中國春-長穗偃麥草異代換系、異附加系的氮營養性狀

張小村,孔凡美,郭　軍,孔令讓

(1.山東農業大學 食品科學與工程學院,山東 泰安　271018;2.山東農業大學,土肥資源高效利用國家工程實驗室,山東 泰安　271018;3.山東農業大學 農學院,作物生物學國家重點實驗室,山東 泰安　271018)

?

中國春-長穗偃麥草異代換系、異附加系的氮營養性狀

張小村1,孔凡美2,郭軍3,孔令讓3

(1.山東農業大學 食品科學與工程學院,山東 泰安271018;2.山東農業大學,土肥資源高效利用國家工程實驗室,山東 泰安271018;3.山東農業大學 農學院,作物生物學國家重點實驗室,山東 泰安271018)

摘要：為從小麥近緣植物長穗偃麥草中尋找氮高效基因,在高、低氮2個水平下,以中國春-長穗偃麥草二體異附加系和二體異代換系為試材,對其氮素利用特性進行了鑒定和遺傳分析。結果表明:5E附加系氮素生理利用效率在低氮處理下極顯著高于對照中國春，5E代換系氮素生理利用效率在高氮處理下顯著高于對照中國春，4E代換系氮素總累積量和籽粒氮累積量在高、低氮處理下均顯著高于對照中國春，表明5E和4E染色體可能分別攜有促進氮素生理利用效率和促進氮素吸收轉運的高效基因，長穗偃麥草5E和4E染色體可以作為提高小麥氮營養特性的有益基因資源。

關鍵詞：長穗偃麥草;二體異代換系;二體異附加系;氮效率

小麥(Triticumaestivum,AABBDD)是世界上僅次于水稻的第二大糧食作物,是我國第三大糧食作物,也是我國重要的商品糧和戰略儲備糧,在國家糧食安全中具有突出地位。氮肥作為生命元素,在保障小麥高產穩產中具有重要作用[1-3]。我國小麥每年的氮肥用量高達 5 426 kg/hm2[4],但是氮肥利用率僅為22.4%～38.5%[5],損失的氮肥給環境帶來了巨大壓力[6-7]。提高氮肥利用率對于減少小麥生產成本、保護環境均具有重要現實意義。充分挖掘小麥的遺傳潛力,培育氮高效小麥品種,是提高氮肥利用效率的重要途徑之一。然而,由于小麥遺傳基礎狹窄,其本身可利用的氮高效遺傳資源貧乏,嚴重阻礙了小麥氮高效育種進展[8]。而小麥的野生近緣植物中含有豐富的有益基因,因此,從小麥野生近緣植物中尋找氮高效基因,對于小麥氮高效遺傳改良具有十分重要的意義。

長穗偃麥草(Agropyronelongatum,2n=2x=14,EE)是小麥近緣野生種,具有抗病性強、抗逆性好等特點。研究結果表明,長穗偃麥草3E、4E染色體可能含有改良小麥光合作用的高光效基因[9],1E、7E染色體含有抗赤霉病主效基因[10],4E、6E染色體攜有耐低磷營養脅迫基因[11],2E、4E染色體對提高小麥旗葉光合速率的效應明顯,3E、4E及6E染色體上可能攜有對提高小麥產量有利的基因[12],另外,4E染色體上還可能攜有K/Na判別基因,這種基因的耐鹽功能要強于普通小麥4D染色體上的相關基因[13]。并且,長穗偃麥草E基因組與小麥A、B、D基因組的遺傳分化程度相對較小,容易與普通小麥雜交并實現遺傳重組。因此,長穗偃麥草已成為普通小麥遺傳改良不可多得的重要野生近緣物種之一[14-19]。然而,有關長穗偃麥草E組染色體在小麥背景中對氮素利用效率的研究還鮮見報道。

本試驗采用普通小麥中國春為對照，以中國春的長穗燕麥草E基因組附加系、代換系為供試材料,通過研究不同附加系、代換系材料氮效率的變化,探討長穗偃麥草基因組中可能與氮效率有關基因的染色體定位,為利用染色體工程或基因工程手段將有關基因導入普通小麥,以改良這一重要特性提供材料。

