李姜玲，楊瀾，阮仁武，李中安?

1西南大學(xué)柑桔研究所，重慶 400712；2西南大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，重慶 400716

0 引言

【研究意義】小麥（Triticum aestivum L.）是世界上種植最廣泛的作物，占全球農(nóng)作物種植面積的17%，為全球約40%的人口提供食物和總飲食熱量的20%[1]。中國是世界上最大的小麥生產(chǎn)國和消費(fèi)國，小麥種植面積和產(chǎn)量僅次于水稻和玉米，小麥產(chǎn)量對(duì)保障糧食安全具有舉足輕重的作用。增強(qiáng)小麥的光合作用和雜種優(yōu)勢(shì)利用均可提高小麥單位面積產(chǎn)量，因此，探明雜交小麥雙親光合特性對(duì)雜交種的影響以及與產(chǎn)量的相關(guān)性，以此來指導(dǎo)強(qiáng)優(yōu)勢(shì)小麥雜交品種的選育，對(duì)我國小麥雜種優(yōu)勢(shì)的利用具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】雜交種是來自兩個(gè)良好親本之間的特定雜交，雜種優(yōu)勢(shì)是指雜交子一代在一種或多種性狀上優(yōu)于親本的現(xiàn)象，特別是產(chǎn)量優(yōu)勢(shì)[2]，可以超過自交品種產(chǎn)量的 15%—50%[3]。雜種優(yōu)勢(shì)已被廣泛應(yīng)用于商業(yè)育種，特別在玉米、水稻和高粱等作物單產(chǎn)提高上發(fā)揮了重要的作用[4]。小麥雜種優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)象在1919年被報(bào)道，F(xiàn)REEMAN發(fā)現(xiàn)了雜交一代的一些性狀優(yōu)于其親本。我國在20世紀(jì)60年代初開始雜交小麥研究，先后建立了細(xì)胞質(zhì)雄性不育（CMS）、化學(xué)殺雄法系統(tǒng)（CHA）、溫光敏雄性核不育、細(xì)胞核雄性不育（GMS）等系統(tǒng)，已在不育系選育和強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組篩選等方面取得了重要進(jìn)展[5-6]，我們建立的藍(lán)標(biāo)型兩系法雜交小麥系統(tǒng)[7]在國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的支持下發(fā)展迅速，已選育出一大批不育系和強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交組合。光合作用是植物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成至關(guān)重要的因素，提高葉片光合作用效率是提高作物產(chǎn)量的有效方法[8-9]。穗粒數(shù)、畝穗數(shù)、千粒重是小麥產(chǎn)量構(gòu)成的三要素，葉綠素含量、光合速率、Rubisco含量等指標(biāo)是小麥產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)[10]。FISCHER等[11]早在1998年報(bào)道了小麥增產(chǎn)與更高的氣孔導(dǎo)度及光合速率相關(guān)，之后也有學(xué)者的研究表明，花后凈光合速率的增加與籽粒產(chǎn)量關(guān)系密切且呈正相關(guān)[12]。亦有學(xué)者發(fā)現(xiàn)株高降低和收獲指數(shù)增加，是促進(jìn)產(chǎn)量提高的原因[13-14]。因此，理論上可以通過提高單位葉面積的光合速率、改良冠層結(jié)構(gòu)和光合持續(xù)時(shí)間來優(yōu)化光的攔截和利用，從而實(shí)現(xiàn)光合作用的改善，達(dá)到進(jìn)一步提高作物產(chǎn)量的目的。在育種實(shí)踐中，為了提高光合效率，選擇高光合速率的小麥材料進(jìn)行雜交，將光合作用相關(guān)性狀（例如氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率）與其他優(yōu)良性狀相結(jié)合，使產(chǎn)量水平更高，從而選育出具有高產(chǎn)潛力的品種或材料[15]。在光合作用和雜種優(yōu)勢(shì)研究方面，劉紅梅等[16]發(fā)現(xiàn)秈型雜交稻劍葉光合性狀與親本間存在極顯著差異，其中凈光合速率和氣孔導(dǎo)度具有正向超高親優(yōu)勢(shì)。趙仁杰等[17]研究發(fā)現(xiàn)高粱雜交種吉雜 319的葉片光合代謝能力顯著高于親本，且其光合優(yōu)勢(shì)顯著。