計(jì)雅男，賀海耘，張倩，楊洲，陳芮蝶，翟梅枝,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 2.陜西省核桃工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌 712100)

核桃(JuglansregiaL.)在我國(guó)栽培歷史悠久，分布廣泛，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。早實(shí)核桃具有結(jié)果早、產(chǎn)量高、見(jiàn)效快等優(yōu)點(diǎn)，種植核桃已成為山區(qū)群眾脫貧致富的首要選擇[2]。雜交育種是改良核桃品質(zhì)、提高其豐產(chǎn)性和抗逆性的重要手段，是獲得具有優(yōu)良性狀核桃新品種的一條有效途徑[3]。方文亮等[4]采用云南薄殼核桃與新疆核桃作親本，通過(guò)雜交育種培育出了耐寒冷、耐濕熱,適宜性較強(qiáng)的云新7914等新品系5個(gè)；趙登超等[5]以中國(guó)核桃元豐為母本，以美國(guó)核桃強(qiáng)特勒為父本，培育出豐產(chǎn)、避晚霜核桃品種元林。關(guān)于核桃雜交后代的研究，前人大多關(guān)注不同核桃雜交品種特性及豐產(chǎn)栽培管理技術(shù)等方面，關(guān)于早實(shí)核桃相同親本雜交后代的生長(zhǎng)及光合能力差異研究鮮有報(bào)道。

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，也是產(chǎn)量和品質(zhì)形成的決定性因素。植物葉片吸收的光能主要以熱、熒光和光合作用的形式釋放出來(lái)[6-7]。其中葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化可以在一定程度上反應(yīng)環(huán)境因子對(duì)植物光合生理產(chǎn)生的影響[8]。王博等[9]對(duì)2種晚實(shí)核桃研究發(fā)現(xiàn)，多個(gè)光合熒光參數(shù)相互作用，其中光合能力強(qiáng)弱直接影響到核桃產(chǎn)量的高低。有關(guān)核桃光合作用特性的研究大多為核桃幼苗自身光合特性研究或品種間光合特性比較研究。但是，在自然條件下，關(guān)于不同核桃品種雜交后代單株果樹(shù)的熒光特性報(bào)道較少。本研究以26株樹(shù)齡6 a的核桃雜交后代為試材，對(duì)其生長(zhǎng)量、葉片特性和熒光特性進(jìn)行研究，并篩選出優(yōu)良單株。為雜交后代的早期選擇和進(jìn)一步利用雜種優(yōu)勢(shì)提供理論依據(jù)，同時(shí)為核桃育種提供新的優(yōu)良材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西楊凌示范區(qū)法禧村東的西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院苗圃內(nèi)(E 107°59′～ 108°08′ ，N 34°14′ ～ 34°20′)。以優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)抗病，但果個(gè)較小的樹(shù)齡7 a美國(guó)早實(shí)核桃契可為母本；以優(yōu)質(zhì)大果，但豐產(chǎn)性稍差的樹(shù)齡7 a早實(shí)核桃西林3號(hào)為父本，進(jìn)行種間雜交試驗(yàn)，對(duì)獲得的128個(gè)雜交種子于2015年春季進(jìn)行播種，因授粉和其他原因僅出苗26株，2015～2020年苗木管理一致。試驗(yàn)材料：26株樹(shù)齡6 a核桃雜交苗。

1.2 研究方法

1.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 干周：鑒于主枝分支較低，在試驗(yàn)樹(shù)距基部50 cm處用卷尺進(jìn)行測(cè)量，得出干周長(zhǎng)度；樹(shù)冠投影面積：測(cè)量試驗(yàn)樹(shù)的南北和東西方向的冠幅，計(jì)算樹(shù)冠投影面積；地徑：距離地面10 cm處用圍尺測(cè)量試驗(yàn)樹(shù)的樹(shù)干直徑；復(fù)葉長(zhǎng)，葉片長(zhǎng)、寬及葉面積：于葉片成熟期，對(duì)26株雜交后代進(jìn)行測(cè)定，在樹(shù)冠外圍分別從東西南北4個(gè)方向同一高度位置各選取3個(gè)無(wú)病害新鮮復(fù)葉，裝入自封袋中做好標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室，用卷尺測(cè)定其復(fù)葉長(zhǎng)、小葉平均長(zhǎng)；用LI-3100C型葉面積掃描測(cè)定儀測(cè)定復(fù)葉面積，分別求平均值。