1材料和方法

1.1試驗材料

普通小麥中國春-長穗偃麥草(Agropyronelongatum,2n=2x=14,EE)二體異代換系(Disomic substitution lines,DS)7份,分別標記為:DS1E(1D)、DS2E(2D)、DS3E(3D)、DS4E(4D)、DS5E(5D)、DS6E(6D)、DS7E(7D),在這些試材中,普通小麥-中國春的1D-7D染色體分別被長穗偃麥草的1E-7E染色體所替代;普通小麥中國春-長穗偃麥草二體異附加系(Disomic addition lines,DA)7份,分別標記為:DA1E、DA2E、DA3E、DA4E、DA5E、DA6E、DA7E;這些試材中,普通小麥-中國春的正常染色體組中又分別附加了長穗偃麥草的1E-7E染色體。

1.2試驗設計與實施方法

采用田間盆栽試驗,試驗設置了低氮和高氮2個處理,完全隨機試驗設計,重復3次。于2009-2010年在山東農業大學試驗基地進行,試驗用土系潮土,基礎土壤pH值 8.1、有機質18.087 g/kg、全氮1.030 g/kg、全磷0.718 g/kg、堿解氮121.367 mg/kg、速效磷(Olsen-P)8.117 mg/kg、速效鉀(NH4OAC-K)63.248 mg/kg。供試土壤過篩3次,肥料與土壤混勻后裝盆,每盆6.0 kg。每盆施P2O5(NaH2PO4)0.412g、K2O (K2SO4)0.594 g作為基肥,氮肥用量為低氮處理施用純氮(尿素)0.9 g;高氮處理施用純氮(尿素)2.7 g,其中40%做基肥,60% 在拔節期做追肥。

每盆混肥裝土后壓實、澆水,將盆子埋入土中15 cm,均勻播種5粒種子,出苗后留苗勢一致的幼苗3株。根據土壤含水量澆水,每盆澆水量保持一致。2010年6月8日收獲,分別將葉片、穎殼、籽粒裝入紙質信封袋,烘箱70 ℃烘48 h,籽粒自然風干。分別測量地上部和籽粒重量,同時分別測定地上部和籽粒氮濃度。

1.3相關指標測定及計算方法

氮素濃度測定:硫酸-雙氧水消解,凱氏定氮法測定;收獲指數(Harvest index,HI(mg/mg)):籽粒產量/地上部總干物質量×100%;氮素總累積量(Total nitrogen accumulation,TNA(mg/株)):單株地上部氮素累積量的總和;籽粒氮累積量(Grain nitrogen accumulation,GNA(mg/株)):單株籽粒氮素累積量的總和;氮素生理利用效率 (Nitrogen physiological efficiency,NPE(mg/mg)):地上部干質量/地上部氮累積量;氮素利用效率 (Nitrogen use efficiency,NUE(mg/mg)):籽粒產量/地上部氮累積量。

1.4數據分析

數據統計:采用SPSS 18.0分析軟件進行方差分析。

2結果與分析

2.1小麥中國春-長穗偃麥草異代換系和長穗偃麥草異附加系干物質累積分析

相同氮處理下作物的生物量及籽粒產量的高低是評價其特定條件下不同材料養分效率差異的重要表觀指標。以中國春作為參比,比較中國春-長穗偃麥草異代換系和長穗偃麥草異附加系與小麥中國春生物量及產量的差異能夠明確不同氮處理條件下E染色體代換及附加對生物產量及籽粒產量的影響。

2.1.1小麥中國春-長穗偃麥草異代換系的干物質累積由表1看出，高氮處理下的DS5E(5D)總干物質量顯著高于對照中國春。高氮處理下DS1E(1D)收獲指數極顯著低于中國春，DS5E(5D)的收獲指數顯著低于中國春。