雜交小麥的光合優(yōu)勢(shì)有學(xué)者認(rèn)為主要表現(xiàn)在開花之前[18]，也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)從開花始到花后17 d，雜交小麥旗葉的光合速率與其親本相當(dāng)，但從花后20 d起，雜交種旗葉表現(xiàn)出比其親本更高的光合速率[19]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前小麥光合作用的雜種優(yōu)勢(shì)研究大多數(shù)都是有關(guān)抽穗期后旗葉光合特性，而對(duì)雜交小麥苗期光合作用的雜種優(yōu)勢(shì)鮮有報(bào)道。研究苗期的光合作用對(duì)小麥雜交種的強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合早期篩選和親本選擇具有重要的作用。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以小麥核不育雜交組合及其親本為研究對(duì)象，測(cè)定田間條件下雜交種及其親本的苗期葉片光合參數(shù)、參與光合作用過程關(guān)鍵酶的活性以及成熟期的產(chǎn)量等。分析這些參數(shù)的雜種優(yōu)勢(shì)及其與產(chǎn)量的相關(guān)性，以期更加全面地了解苗期篩選小麥雜交種強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合及其雙親的重要指標(biāo)和要求，為小麥雜種優(yōu)勢(shì)的利用提供理論基礎(chǔ)，為更快、更好地培育強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交小麥新品種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥恢復(fù)系有川14品16和川麥93，不育系有12L8012、12L8015、15L7084和18L7077，及其配制的雜交組合12L8015×14品16（19-200）、15L7084×14品16（19-204）、18L7077×14品16（19-205）、12L8012×川麥 93（19-218）、12L8015×川麥 93（19-219）和15L7084×川麥93（19-220）。川14品16、川麥93由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供，不育系及F1代由筆者實(shí)驗(yàn)室選育和配制，其中不育系是由筆者所在團(tuán)隊(duì)建立的藍(lán)標(biāo)型兩系法雜交小麥系統(tǒng)選育而成的[7]。試驗(yàn)于2019年11月10日在重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)柑桔研究所試驗(yàn)地播種，播種方式為人工開溝點(diǎn)播，以5 cm株距點(diǎn)播，每個(gè)品種設(shè)置3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)種植4行（行長2 m，行距為25 cm），每行播種41粒種子，平均每行出苗數(shù)為36.08—38.58，出苗率為88.00%—94.10%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 光合性狀測(cè)定 在小麥3葉期后，分別于12月26日（3葉期）、1月3日（4葉期）、1月7日（4葉期）、1月11日（5葉期）進(jìn)行光合測(cè)定，每個(gè)品種每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選擇葉齡一致的4個(gè)植株，利用光合作用測(cè)量系統(tǒng)（TARGAS-1，美國PP Systerm公司），在晴朗無風(fēng)的天氣10：00—16：00，測(cè)定小麥幼苗頂部第一片全展葉中部的Pn、Gs、Ci、Tr和WUE，若葉片太小無法填滿光室，則測(cè)量葉片寬度待測(cè)完后代入公式重新計(jì)算。光強(qiáng)設(shè)為 1 200 μmol·m-2·S-1，流量為300 mL·min-1，大氣 CO2濃度設(shè)為 400 μmol·mol-1。并于1月11日將測(cè)定完光合后的葉片取下放置于液氮盒中用于各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.2.2 葉綠素含量測(cè)定 丙酮-無水乙醇（丙酮∶無水乙醇=1∶1）浸提法測(cè)定，用酶標(biāo)儀測(cè)定提取液在663 nm和645 nm的OD值，所有指標(biāo)測(cè)定為3次重復(fù)。所得 OD 值代入下列公式計(jì)算出含量（mg·g-1FW）：

