西瓜短侧枝突变体slb光合特性研究

包秀萍，高美玲,2，郭 宇，徐 铭，段雅如，安伯函，刘秀杰，刘继秀，高 越

(1 齐齐哈尔大学 生命科学与农林学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；
2 黑龙江省抗性基因工程与寒地生物多样性保护重点实验室，黑龙江 齐齐哈尔 161006；
3 齐齐哈尔市农业技术推广中心，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

西瓜(Citrulluslanatus(Thunb.) Matsum. et Nakai)是重要的葫芦科作物，在全世界范围内广泛种植，我国是世界上最大的西瓜生产国。现有西瓜品种大多属于长侧枝品种，栽培过程中需要消耗大量的劳动力去除侧枝，因此短侧枝或少侧枝西瓜品种培育可以减少人工投入，对实现西瓜轻简化和机械化栽培具有重要意义。

分枝受基因、激素、自然环境等因素的影响[1-4]。不同分枝类型植物具有不同的利用价值，前人发现并研究了大量植物分枝相关的突变体，如番茄LS突变体导致腋生分生组织无法产生[5]；
拟南芥LAS突变体会导致植株在营养生长阶段无法形成侧枝[6]；
黄瓜无侧枝基因nlb被定位到1号染色体[7]；
调控甜瓜侧枝长度性状的基因被定位在185 kb候选区段内[8]；
编码TERMINALFLOWER 1蛋白的Clbl基因调控西瓜的无分枝性状[9]。分枝是植物株型的重要组成部分，不同分枝类型植物对光能的吸收利用能力有所不用。李瑞东等[10]研究发现，大豆少分枝品种在密植时光合性能更加稳定；
水稻矮秆多分蘖突变体因其较多的分蘖导致光合特性受到影响[11]；
桑树幼苗分枝数增加可能造成叶片对光能的竞争增大，从而导致净光合速率下降[12]。在西瓜的光合特性方面也开展了一些研究。徐坤等[13]通过对不同类型西瓜光合特性研究表明，西瓜的光合作用随着植株生长逐渐增强，并且与坐果节位邻近的叶片光合作用最强。Watanabe等[14]研究发现，垂直生长西瓜果实小于水平生长的西瓜果实，这是由于随着叶片位置的降低西瓜垂直生长叶片的光合速率下降。安力等[15]对西瓜和旱砂地籽瓜光合特性的研究表明，西瓜的光合能力优于籽瓜。西瓜后绿突变体叶片的光合能力在叶色由黄转绿过程中得到恢复[16]。饶贵珍等[17]研究发现，与栽培西瓜相比，野生西瓜是高光效植物，且晴天时光合午休现象相对较弱，午休不利于作物的产量。但关于西瓜分枝情况与其光合特性关系的研究尚未见报道。齐齐哈尔大学西甜瓜育种课题组前期在田间首次发现了一个西瓜短侧枝突变体，并将其命名为slb。本研究以短侧枝突变体slb和正常长侧枝GWAS-38的功能叶为试验材料，对2个品系西瓜的光合色素含量、光合参数、荧光动力学参数、气孔密度、长度和开度进行测定并分析，以期了解短侧枝突变体的光合特性，解析短侧枝突变体的群体结构和光能截获特性，为西瓜短侧枝突变体的利用奠定基础。

1.1 供试材料

西瓜短侧枝突变体slb和正常长侧枝GWAS-38，其中slb是齐齐哈尔大学园艺植物遗传研究室在田间偶然发现的一份珍贵短侧枝突变体，但无法获得其野生型，为了研究slb的遗传规律及其调控基因，实验室前期已用西瓜短侧枝突变体slb和正常长侧枝品系GWAS-38配制了遗传群体，进行了遗传分析，并定位到候选基因。因此，本研究用杂交群体的母本GWAS-38作为slb的“野生型”比较它们的光合特性。短侧枝突变体slb在10节之内平均侧枝数为3.3个，平均长度为5.14 cm；
正常长侧枝GWAS-38平均侧枝数为7.2个，平均长度为21.59 cm(图1)。西瓜短侧枝突变体slb和正常长侧枝GWAS-38的表型性状详见表1。短侧枝突变体slb的叶柄长度、果柄长度、雄花花柄长度、节间长度和下胚轴长度分别是长侧枝品系的2.6,1.6,3.3,1.3和1.3倍。

