茍秉調(diào)，段盼盼，楊 楠，趙淑芳，王永富，張高原，魏兵強(qiáng)

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

辣椒(CapsicumannuumL.)是喜溫性且對(duì)光周期不敏感、受有效積溫影響的茄果類蔬菜，原產(chǎn)中南美洲，16世紀(jì)后期傳入中國(guó)[1-3]。在一些高緯度地區(qū)國(guó)家，比如中國(guó)的北方地區(qū)，以及荷蘭、西班牙、以色列等地區(qū)，低溫弱光嚴(yán)重影響了栽培辣椒的大面積種植。植物干物質(zhì)的90%來(lái)自光合作用[4-5]，而光合作用是對(duì)低溫弱光最敏感的生理過(guò)程之一[6]。長(zhǎng)期或短期的低溫弱光脅迫是冬季和早春辣椒生產(chǎn)中常見的問(wèn)題，其對(duì)辣椒幼苗光合參數(shù)的影響較大[7]。低溫弱光或低溫處理時(shí)，辣椒葉片葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率都降低，但葉片胞間CO2濃度增大，嚴(yán)重影響了植株的正常生長(zhǎng)，進(jìn)而影響其產(chǎn)量、品質(zhì)等特性[8]。

雜種優(yōu)勢(shì)是指雜種F1個(gè)體在生長(zhǎng)勢(shì)、適應(yīng)性和產(chǎn)量等方面優(yōu)于親本的現(xiàn)象。在生產(chǎn)實(shí)踐中，育種工作者利用雜種優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象對(duì)作物進(jìn)行遺傳改良，提高其產(chǎn)量和抗性等品質(zhì)[9]。近年來(lái)，有關(guān)低溫弱光對(duì)不同辣椒品種光合特性的影響已有諸多報(bào)道，但在篩選預(yù)測(cè)辣椒雜種優(yōu)勢(shì)的光合指標(biāo)或者鑒定其雜種優(yōu)勢(shì)方面報(bào)道較少。為此，本文選取了與光合特性密切相關(guān)的5項(xiàng)指標(biāo)，分析其對(duì)低溫弱光逆境的響應(yīng)情況，從而對(duì)3個(gè)辣椒材料(父本、母本及其雜交種F1)的抗寒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)這5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)劣排序，并用相關(guān)性分析法分析光合指標(biāo)與雜種優(yōu)勢(shì)的關(guān)系。此研究豐富了辣椒雜種優(yōu)勢(shì)理論，為預(yù)測(cè)辣椒雜種優(yōu)勢(shì)提供科學(xué)的依據(jù)，也為培育耐低溫弱光辣椒品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為辣椒雜交種F1強(qiáng)豐及其父、母本，種子均由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院提供。

1.2 方法

將供試種子播種于72孔育苗盤中，30 ℃黑暗條件下發(fā)芽后置于人工氣候箱中，晝/夜溫度28 ℃/22 ℃，光照強(qiáng)度6 000 lx，光周期16 h/8 h(L/D)。待幼苗長(zhǎng)至六葉一心時(shí)移入營(yíng)養(yǎng)缽中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件不變。待八葉一心時(shí)將幼苗置于人工氣候箱中處理。對(duì)照組(CK)：晝/夜溫度28 ℃/23 ℃，光照強(qiáng)度6 000 lx，光周期16 h/8 h(L/D)；T1：晝/夜溫度15 ℃/10 ℃，光照2 000 lx，光周期16 h/8 h(L/D)。每隔2 d用1‰的大量元素水溶肥料(史丹利農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司)澆灌補(bǔ)充水分。處理3 d后取第3片或者第4片功能葉進(jìn)行光合氣體參數(shù)和葉綠素含量測(cè)定，每個(gè)處理3次生物學(xué)重復(fù)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與計(jì)算方法