1.2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定 利用Walz公司PAM-2500型便攜式葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，包括初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、Fm/ Fo(PSII電子傳遞情況)、Fv/Fo(PSII最大光化學(xué)效率)、PIABS(光合性能指數(shù))，測(cè)定條件為：葉片暗適應(yīng)20 min，測(cè)定時(shí)間為5 min，設(shè)定光強(qiáng)為1 200 μmol/(m2·s)。測(cè)定時(shí)間：2020年7月中旬。測(cè)定方法：在每個(gè)雜交后代單株的東南西北4個(gè)方向同一高度各取3個(gè)復(fù)葉的頂葉進(jìn)行活體測(cè)定，分別求出每個(gè)參數(shù)的平均值。

1.2.3 葉綠素含量測(cè)定 參照孔祥生[10]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析法和新復(fù)極差法(Duncan)比較不同單株間的差異；通過(guò)DPS 2017軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，SPSS 25.0進(jìn)行聚類分析，Origin 2018進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 核桃雜交后代單株間生長(zhǎng)差異分析

植物生長(zhǎng)是由多種因素共同決定的，地徑和株高是衡量植株健康生長(zhǎng)的重要指標(biāo)，樹(shù)冠投影面積和干周反映植物的長(zhǎng)勢(shì)情況[11-12]。由表1可知，核桃雜交后代單株間的生長(zhǎng)有一定的差異，部分單株間存在顯著差異(P<0.05)。株高和地徑H1507顯著高于其他單株(P<0.05)，分別為3.21 m和29.96 cm，H1523株高和地徑顯著小于其他單株(P<0.05)，分別僅有1.71 m和15.01 cm；樹(shù)冠投影面積較大的H1526、H1510和H1522分別比較小的H1504、H1508和H1523高出165.35%、131.82%和98.44%(P<0.05)，說(shuō)明H1510、H1522和H1526生長(zhǎng)勢(shì)旺，枝葉繁茂，H1504、H1508和H523生長(zhǎng)勢(shì)較弱，枝葉稀疏；H1507、H1525和H1526干周較大。綜合分析認(rèn)為，H1503、H1507、H1521、H1522和H1526在株高、地徑、干周和樹(shù)冠投影面積方面都較高，說(shuō)明這5個(gè)單株在植株生長(zhǎng)各個(gè)方面都有很高的一致性。

表1 雜交后代單株生長(zhǎng)差異

2.2 核桃雜交后代單株間葉片特征差異分析

26株核桃雜交后代的葉片特征見(jiàn)表2。葉綠素a的含量在26個(gè)雜交核桃間存在顯著差異(P<0.05)。H1503顯著高于其他單株(P<0.05)，為5.30 mg/g，H1509和H1523的葉綠素a含量顯著低于其他單株(P<0.05)，其含量均小于2.00 mg/g，僅為H1503葉綠素a含量的37.74%。從表中可以看出，不同單株間葉片性狀差異顯著(P<0.05)，在葉長(zhǎng)、葉寬和葉面積指標(biāo)測(cè)定中，H1507顯著高于其他植株，其葉長(zhǎng)、葉寬和葉面積分別為15.88 cm、7.35 cm和85.50 cm2，較H1517(最低)分別高出5.44 cm、1.78 cm和42.71 cm2，其中葉面積大于60 cm2的有7個(gè)單株，從大到小依次為H1507>H1503>H1518>H1505>H1522>H1512>H1513，小于40 cm2的有2個(gè)單株，H1523