式中，C 為葉綠素濃度，以 mg·L-1表示，代入鮮重計(jì)算含量。

1.2.3 Rubisco活性測(cè)定 參照格瑞思植物二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）試劑盒（微板法）說明書進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后于340 nm處檢測(cè)，讀取A1，10 min后讀取A2，ΔA=A1-A2。將ΔA代入公式計(jì)算Rubisco活性（nmol·min-1·g-1FW）：

式中，W為樣品鮮重（g）。

1.2.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成調(diào)查 每個(gè)重復(fù)取20株進(jìn)行室內(nèi)考種，調(diào)查株高（plant height，PH）、穗長（spike length，SL）、穗粒數(shù)（grain number per spike，GNPS）、主穗小穗數(shù)（spikelets number of main spike，SN）、有效穗數(shù)（spike number per plant，SNPP）、單株生物量（biomass per plant，BMPP）、單株產(chǎn)量（grain yield per plant，GYPP）、收獲指數(shù)（harvest index，HI）；晾干后數(shù)200粒稱重，換算成千粒重（thousand grain weight，TGW）。

1.2.5 Rubisco酶大小亞基編碼基因相對(duì)表達(dá)量測(cè)定根據(jù)熒光定量PCR方法，測(cè)定Rubisco大小亞基編碼基因rbcL和rbcS的相對(duì)表達(dá)量。

1.2.5.1 RNA 提取及cDNA合成 用Trizol（Invitrogen,USA）試劑提取總RNA；以提取的RNA為模板，按照 NovoScript?Plus All-in-one 1st Strand cDNA Synthesis SuperMix（gDNA Purge）（novoprotein）說明書合成cDNA。

1.2.5.2 熒光定量 PCR 用軟件 Primer Premier 5.0設(shè)計(jì)引物，基因rbcS參照SONG等[20]的方法。以樣品的cDNA作為模版，熒光定量PCR根據(jù)Hieff?qPCR SYBR? Green Master Mix（Yeasen）試劑盒說明書進(jìn)行。反應(yīng)體積為 20 μL，使用 CFX96 定量 PCR儀，反應(yīng)程序?yàn)?5℃，5 min；95℃，10 s；60℃，20 s，經(jīng)過40個(gè)循環(huán)，溶解曲線為95℃，10 s，降溫至65℃之后再開始升溫，維持5 s采集熒光信號(hào)，到 95℃結(jié)束反應(yīng)，每個(gè)模板做3次重復(fù)。以26sRNA基因[21]作為內(nèi)參基因，相對(duì)表達(dá)量按照2-ΔΔCt法計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 2018 軟件繪圖和SPSS 26.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析、LSD多重比較及Person相關(guān)系數(shù)分析。雜種優(yōu)勢(shì)計(jì)算方法按公式計(jì)算，中親優(yōu)勢(shì)=（F1-MP）/MP×100%，超高親優(yōu)勢(shì)=（F1-HP）/HP×100%，超低親優(yōu)勢(shì)=（F1-LP）/LP×100%，式中Fl為雜交組合性狀平均值，MP、HP和LP分別表示雙親平均值、高親本值和低親本值，由于不育系無法計(jì)算產(chǎn)量，故產(chǎn)量雜種優(yōu)勢(shì)均以恢復(fù)系為高親值計(jì)算。

2 結(jié)果

2.1 雜交小麥及親本間光合性狀差異

由表1可知，雜交小麥及其親本間光合性狀均存在顯著差異，恢復(fù)系川麥93的凈光合速率最高，為 24.94 μmol·m-2·s-1，不育系中 18L7077 的凈光合速率最高，為 28.28 μmol·m-2·s-1，不育系 12L8015的凈光合速率則最低，為 22.38 μmol CO2·m-2·s-1。雜交小麥各組合間光合特性均存在顯著差異，其中，組合12L8015×川麥93的凈光合速率最高，為31.48 μmol·m-2·s-1，組合 15L7084×川 14 品 16 的凈光合速率最低，為 27.83 μmol·m-2·s-1，雜交小麥的凈光合速率全都高于其雙親，且凈光合速率的變異系數(shù)為10.42%。