表1 西瓜短侧枝突变体slb和正常长侧枝GWAS-38的表型性状Table 1 Phenotype of short lateral branching mutant slb and normal long lateral branching line GWAS-38

1.2 试验处理

选取slb和GWAS-38外观饱满种子各100粒，温汤浸种，烘箱中催芽，于2021年4月26日播种于育苗穴中，5月25日slb和GWAS-38各定植72株于齐齐哈尔市农业技术推广中心曙光村实验基地大棚中，地膜覆盖，滴灌，株行距为40 cm×60 cm，单蔓整枝，留第2～3个瓜自交授粉，坐果期(播种后58 d)选取长势良好植株第10～15节功能叶，进行光合色素、光合参数、叶绿素荧光动力学参数测定和功能叶气孔分布观察。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 光合色素含量测定 采用乙醇提取法[18]，取功能叶各10片，分别剪碎、混匀，各称取0.2 g叶片，放入装有10 mL体积分数95%的乙醇中避光浸泡，期间反复振荡混匀，直至叶片发白，每组重复3次。然后使用紫外分光光度计分别测量663，645和470 nm波长下的吸光度值，以体积分数95%的乙醇为对照，计算叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、总叶绿素(Chl)和类胡萝卜素(Caro)的含量。计算公式如下：

叶绿素a含量(mg/g)=(12.7A663-2.69A645)×V/(1 000×W)；

叶绿素b含量(mg/g)=(22.9A645-4.68A663)×V/(1 000×W)；

叶绿素总含量(mg/g)=Chl a+ Chl b；

类胡萝卜素含量(mg/g)=(1 000A470-3.27 Chl a-104Chl b)×V/(229×1 000×W)。

式中：A663、A645、A470分别表示在波长为663，645，470 nm下的吸光度值，V代表提取液体积，W代表叶片鲜质量。

1.3.2 光合参数测定 选择晴朗天气，在上午用Li-6400便携式光合仪，在光强1 000 μmol/(m2·s)、CO2浓度400 μmol/(m2·s)测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)，测定时避开主叶脉，每个品系测定7株，取平均值。

1.3.3 荧光动力学参数测定 将选好的功能叶用记号笔标记，用大小适宜的锡箔纸包好，对其进行30 min的暗处理后使用Li-6400便携式光合仪测定叶片的初始荧光(F0)、最大荧光(Fm)及最大光化学效率(Fv/Fm，Fv=Fm-F0)。随后摘掉锡箔纸，进行30 min以上的光活化[19-21]，再测定其光下最小荧光(F0′)、最大荧光(Fm′)、实际光化学效率(Fv′/Fm′，Fv′=Fm′-F0′)、实际光化学量子效率(ΦPSⅡ)、光化学淬灭系数(qP)和电子传递效率(ETR)[22]。

1.3.4 功能叶气孔分布观察 取slb和GWAS-38坐果期功能叶，将叶片平铺于A4纸上，用刀片在叶片中间避开主叶脉部位取大小为1 cm×1 cm的薄片[23]，将薄片转移至滴有水的载玻片上，用吸水纸吸去多余水分，用XSP-8C显微镜在10倍镜下对气孔密度、气孔长度(保卫细胞的长度)、气孔开度(气孔孔径最宽处)进行观察记录。对气孔长度及气孔开度进行测量时，每个临时装片随机选取3个视野，每个视野随机选取3个气孔，取平均值。

1.4 数据处理及分析

运用Excel对所有的试验数据进行整理，SPSS进行数据分析，GraphPad 8.0.2进行绘图。

2.1 西瓜短侧枝突变体slb功能叶光合色素的变化

由表2可以看出，与正常长侧枝GWAS-38相比，西瓜短侧枝突变体slb功能叶的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量、叶绿素a/叶绿素b、类胡萝卜素/总叶绿素差异均不显著，而类胡萝卜素含量显著降低了9.52%。

