马铃薯(Solanum tuberosum L.)是茄科(Solanaceae)茄属(Solanum)一年生草本植物，起源于南美洲的秘鲁和智利地区^[1]。马铃薯引入中国已有400多年，目前中国已成为世界上马铃薯种植面积最大、总产量最高的国家^[2-3]。马铃薯是中国继水稻、小麦和玉米之后的第四大主粮作物，对缓解中国食物安全压力有重要作用^[3]。

马铃薯块茎中95%以上的干物质含量来自光合作用的积累^[4]，光合作用对马铃薯的代谢过程十分重要。光合速率在很大程度上反映了马铃薯干物质的积累能力^[5]。已有研究多聚焦马铃薯的光合日变化和光合速率等光合参数^[6-9]，关于染色体倍性和光合作用的关系研究较少，但在其他作物上的研究却并不罕见。研究发现：三倍体西瓜的光合速率比二倍体高^[10]，但三倍体无籽西瓜的光合速率与二倍体普通西瓜无显著差异^[11]；四倍体萝卜与二倍体萝卜的净光合速率、气孔导度、胞间CO₂浓度、蒸腾速率的动态变化趋势大体一致，但总体来说，四倍体萝卜的光合参数值高于二倍体^[12]；四倍体白桦的全天最大净光合速率比二倍体高24.81%，光饱和点、光补偿点和羧化效率等光合指标差异极显著^[13]；二倍体大青杨与三倍体、四倍体大青杨的净光合速率(P_n)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)等光合参数差异显著，且三倍体大青杨的P_n比二倍体高21%^[14]；四倍体杜仲的光合能力比二倍体高^[15]；四倍体与二倍体短白梗白菜的P_n日变化均呈单峰曲线^[16]。前人对不同植物的二倍体及其多倍体植株的光合特性分析表明二倍体植株的光合能力与四倍体存在差异。

与二倍体植株相比，多倍体植株通常表现为植株高大，茎秆粗壮，叶面积增大，光合能力较强，这些性状都是植物高产的基础。多倍体植物对外界环境的适应性较强，表现出较强的抗寒、抗旱、抗病等抗逆性。就马铃薯而言，目前应用于生产栽培的均是四倍体(2n=4x=48)，但四倍体马铃薯遗传背景较为狭窄，基因库相对贫乏；二倍体马铃薯(2n=2x=24)遗传资源丰富，具有很多抗逆性基因，但是二倍体与四倍体存在杂交障碍，故二倍体马铃薯优异的抗逆性基因很难被利用。前期工作中，作者通过秋水仙素处理二倍体马铃薯的单节茎段获得马铃薯同源四倍体，这对于筛选马铃薯优良育种材料具有重要意义，但是获得的新种质的光合特性并不明确，因此本研究对二倍体马铃薯品系与加倍形成的四倍体新个体的光合特性进行了比较，初步明确加倍个体的光合生理规律，为马铃薯二倍体利用提供参考。

1.   材料与方法

1.1   试验材料

供试马铃薯品系为二倍体(2n=2x=24)和染色体加倍个体(2n=4x=48)。二倍体马铃薯由云南农业大学薯类作物研究所保存，加倍个体则通过秋水仙素溶液浸泡处理二倍体马铃薯的单节茎段，经流式细胞仪检测确认^[17-20]而获得。

1.2   试验方法

首先进行马铃薯二倍体与加倍个体的组织培养扩繁，20 d后将组培苗移到炼苗室炼苗，1周后移栽至云南农业大学薯类作物研究所温室中盆栽种植。选择两个马铃薯品系的倒4叶顶小叶，采用Li-6400便携式光合作用测定仪(Li-Cor，USA)分别在移栽45、60、75、90、105 d后测定二倍体和加倍个体的净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、胞间CO₂浓度(C_i)和蒸腾速率(T_r)；于盛花期测定二倍体和加倍个体的光响应曲线和CO₂响应曲线。

1.2.1   移栽后不同时期光合指标的测定

移栽后不同时期的光合指标为控制条件下的测定值，于上午11：00—13：00进行。选择长势一致的二倍体和加倍个体各6株进行光合参数的测定，为了避免因测定时间造成的影响，分不同时间段3次交替测定，共测定18个重复值。测定时设置光强为1 200 μmol/(m²·s)，温度25 ℃，相对湿度60%，CO₂摩尔分数为400 μmol/mol^[21]，空气流速为300 mol/s，每个点稳定2 min后进行仪器自动匹配并记录数值，记录参数包括叶片净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)、胞间CO₂浓度(C_i)。

1.2.2   光响应曲线测定

于盛花期测定二倍体和加倍个体植株的光响应曲线，每个材料测3次重复。使用CO₂注入系统，将参比室CO₂含量控制为400 μmol/mol，叶室温度控制为(25±5) ℃，夹上叶片后于1 200 μmol/(m²·s)光强下诱导10~15 min，数据稳定后启动自动测量程序，光照强度从大到小依次设为：1 200、1 000、800、600、400、300、200、150、100、80、60、40、20、10和0 μmol/(m²·s)。每个光强下稳定180 s后记录净光合速率(P_n)。根据WEBB等^[22]提供的方法拟合P_n-PFD光响应曲线，拟合模型表达式为：