表1 雜交小麥及其親本的光合性狀比較Table 1 Comparison of photosynthetic characters in hybrid wheat and its parents

2.2 光合性狀的雜種優(yōu)勢(shì)分析

雜交小麥組合苗期光合特性的雜種優(yōu)勢(shì)分析結(jié)果表明（表 2），在不同的光合特性中，Pn、Gs、Tr的超高親優(yōu)勢(shì)和中親優(yōu)勢(shì)組合數(shù)最多，且Pn的超高親優(yōu)勢(shì)和中親優(yōu)勢(shì)范圍分別為7.00%—26.23%、11.82%—33.05%，Gs的超高親優(yōu)勢(shì)范圍和中親優(yōu)勢(shì)分別為8.42%—36.27%、20.35%—47.81%，Tr的超高親優(yōu)勢(shì)和中親優(yōu)勢(shì)分別為3.59%—19.09%、8.00%—22.07%，而葉綠素的超高親組合和中親優(yōu)勢(shì)組合數(shù)都較少，分別只有1個(gè)和2個(gè)，且大都表現(xiàn)為負(fù)向低親優(yōu)勢(shì)，其他光合特性如Ci和WUE也有少數(shù)表現(xiàn)為負(fù)向低親優(yōu)勢(shì)，說明雜交小麥的一些光合性狀指標(biāo)并不都存在雜種優(yōu)勢(shì)。

表2 雜交小麥光合特性的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)Table 2 Performance of heterosis for photosynthetic characters in hybrid wheat

就同一光合性狀來看，超高親雜種優(yōu)勢(shì)因雜交組合的不同而不同（表 3）。例如，組合 12L8015×川麥 93在苗期的Pn超高親優(yōu)勢(shì)為 26.23%，組合15L7084×川14品16的Pn超高親優(yōu)勢(shì)為8.80%，但18L7077×川14品16僅為7.00%。在同一雜交組合中，不同光合性狀的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)也存在明顯差異，例如，12L8015×川14品 16的Pn和Gs超高親優(yōu)勢(shì)分別為18.63%和36.28%，而Tr則為7.73%（表3）；同時(shí)雜交組合中當(dāng)恢復(fù)系相同，不育系不同時(shí)，其光合性狀表現(xiàn)也有所不同，例如組合18L7077×川14品16的Pn和Tr的超高親優(yōu)勢(shì)值表現(xiàn)分別為7.00%、3.59%，但組合15L7084×川14品16的Pn和Tr的超高親優(yōu)勢(shì)值則分別為8.80%、11.64%；同樣的，當(dāng)不育系相同而恢復(fù)系不同時(shí)，各光合性狀雜種優(yōu)勢(shì)的表現(xiàn)也不同，如12L8015×川麥93、12L8015×川14品16的Pn超高親優(yōu)勢(shì)值分別為26.23%和18.63%，且以川麥93為恢復(fù)系的雜交小麥Pn的超高親優(yōu)勢(shì)高于以川14品16為恢復(fù)系的雜交小麥，t測(cè)驗(yàn)結(jié)果顯示，在6個(gè)雜交組合中，大部分光合性狀的超高親優(yōu)勢(shì)值達(dá)顯著或極顯著水平，其中以Pn、Gs最為明顯。

表3 小麥雜交組合光合性狀的超高親優(yōu)勢(shì)值Table 3 Over high-parent heterosis of photosynthetic characters in hybrid wheat (%)