1.3.1 指標(biāo)測(cè)定與雜種優(yōu)勢(shì)、隸屬函數(shù)值計(jì)算方法

在人工氣候室內(nèi)采用美國(guó)Li-COR公司的Li-6400 XT型便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。葉綠素相對(duì)含量采用SPAD-502儀測(cè)定。對(duì)照和低溫弱光處理盡可能在同一時(shí)間段內(nèi)測(cè)定。

超中優(yōu)勢(shì)=[F1-(P1+P2)/2]/[(P1+P2)/2]；

超親優(yōu)勢(shì)=(F1-Ph)/Ph；

離中優(yōu)勢(shì)=[F1-(P1+P2)/2]/[(P1-P2)/2]。

其中，F(xiàn)1為雜種1代，P1和P2分別為2個(gè)親本，Ph為親本中的較高值。以上數(shù)值均取低溫弱光處理后的平均值進(jìn)行計(jì)算[10]。

參考賀仲雄[11]和鄧聚龍[12]的方法，采用優(yōu)化后的模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法，求得各材料隸屬函數(shù)平均值，該平均值代表辣椒的抗寒性。若指標(biāo)與抗寒性成正相關(guān)，隸屬函數(shù)值的計(jì)算方法為：

(1)

若指標(biāo)與抗寒性成負(fù)相關(guān)，隸屬函數(shù)值的計(jì)算方法為：

(2)

(3)

式(1)、(2)和(3)中，Zij表示i辣椒j指標(biāo)的抗寒隸屬函數(shù)值，Xij為i辣椒j指標(biāo)3個(gè)測(cè)定值的均值，Ximax和Ximin分別為各指標(biāo)的最大值和最小值，n為指標(biāo)數(shù)。

1.3.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

按灰色系統(tǒng)理論要求，將3個(gè)辣椒材料的光合特性隸屬函數(shù)均值和5個(gè)指標(biāo)視為一個(gè)整體，即灰色系統(tǒng)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，根據(jù)關(guān)聯(lián)分析理論，計(jì)算各指標(biāo)與隸屬函數(shù)均值的關(guān)聯(lián)系數(shù)，然后分別求出各指標(biāo)與光合特性隸屬函數(shù)均值的關(guān)聯(lián)度，并按照關(guān)聯(lián)度大小排列出關(guān)聯(lián)序。

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中各因素代表的含義不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的量綱也不相同，不便于比較，或在比較時(shí)難以得到正確的結(jié)論。因此，在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析時(shí)，要進(jìn)行無(wú)量綱化的數(shù)據(jù)處理。按下列公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[13]。

(4)

1.3.4 關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度計(jì)算

根據(jù)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果可分別求得參考數(shù)列(平均隸屬函數(shù)值)X0與比較數(shù)列(各指標(biāo))Xi各對(duì)應(yīng)值的關(guān)聯(lián)系數(shù)，計(jì)算公式[11]如下。

ξi(k)=

(5)

式(5)中，i為某個(gè)指標(biāo)；ξi(k)為比較數(shù)列Xi對(duì)參考數(shù)列X0在第k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；ζ為分辨系數(shù)，0<ζ<1，本文取中間值，即取ζ=0.5。利用各比較數(shù)列Xi對(duì)參考數(shù)列X0的關(guān)聯(lián)系數(shù)求出各指標(biāo)對(duì)辣椒抗低溫弱光性的關(guān)聯(lián)度，計(jì)算公式[11]為：

(6)

式(6)中，ri為比較數(shù)列Xi與參考數(shù)列X0的關(guān)聯(lián)度，i=1，2，3，4，5。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖表制作、差異顯著性分析、相關(guān)性分析與灰色關(guān)聯(lián)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析

2.1.1 灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的建立

如表1所示，將3個(gè)辣椒材料光合指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值作為參考數(shù)據(jù)列(母序列)，記為X0(X0=0.724，0.706，1.049)；凈光合速率等5項(xiàng)光合指標(biāo)為比較數(shù)列(子序列)，記為Xi(i=1，2，3，4，5)。具體值見表1。各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果見表2。

