一种基于基本电生理参数快速选种的方法

技术领域

本发明涉及一种基于基本电生理参数快速选种的方法，属于植物选种领域。

背景技术

为解决我国蔬菜种业优质种质资源保护不足、部分蔬菜品种严重依赖国外种质资源等难题，各育种单位深入实施种业振兴行动，特别是随着生物技术的发展更是加快了育种进程，提高了育种效率，蔬菜新品种数量“井喷式”增长。但这给新品种鉴定工作带来了新的挑战。

目前，新品种鉴定工作存在检测技术手段落后的问题，另外，市场上的种子良莠不齐，低水平重复性育种现象较为突出。先前主要通过生长指标、人工品评、荧光扫描法、化学鉴定法、DNA分子标记鉴定法、近红外光谱法、高光谱图像法等方法来鉴定品种种子或植株。这些方法投入过高、费时费力，鉴定周期较长，且很难区分亲缘关系较近的品种。因此，如何快速准确鉴定优良蔬菜品种成为亟待解决的问题。

植物的电学特性可反映其生理活动状况，又称电生理，当受到逆境影响时，植物各种细胞和组织的新陈代谢活动不稳定，势必在电学特性上有所反映(李怀方,董汉松.1995.植物诱导抗病性的电生理学.北京:科学出版社)。因植物电生理信息具有响应灵敏、可实时监测、测量简便等优点，已被广泛应用于植物水分、养分及生命力的检测，有关研究也取得较大进展。利用自制平行板电容器对植物叶片进行原位实时测量，所采集到的电生理信号包括生理电容(C)、电阻(R)、阻抗(Z)等，这些即时指标能够反映植物的实时生长状况。根据能特斯方程，可以建立夹持力与电生理参数值之间的关系，进一步计算获取夹持力为零时的电生理参数值，即为植物叶片的固有电生理信息。Zhang等基于生理电容和叶片水势定义并计算了植物的叶片紧张度，用于反映植物的抗旱性，同时基于植物电生理特征建立了菌核病早期识别预测方法。Xing等根据诸葛菜幼苗的电生理特性，利用能斯特方程推导并定义了叶片水分耗散速率，用于探测植物水分的变化。Xing等结合叶片紧张度和干重生物量，通过电生理参数的在线监测快速预测了诸葛菜复水时间点。Wu等基于电生理参数，发明了一种植物叶片细胞代谢能的测定方法。Chen等基于植物叶片的细胞代谢能探究植物能量分配特征。

植物几乎所有的生命活动都伴随着电活动，不同品种的作物，在生理活动上也有一定差别。因此，可将植物电生理信息作为品种鉴定的辅助手段，通过植物内部生理活动的差别来区分品种。植物叶片电生理参数值随叶片细胞电解质浓度的变化而变化，且其受测定时期、环境、水分及代谢状况影响较大。因此，为方便比较，可使各植物叶片细胞统一都达到饱水稳定状态(如将新鲜植物叶片浸泡30分钟)，并将此定义为植物叶片细胞固有状态，最大限度减少环境因素对电生理参数值的影响，获取该状态下植物叶片电生理参数值，计算叶片细胞水分、养分代谢特征、细胞代谢能及相对代谢活力，分析不同物种及各物种不同品种之间的生理差异，以期探究基于植物电生理的快速准确鉴定优良品种。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供基于基本电生理参数快速选种的方法，以解决现有鉴定品种技术中投入过高、费时费力，鉴定周期较长，且很难区分亲缘关系较近的品种等问题。

本发明的技术方案是：一种基于基本电生理参数快速选种的方法，包含以下步骤：(1)测量植株叶片饱水状态、夹持力为4.1±0.1N下的生理阻抗Z、生理电阻R和生理电容C，然后分别计算植物叶片的X

(2)根据植物叶片生理电容C计算植物叶片相对胞内持水量WHC，再根据植物叶片生理电容C和生理阻抗Z计算植物叶片相对胞内持水时间WHT，再以WHC和WHT计算植物叶片水分转移速率WTR；

(3)根据植物叶片生理电阻R和生理感抗X

(4)依据植物叶片生理容抗X

(5)依据植物叶片生理电阻R、生理阻抗Z、生理容抗X

(6)通过隶属函数法计算各电生理指标的隶属函数值和平均隶属函数值，以平均隶属函数值的大小代表供试品种水分及养分代谢的综合评价，综合评价隶属函数值越高，品种越优良。

所述的步骤(2)中计算公式为：

WHT＝C*Z 2.4

所述的步骤(3)中的计算公式为：

营养总传输能力＝NAT+NPT 2.10。

所述的步骤(4)中的计算公式为：

NAC＝UAF*STR 2.13。

所述的步骤(5)中的计算公式为：

MR＝STR*NAC 2.15

所述的隶属函数公式为U(X

本发明的有益效果：本研究通过植物基本电生理参数(如C、R和Z等)的快速检测，根据Nernst方程，推导计算叶片细胞水分、养分代谢特征及细胞代谢能等指标，比较品种之间以及杂交组合与亲本之间电生理信息的差异特征，可以分析不同植物之间的品种电生理特征差异。通过建立电生理信息与杂种优势之间的关系，为利用电生理信息评估植物品种优劣以及杂种优势提供理论依据，对快速选育优势种具有重要意义。与传统的评价方法相比，利用植物电生理的鉴定技术测量简便，鉴定周期较短，具有可靠性、普适性，并且能够显著的降低成本；与先前的基于电生理的抗逆品种选择方法相比，本方法减少了繁琐的构摸过程以及计算过程，在计算方法上更为简便，另外还综合考虑了植物叶片的代谢指标，使评价结果更为综合可靠。