表2 雜交后代單株葉片特征比較

2.3 核桃雜交后代單株間葉綠素?zé)晒鈪?shù)差異分析

環(huán)境的任何變化對(duì)光合作用過(guò)程產(chǎn)生的影響都可通過(guò)體內(nèi)葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)變化反映出來(lái)[13]，對(duì)26個(gè)核桃雜交后代單株間進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)分析，從表3可看出，不同單株間核桃雜交葉片的Fm/Fo、Fv/Fm、Fv/Fo和PIABS存在差異，部分單株間存在顯著的差異(P<0.05)。Fm/Fo反映的是PSII電子傳遞的情況，F(xiàn)v/Fo反映的是PSII潛在光能化學(xué)活性，F(xiàn)m/Fo值越高說(shuō)明PSII反應(yīng)中心捕獲光能效率越高，光能轉(zhuǎn)化成為化學(xué)能就越多。H1503、H1507、H1514、H1520和H1525的Fm/Fo和Fv/Fo值都較大，說(shuō)明H1503、H1507、H1514、H1520和H1525的光能利用效果較好。其中H1503的Fm/Fo和Fv/Fo顯著大于其他單株，高達(dá)5.63和4.63，而H1513和H1517的Fm/Fo和Fv/Fo值都較小，僅為4.53、4.51和3.53、3.51，說(shuō)明H1513和H1517光能利用效果較差。

Fv/Fm的變化代表PSII反應(yīng)中心捕獲的最大量子產(chǎn)量，常用來(lái)判斷植物是否受到光抑制。通常情況下，該值的波動(dòng)范圍在0.75～0.85，該值越低則說(shuō)明植物受到光抑制的程度越高。表3顯示，所有單株的Fv/Fm為0.75～0.82，說(shuō)明26個(gè)單株的PSII光能轉(zhuǎn)換效率處于正常水平。PIABS代表的是光合性能指數(shù)，PIABS大于78.00有5個(gè)單株，從大到小依次是 H1506>H1502> H1503>H1507> H1522，說(shuō)明這5個(gè)單株的光反應(yīng)活性較強(qiáng)，所吸收的光能較多，能為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供的能量就越多。PIABS小于50.00的單株有3個(gè)，依次是H1508

表3 雜交后代單株葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較

2.4 核桃雜交后代生長(zhǎng)指標(biāo)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)相關(guān)分析及綜合評(píng)價(jià)

2.4.1 隸屬函數(shù)值 根據(jù)公式(1)可計(jì)算出每個(gè)單株雜交核桃所有綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值(表6)。

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1,2,3,…,n

(1)

式中：Xi表示第i個(gè)綜合指標(biāo)，Xmin，Xmax分別表示第i個(gè)綜合指標(biāo)的最小值和最大值。

2.4.2 權(quán)重的計(jì)算 根據(jù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率的大小，用公式(2)可計(jì)算出各個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重(表6)。

(2)

式中：Wi表示第i個(gè)綜合指標(biāo)在所有指標(biāo)中的重要程度；Pi為各個(gè)單株第i個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

2.4.3 綜合評(píng)價(jià) 用公式(3)計(jì)算雜交核桃26個(gè)單株的生長(zhǎng)、葉片特征、光合色素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的綜合評(píng)價(jià)值(表8)。

(3)

式中：D值表示各個(gè)單株用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)所得的綜合指標(biāo)值，D值越大表示綜合性能越高。

使用單一的指標(biāo)對(duì)待選單株進(jìn)行評(píng)價(jià)，很難全面評(píng)價(jià)不同單株間的差異，因此，采用皮爾森(Pearson)相關(guān)系數(shù)對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析，最后通過(guò)隸屬函數(shù)值和聚類分析得出結(jié)論進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。核桃雜交后代生長(zhǎng)指標(biāo)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)相關(guān)性分析見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，地徑和葉片含水率與Fm/Fo呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；葉長(zhǎng)和葉寬與Fm/Fo和PIABS呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；干周和地徑與Fv/Fm和Fv/Fo呈負(fù)相關(guān)。

表4 單株生長(zhǎng)指標(biāo)與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的相關(guān)性

對(duì)26株核桃雜交后代的13個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，前3個(gè)特征值的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為80.586%，說(shuō)明葉長(zhǎng)、干周和Fv/Fm這3個(gè)因子可以代替原始的13個(gè)指標(biāo)，其余忽略不計(jì)，這些因子可以全面的反應(yīng)核桃的光合能力。

