要取得高产首先要从加强光合作用的“源”能力着手,光合作用的场所是叶绿体,其中,叶片叶绿体中的叶绿素含量直接影响光合产物形成,最终影响产量[3-4]。

叶绿素荧光动力学参数和光合作用关系十分密切,当强光照射植物时,荧光起到保护作用,避免过量光能灼伤光合机构;在自然光照条件下,叶绿素荧光和光合速率一般呈负相关关系。因此叶绿素荧光可以作为探测植物生长状况和光合特性的重要指标,具有便捷、灵敏、快速、无损伤等特点,其参数包含非常丰富的生理信息,近年来为小麦光合生理的研究提供了技术手段[5-6]。王佩舒等对高温胁迫下小麦的荧光特征进行了分析,结果显示反映PSII光合能力的叶绿素荧光参数均随温度升高而下降[7];杨霞等对干旱环境下小麦顶二叶叶片的荧光特征进行了研究,结果显示随着干旱程度的加剧,叶绿素含量、光量子产额等降低[8];王秀田等研究了低温驯化对小麦叶绿素荧光的影响,结果显示随着温度的降低,光量子产额等参数值下降[9]。宝鸡地区位于东西过渡与南北相衔接地带,属长江与黄河水系的分水岭,多年平均气温为11～13 ℃,年降水量为600～900 mm[10]。诸多学者认为,宝鸡地区为气候变化的敏感区,高温、干旱及低温极端天气状况经常出现,其独特的自然地理环境在小麦种植栽培选择上有重要意义[11]。近年来,为了响应小麦栽培和生产的“以市场为导向,以优质为核心,不断加快小麦市场化进程”的政策[12],本研究以4个小麦品种为研究对象,分析了小麦幼苗期叶片叶绿素含量和荧光动力学参数差异,旨在为小麦种植品种的选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小麦品种有4个，为周麦27号、九麦2号、陕垦6号和宝研85号。

1.2 试验材料处理与培养

于2017年12月15日用12 mm培养皿培养小麦种子,挑选颗粒饱满、完整的小麦种子,每盘100颗种子,用0.1 %的HgCl2消毒10 min,再用蒸馏水冲洗3遍,然后铺上滤纸进行培养,所有培养皿放置在宝鸡文理学院地理与环境学院实验室Fytosys人工培养箱内[每天光照时间为12 h,光强为1000 μmol/(m2·s),温度为25 ℃/15 ℃],每个品种6次重复。每天补水两次,每天观测发芽情况；在12月22日进行生长指标(根长、芽长、根重和芽重)、叶绿素含量和荧光动力学参数的测定。

1.3 试验方法

1.3.1 种子生长指标的测定 芽长为胚轴与芽之间的过渡点开始到芽末端的长度;根长为胚轴与根之间的过渡点开始到根末端的长度[13]。种子生长指标的计算公式如下：

发芽率(%)=7 d发芽种子数/供试种子数×100%[14]；

发芽势(%)=3 d发芽种子数/供试种子数×100%[15]；

发芽指数GI=∑(Gt/Dt)[14]；

活力指数VI=发芽指数(GI)×芽长度(cm)[16]。

上式中,Gt为第t天的发芽数;Dt为相应的发芽天数。

1.3.2 叶绿素含量的测定 将水培第7天的小麦叶片剪下，称取0.2 g叶片,用25 mL 95 %乙醇提取叶片叶绿素,并利用分光光度计分别在波长665、649、470 nm处测定吸光度,计算叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素的含量以及叶绿素a/b的值[17]。

1.3.3 叶绿素荧光参数的测定和快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的绘制 在水培小麦第7天上午9:00,随机选取不同品种小麦叶片,首先进行20 min的暗适应,然后利用FluroPen 100 MAX(FP100,捷克)进行叶绿素荧光参数的测定,利用3个叶片荧光参数的平均值绘制叶绿素荧光诱导动力学曲线(OJIP),荧光参数如表1所示[18]。为了去除叶片杂质和其他因素的影响,对o-p曲线标准化，得到相对可变荧光Vo-p的时间对应曲线,其计算公式为:Vo-p=(Ft-Fo)/(Fp-Fo)= (Ft-Fo)/(Fm-Fo)。