2.1.2 關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度分析

由表3可以看出，父本、母本、雜交種F1抗低溫弱光性與各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度從大到小為0.959、0.928、0.899、0.837、0.774?；诨疑P(guān)聯(lián)系統(tǒng)理論，關(guān)聯(lián)度ri越大，參考序列與比較序列關(guān)系越緊密，反之，它們的關(guān)系越遠(yuǎn)。因此，關(guān)聯(lián)度大小可表明某項(xiàng)指標(biāo)與低溫弱光脅迫之間的敏感程度。由表3可知，各指標(biāo)對(duì)父本、母本、雜交種F1的抗低溫弱光性的影響，以胞間二氧化碳濃度最大，氣孔導(dǎo)度次之，其次為葉綠素含量和蒸騰速率，凈光合速率最小。

表1 三種辣椒材料在低溫弱光脅迫下的隸屬函數(shù)值與各項(xiàng)光合指標(biāo)值

表2 不同辣椒材料在低溫弱光脅迫下光合指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理的結(jié)果

表3 不同辣椒材料對(duì)低溫弱光的抗性與各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)序

2.2 低溫弱光脅迫對(duì)辣椒苗期葉片光合相關(guān)指標(biāo)及其雜種優(yōu)勢(shì)的影響

2.2.1 凈光合速率

如圖1-A所示，對(duì)照組中各辣椒材料之間的凈光合速率無(wú)顯著差異；在低溫弱光脅迫下，父本、母本、雜交種F1的凈光合速率均降低，分別較CK降低54.46%、76.33%、48.92%，且雜交種F1的凈光合速率與父本無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著(P<0.05)高于母本。

由圖1-B可以看出，在低溫弱光脅迫下，辣椒苗期葉片凈光合速率的離中優(yōu)勢(shì)最明顯，達(dá)到0.623，顯著高于超親優(yōu)勢(shì)和超中優(yōu)勢(shì)；超親優(yōu)勢(shì)次之，超中優(yōu)勢(shì)最差，其值分別為0.347和0.189。

2.2.2 氣孔導(dǎo)度

由圖2-A可以看出，對(duì)照組中各辣椒材料之間的氣孔導(dǎo)度無(wú)顯著差異；在低溫弱光脅迫下，父本、母本、雜交種F1的氣孔導(dǎo)度均降低，分別較CK降低69.63%、86.20%、59.46%，且雜交種F1的氣孔導(dǎo)度顯著(P<0.05)大于親本。

CK，對(duì)照；T1，低溫弱光處理。柱狀圖上無(wú)相同小寫字母的表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下同。CK， Control; T1， Low temperature and low light treatment. Data on the bars marked without the same lowercase letter indicated significant differences at P<0.05. The same as below.圖1 低溫弱光脅迫對(duì)辣椒苗期葉片凈光合速率及其雜種優(yōu)勢(shì)的影響Fig.1 Effects of low temperature and low light stress on net photosynthetic rate and heterosis of pepper leaves at seeding stage

圖2 低溫弱光脅迫對(duì)辣椒苗期葉片氣孔導(dǎo)度及其雜種優(yōu)勢(shì)的影響Fig.2 Effects of low temperature and low light stress on stomatal conductance and heterosis of pepper leaves at seeding stage

由圖2-B可知，在低溫弱光脅迫下，辣椒苗期葉片氣孔導(dǎo)度的離中優(yōu)勢(shì)最明顯，值為0.531；其次是超親優(yōu)勢(shì)，達(dá)到0.322；超中優(yōu)勢(shì)最差，為0.213。

2.2.3 胞間CO2濃度

對(duì)照組中雜交種F1的Ci顯著(P<0.05)高于親本，且各材料間之間差異顯著(P<0.05)；在低溫弱光脅迫下，父本、母本、雜交種F1的Ci均升高，分別較對(duì)照組升高5.26%、3.67%、8.87%，且雜交種F1的Ci仍顯著高于(P<0.05)親本(圖3-A)。