2.3 雜交小麥組合光合特性的相關(guān)性分析

2.3.1 雜交小麥各光合指標(biāo)之間的相關(guān)性分析 從表4可以看出雜交小麥Pn與Gs的相關(guān)系數(shù)為0.939（P＜0.01），呈極顯著正相關(guān)，且雜交小麥的Pn與Tr的相關(guān)系數(shù)為 0.680（P＜0.05），呈顯著正相關(guān)。其他光合性狀與凈光合速率的相關(guān)并未達(dá)顯著性水平。此外，葉綠素a與葉綠素b呈極顯著正相關(guān)。

表4 光合作用相關(guān)指標(biāo)之間的簡單相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between heterosis in photosynthetic related traits

2.3.2 雜交小麥組合與親本光合特性的相關(guān)性分析由表 5雜交小麥組合與親本光合特性的相關(guān)系數(shù)可知，雜交小麥組合光合特性與恢復(fù)系、不育系以及雙親中親值的相關(guān)性均未達(dá)顯著水平。雜交組合葉綠素a的含量與不育系、恢復(fù)系和中親值均呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大小依次為中親值、不育系和恢復(fù)系；而葉綠素b的含量只與不育系和中親值呈正相關(guān)；但葉綠素總含量相關(guān)系數(shù)大小依次為不育系＞中親值＞恢復(fù)系。雜交組合的凈光合速率僅與不育系呈正相關(guān)。雜交小麥組合與親本其余的光合特性指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)。

表5 雜交小麥組合與親本光合特性的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients of photosynthetic characters between hybrid wheat combinations and their parents

2.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的雜種優(yōu)勢(shì)分析

由表6可以看出，不同雜交小麥組合產(chǎn)量性狀的超高親優(yōu)勢(shì)存在差異，主穗結(jié)實(shí)小穗數(shù)、主穗穗長、穗粒數(shù)、有效穗數(shù)、單株籽粒產(chǎn)量、千粒重、單株地上生物量和收獲系數(shù)的超高親優(yōu)勢(shì)變幅分別為-1.39%—5.09%、-12.35%—3.99% 、-25.86%—-1.94%、15.44%—46.22%、7.45%—17.85%、-5.95%—9.40%、4.41%—17.10%、1.03%—6.62%；而在同一雜交小麥組合中，不同產(chǎn)量性狀的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)出明顯的差異。例如，組合12L8015×川14品16的穗粒數(shù)和穗長的超高親優(yōu)勢(shì)分別為-20.66%和-6.67%，但有效穗數(shù)、單株產(chǎn)量和單株地上生物量則高達(dá)40.94%、17.67%和17.10%。同時(shí)在雜交組合中當(dāng)恢復(fù)系相同，而不育系不同時(shí)，其產(chǎn)量性狀表現(xiàn)也有所不同，例如組合 12L8012×川麥93和12L8015×川麥93千粒重的超高親優(yōu)勢(shì)分別為-5.95%和 9.40%。同樣當(dāng)不育系相同而恢復(fù)系不同時(shí)，光合性狀雜種優(yōu)勢(shì)的表現(xiàn)也不同。t 測(cè)驗(yàn)結(jié)果顯示，在6個(gè)雜交組合中，大部分高親優(yōu)勢(shì)值達(dá)到了顯著或極顯著水平，其中以有效穗數(shù)、單株產(chǎn)量、單株地上生物量最為明顯。

表6 小麥雜交組合產(chǎn)量性狀的超高親優(yōu)勢(shì)值Table 6 Over high-parent heterosis in yield and its components in hybrid wheat (%)

2.5 凈光合速率與產(chǎn)量性狀的相關(guān)性分析

凈光合速率（Pn）與主穗長、株高、單株產(chǎn)量、單株地上生物量等產(chǎn)量性狀的相關(guān)系數(shù)結(jié)果（表 7）顯示，凈光合速率與單株地上生物量、單株產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)分別為0.578（P＜0.05）、0.862（P＜0.01），呈顯著和極顯著正相關(guān)，同時(shí)單株產(chǎn)量與單株生物量的相關(guān)系數(shù)為0.981，呈極顯著正相關(guān)，單株產(chǎn)量與有效穗數(shù)穗數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.815（P＜0.05），呈顯著正相關(guān)。

