山东小麦品种更替过程中光合性能的演变及其对籽粒产量的影响

Photosynthesis is the most important source of crop yield. Further development in grain yield potential will rely on improving photosynthesis. In this item, 25 wheat cultivars widely planted in Shandong province at different eras will have been grown in Taian, Jinan, Heze and Dezhou for three growing seasons. The evolution of the important traits for yield and agronomy will be investigated, together with the effects of genotype, environment and their interactions. Eight cultivars will be selected from 25 cultivars to research their evolution of photosynthetic characteristics and relationships with grain yield and agronomic traits. In order to elucidate the effects on yield of light capture differing in canopies, and the key factors influencing improvements in light use efficiency and yield by light and dark reaction during photosynthesis, the changes of light interception efficiency of canopies photochemical efficiency of photosystem II and I and the energy transmission and partitioning between two photosystems (assessed by parameters of chlorophyll fluorescence) and CO2 assimilation rate (Pn) will be detected in wheat cultivars released at different years. Therefore, the bottleneck of photosynthesis affecting yield potential is expected to discover for future genetic improvement. In addation, the contents and activities of the rate-limiting enzymes involving in carbohydrate metabolism, such as Rubisco, SPS, and AGPase, will be investigated to illustrate the mechanisms of transportation and partition of assimilates, and starch accumulation in endosperm. The current study will improve the understanding of yield-limiting factors involving in light conversion efficiency and inform future breeding strategies to improve biomass and grain yield through optimizing photosynthetic characteristics.

光合作用是作物产量形成的基础，今后产量潜力的突破最有可能源于光能利用效率的提高。本研究以山东省8次品种更替中的25个大面积主推品种为材料，在泰安、济南、菏泽、德州4个地点3年种植，研究产量和农艺性状的演变规律，明确基因型、环境及其互作对产量的影响。选取8次品种更替过程中8个代表性品种，研究不同品种群体结构对光能截获效率、光系统II和光系统I的光化学效率及二者之间的能量传递和分配（叶绿素荧光参数）、CO2同化效率在小麦品种更替过程中的演变规律，探明不同群体结构的光能利用对产量形成的影响，确定光合作用过程中光、暗反应影响小麦光能利用效率和产量提高的主要因素，阐明光合作用的关键环节；研究光合同化物代谢的关键酶基因表达水平和活性演变规律，探明光合同化物的运转分配和储藏淀粉合成影响籽粒产量形成的机制；进而探索通过改良光合性能提高光能利用效率、提高小麦生物学产量和经济产量的有效途径和技术手段。

光合作用是作物产量形成的基础，通过改善光合性能、提高光能利用效率进一步提高小麦的产量潜力是小麦遗传育种的重要目标。本研究对山东省建国以来8次品种更替过程中的25个主推品种（8个代表品种）进行分析，结果表明，在品种更替过程中，叶绿素含量、净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（CE）、光系统II实际光化学效率（ΦPSⅡ）等指标呈升高的趋势，叶片功能期延长，光合性能得到明显改善，光化学效率（Fv/Fm）变化不明显，小麦光能利用效率不断提高，这可能是籽粒产量提高的重要生理基础；但呼吸速率升高，影响了同化产物的积累，不利于籽粒产量的提高。小麦淀粉合成过程中相关淀粉合成酶SuSy和UGPase活性、AGPase和SSS活性及其编码基因相对表达量表现出比较明显的时代变化趋势；籽粒产量和旗叶游离氨基酸含量呈上升趋势；小麦品种群体结构有所改善，叶片衰老速度变慢；氮素转运效率不断提高，但是籽粒蛋白质产量没有明显提高；氮代谢过程中相关酶类（NR、GS和GOGAT）酶活性及其编码基因相对表达水平升高，NiR酶活性及其编码基因相对表达量变化规律不明显。通过全面分析小麦品种更替过程中光合性能与产量和农艺性状的关系表明，在今后的新品种选育中，应该综合考虑淀粉关键酶活性及基因表达水平的遗传改良、光能的吸收利用、碳同化物合成及运转分配等各个环节，指导高光效育种。.另外，通过对山东省建国以后62个主推品种进行遗传多样性演变分析，筛选到24对有较好多态性的引物，共扩增到100个等位变异片段，发现三个染色体组的位点多态性存在明显差异，平均遗传丰富度、遗传多样性指数和平均遗传距离呈现先下降后上升再下降的趋势。对1999年至2010年山东省审定的55个小麦品种进行研究，结果表明山东省近年审定品种产量平均每年提高61.65 kghm-2，粒重呈显著上升的趋势。生育期平均每年缩短0.57 d，株高、最大分蘖数下降，成穗率上升。提高成穗率、增加单位面积穗数可能是进一步提高产量潜力的关键。蛋白质和湿面筋含量指标相对较高，但沉降值和稳定时间等指标相对较低，指标间不协调，今后应更加重视品质性状的综合改良。