低溫弱光脅迫下，辣椒苗期葉片Ci的離中優(yōu)勢(shì)最明顯，達(dá)到1.257，顯著高于超親優(yōu)勢(shì)和離中優(yōu)勢(shì)；超親優(yōu)勢(shì)次之，其值為0.083；超中優(yōu)勢(shì)最差，其值為0.027(圖3-B)。

2.2.4 蒸騰速率

由圖4-A可以看出，對(duì)照組中雜交種F1的Tr顯著(P<0.05)高于父本，與母本之間差異不顯著(P>0.05)；低溫弱光脅迫下，父本、母本、雜交種F1的Tr均降低，分別較CK降低53.20%、87.52%、34.75%，母本降低幅度最大，且雜交種F1的Tr顯著(P<0.05)高于親本。

由圖4-B可以看出，在低溫弱光脅迫下，辣椒苗期葉片Tr的離中優(yōu)勢(shì)最明顯，其值達(dá)到0.680；其次為超親優(yōu)勢(shì)，值為0.605；超中優(yōu)勢(shì)的值最小，值為0.368。

2.2.5 葉綠素含量

由圖5-A可知，對(duì)照組中雜交種F1的葉綠素含量顯著(P<0.05)高于父本，與母本之間差異不顯著(P>0.05)；在低溫弱光脅迫下，父本、雜交種F1的葉綠素含量均升高，分別較對(duì)照升高7.53%、16.03%；母本的葉綠素含量降低，較對(duì)照降低4.13%；且雜交種F1的葉綠素含量顯著高于親本(P<0.05)。

由圖5-B可以看出，在低溫弱光脅迫下，辣椒苗期葉片葉綠素含量的離中優(yōu)勢(shì)最明顯，值為1.555，顯著高于超親優(yōu)勢(shì)(值為0.124)與超中優(yōu)勢(shì)(值為0.038)。

圖3 低溫弱光脅迫對(duì)辣椒苗期葉片胞間二氧化碳濃度及其雜種優(yōu)勢(shì)的影響Fig.3 Effects of low temperature and low light stress on Ci and heterosis of pepper leaves at seeding stage

圖4 低溫弱光脅迫對(duì)辣椒苗期葉片蒸騰速率及其雜種優(yōu)勢(shì)的影響Fig.4 Effects of low temperature and low light stress on transpiration rate and heterosis of pepper leaves at seeding stage

圖5 低溫弱光脅迫對(duì)辣椒苗期葉片葉綠素含量及其雜種優(yōu)勢(shì)的影響Fig.5 Effects of low temperature and low light stress on chlorophyll content and heterosis of pepper leaves at seeding stage

2.3 低溫弱光脅迫下辣椒苗期光合相關(guān)指標(biāo)與雜種優(yōu)勢(shì)的相關(guān)性分析

植物生長(zhǎng)指標(biāo)與其性狀、雜種優(yōu)勢(shì)緊密相關(guān)[14]。從表4可以看出，Gs與Pn、Tr、葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)；Ci與葉綠素含量呈顯著正相關(guān)；Tr與Pn、Gs、葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)；葉綠素含量與Pn、Ci呈顯著正相關(guān)，與Gs、Tr呈極顯著正相關(guān)；超中優(yōu)勢(shì)與Pn、Gs、Ci、Tr、離中優(yōu)勢(shì)均呈負(fù)相關(guān)，與葉綠素相對(duì)含量、離中優(yōu)勢(shì)呈正相關(guān)；超親優(yōu)勢(shì)與Pn、Gs、Tr、葉綠素含量、超中優(yōu)勢(shì)呈正相關(guān)，與Ci呈負(fù)相關(guān)；離中優(yōu)勢(shì)與Pn、Gs、Tr、葉綠素含量呈正相關(guān)，與Ci、超中優(yōu)勢(shì)、超親優(yōu)勢(shì)呈負(fù)相關(guān)。