表2 西瓜短侧枝突变体slb与正常长侧枝GWAS-38功能叶光合色素含量的比较Table 2 Comparison of photosynthetic pigment content of short lateral branching mutant slb and normal long lateral branching GWAS-38 functional leaves

2.2 西瓜短侧枝突变体slb功能叶光合参数的变化

从表3可以看出，西瓜短侧枝突变体slb功能叶的Pn、Gs、Ci和Tr较正常长侧枝GWAS-38分别极显著降低了46.0%，75.0%，18.8%和47.0%。

表3 西瓜短侧枝突变体slb与正常长侧枝GWAS-38功能叶光合参数的比较Table 3 Comparison of photosynthetic parameters of short lateral branching mutant slb and normal long lateral branching GWAS-38 functional leaves

2.3 西瓜短侧枝突变体slb功能叶荧光动力学参数的变化

如表4所示，西瓜短侧枝突变体slb功能叶的初始荧光极显著大于正常长侧枝品系GWAS-38，而其最大荧光、最大光化学效率、实际光化学效率、实际光化学量子效率、光化学淬灭系数和电子传递效率与正常长侧枝品系GWAS-38之间均无显著差异。

表4 西瓜短侧枝突变体slb与正常长侧枝GWAS-38功能叶荧光动力学参数的比较Table 4 Comparison of fluorescence kinetic parameters of short lateral branching mutant slb and normal long lateral branching GWAS-38 functional leaves

2.4 西瓜短侧枝突变体slb叶片表皮气孔分布的变化

如图2所示，在相同视野下，西瓜短侧枝突变体slb坐果期叶片气孔数量明显多于正常长侧枝品系GWAS-38。由图3可以看出，西瓜短侧枝突变体slb气孔密度为269.33个/mm2，极显著大于正常长侧枝GWAS-38的气孔密度112.33个/mm2;短侧枝突变体slb的气孔长度和气孔开度分别为20.31 和5.27 μm，极显著小于正常长侧枝GWAS-38的29.90 和8.84 μm。

叶绿素是植物进行光合作用的重要介质，有吸收、传递和转化光能的作用[24-25]。叶绿素a参与植物对光能的吸收及转化，叶绿素b参与植物对光能的捕捉和传递[26]。类胡萝卜素同样是植物光合色素的重要部分，可以捕获光能以及抵御光的破坏[27]。植物与外界进行物质交换时必须通过气孔，如果Pn、Gs和Ci值均下降，则说明植物的光合作用受到气孔限制[28-31]，此外，植物的光合作用能力还与叶绿素含量有关[32]。本研究结果表明，slb功能叶的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均与GWAS-38差异不显著，而slb的光合参数均极显著小于GWAS-38，slb的气孔密度增加，气孔长度和气孔开度均小于GWAS-38，由此推测slb功能叶Pn值的下降可能是由于叶片Gs下降导致进入气孔的CO2变少。Ci值大小与叶片气孔开度、空气中CO2浓度等因素有关[33]。由于slb与GWAS-38生长环境相同，因此推测Ci值的变化是受到Gs的影响，这与刘落鱼等[34]的研究结果一致。Tr值的下降可能是由气孔开度减小，植物体内水分和气体向外散失困难造成的。由此推断，气孔限制是导致slb光合参数极显著低于GWAS-38的重要因素。

叶绿素荧光参数不仅与植物光合作用紧密相关，还能够反映光系统Ⅱ对光能的利用情况[32]。本研究中slb与GWAS-38功能叶的叶绿素荧光参数Fv/Fm、Fv′/Fm′、ΦPSⅡ、qP和ETR值均无显著差异，说明slb与GWAS-38的光能转化能力、转化效率、电子传递活性、电子传递效率间均无显著差异。本研究中slb的F0值极显著高于GWAS-38，F0值与叶绿素含量有关[35]，但slb与GWAS-38间叶绿素含量无显著差异，推测F0的升高可能与叶绿素含量无关；
光系统Ⅱ反应中心受到破坏或可逆失活会使F0值升高[21]，同时产生光抑制，但slb与GWAS-38的叶绿素荧光参数除F0值升高外均无显著差异，所以，西瓜短侧枝突变体slb的F0值升高到底是何原因造成的，有待进一步研究。

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