2.1.2小麥中國春-長穗偃麥草異附加系干物質累積低氮處理下,DA5E總干物質量極顯著高于對照中國春,高氮處理下,DA5E總干物質量也高于對照小麥中國春,這表明5E染色體含有能增加總生物量的基因。然而,1E-7E附加系單株籽粒產量在高、低氮處理下均低于對照小麥中國春。特別是低氮處理下的DA1E、DA2E、DA3E附加系和在高氮處理下的DA1E附加系,其籽粒產量均顯著或極顯著低于對照小麥中國春,表明這些染色體可能含有對產量不利的基因。尤其是1E附加系,在高低氮處理下單株籽粒產量均顯著或極顯著低于對照中國春(表1),表明這些染色體特別是1E染色體可能含有對產量不利的基因。在高、低氮處理下,1E-7E附加系收獲指數均低于或顯著低于對照小麥中國春。

表1　小麥中國春-長穗偃麥草異代換系和異附加系干物質累積比較

注:*、**.0.05和0.01水平上與背景親本中國春差異顯著。表2同。

Note:*,**.Significant difference with Chinese Spring at 0.05 and 0.01 level.The same as Tab.2.

2.2小麥中國春-長穗偃麥草異代換系和異附加系氮營養性狀的差異

2.2.1小麥中國春-長穗偃麥草異附加系氮素累積量與氮素利用效率由表2看出,在高、低氮處理下,DA5E氮素總累積量、籽粒氮累積量均高于對照中國春,但差異不顯著，表明5E染色體可能攜有氮高效吸收基因。同時,低氮處理下,DA5E氮素生理利用效率極顯著高于對照小麥中國春,表明5E染色體可能攜有氮素生理利用高效基因。

低氮處理下,DA2E氮素總累積量、籽粒氮累積量均顯著低于對照小麥中國春,這表明低氮條件下,2E染色體可能攜有強烈抑制氮素吸收的基因。高氮處理下,DA2E氮素生理利用效率顯著低于對照小麥中國春,表明2E染色體可能攜有抑制氮素生理利用效率的基因。

不論在高氮還是低氮處理下,1E-7E附加系氮素利用效率均低于對照小麥中國春,特別是低氮處理下,DA1E、DA2E、DA5E附加系的氮素利用效率極顯著低于對照小麥中國春,高氮處理下,DA1E、DA2E、DA3E附加系氮素利用效率顯著或極顯著低于對照小麥中國春,表明這些染色體上可能攜有強烈抑制氮素利用效率的基因。

2.2.2小麥中國春-長穗偃麥草異代換系氮素累積量與氮素利用效率在高、低氮處理下，DS4E(4D)氮素總累積量和籽粒氮累積量均顯著高于對照中國春，這表明4E染色體可能攜有促進氮素吸收及向籽粒轉移累積的高效基因。高氮處理下，DS5E(5D)的氮素總累積量和籽粒氮累積量均顯著高于對照中國春。低氮處理下，DS1E(1D)的氮素生理利用效率顯著高于對照中國春，DS2E(2D)、DS3E(3D)、DS4E(4D)和DS6E(6D)的氮素生理利用效率顯著低于對照中國春。高氮處理下，5E代換系氮素生理利用效率顯著高于對照中國春。低氮處理下，1E-6E代換系氮素利用效率均極顯著低于對照中國春。

表2　不同氮處理下小麥中國春-長穗偃麥草異代換系和異附加系氮營養性狀相關指標

3討論

已有研究表明長穗偃麥草染色體攜有大量對小麥改良有益的基因,比如,長穗偃麥草4E染色體可能攜有與耐低磷脅迫特性有關的主效基因[11]、抗赤霉病基因[10]、決定總根長和根系總表面積相關基因[20]、K/Na判別基因[13]等。本試驗表明,長穗偃麥草4E染色體可能攜有增加單株粒重的相關基因,其代換系的單株粒重在高、低氮處理下均高于對照小麥中國春。陳士強等[12]研究也表明,4E染色體對小麥千粒質量和收獲指數有顯著和極顯著的提高作用,整體上對單穗籽粒產量也有提高作用,這說明長穗偃麥草4E染色體對小麥產量的提高有正向效益。