式中，a、b和c是与光合有效辐射(PFD)相关的系数。根据式(1)中系数计算相应的最大净光合速率(P_nmax)=a，暗呼吸速率(R_d)=a−c，光补偿点(LCP)=ln(a/c)×(−1/b)，光饱和点(LSP)=ln (0.1×a/c)×(−1/b)，表观量子产额(AQY)=b·c·e^{[b·(−LCP)]}。

1.2.3   CO₂响应曲线测定

于盛花期测定二倍体和加倍个体植株的CO₂响应曲线测定，每个材料测3次重复；测定CO₂响应曲线时，参比室CO₂摩尔分数梯度依次设置为400、300、200、100、80、50、400、400、600、800、1 000、1 200 μmol/mol (用Li-6400自带的CO₂注入系统控制)，光和有效辐射设置为1 200 μmol/(m²·s)，其他设置条件与光响应曲线测定设置的条件相同，仪器在稳定180 s后自动记录该摩尔分数梯度下的P_n和胞间CO₂浓度(C_i)，将P_n-C_i响应曲线的直线部分按非直角双曲线模型^[23]进行拟合：

根据式(2)中各参数，计算所对应的羧化效率(CE)=k、CO₂补偿点(CCP)=−b/k，并计算光呼吸速率(RL)= CE·CCP，参照BERNACCHI等^[24]的方法计算最大羧化速率(V_cmax)和最大电子传递速率(J_max)。

1.3   数据处理

数据采用SPSS 21.0统计分析软件进行单因素方差分析(ANOVA)，采用Student’s t-test (P<0.05)来检验二倍体和加倍个体间的显著差异。采用Excel 2010进行图形绘制，采用SigmaPlot 10.0进行光响应曲线和CO₂响应曲线拟合。

2.   结果与分析

2.1   不同时期二倍体与加倍个体马铃薯光合作用的比较

由图1可知：加倍个体和二倍体的净光合速率(P_n)均呈现先上升后下降的趋势，并在移栽后60 d达到峰值，分别为16.56、19.35 μmol/(m²·s)；在同一时期，加倍个体的P_n明显高于二倍体，并在移栽后60、75 d呈现显著差异(P<0.05)。移栽后45 d，二倍体和加倍个体的气孔导度(G_s)均最大，且二倍体高于加倍个体，但未呈现显著差异；移栽后60、75 d，加倍个体的G_s显著高于二倍体(P<0.05)。移栽后45~90 d，加倍个体和二倍体的胞间CO₂浓度(C_i)呈下降趋势，说明在这段时间加倍个体和二倍体所利用的CO₂越来越多；在90 d时，二倍体马铃薯的C_i显著高于加倍个体。在移栽后60、75 d，两个种质的蒸腾速率(T_r)差异显著 (P<0.05)，且表现为加倍个体高于二倍体马铃薯，这与两个种质P_n的变化相一致。

图  1  不同倍性马铃薯在不同时期的光合参数比较

注：不同小写字母表示采用Student’s t-test分析二倍体与加倍个体在0.05水平下的显著差异，值表示为均值±标准误(n=18)。

Figure  1.  Comparison of photosynthetic parameters of different ploidy potatoes in different periods

Note: A significant difference between diploid and doubled individual is indicated by lowercase letters (P<0.05) using the Student’s t-test. Values are means±S.E. (n=18).

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2.2   不同倍性马铃薯光响应曲线的比较

由图2可知：二倍体马铃薯与加倍个体的光响应曲线变化趋势相似，均随光照强度的增加P_n增加；当达到一定光照强度后，P_n趋于稳定。当光照强度在0~200 μmol/(m²·s)时，两个种质的P_n随光照强度的增加上升较快，但差异不大，之后继续上升，最后趋于稳定，在整个变化过程中，加倍个体的P_n高于二倍体，但不存在显著差异。由表1可知：加倍个体的最大净光合速率(P_nmax)、光饱和点(LSP)均显著高于二倍体，分别升高16.12%、13.00%。加倍个体的光补偿点(LCP)低于二倍体，但没有达到显著水平，说明加倍个体利用弱光的能力比二倍体强，在高光照和低光照条件下均可以进行光合作用。

图  2  光响应曲线和二氧化碳响应曲线

Figure  2.  Curves of diploid and doubled individuals

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表  1  不同倍性马铃薯光合特征参数（mean±SE，n=3）

