光合作用是作物生产力构成的主要因素, 作物不同资源类型和同一类型不同品种间的光合能力存在差异^[1-3]。掌握不同类型和品种的光合特性差异, 有利于高光效亲本的选择和优良品种的筛选, 实现从遗传基础上提高作物产量的可能^[4-5]。数值分类作为一种成熟的分类方法, 已广泛应用于植物光合特性的研究^[6-7]。相较于传统分析法, 数值分类有利于将不同品种或资源间多个性状进行整合, 从而达到综合分类的目的, 便于系统反映实际性状, 逐渐成为亲本选配的重要方法^[8]。

李是原产于我国的古老果树, 适应性强, 分布广泛, 类型多样。全国作物种质资源调查与收集结果显示, 我国现有李种质资源共8个种, 800多个品种与类型^[9]。在我国, 李的新品种培育多以纯系的中国李双亲进行杂交育种^[10], 而其他国家和地区则利用不同李种源进行杂交育种。目前关于李光合特性的研究多集中在同一品种光合特性的研究, 或者同一种源不同品种间的比较研究上。如研究认为李的光合日变化规律呈典型的双峰曲线, 年光合周期中, 以6月上旬至9月下旬为最佳光合生理期, 即新梢停止生长后至叶片衰老前^[11-12]; 还有根据叶位、叶龄、叶色研究其光合特性以及叶片的形态解剖结构^{[11, 13-14]}。这些研究多集中在李单一种源光合特性的比较研究^{[13, 15-18]}, 而针对不同种源的李资源光合特性评价研究较少, 不同种源李的整个生长周期光合作用的研究更鲜见报道。

因此, 本研究以7个不同种源李(中国李、美洲李、杏李、黑刺李、欧洲李、樱桃李、杂交李)的22个品种为材料, 比较在主要生长周期中光合能力的差异, 通过数值分类的方法对其光合特性进行系统聚类, 以期筛选出具有较高光合效率的种质资源, 为李的高光效育种及栽培管理提供参考。

试验于2017年在江苏省农业科学院溧水植物科学基地李资源圃进行。供试材料为不同来源的李资源, 包含7个种源, 共22个品种(表 1)。树龄为8年生, 株距为3 m, 行距为4 m。试验地为黄棕壤土, 肥力适中, 果园管理和树体生长状况良好。

试验于2017年春季(5月下旬)、夏季(8月上旬)、秋季(10月上旬)晴朗无风天气时, 选取树冠外围健壮枝梢中部的成熟功能叶进行光合参数测定, 所选枝条周围结果枝坐果量一致, 避免"库-源"关系影响。选择气候条件基本相似的连续时间段进行测定, 以确保试验的准确性。采用Li-6400便携式光合测定系统测定, 开放式气路, 从07:00—17:00每隔2 h测定李叶片的光合日变化。测定的参数:净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)、胞间CO₂浓度(C_i), 并计算水分利用效率(WUE):WUE=P_n/T_r。

试验数据采用SPSS 20.0软件、Excel 2010软件以及AutoCAD软件进行处理。采用SPSS 20.0软件中的系统聚类进行聚类分析, 聚类方法采用离差平方和法, 样品之间的距离采用平方欧式距离。P_n和T_r的日积分值(DIV)利用AutoCAD软件计算日变化曲线围成的面积得到^[19]。

由表 2可见:按P_n日积分值进行聚类, 不同李资源可聚为3类。Ⅰ类包括6个品种, P_n日积分值均值为101.11 μmol·m^-2·s^-1, 为高光合速率类型; Ⅱ类包括8个品种, P_n日积分值均值为87.15 μmol·m^-2·s^-1, 为中等光合速率类型; Ⅲ类包括8个品种, P_n日积分值均值为73.12 μmol·m^-2·s^-1, 为低光合速率类型。根据种源分析, 高光合速率类型包含杂交李、黑刺李、欧洲李和中国李; 中等光合速率类型包含美洲李、樱桃李、杂交李和中国李; 低光合速率类型包含中国李和杏李。杂交李在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类中分别占50%、50%和0%;中国李在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类中分别占15%、31%和54%。国外资源黑刺李、欧洲李、杂交李多属于较高光合速率类型; 中国李资源的光合速率分布类型较分散, 主要集中在中、低光合速率类型。

按照不同季节分别聚类, P_n日积分值由大到小依次表现为春季、夏季、秋季, 这与落叶果树叶片衰老生理周期一致。春季各品种在高、中、低3种类型中分布比较均匀; 夏季各品种主要集中在中等光合速率类型, 占总品种数的50%;秋季以低光合速率类型为主, 占总品种数的54%。其中, 杂交李'安哥诺’、黑刺李'Damas-1869’和中国李'芙蓉李’一直处于高光合速率类型; 而杏李'香扁’和中国李'龙园秋李’'大石早生’'槜李’一直处于较低水平。美洲李和欧洲李分别由春季的高光合速率类型逐步变为秋季的低光合速率类型和中等光合速率类型。