根據(jù)各綜合指標(biāo)系數(shù)(表5)和各指標(biāo)值(表1～3)求得每個(gè)單株的3個(gè)綜合指標(biāo)值CI(1)、CI(2)、CI(3)，它們共同決定26個(gè)核桃單株的光合性能。在此基礎(chǔ)上求出各單株的隸屬函數(shù)值，再依據(jù)各綜合指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)得到每個(gè)單株的光合能力綜合評(píng)價(jià)D值(表6)。綜合評(píng)價(jià)(D)值反映單株生長(zhǎng)和葉綠素?zé)晒饩C合特性，D值越高表示單株生長(zhǎng)優(yōu)良且光合作用強(qiáng)。由表6可知，依據(jù)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)值進(jìn)行排序，其中H1503和H1511號(hào)綜合評(píng)價(jià)值最高，為0.71，表明這兩個(gè)單株的生長(zhǎng)和葉綠素?zé)晒馓匦宰顑?yōu)；其次是H1507、H1509、H1512和H1513，D值分別為0.67、0.64、0.67和0.63，其他單株排序詳見(jiàn)表6。

表5 各綜合指標(biāo)的系數(shù)和貢獻(xiàn)率

表6 雜交單株綜合評(píng)價(jià)

用平方歐式距離法對(duì)這6個(gè)單株的生長(zhǎng)性狀和葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。圖1顯示，6個(gè)單株可劃分為A、B兩大類：H1503和H1507為A類，株高、地徑、葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)均較大，說(shuō)明A類核桃單株生長(zhǎng)勢(shì)旺、光合能力強(qiáng)。分析認(rèn)為可能是因?yàn)楹颂疑L(zhǎng)的生物量大，能夠吸收更多的光能，有較高的光合效率；這與馬藝杰等[14]、李曉銳等[15]對(duì)核桃光合特性研究結(jié)果一致。其他4個(gè)單株為B類，依據(jù)光合效率又將B類分為B1、B2兩個(gè)亞類，在B1亞類中H1509和H1511表型性狀和PSII光合效率均較低；B2亞類中H1512和H1513表型性狀中干周、地徑和葉綠素a含量的數(shù)值較大，而Fv/Fm和PIABS的數(shù)值較小，表型性狀和PSII光合效率均一般。

圖1 基于6個(gè)不同單株間核桃性狀的聚類分析Figure 1 Cluster analysis of walnut traits based on six different individual plants

3 討論

通過(guò)對(duì)26個(gè)核桃雜交后代比較分析發(fā)現(xiàn)，株高和地徑越大，樹(shù)冠投影面積和干周就較大，說(shuō)明樹(shù)體生長(zhǎng)由多個(gè)生長(zhǎng)效應(yīng)指標(biāo)共同決定。周開(kāi)兵等[16]研究認(rèn)為，當(dāng)植株處于幼樹(shù)階段時(shí)，樹(shù)體的生長(zhǎng)效應(yīng)可作為選擇優(yōu)株的重要指標(biāo)，生長(zhǎng)旺盛有利于樹(shù)體骨架的早期建立。通過(guò)相關(guān)性分析可知，雜交后代地徑和樹(shù)冠投影面積分別與Fv/Fo和PIABS呈顯著正相關(guān)性，說(shuō)明地徑和樹(shù)冠投影面積越大則樹(shù)體生長(zhǎng)越旺盛，光合能力越強(qiáng)。就營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)而言，H1503、H1507、H1521、H1522和H1526在株高和地徑生長(zhǎng)中，與其他單株相比差異顯著。這與趙靜等[17]在梨樹(shù)生長(zhǎng)方面的研究結(jié)果一致。葉長(zhǎng)、葉寬和葉面積與PIABS呈極顯著正相關(guān)性。說(shuō)明葉長(zhǎng)、葉寬和葉面積越大的雜交后代，其光合性能指數(shù)越大，進(jìn)而說(shuō)明植株的光合性能越強(qiáng)。這與李澤等[18]對(duì)油桐幼苗的生長(zhǎng)和光合作用研究相似。葉面積是評(píng)價(jià)植株葉片功能特性的重要參數(shù)，植株葉面積越大光合作用越強(qiáng)，因此，在雜交后代的選優(yōu)過(guò)程中，通過(guò)篩選葉面積較大的植株，提高光能利用率，進(jìn)而提高核桃產(chǎn)量。本試驗(yàn)中H1503、H1505、H1507、H1518和H1522葉面積較大，使得這5個(gè)單株的葉片所能捕獲到的光能就越多，因而葉綠素?zé)晒鈪?shù)值也就較大，光合作用就越強(qiáng)。這與崔西甜等[19]對(duì)蒙古櫟葉片光合作用的研究一致。H1502、H1503、H1507、H1524和H1525的葉綠素a含量顯著高于其他單株，說(shuō)明這5個(gè)單株具有較高的光合能力，葉綠素a在葉片利用光能時(shí)，起到了關(guān)鍵性的作用。這與李旭新等[20]、何炎等紅[21]和涂志華等[20]的研究結(jié)果一致。綜合考慮光合作用對(duì)各生長(zhǎng)指標(biāo)的影響認(rèn)為，生長(zhǎng)指標(biāo)可作為雜交后代光合性能評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。