附图说明

图1为三种植物叶片细胞胞内水利用参数比较；

图2为三种植物叶片主动转运参数；

图3为三种植物叶片代谢参数比较；

图4为三种植物十个品种4.1N下叶片胞内水分利用参数比较；

图5为饱水状态下菜心的相对代谢活力。

具体实施方式

实施例1

试验于2022年9月至2023年4月在江苏省张家港市江苏中芯种业科技有限公司蔬菜大棚(120°46′19.74″E,31°52′43.53″N)内进行。以该公司培育的小白菜(2号、3号、6号、苏州青)、西兰花(81号、F1号、hubu)和榨菜(12号可育、13号不育、22号)为实验材料，共计3个物种，10个品种。每个供试品种为一个处理，各处理随机排列。小白菜于2022年12月露地育苗，次年3月移栽；西兰花F1号和80号于2022年9月8日育苗，10月15日移栽，hubu种植时间稍晚，2022年10月育苗，12月移栽；榨菜于2022年12月初直播，后间苗，施基肥，以后进行常规田间管理。

2023年3月，对长势基本一致的新鲜叶片进行测定。先摘取植株从上至下的第三、四、五叶位的完全展开叶，立即放入水中浸泡30分钟，后除去叶片表面水分备测。测定时，连接LCR测试仪(3532-50,HIOKI,日本日置)，使用并联模式，测试电压和频率分别为1.5V和3.0kHz。然后，将叶片加在直径为7mm的平行板电容器的两个铜电极之间，测定在4.1N夹持力下植物叶片的电生理参数，该夹持力下电生理参数最为稳定，以所测定的生理阻抗Z、生理电阻R和生理电容C来反映叶片中的电解质浓度进而反映叶细胞的生理状况。每个叶片测量3个不同部位，每种处理水平重复测定5次，共计15组数据，取其平均值。采用Excel 2016和SPSS 22.0软件进行数据统计和方差分析，采用Origin2022绘图。

根据公式2.1和2.2分别计算4.1N下植物叶片的X

式中X

根据植物叶片生理电容C计算植物叶片相对胞内持水量(WHC)，再根据植物叶片生理电容C和生理阻抗Z计算植物叶片相对胞内持水时间(WHT)，再以WHC和WHT计算植物叶片水分转移速率(WTR)：

WHT＝C*Z 2.4

根据植物叶片生理电阻R和生理感抗X

营养总传输能力＝NAT+NPT 2.10

依据植物叶片生理容抗X

NAC＝UAF*STR 2.13

依据植物叶片生理电阻R、生理阻抗Z、生理容抗X

MR＝STR*NAC 2.15

三种植物电生理指标比较

从表1可得，小白菜和榨菜叶片的C值显著高于西兰花，但小白菜和榨菜叶片的Z、X

表1三种植物4.1N下叶片电生理指标比较

根据表1中4.1N下植物的电生理参数计算了小白菜、西兰花、榨菜的胞内水分利用参数，见图1。小白菜和榨菜的的IWHC值显著高于西兰花；西兰花和小白菜的IWHT值显著低于榨菜，但西兰花和小白菜的IWTR值则明显高于榨菜。

根据表1中4.1N下植物的电生理参数计算了小白菜、西兰花、榨菜叶片细胞营养利用参数，如表2所示。小白菜的NAT、NPT和NAT+NPT值均显著高于西兰花和榨菜，但其RLN和NUE值显著较低。西兰花和榨菜叶片细胞营养利用参数无显著差别。

表2三种植物叶片细胞营养利用参数比较

根据表1中4.1N下植物的电生理参数计算了小白菜、西兰花、榨菜的植物叶片主动转运参数，见图2。小白菜叶片单位面积养分主动转运流量(UAF)显著低于西兰花和榨菜叶片的该值；榨菜的叶片养分主动转运能力(NAC)显著低于小白菜和西兰花叶片的该值。

据表1中4.1N下植物的电生理参数计算了小白菜、西兰花、榨菜的植物叶片代谢参数，见图3。榨菜叶片代谢速率(MR)显著低于小白菜和西兰花叶片；三种植物的相对代谢活力(MA)从大到小为：榨菜>小白菜>西兰花。

三种植物不同品种电生理指标比较

2号和6号小白菜各电生理指标均无显著差距。3号小白菜的叶片生理电阻R、生理阻抗Z显著低于苏州青；3号小白菜叶片生理电阻R显著低于其他品种的小白菜。小白菜4个品种的生理感抗XL无显著差别。