Table  1.  Photosynthetic characteristics of potato genotypes

光合参数photosynthetic parameters	二倍体diploid	加倍个体doubled individual
最大净光合速率(Pnmax)/(μmol·m−2·s−1) maximum net photosynthetic rate	13.77±0.98 b	15.99±0.62 a
光饱和点(LSP)/(μmol·m−2·s−1) light saturation point	968.83±26.69 b	1 094.82±65.18 a
光补偿点(LCP)/(μmol·m−2·s−1) light compensation point	8.78±3.25 a	8.69±6.60 a
暗呼吸速率(Rd)/(μmol·m−2·s−1) dark respiration rate	−0.62±0.3 a	−0.58±0.38 a
表观量子产额(AQY)/(μmol·mol−1) apparent quantum yield	0.07±0.01 a	0.07±0.01 a
羧化效率(CE)/(mol·mol−1) carboxylation efficiency	0.09±0.01 a	0.09±0.01 a
光呼吸(RL)/ (μmol·m−2·s−1) photorespiration	−4.93±0.4 a	−4.79±0.68 a
CO2补偿点(CCP)/(μmol·mol−1) carbon dioxide compensation point	51.67±12.29 a	47.93±10.17 b
最大羧化速率(Vcmax)/(μmol·m−2·s−1) maximum carboxylation rate	106.17±14.72 a	111.2±16.19 a
最大电子传递速率(Jmax)/(μmol·m−2·s−1) maximum electrontransportation rate	244.78±33.45 a	258.5±32.38 a
注：同行不同小写字母表示采用Student’s t-test分析二倍体和加倍个体在0.05水平下的差异显著。 Note: Small letters in each rows indicate a significance between diploid and doubled individual at 0.05 level using the Student’s t-test.

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2.3   不同倍性马铃薯CO₂响应曲线的比较

由图2可知：二倍体马铃薯与加倍个体的CO₂响应曲线变化趋势相似，都是随着C_i的增加P_n也增加；当C_i达到一定值后，P_n趋于稳定不再增加。C_i为0~200 μmol/mol时，二倍体和加倍个体的P_n随C_i的增加上升较快，但差异不大，之后继续上升，最后趋于稳定，在整个变化过程中，加倍个体的P_n均高于二倍体。

2.4   不同倍性马铃薯光响应和CO₂响应参数差异

由表1可知：两个种质的羧化效率(CE)相同，加倍个体的暗呼吸速率(R_d)高于二倍体，但没有达到显著水平，说明在相同条件下，加倍个体自身消耗的有机物少；加倍个体与二倍体的最大羧化速率(V_cmax)与最大电子传递速率(J_max)没有显著差异；加倍个体的CO₂补偿点(CCP)显著低于二倍体，说明加倍个体能够在低光强下利用低浓度的CO₂，固定和转化CO₂的能力较二倍体强，从而光合能力强于二倍体。

3.   讨论

光合作用是植物重要的生理过程之一，光合能力的高低对植物的生长发育具有很大影响。在移栽后60、75 d，加倍个体的净光合速率和气孔导度显著高于二倍体，说明在这两个时期，气孔是影响光合作用的限制因子。本研究中，染色体加倍马铃薯个体和二倍体个体的净光合速率与气孔导度变化趋势一致，气孔导度大，净光合速率高。植物进行光合作用所需的CO₂会受到气孔阻力的影响。加倍后的植株气孔变大，气孔导度升高，相应的气孔阻力减小，进入到细胞中参与光合作用的CO₂增多，导致染色体加倍马铃薯个体的净光合速率高于二倍体个体。胞间CO₂浓度与净光合速率呈现相反的变化趋势，这是因为气孔变大，气孔导度升高，净光合速率随之升高，参与光合反应的CO₂越多，故胞间CO₂减小；但在移栽后60 d时，加倍个体的净光合速率高于二倍体，而胞间CO₂浓度也高于二倍体，分析可能除了气孔导度外还有其他因素影响净光合速率。

比较加倍个体与二倍体马铃薯发现，随着染色体倍性升高净光合速率增大，与傅亚萍等^[25]对不同倍性水稻光合作用的研究结果相一致，这可能是由于DNA发生甲基化或者核仁显性等^[26]，也可能是因为加倍之后植株基因数量增加^[27]，从而引起植株外部形态变化。加倍后的植株通常表现为植株高大，茎秆粗壮，气孔变大，这些特征都有助于光合作用升高。

在光响应曲线中，光饱和点的高低反映了马铃薯叶片利用强光能力的大小。光饱和点越高，说明马铃薯叶片利用强光的能力越强，在强光条件下越不容易产生光抑制现象。而光补偿点和表观量子效率是衡量植物利用弱光能力的重要指标^{[13, 15]}。光补偿点越小、表观量子效率越大表明植物利用弱光的能力越强。本研究表明：加倍个体的最大净光合速率(P_nmax)、光饱和点(LSP)均显著高于二倍体，光补偿点(LCP)低于二倍体，说明加倍个体无论是利用强光的能力还是利用弱光的能力均比二倍体强，加倍个体可利用光的范围比二倍体广。加倍个体的CO₂补偿点(CCP)显著低于二倍体，加倍个体能够利用较低浓度的CO₂，说明加倍个体积累同化物的能力比二倍体强。

4.   结论

染色体加倍马铃薯个体的最大净光合速率、光饱和点均显著高于二倍体，光补偿点低于二倍体，加倍个体的CO₂补偿点显著低于二倍体，表明加倍个体利用弱光的能力比二倍体强，在高光和低光条件下均有较强的光合能力，加倍个体能够利用低浓度的CO₂，固定和转化CO₂的能力强于二倍体。综上所述，加倍个体的光合能力高于二倍体。