然而,本研究中低氮和高氮處理下,4E代換系的收獲指數小于小麥中國春,4E染色體對小麥中國春收獲指數表現了明顯的負效應,這與陳士強等[12]的研究結果不同。收獲指數是籽粒產量與地上部總干質量的比例,相對低的籽粒產量或相對高的地上部總干質量均可能導致收獲指數偏低。本研究中4E代換系的粒重高于對照小麥中國春,而收獲指數又低于小麥中國春,這可能是因為4E染色體不但對籽粒產量有正效應,對地上部總干質量也有正效應,而本試驗中4E代換系的粒重在高、低氮處理下分別比對照中國春提高0.99%和6.83%,而總干質量則分別比對照中國春提高12.89%和17.83%,可見,4E代換系收獲指數的負效應是由于4E染色體對地上部總干質量的效應高于其對單株籽粒產量的效應。

本試驗中,4E染色體代換系的氮素總累積量在低氮和高氮條件下均高于小麥中國春處理,但是其生理利用效率和氮素利用效率在低氮條件下均顯著低于中國春，在高氮條件下與中國春無顯著差異。這表明,盡管長穗偃麥草4E染色體可能含有氮高效吸收基因,然而,由于4E代換系是外源4E染色體替換掉了普通小麥的4D染色體,在這個過程中,普通小麥本身的相對遺傳平衡被打破,外源基因與普通小麥的核基因或與細胞質基因發生了一系列有利或不利的互作。而普通小麥經過長期人工馴化,基因組之間已經形成復雜又高度協調的有機整體[21-23],因此,其物質分配與代換系相比更加協調。

此外，高氮處理下， 5E代換系的氮素總累積量、籽粒氮素累積量及氮素生理利用效率顯著高于對照中國春，表明5E染色體可能攜有高氮條件下氮素高效吸收及氮素生理利用高效的基因。因此，長穗偃麥草4E、5E染色體可以作為改良小麥氮高效特性的有益基因資源。

參考文獻：

[1]Wang Z,Miao Y,Li S.Effect of ammonium and nitrate nitrogen fertilizers on wheat yield in relation to accumulated nitrate at different depths of soil in drylands of China[J].Field Crops Research,2015,183:211-224.

[2]Hawkesford M J.Reducing the reliance on nitrogen fertilizer for wheat production[J].Journal of Cereal Science,2014,59(3):276-283.

[3]Kaur G,Asthir B,Bains N S.Nitrogen levels effect on wheat Nitrogen use efficiency and yield under field conditions[J].African Journal of Agricultural Research,2015,10(23):2372-2377.

[4]Ti C P,Pan J J,Xia Y Q,et al.A Nitrogen budget of mainland China with spatial and temporal variation[J].Biogeochemistry,2012,108(1/3):381-394.

[5]Liu X,Zhang Y,Han W,et al.Enhanced nitrogen deposition over China[J].Nature,2013,494(7438):459-462.

[6]Zhao X,Zhou Y,Min J,et al.Nitrogen runoff dominates water nitrogen pollution from rice-wheat rotation in the Taihu Lake region of China[J].Agriculture,ecosystems & environment,2012,156:1-11.

[7]Hu X K,Su F,Ju X T,et al.Greenhouse gas emissions from a wheat maize double cropping system with different nitrogen fertilization regimes[J].Environmental Pollution,2013,176:198-207.

[8]Cormier F.Nitrogen use efficiency inwheat in bread wheat(T.aestivumL.):breeding & gene discovery[D]. Clermont-Ferrand:Université Blaise Pascal-Clermont-Ferrand Ⅱ,2015.

[9]魏愛麗,張曉軍.小麥-長穗偃麥草二體代換系(DS3E～e DS4E～e)光合特性研究[J].麥類作物學報,2013(4):736-738.

[10]陳士強,黃澤峰,張勇,等.中國春背景下長穗偃麥草抗赤霉病相關基因的染色體定位[J].麥類作物學報,2012,32(5):839-845.

[11]李玉京,劉建中,李濱,等.長穗偃麥草基因組中與耐低磷營養脅迫有關的基因的染色體定位[J].遺傳學報,1999(6):703-710.