由表 3可见:按WUE日均值进行聚类, 不同李资源可以聚为4类。Ⅰ类包括5个品种, WUE日均值为3.30 mmol·mol^-1, 为高水分利用效率类型; Ⅱ类包括8个品种, WUE日均值为2.93 mmol·mol^-1, 为较高水分利用效率类型; Ⅲ类包括8个品种, WUE日均值为2.59 mmol·mol^-1, 为中等水分利用效率类型; Ⅳ类包括1个品种, WUE日均值为2.18 mmol·mol^-1, 为低水分利用效率类型。根据种源来看, 高水分利用效率类型包含美洲李、杂交李和中国李; 较高水分利用效率类型包含樱桃李、欧洲李、黑刺李和中国李; 中等水分利用类型包含杏李、杂交李和中国李; 低光合速率类型为中国李。其中, 杂交李分布在高、中等水分利用效率类型; 中国李类型分布较为分散, 主要集中在较高、中等水分利用效率类型。

按照不同季节分别聚类, WUE日均值由大到小依次表现为秋季、春季、夏季。根据各类型分布比例来看, 春季和秋季分布较为分散, 体现出不同李资源对环境适应的多样性; 夏季聚类结果成团, 主要集中在中间类型, 占82%。其中, 杂交李'安哥诺’'圣玫瑰’和中国李'酥李’'芙蓉李’一直处于高或较高水分利用效率类型, 说明其抗旱能力较强, 适应性广; 中国李'槜李’一直处于中等或低水分利用效率类型, 对水分敏感。杏李'香扁’原产于黑龙江, 在试验期间由春季的高水分利用效率类型降为夏季和秋季的低水分利用效率类型, 可能该资源不耐华东地区夏季气候, 从而导致叶片提前衰老。

通过相关性分析, 不同李资源光合生理性状在不同时期存在一定差异(表 4)。除秋季外, P_n日积分值、T_r日积分值、G_s这3个指标间均呈极显著正相关关系。在春季, C_i与T_r日积分值、G_s呈极显著正相关关系; WUE与T_r日积分值、C_i呈极显著负相关关系。在夏季, WUE与P_n日积分值极显著正相关, 与C_i极显著负相关。秋季, P_n日积分值与T_r日积分值、G_s、WUE呈显著正相关关系, 与C_i呈极显著负相关关系。对季节均值进行相关性分析, WUE与P_n日积分值显著正相关, 与C_i显著负相关。

进一步主成分分析(表 5)可见, 春季, 前2个主成分(PC1、PC2)累计方差贡献率达91.06%, PC1占总方差的61.09%。其中, T_r日积分值、G_s为PC1的主导因子, P_n日积分值、WUE为PC2的主导因子, 因此, P_n日积分值、T_r日积分值、G_s、WUE是春季影响李资源叶片光合能力的主导因子。夏季, 前2个主成分(PC1、PC2)累计方差贡献率达91.18%, PC1占总方差的55.30%, P_n日积分值、G_s为PC1的主导因子; PC2占总方差的35.88%, C_i为PC2的主导因子。因此, P_n日积分值、G_s、C_i是夏季2个主成分的主导因子。秋季, 前3个主成分(PC1、PC2、PC3)累计方差贡献率达96.14%, 根据3个主成分的特征向量分析P_n日积分值、G_s、C_i为秋季3个主成分的主导因子。由季节平均值分析得出, T_r日积分值、G_s和WUE为3个季节平均值2个主成分的主导因子。

综合以上分析, 在李生长周期中, P_n日积分值、T_r日积分值、G_s和WUE为影响其光合生理性状的主导因子。

利用筛选出的P_n日积分值、T_r日积分值、G_s、WUE这4个指标对22个不同李资源进行聚类分析(表 6), 当聚类数为3时, 聚类结果较优。Ⅰ类包括6个品种, 黑刺李'Damas-1869’, 欧洲李'大玫瑰’, 中国李'芙蓉李’'嘉庆子’, 杂交李'安哥诺’'圣玫瑰’, 为高光合速率、中等蒸腾速率、高气孔导度、高水分利用效率类型, 与利用P_n日积分值的季节均值的Ⅰ类聚类结果相近, 但与WUE指标的聚类结果有一定差异; Ⅱ类包括5个品种, 为中等光合速率、高蒸腾速率、中等气孔导度、低水分利用效率类型; Ⅲ类包括11个品种, 为低光合速率、低蒸腾速率、低气孔导度、中等水分利用效率类型。