本研究對(duì)26個(gè)雜交后代間的葉綠素?zé)晒鈪?shù)分析可知：26個(gè)核桃雜交后代的不同單株間葉綠素?zé)晒鈪?shù)存在顯著差異，這表明不同的單株對(duì)環(huán)境適應(yīng)的可塑性不同，以及對(duì)相同環(huán)境有不同的適應(yīng)能力。這與張笑寒等[23]對(duì)相同植物不同無(wú)性系的研究、施光耀等[24]對(duì)桃樹(shù)光合特性的比較研究結(jié)果一致。H1503、H1507和H1525的Fv/Fm、Fv/Fo值和Fm/Fo值均較大，說(shuō)明核桃葉片能將吸收的光能轉(zhuǎn)化為有效的化學(xué)能，從而提高光合電子傳遞效率，產(chǎn)生更多的ATP和NADPH。這與李延菊等[25]對(duì)不同扁桃品種光合特性的研究結(jié)果一致。Fv/Fm是光抑制研究最常用指標(biāo)，試驗(yàn)中所有核桃單株的Fv/Fm在0.75～0.82，說(shuō)明這26個(gè)單株在生長(zhǎng)過(guò)程中沒(méi)有受到光抑制，這與馬靜等[26]對(duì)美國(guó)山核桃和Mielke M S等[27]對(duì)金櫻子葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化的研究結(jié)果相一致。張玉豪等[28]和常翠翠等[29]研究發(fā)現(xiàn)，由于Fv/Fm只能反映PSⅡ反應(yīng)中心的光能捕獲情況，而PIABS不僅可以反映PSⅡ反應(yīng)中心對(duì)光能的捕獲情況，還可以反映PSⅡ反應(yīng)中心下游的電子傳遞情況，所以PIABS可以更全面地反映整個(gè)光合電子傳遞鏈的變化。本研究顯示，單株H1502、H1503、H1506和H1507的PIABS值較大，而單株H1508的PIABS值較小，這可能與個(gè)體差異有關(guān)。PIABS值越大，說(shuō)明單株的光反應(yīng)活性越強(qiáng)，吸收光能越多，為植株生長(zhǎng)發(fā)育提供越多的能量。綜上認(rèn)為，葉綠素?zé)晒鈪?shù)可作為雜交后代光合性能評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)生長(zhǎng)指標(biāo)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的相關(guān)性分析表明，F(xiàn)m/Fo和Fv/Fm與地徑和葉片含水率呈顯著正相關(guān)，PIABS與葉長(zhǎng)、葉寬和葉面積呈極顯著正相關(guān)。說(shuō)明測(cè)定的葉綠素?zé)晒鈪?shù)可作為核桃雜交后代生長(zhǎng)快速評(píng)判的有效指標(biāo)。同時(shí)利用聚類分析和綜合評(píng)價(jià)方法，可根據(jù)綜合評(píng)價(jià)D值較大的6個(gè)單株分為A、B兩大類，其中H1503和H1507株高和地徑生長(zhǎng)最好，葉面積和葉綠素含量值較高，且葉綠素?zé)晒鈹?shù)值也較高，具有較高的光合能力。因此，選擇H1503和H1507作為在生長(zhǎng)和葉綠素?zé)晒夥矫婧颂译s交后代的優(yōu)良單株，但在產(chǎn)量、豐產(chǎn)性和果實(shí)品質(zhì)等方面有待進(jìn)一步研究。