1.4 数据处理

利用Excel 2010进行基础数据整理;用SPSS 21.0进行one way-ANOVA分析；用LSD法对各个参数进行差异显著性检验和多重比较;采用Origin 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同小麦品种种子萌发、生长差异分析

将不同小麦品种的种子萌发、生长差异列于表2。由表2可以看出：不同品种间发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数和根重差异均达到极显著水平,芽重差异达到显著水平；在各品种中，以九麦2号的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、根重和芽重最高，以周麦27号的发芽率、发芽势、活力指数、发芽指数最低，以陕垦2号的根重和芽重较低。

表1 叶片叶绿素荧光基本参数和衍生参数分析

表2 不同小麦品种种子萌发、生长差异分析结果

2.2 不同小麦品种叶片叶绿素含量差异分析

由表3可以看出：4个小麦品种的叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均达到显著差异,以九麦2号、宝研85号的叶绿素含量较高,以周麦27号的叶绿素含量最低；不同品种间叶绿素a/b值未达到显著差异。

表3 不同小麦品种叶片叶绿素含量(鲜重)差异分析结果

2.3 不同小麦品种叶片叶绿素基本荧光参数差异分析

由表4看出：不同小麦品种间叶绿素基本荧光参数都达到显著差异,各荧光参数强度以九麦2号最高,以宝研85号次之; J点(FJ)荧光强度以周麦27号最低,I点(FI)和P点(Fm)荧光强度以陕垦2号最低。

2.4 不同小麦品种叶片叶绿素荧光诱导动力学曲线差异分析

图1为4个小麦品种叶片的OJIP曲线,由图1和表4可见,不同品种叶片OJIP曲线各时间点和形态有所差异,O点和P点以九麦2号的荧光强度最强,宝研85号次之,陕垦2号最低。通过O点差异开始,随着J点和I点差异的积累,到达P点时差异达到最大。

表4 不同小麦品种叶片叶绿素基本荧光参数差异分析结果

图1 不同小麦品种叶片叶绿素荧光诱导动力学曲线形态

为了更准确地分析各小麦品种间荧光动力学的差异性,对图1中的曲线进行标准化，得到O-P段标准化后的相对可变荧光曲线(图2)。由图2可以看出,标准化后不同品种间O点无差异,J点以陕垦2号的相对荧光强度最高,I点以九麦2号的相对荧光强度最强。

图2 不同小麦品种叶片叶绿素荧光诱导动力学曲线标准化后O-P段形态

2.5 不同小麦品种叶片叶绿素荧光衍生参数差异分析

对不同小麦品种叶片叶绿素荧光衍生参数进行差异分析,结果列于表5。由表5可知,不同品种间Fv/Fo差异显著,代表了PSⅡ反应中心的活性,以宝研85号最高,九麦2号最低。Tro/RC代表了被单位反应中心捕获的光量,各品种以九麦2号最高;单位反应中心用于电子传递的能量ETo/RC以九麦2号最高;单位反应中心热耗散的能量DIo/RC以陕垦2号最高,九麦2号最低。以吸收光能为基础的性能指数(PIABS)以陕垦2号最低;φPo为最大光量子产量，其在不同小麦品种间差异不显著；φo以九麦2号最高,以陕垦2号最低;用于电子传递的量子产额(φEo)以九麦2号最高,以陕垦2号最低;用于热耗散的量子比率(φDo)以陕垦2号最高,以九麦2号最低。

2.6 不同小麦品种叶片叶绿素荧光参数与种子萌发指标及叶片叶绿素含量间的相关性分析

由表6可以看出,叶片叶绿素荧光参数与种子萌发指标达到极显著正相关关系(P<0.01),与叶片叶绿素含量也达到显著正相关关系,且与叶绿素b含量的相关性较强,与叶绿素a/b呈负相关关系。种子萌发指标与叶绿素含量呈现显著的正相关关系,活力指数与叶绿素a/b呈显著负相关(P<0.05,r=-0.50)。