从种源类型来看, Ⅰ类包含黑刺李、欧洲李、中国李和杂交李; Ⅱ类包含中国李和杂交李; Ⅲ类包含美洲李、杏李、樱桃李和中国李。杂交李主要分布在Ⅰ、Ⅱ类; 中国李在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类中分别占15%、23%、62%。说明中国李变异类型丰富; 杂交李光合性状综合表现优于中国李, 与上述单一性状聚类结果一致; 而黑刺李和欧洲李表现出较优的光合潜能。进一步对光合性状最佳的Ⅰ类品种的来源进行分析发现, 中国李品种'芙蓉李’原产于福建, '嘉庆子’原产于江苏, 为典型南方李地方品种, 对夏季高温高湿具有良好的适应性; 杂交李'安哥诺’和'圣玫瑰’原产于美国加利福尼亚州, 气候与我国华东地区相似, 具有良好的适应性。

我国李种质资源丰富, 北起黑龙江, 南至广东皆有分布^{[9, 20]}, 在悠久的栽培历史中形成了适应不同环境的地方良种。中国李经日本传入欧洲和美洲后, 育种家将其与杏李、美洲李等国外李资源杂交, 培育出大量种间杂交种, 改善了李资源的品种和抗性^[21]。张斌斌等^{[4, 22]}对桃杂交F₁代和亲本净光合速率的研究认为选配优良亲本有利于得到高光效的杂种一代。罗俊等^[23]研究发现甘蔗杂种一代主要光合性状P_n和T_r的平均值与亲本一般配合力之和的相关关系达到显著。本研究结果显示, 李资源间光合能力差异显著, 遗传变异大, 与前人研究结果一致^[15-17]。表明在遗传基础方面, 李资源具备高光效亲本选育的条件。

本研究结果表明, 22个李品种按照P_n可分为高、中、低光合速率3类; 按WUE可分为高、较高、中、低水分利用效率4类。对供试的7个不同种源李按P_n进行分类, 黑刺李、欧洲李、杂交李表现优于中国李, 而原产于东北地区的杏李对华东地区适应不良, 田间观测表现为夏季叶片蜷曲合拢, 出现抵制高温逆境的应激反应。此外, 美洲李、欧洲李夏季较春季相比, P_n都有不同程度降低的现象, 这与该资源不耐华东地区夏季强光、温度高、湿度大的气候类型有关。乔玉山^[24]利用分子生物标记技术, 将中国李按照亲缘关系分为北方品种群和南方品种群, 在本研究中, 高光合速率类型中的中国李'芙蓉李’和'嘉庆子’皆为典型南方李品种, 进一步证实了中国李的南方李品种群较北方李品种群能更好适应南方高温多湿的气候。

水分利用效率可反映植物对生存适应的对策, 结合植物的生长特性合理调控水分灌溉模式, 可获得更高的经济效益^[25]。在本研究中, 中国李和杂交李的水分利用类型分布较广, 既存在高水分利用效率类型也存在低水分利用效率类型, 这与曹珂等^[20]对80份杏、李和杏李资源进行光合特性研究结果相一致。但本研究中杏李水分利用效率表现为春季高, 夏、秋季节低, 与曹珂等^[20]关于杏李的水分利用效率高于李的结论有一定差异, 这可能是由于供试材料所处江苏地区与其试验的河南地区气候差异较大所致。而美洲李、欧洲李、黑刺李在夏季表现为中等类型, 在栽培管理这类资源时夏季应及时灌溉, 做好适当遮阴降温措施, 其相关的栽培技术还需进一步的引种试验。

本研究利用单个光合性状对不同时期的供试材料进行聚类, 其结果分类清晰, 能够直接反映出不同时期各材料间的性状差异, 但这种聚类结果稳定性较差, 无法综合评定供试材料的优劣。进一步利用P_n日积分值、T_r日积分值、G_s和WUE这4个指标进行综合聚类, 结果聚为3类, 从中筛选出黑刺李'Damas-1869’, 欧洲李'大玫瑰’, 中国李'芙蓉李’'嘉庆子’, 杂交李'安哥诺’'圣玫瑰’6个光合性状综合表现较优的品种资源, 可以比较全面反映光合性状与自然类型的差异, 其聚类结果也比较稳定, 这与前人在茶树、水稻、马铃薯等作物^[6-8]上的研究结果相似。因此针对光合生理育种的特点, 应根据育种目标, 将主要的单个性状与综合性状相结合考虑效果更佳。由于本研究试验材料有限, 仅涉及7个李种源22个品种, 无法系统涵盖中国境内8大种源, 且只对华东地区进行了试验研究。另外, 由于不同李品种间存在较大地域差异, 系统全面的李种源之间的比较还需要进一步试验研究。