表7 小麥凈光合速率與產(chǎn)量相關(guān)性狀的相關(guān)系數(shù)Table 7 Partial correlation coefficients between heterosis in yield and photosynthetic carbon assimilation

2.6 Rubisco活性及其大小亞基編碼基因 rbcL和rbcS相對(duì)表達(dá)量雜種優(yōu)勢(shì)分析

2.6.1 Rubisco活性比較分析 結(jié)合圖1-A得知供試雜交小麥組合的Rubisco活性均高于雙親。雜種優(yōu)勢(shì)分析表明（表 8），雜交小麥均表現(xiàn)出顯著的中親優(yōu)勢(shì)和超高親優(yōu)勢(shì)，中親優(yōu)勢(shì)變幅為7.07%—13.00%，平均值為9.84%，超高親優(yōu)勢(shì)變幅為0.84%—8.28%，平均值為5.41%。組合19-220的中親優(yōu)勢(shì)和超高親優(yōu)勢(shì)值最小，分別為7.07%和0.84%，組合19-200的中親優(yōu)勢(shì)值最高，為13.00%，組合19-204的超高親優(yōu)勢(shì)值最大，為8.28%。

2.6.2 Rubisco大小亞基編碼基因rbcL、rbcS相對(duì)表達(dá)量分析 從圖1-B—C和表8可知，雜交小麥及其雙親的rbcL、rbcS的相對(duì)表達(dá)量具有顯著差異，不同雜交小麥組合的rbcL、rbcS表達(dá)量存在差異，組合19-200、19-205的rbcL、rbcS的相對(duì)表達(dá)量都顯著高于雙親，且具有60.10%、99.58%的超高親優(yōu)勢(shì)，而組合 19-204的rbcL、rbcS的相對(duì)表達(dá)量都顯著低于雙親，具有顯著負(fù)向低親優(yōu)勢(shì)，其他組合的表達(dá)量大都介于雙親之間。

表8 雜交小麥Rubisco活性及其大小亞基編碼基因rbcL和rbcS相對(duì)表達(dá)量的雜種優(yōu)勢(shì)比較Table 8 Heterosis of Rubisco activity and relative expression levels of genes encoding rbcL and rbcS in hybrid wheat

3 討論

3.1 不同雜交小麥組合光合優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)量優(yōu)勢(shì)分析

光合作用是決定植物生長和生產(chǎn)力的主要因素，約95%的植物干物質(zhì)來自光合同化的CO2[22]。小麥苗期的光合作用對(duì)于整個(gè)生長過程至關(guān)重要，甚至可能影響成熟期的生物量以及籽粒產(chǎn)量。研究表明，雜交種具有更為顯著的光合優(yōu)勢(shì)[23-25]，且雜交小麥在開花之前具有雜種優(yōu)勢(shì)[18]。本試驗(yàn)表明，6個(gè)雜交小麥在苗期已具有顯著的雜種優(yōu)勢(shì)，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率在苗期表現(xiàn)出顯著的超高親優(yōu)勢(shì)，且凈光合速率與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率呈極顯著和顯著正相關(guān)，說明氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率可以作為篩選高光合速率材料的指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)恢復(fù)系為川麥93的雜交小麥比恢復(fù)系為川14品16的雜交小麥具有更高的凈光合速率和更為顯著的超高親優(yōu)勢(shì)值，且川麥93的凈光合速率顯著高于川14品16，與張其德等[26]研究報(bào)道的雙親光合能力共同決定了雜交小麥組合光合特性的雜種優(yōu)勢(shì)的結(jié)果基本一致。因此，可以考慮選擇以凈光合速率較高的品種（系）作為恢復(fù)系，來進(jìn)行強(qiáng)優(yōu)勢(shì)小麥雜交組合的選育。