西兰花hubu叶片生理电容显著高于80号，显著高于F1号；而生理容抗X

榨菜12号叶片生理电阻显著高于13和22号。榨菜22号叶片生理电容显著高于12号和13号，但生理阻抗显著低于12号和13号榨菜。3个品种的生理容抗X

表3三种植物十个品种4.1N下叶片电生理指标比较

根据表3中植物叶片的电生理参数计算小白菜、西兰花、榨菜共10个品种的胞内水分利用参数，见图4。2号、6号小白菜和苏州青的胞内水分利用参数均无显著差异。3号小白菜的胞内持水量(WHC)和胞内水转移速率(WTR)显著低于其他品种小白菜。80号、F1号西兰花与hubu西兰花差距较大，其胞内持水量和胞内持水时间显著低于hubu；但三者的胞内水转移速率(WTR)无显著差异。榨菜22号叶片WHC和WHT显著高于12和13号。三个品种的WTR由大到小为：12号>13号>22号。

根据表3中植物叶片的电生理参数计算小白菜、西兰花、榨菜共10个品种叶片细胞营养利用参数，如表4所示。2号、6号小白菜叶片细胞营养利用参数无显著差异。四个品种小白菜叶片细胞NAT、营养总传输能力从高到低为：2号、6号小白菜>苏州青>3号小白菜；叶片细胞RLN、NUE从高到低为：3号小白菜>苏州青>2号、6号小白菜。3号小白菜的NPT最低。

80号西兰花与F1号西兰花差异不显著。80号、F1号西兰花与hubu西兰花差距较大：80号、F1号西兰花叶片细胞NAT、NPT及营养总传输能力显著低于hubu，但RLN、NUE显著高于hubu。

13号不育榨菜与22号榨菜叶片细胞营养利用参数无显著差异。12号可育榨菜与13号不育榨菜、22号榨菜叶片细胞营养利用参数差异显著：12号可育榨菜的NAT、NPT及营养总传输能力显著高于13号、22号榨菜，但RLN、NUE显著低于13号、22号榨菜。

表4三种植物十个品种叶片细胞营养利用参数比较

不同电生理特征的隶属函数分析

通过隶属函数法计算各电生理指标的隶属函数值和平均隶属函数值，以平均隶属函数值的大小代表供试品种水分及养分代谢的综合评价(表5)。

表5三种植物品种各电生理特征的隶属函数值

榨菜12号可育系比起13号不育系，具有更高的叶片生理电阻、胞内水分转移速率、叶片养分主动转运能力(NAC)、叶片营养主动传输能力(NAT)、叶片营养被动传输能力(NPT)、营养总传输能力、叶片代谢速率MR，表明可育12号榨菜比不育13号榨菜水分养分转输更快、代谢也更为旺盛，生长力更旺盛，但可育榨菜12号在耐低营养能力以及营养利用效率方面逊色于不育13号。

实施例2

实验于2022年9月至2023年4月在江苏省张家港市江苏中芯种业科技有限公司蔬菜大棚(120°46′19.74″E,31°52′43.53″N)内进行。以该公司培育的菜心(1号、2号、3号、4号、7号、8号、15号、16号、17号、18号、20号、21号、24号、杂交芸港芯50)为实验材料，共计14个品种，其中杂交芸港芯50的父本为1号(可育)，母本为2号(不育)。每个供试品种为一个处理，各处理随机排列。选用保水保肥的有机质含量高的沙壤土，于2022年12月初直播，后间苗，施底肥，晴天早晚各淋水一次，潮湿天气则少淋水，保持土壤湿润但不积水。饱水状态下，4N下不同品种菜心叶片的水分及养分代谢参数见表6、表7。结果表明，杂交芸港芯50的WHC和WHT值显著高于其他品种的菜心，WTR值则显著低于其他品种。杂交芸港芯50的叶片NAT和NPT显著低于其他品种的菜心，RLN和NUE值则显著高于其他品种。杂交芸港芯50的MA值显著高于其他品种(图5)。菜心1号、12号、15号的水分、养分代谢指标及MA值均无明显差异。

表6饱水状态下菜心的水分代谢

表7饱水状态下菜心的养分代谢

不同电生理特征的隶属函数分析

通过隶属函数法计算各电生理指标的隶属函数值和平均隶属函数值，以平均隶属函数值的大小代表供试品种水分及养分代谢的综合评价。参试的4个品种中，杂交芸港芯50的综合评价隶属函数值为0.5556，优于其他三个品种(表8)。

表8 4个菜心品种各电生理特征的隶属函数值

杂交芸港芯50的水分传输效率低可能由木质素含量较低造成，因此茎秆会更脆。同时，养分利用效率高，植株就能够有效吸收养分，快速生长，同时促进植物的多种代谢调节物质例如可溶性糖含量积累，因此杂交种菜心会更甜，口感更好。综合来说，胞内水分、养分代谢对菜心的品质形成具有重要影响。

通过隶属函数法对供试品种水分及养分代谢的综合评价的结果表明，参试的4个品种中，杂交芸港芯50的综合评价优于其他三个品种。进一步说明植物电生理信息能良好地表征植物的生理状态，因此，可通过电生理信息来鉴定植物杂种优势。