表4 低溫弱光脅迫下辣椒苗期光合相關(guān)指標(biāo)與雜種優(yōu)勢(shì)的相關(guān)性分析

3 討論

大多數(shù)植物的生長(zhǎng)主要依靠光合作用制造有機(jī)物來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此光合相關(guān)指標(biāo)很大程度上反映了植物的生存和競(jìng)爭(zhēng)能力[7]。朱為民等[15]提出，可將光合特性作為番茄設(shè)施專用品種選育的指標(biāo)；本研究進(jìn)一步驗(yàn)證了其結(jié)論，并且發(fā)現(xiàn)低溫弱光環(huán)境下Ci為最優(yōu)指標(biāo)，其次是Gs和葉綠素含量，再次是Tr和Pn。因此，在評(píng)價(jià)辣椒抗低溫弱光性或預(yù)測(cè)其雜種優(yōu)勢(shì)時(shí)優(yōu)選的光合相關(guān)指標(biāo)是Ci。

光合指標(biāo)的雜種優(yōu)勢(shì)與產(chǎn)量的雜種優(yōu)勢(shì)息息相關(guān)[16]。辣椒光合指標(biāo)的雜種優(yōu)勢(shì)對(duì)培育高產(chǎn)量、高品質(zhì)的育種工作至關(guān)重要。鄒學(xué)校等[17]研究表明，超親優(yōu)勢(shì)是以優(yōu)勢(shì)親本為比較標(biāo)準(zhǔn)，是育種上的優(yōu)勢(shì)，主要用于育種研究。離中優(yōu)勢(shì)又稱平均顯性度，是以雙親平均值之差的一半作為尺度衡量F1優(yōu)勢(shì)的方法，是以遺傳效應(yīng)來(lái)度量雜種優(yōu)勢(shì)的，反應(yīng)了雜種優(yōu)勢(shì)的遺傳本質(zhì)。辣椒的凈光合速率在每個(gè)生育期的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)不同。本研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下，辣椒苗期葉片光合相關(guān)指標(biāo)中離中優(yōu)勢(shì)明顯，推薦作為鑒定辣椒雜種優(yōu)勢(shì)的標(biāo)準(zhǔn)；超親優(yōu)勢(shì)次之，超中優(yōu)勢(shì)最差。建議評(píng)價(jià)辣椒雜種優(yōu)勢(shì)時(shí)以離中優(yōu)勢(shì)和超親優(yōu)勢(shì)為主要標(biāo)準(zhǔn)。本研究之所以與鄒學(xué)校等[17]的研究結(jié)果不同，可能是辣椒處于一定的低溫弱光脅迫，以及所取樣的辣椒生長(zhǎng)期不同而導(dǎo)致的。

光合參數(shù)是鑒定植株耐低溫弱光性的重要指標(biāo)[18]。逆境脅迫下葉片葉綠素含量的高低不僅影響光合同化過(guò)程，同時(shí)也是衡量植物耐逆性的重要指標(biāo)之一[19]。本研究表明，在低溫弱光脅迫下，父本、母本及其雜交種F1的Pn、Gs和Tr均低于對(duì)照組，且3種辣椒材料在低溫弱光下降低的幅度大小依次為母本、父本、雜交種F1；3種辣椒材料的Ci均升高，且在低溫弱光下升高的幅度大小依次為雜交種F1、父本、母本，說(shuō)明低溫弱光脅迫下辣椒葉片光合速率降低的主要原因是非氣孔因素；在低溫弱光脅迫下，母本的葉綠素含量降低，而父本和雜交種F1的葉綠素含量均升高，且雜交種F1的葉綠素含量升高的幅度大于父本，說(shuō)明3種辣椒材料的光合作用強(qiáng)弱依次為雜交種F1、父本、母本。綜上所述，3種辣椒材料耐低溫弱光脅迫的強(qiáng)弱依次為雜交種F1、父本、母本。