供試雜交小麥組合成熟期的產(chǎn)量性狀表現(xiàn)出顯著的超高親優(yōu)勢(shì)，其中單株產(chǎn)量和單株生物量的高親優(yōu)勢(shì)值最高，平均超高親優(yōu)勢(shì)值分別為11.3%和14.1%；而其產(chǎn)量三要素畝穗數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)有所不同，其中穗數(shù)表現(xiàn)出最高的超高親優(yōu)勢(shì)值，最高達(dá)40.94%，大部分組合的千粒重表現(xiàn)出了正向的超高親優(yōu)勢(shì)值。AISAWI等[27]研究發(fā)現(xiàn)增加生物量可以增加產(chǎn)量，TAUSZ-POSCH等[28]指出穗數(shù)是影響小麥生物量和產(chǎn)量潛力的關(guān)鍵農(nóng)藝性狀，本研究結(jié)果也與其一致，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)單株籽粒產(chǎn)量與單株地上部生物量呈極顯著正相關(guān)，單株產(chǎn)量與有效穗數(shù)呈顯著正相關(guān)，說明要增加小麥產(chǎn)量可以通過提高穗數(shù)及生物量來實(shí)現(xiàn)。我們將雜交小麥及其雙親苗期分蘗數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)雜交小麥分蘗數(shù)與不育系呈顯著正相關(guān)，由此說明在育種過程中可以選擇分蘗數(shù)較多的不育系進(jìn)行配種，從而得到穗數(shù)更多和產(chǎn)量更高的雜交小麥。而生物量的增加主要?dú)w因于更高的光合速率、氣孔導(dǎo)度等[29]，將苗期凈光合速率與產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析結(jié)果表明，凈光合速率與單株地上部生物量、單株籽粒產(chǎn)量呈顯著和極顯著正相關(guān)，由此說明，雜交小麥苗期凈光合速率的提高與成熟期產(chǎn)量的增長關(guān)系密切，可將苗期的凈光合速率作為早期初步篩選強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合的參考指標(biāo)。

3.2 不同雜交小麥組合葉綠素含量、光合酶活性及基因表達(dá)與光合速率的關(guān)系

核酮糖1,5-二磷酸羧化酶（Rubisco）是光合作用中的限速酶[30]，Rubisco由8個(gè)大亞基和8個(gè)小亞基組成，其中大亞基由葉綠體基因組rbcL基因編碼，小亞基為核多基因家族rbcS編碼[31-33]，同時(shí)Rubisco是一個(gè)雙功能酶，即調(diào)控CO2的固定，又參與調(diào)控光呼吸途徑[34-35]。葉綠素是光合作用機(jī)制的重要組成部分，能夠收集光能驅(qū)動(dòng)電子鏈。為進(jìn)一步探尋雜交種高光合能力的原因，本研究分析了葉綠素含量、Rubisco的活性及其大小亞基編碼基因rbcL、rbcS的相對(duì)表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)雜交小麥的葉綠素含量都低于其高親，但雜交小麥也大都有更高的光合速率，其原因可能是苗期的葉綠素含量都較低，且雜交小麥與親本間的葉綠素含量差異較小，變異系數(shù)較小，僅為 3.90%—4.04%；也有學(xué)者提出在葉綠素含量較低的情況下，植物葉片具有增加捕光色素分子的有效光能吸收截面來提高捕光能力的適應(yīng)性[36]，苗期的雜交小麥可能具有更強(qiáng)的捕光能力，而在LI等[37]的研究中比較了缺乏葉綠素的水稻突變體和野生型正常水稻在光能利用上的差別，并發(fā)現(xiàn)了突變體的光合速率與電子傳遞效率與野生型相當(dāng)，且突變體的葉綠素缺乏對(duì)葉綠體的大小和基粒堆積沒有負(fù)面影響，也有學(xué)者提出葉綠素可能會(huì)以非活性形式存在。但本研究僅測(cè)定了苗期的光合速率和葉綠素含量，關(guān)于葉綠素含量和光合速率的關(guān)系還需在整個(gè)小麥生育期中進(jìn)行進(jìn)一步研究，才能更好地探明。本研究結(jié)果表明，雜交小麥Rubisco活性顯著高于雙親，具有顯著的超高親優(yōu)勢(shì)，相關(guān)分析顯示Rubisco活性與凈光合速率正相關(guān)，雖不顯著，但也說明了更高的Rubisco活性可能對(duì)應(yīng)了更強(qiáng)的光合利用能力；大部分雜交小麥的rbcL和rbcS相對(duì)表達(dá)量顯著高于雙親或介于雙親之間，具有顯著的超高親優(yōu)勢(shì)和中親優(yōu)勢(shì)，已有研究表明，Rubisco小亞基編碼基因 rbcS的過表達(dá)可以增加溫室條件下水稻劍葉中 Rubisco含量[38-39]，但不會(huì)導(dǎo)致光合速率以及植物生物量的增加，但rbcL、rbcS的相對(duì)表達(dá)量與Rubisco活性、凈光合速率均無顯著相關(guān)性，這可能是由于不同的環(huán)境及生長階段會(huì)影響到 rbcS 的表達(dá)量變化[40-41]。另有研究表明，光合作用中一種催化Rubisco活性重要的酶Rubisco活化酶（Rubisco activase，RCA）被發(fā)現(xiàn)其表達(dá)量與生物量和產(chǎn)量顯著正相關(guān)[42]；DRIEVER等[43]發(fā)現(xiàn)了景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶（SBPase）的過表達(dá)可以提高葉片光合作用以及生物量和籽粒產(chǎn)量，這也說明了要探究雜交小麥高光合能力需要從多個(gè)方面來研究，SBPcase以及RCA可能是一些突破口，后續(xù)的研究可以從這些方面進(jìn)行突破。

