冬小麦麦穗光合生理特性及其对籽粒灌浆的影响

发布时间：2017-12-08 15:23

  本文关键词：冬小麦麦穗光合生理特性及其对籽粒灌浆的影响

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【摘要】：小麦是我国重要的粮食作物之一,其高产稳产对于我国粮食安全十分重要。而植物光合作用是植物能量的唯一来源,而提高光合性能是提高作物产量的根本途径。因此,人们围绕小麦的光合做了大量的相关研究,并且取得了丰硕的成果。人们通过株型和叶型的育种,提高了小麦的收获指数,改善了小麦冠层的群体结构,大幅提高了小麦的产量。但近年来,通过改善株型和叶型来提高小麦产量的方式遇到了瓶颈。而麦穗光合对于小麦产量的研究逐渐成为了人们关注的新热点。但人们对于麦穗的光合特性以及麦穗光合对于籽粒产量的贡献的研究还十分有限。本文系统的研究了麦穗的光合能力以及麦穗光合对于籽粒产量的影响。主要的研究结果如下:(1)为了阐明麦穗的光合能力,我们分别比较了麦穗及其各部分与旗叶单位面积的光合速率和单位器官的光合速率。单位面积麦穗的净光合速率只有旗叶的25%左右,而单位面积的麦穗的总光合速率只有旗叶的55%左右。但当以单位器官比较麦穗和旗叶光合时,麦穗的净光合速率能够占到旗叶净光合速率的70%左右,而麦穗的总光合速率甚至会超过一片旗叶。这主要是由于麦穗具有较大的光合面积和较高的呼吸速率。(2)叶绿素是重要的光合机构的重要组成物质,其含量与光合能力具有密切的关系。为了探究叶绿素与麦穗光合能力的关系,我们选取了麦穗叶绿素含量较高的郑麦7698和麦穗叶绿素含量较低的西安8号比较其麦穗的光合能力。结果表明,单位面积郑麦7698颖片和外稃的光合速率显著高于西安8号的颖片和外稃;但当比较单位叶绿素颖片和外稃的光合速率时,郑麦7698和西安8号之间就没有显著性差异了。这表明麦穗的光合能力与叶绿素含量成正相关。(3)由于麦穗和旗叶所处的CO2环境和光环境十分不同,为了探明麦穗和旗叶的适应机制,分别测定了旗叶和麦穗及其各部分对于CO2和光强的响应。旗叶和麦穗及其各部分对于CO2的响应测定结果表明,麦穗及其各部分的CO2饱和点明显高于旗叶的CO2饱和点。这说明麦穗长期处于高CO2环境中已经适应了高CO2环境,能够利用更高的CO2浓度。而旗叶和麦穗及其各部分对于光强的响应的测定结果表明,麦穗与旗叶的光饱和点相近;而颖片、外稃和籽粒的光饱和点明显低于旗叶。这说明麦穗整体上表现出阳生特点,但其颖片、外稃和籽粒由于相互遮挡,长期处弱光环境中,因此表现出一定的阴生特点。麦穗各部分对于强光的利用能力是较弱的,但麦穗的多层苞叶结构逐层利用强光,最终麦穗整体实现了对于强光的有效利用。(4)C3光合途径与C4光合途径的一个最重要区别就是其光呼吸的大小不同,C4植物几乎没有光呼吸,而C3植物具有较高的光呼吸。为了从生理特性方面探究麦穗是否存在C4途径,分别测定反映光呼吸大小的两个经典指标O2的敏感性和CO2的猝发(PIB)比较麦穗和旗叶。结果表明,旗叶的氧敏感性是显著高于麦穗及其各部分的,而麦穗各部分中颖片和外稃的氧敏感性是相似的,籽粒的氧敏感性是显著低于颖片和外稃的。但即使是氧敏感性最低的籽粒其氧敏感性也有12%左右,这也是显著高于典型C4植物的。而光后CO2的猝发(PIB)的结果表明,麦穗的关光后CO2的猝发明显强于旗叶,其麦穗的PIB能够达到旗叶的2.5倍,这也同样说明麦穗是典型的C3光合途径。(5)PSII反应中心是光合电子传递链中对逆境最为敏感的部分之一,而PSII最大光化学效率Fv/Fm反映PSII反应中心的最大活性,通过比较分析离体条件下麦穗和旗叶在不同脱水状态下PSII活性的变化,从而探究麦穗和旗叶对于水分胁迫的抗性高低以及其原因。结果表明,无论是直接脱水还是水饱和后再脱水,麦穗的最大光化学效率Fv/Fm的下降速率均快于旗叶,但旗叶的脱水速率却快于麦穗。这表明麦穗的保水能力是强于旗叶的,麦穗最大光化学效率Fv/Fm下降快不是由于水分散失快造成的。进一步比较在相同相对含水量条件下,旗叶的PSII最大光化学效率显著高于麦穗,这一结果表明旗叶的PSII反应中心对于水分胁迫的抗性是强于麦穗的。综合前人和本实验的研究结果,我们提出麦穗在水分胁迫条件下能够维持较好的光合性能可能与麦穗根部对于麦穗和旗叶的供水能力不同有关,而麦穗光合结构本身对于脱水的耐受性并没有显著高于旗叶,甚至低于旗叶。(6)小麦麦穗是重要的光合器官。然而在大田条件下,麦穗和旗叶光合能力对小麦籽粒灌浆的影响尚不清楚。选取了中国黄淮海地区6个代表性的冬小麦品种作为研究材料。利用专门设计的叶室对麦穗和旗叶进行了原位测定,在测定过程中保持麦穗和旗叶实际生长的位置和夹角。同时,还研究了麦穗层和茎叶层的光能截获,以及麦穗和旗叶遮光处理对籽粒灌浆和籽粒产量的影响。结果表明,一个小麦穗的光合能力与一片旗叶光合能力相当,其中一些品种的麦穗光合高值持续期长于旗叶。而一天中,穗层可以拦截总光合有效辐射的45-58%。总的来说,麦穗在一天中的总光合积累量与旗叶相当,甚至超过旗叶。麦穗光合对籽粒灌浆和籽粒产量的影响显著大于旗叶,而其对最终产量的贡献率能够达到38%-68%。总之,麦穗具有很强的光合能力,同时其具有较好的光照环境,而麦穗光合对于籽粒产量贡献巨大。因此,将来我们在选育高产小麦品种时,不仅要选育叶片高光效品种,还应该考虑选育穗高光效品种。
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S512.11

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