表5 不同小麦品种叶片叶绿素基本荧光衍生参数差异分析结果

表6 小麦叶片叶绿素荧光参数与种子萌发指标及叶片叶绿素含量之间的相关系数

3 结论与讨论

小麦被认为是世界上最重要的谷物,其中,我国小麦总种植面积约2419万hm2,产量约12885万t,陕西省小麦种植面积约110万hm2,产量约450万t[19]。小麦地方品种的萌发特性和幼苗相关参数变化很大,萌发期和幼苗期是其生长发育的初始阶段,该阶段萌发特性和生长发育性能直接关系到小麦后期的成苗与产量[20]。本试验结果显示，在人工气候箱培养条件下，4个小麦品种间萌发指标呈显著差异,以九麦2号的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数最高，以周麦27号的发芽率、发芽势、活力指数、发芽指数最低(表2)。这与Datta等的研究结果相似,表明这些试验指标与小麦的基因型有关[21]。

小麦产量和生物量的积累主要依靠叶片的光合作用,因此叶片叶绿素含量可作为判断小麦生长发育状况的重要参考指标[22]。本研究结果表明，在相同环境条件下，不同小麦品种的叶片叶绿素含量达到了显著差异,其中以九麦2号、宝研85号的叶绿素含量较高,以周麦27号的叶绿素含量最低(表3)。生物量积累(根重和芽重)结果显示,不同小麦品种间差异显著,也以九麦2号的值最大。该结果主要是由基因型不同造成的。

前人对小麦叶片叶绿素荧光参数的研究结果[22]显示:不同品种小麦的叶绿素荧光特性有明显的差异。在本试验中，荧光参数强度以九麦2号最高,宝研85号次之; J点(FJ)荧光强度以周麦27号最低,I点(FI)和P点(Fm)荧光强度以陕垦2号最低(表4)。说明基因型差异可造成小麦叶绿素荧光强度的差异。对叶片进行快速荧光动力学诱导时,虽然光照面积和强度完全相同,但是不同基因型小麦叶片的OJIP曲线差异性较大。在本研究中，不同品种小麦叶片荧光诱导动力学曲线有典型的O、J、I、P相,不同品种在各时间点和形态上有所差异,O点和P点以九麦2号的荧光强度最强,宝研85号次之,陕垦2号最低(图1);J点处荧光强度以九麦2号最强；J-I段和I-P段以九麦2号的次级醌受体(QB)和质体醌库(PQ库)的还原情况较好。但是试验中有一些不可避免的干扰因素,为了去除这些干扰因素,对荧光强度运用Fm-Fo进行标准化处理。从图2可以看出，标准化后不同品种间叶绿素相对荧光强度在O点无差异,在J点(VJ)以陕垦2号较高,说明陕垦2号的PSⅡ受体侧QA向QB传递受阻,PQ库接受电子能力降低;以九麦2号的VJ值较低,表示该品种PSⅡ受体侧电子由QA向QB传递过程没有受到明显的抑制作用[23]。

能量模型表明植物PSⅡ系统中的位点对不同外界环境和基因型的敏感性有所不同[24]。本试验结果(表5)显示叶片的Tro/RC、ETo/RC、φo、φEo以陕垦2号较低,说明该品种的活性反应中心(RCs)转变为非活性的反应中心,从而降低了PSⅡ的能量捕获和电子传输；DIo/RC、φDo以陕垦2号最高，这与前人对小麦叶片的研究结果[25]相似。叶片叶绿素a主要与光能的吸收和转换有关,叶绿素b主要与光能的吸收和传递有关。本文结果显示，小麦叶片叶绿素含量与荧光参数之间呈显著的正相关关系(表6),说明叶绿素含量及荧光参数值均可作为植物光合作用及生长发育的生理指标,指导农业生产。

总之，小麦不同基因型在种子萌发生长过程和光合作用中有一定的差异性,以九麦2号的萌发生长和光合作用较强,以陕垦2号较弱；小麦叶片叶绿素含量与光合荧光参数之间存在正相关关系,可作为常规指标共同运用在小麦品种的选择和栽培工作方面。