目前也有通過探索雜種優(yōu)勢(shì)的分子基礎(chǔ)，從而獲得知識(shí)和信息應(yīng)用于農(nóng)業(yè)育種，包括親本的遺傳改良和通過優(yōu)化育種設(shè)計(jì)有效地創(chuàng)造優(yōu)良雜交種。當(dāng)雜種優(yōu)勢(shì)位點(diǎn)、致病性雜種優(yōu)勢(shì)基因甚至致病性變異已知后，就有可能在親本中分析關(guān)鍵位點(diǎn)的基因型，提前預(yù)測(cè)強(qiáng)雜種優(yōu)勢(shì)的潛在雜交組合[44]。LIU等[45]研究分析了京麥8及其雙親的轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)來自幼苗組織的差異表達(dá)基因（differentially expressed genes，DEGs）在參與光合作用和碳固定的過程中顯著豐富，并且與兩個(gè)自交系相比，這些DEGs中大多數(shù)在雜交種京麥8中表達(dá)水平更高，而水稻超級(jí)雜種Lyp9的初步基因表達(dá)系列分析（Serial analysis of gene expression,SAGE）顯示，與雙親相比，雜交種中光呼吸關(guān)鍵酶基因被下調(diào)，而與碳和氮固定相關(guān)的許多其他基因均被上調(diào)[46]。這些研究揭示了雜交種中表達(dá)豐富的基因，但在育種中的利用還很少，本試驗(yàn)只是結(jié)合田間的光合表現(xiàn)和產(chǎn)量表現(xiàn)進(jìn)行了一定的比較分析，對(duì)于雜種優(yōu)勢(shì)機(jī)制的探索較少，需要在分子基礎(chǔ)上去探討光合優(yōu)勢(shì)以及產(chǎn)量優(yōu)勢(shì)形成的原因。

4 結(jié)論

雜交小麥在苗期已具有顯著的光合優(yōu)勢(shì)，凈光合速率與成熟期單株產(chǎn)量和單株生物量顯著正相關(guān)，可將苗期的凈光合速率作為早期篩選高產(chǎn)品種強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合的參考依據(jù)，并結(jié)合田間分蘗、生長勢(shì)等農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)，早期對(duì)雜交組合的產(chǎn)量潛力進(jìn)行簡單預(yù)測(cè)。