[12]陳士強,黃澤峰,戴毅,等.長穗偃麥草E組染色體對小麥光合速率和產量性狀的效應[J].揚州大學學報:農業與生命科學版,2013(1):50-55.

[13]徐旗,田增榮,朱建峰,等.長穗偃麥草4E染色體上的K/Na判別性狀基因研究[J].西北植物學報,1998(4):31-34.

[14]Placido D F,Campbell M T,Folsom J J,et al.Introgression of novel traits from a wild wheat relative improves drought adaptation in wheat[J].Plant physiology,2013,161(4):1806-1819.

[15]Liu S,Xia G.The place of asymmetric somatic hybridization in wheat breeding[J].Plant Cell Reports,2014,33(4):595-603.

[16]Ceoloni C,Kuzmanovic′ L,Gennaro A,et al.Genomes,chromosomes and genes of the wheatgrass genusThinopyrum:the value of their transfer into wheat for gains in cytogenomic knowledge and sustainable breeding[M]//Genomics of Plant Genetic Resources.England:Springer Netherlands,2014:333-358.

[17]唐朝暉,劉守斌,劉少翔,等.二倍體長穗偃麥草高分子量谷蛋白亞基多態性研究[J].華北農學報,2004,19(1):34-36.

[18]詹海仙,李光蓉,張曉軍，等.小偃麥漸滲系對白粉病和條銹端正抗性的遺傳分析[J].華北農學報,2012,27(5):163-167.

[19]唐朝暉,劉少翊，張蘭萍，等.二倍體長穗偃麥草E組染色體研究進展[J].山西農業科學,2007,35(5):3-5.

[20]彭遠英,宋會興,鐘章成.小麥中國春背景下長穗偃麥草染色體代換對苗期根系形態性狀的效應[J].作物學報,2008,34(6):1104-1108.

[21]Marcussen T,Sandve S R,Heier L,et al.Ancient hybridizations among the ancestral genomes of bread wheat[J].Science,2014,345(6194):1250092.

[22]Feldman M,Levy A A.Genome evolution due to allopolyploidization in wheat[J].Genetics,2012,192(3):763-774.

[23]Berkman P J,Visendi P,Lee H C,et al.Dispersion and domestication shaped the genome of bread wheat[J].Plant Biotechnology Journal,2013,11(5):564-571.

The Nitrogen Use Efficiency inTriticumaestivum-Agropyronelongatumwith Chinese Spring Background under Different Nitrogen Treatments

ZHANG Xiaocun1,KONG Fanmei2,GUO Jun3,KONG Lingrang3

(1.College of Food Science and Engineering,Shandong Agricultural University,Taian271018,China;2.National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer,Shandong Agricultural University,Taian271018,China;3.College of Agronomy,Shandong Agricultural University,State Key Laboratory of Crop Biology,Taian271018,China)

Abstract：The nitrogen(N) use efficiency was studied with one set of the disomic substitution lines and disomic addition lines of Triticum aestivum L.cv.Chinese Spring(CS)-Agropyron elongatum (Host)under high and low N levels.The 5E genomes of Agropyron elongatum might confer high N physiological efficiency genes because the substitution and addition lines of 5E achieved remarkable higher N physiological efficiency values than Chinese Spring in low and high N treatment,respectively.The 4E genomes of Agropyron elongatum might confer high N absorption and transfer efficient genes because the substitution line of 4E achieved significantly higher values of total N accumulation and grain N content than Chinese Spring in high and low N treatments.Therefore,the chromosomes of 5E and 4E of Agropyron elongatum would be useful genetic resources to improve wheat N efficient features.

Key words:Agropyron elongatum;Disomic substitution;Disomic addition;Nitrogen use efficiency

doi:10.7668/hbnxb.2016.02.026

中圖分類號：S143.1

文獻標識碼：A

文章編號：1000-7091(2016)02-0159-05

作者簡介：張小村(1978-),男,山東安丘人,講師,博士,主要從事小麥遺傳育種以及農產品加工研究。通訊作者：孔令讓(1963-),男,山東菏澤,教授,博士,主要從事小麥遺傳育種研究。

基金項目：國家自然科學基金面上項目(31171553)

收稿日期：2016-02-18