模擬干旱脅迫下大麥葉片保護性酶的發育遺傳分析

包海柱，徐壽軍，張鳳英， 劉志萍， 呂二鎖

(1.內蒙古農業大學 農學院，內蒙古 呼和浩特 010019；2.內蒙古農牧業科學院，內蒙古 呼和浩特 010031；3.內蒙古民族大學，內蒙古 通遼 028000)

模擬干旱脅迫下大麥葉片保護性酶的發育遺傳分析

包海柱1，2，徐壽軍3，張鳳英2， 劉志萍2， 呂二鎖2

(1.內蒙古農業大學 農學院，內蒙古 呼和浩特 010019；2.內蒙古農牧業科學院，內蒙古 呼和浩特 010031；3.內蒙古民族大學，內蒙古 通遼 028000)

為明確大麥抗旱生理性狀的發育遺傳，在大麥抗旱育種中加以利用。采用ADMP(加性-顯性-母本-父本)遺傳模型及條件方差分析方法，分析了模擬干旱脅迫下的大麥葉片4種保護性酶(超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽還原酶(GSHR))的發育遺傳效應。結果表明，在不同發育階段4種保護性酶的遺傳效應不盡相同，在遺傳效應類別、遺傳表達量上存在差異；隨著生育進程推進，4種保護性酶的條件遺傳主效應表現出一定依時空波動和間歇性。在出苗-拔節階段，以SOD的顯性效應強，GSHR的母本效應最強；在拔節-開花階段，SOD、POD存在較大的加性遺傳效應，GSHR存在最大值的父本效應；在開花-灌漿階段，SOD、POD的加性遺傳效應高于相應的顯性遺傳效應，SOD、CAT被檢測到較大的母本遺傳效應，GSHR的父本效應最強。根據研究結果可知，在不同生育階段以保護性酶指標進行抗旱鑒定時，可如下進行：出苗-拔節階段，對高代材料或親本而言，適宜測定GSHR；對F1或F2而言，適宜測定SOD。拔節-開花階段，對高代材料或親本而言，適宜測定SOD、POD；對F1或F2而言，適宜測定POD。開花-灌漿階段，對高代材料或親本而言，適宜測定SOD、POD、CAT、GSHR；對F1或F2而言，適宜測定POD。

大麥；保護性酶；遺傳效應

我國北方的春播大麥區，多為旱作坡耕地，干旱及季節性干旱一直是困擾當地大麥生產的主要限制因素，常因干旱減產30%以上。干旱能夠影響作物從種子萌發到成熟的各個生育階段，并具體到蒸騰、光合、呼吸、酶活力、養分的吸收等生理代謝過程。

有研究表明，逆境環境下，植物體內的保護性酶對清除活性氧起著至關重要的作用[1-3]。敬禮恒等[4]、湯豐收等[5]的研究認為，作物抗旱性的強弱與超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽還原酶(GSHR)的活性呈正相關；李萍等[6]、任鵬等[7]研究表明，嚴重干旱處理下的SOD、POD活性顯著或極顯著高于其他處理。Neil等[8]和Shinozaki等[9]認為，植物體在識別逆境壓力信號后，能夠做出應答，使相關適應性基因啟動，并轉錄產生逆境脅迫應答蛋白，王曙光等[10]在大豆上的研究也認為，SOD、POD等保護性酶能夠對逆境做出反應，類似的研究也認為，在減輕活性氧傷害，清除自由基過程中，上述保護性酶起到了關鍵作用[11-14]。

在保護性酶的遺傳研究方面，張文英等[15]認為SOD的活性存在較高的的加性效應和顯性效應。李志遠[16]在玉米上的研究表明，不同環境下玉米葉片SOD活性的遺傳主效應占主導地位，并受控于顯性效應。宋美珍等[17]在棉花上的研究認為，葉片CAT以加性上位性效應為主，POD以加性效應為主，SOD活以顯性效應為主。

本研究以抗旱性存在差異、無血緣關系的大麥遺傳群體為材料，應用ADMP遺傳模型及條件分析方法[18-19]，對PEG6000模擬干旱下，大麥發育進程中的保護性酶進行了遺傳分析，以期揭示其動態遺傳特征，為大麥抗旱品種選育提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為196個抗旱性存在差異的遺傳群體，該群體包括14個親本，及其以親本為基礎通過雙列雜交方式獲得的182個F1雜交組合。

1.2 試驗設計

將196個供試遺傳群體種植于內蒙古民族大學試驗農場。順序排列設計，3行區，6 m行長，行距0.25 m，管理措施略高于當地大田生產。在大麥生育期(苗期、拔節期、開花期、灌漿期)，進行人工模擬干旱脅迫處理，具體如下：同一部位嫩葉取2份后置于冰桶帶回室內備用，其中1份用蒸餾水洗凈后直接測定酶活；另1份用25% PEG6000液體浸泡24 h后測定酶活[20]。

1.3 測定內容

所測保護性酶包括超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽還原酶活性。SOD、POD、CAT活性的測定方法采用王學奎[21]的方法，GSHR活性測定采用Gosset等[22]的方法。

1.4 數據分析

數據分析參考Atchley等[23]、 朱軍[18]及Zhu[19]的ATMP線性遺傳模型方法，將任意t時刻的生理指標觀測值y(t)分解為如下方程1所示，同時將y(t)定義為時間區間[0 t]內的遺傳效應總量。

y(t)[24]=μ(t)+E(t)+A(t)+D(t)+M(t)+P(t)+AE(t)+DE(t)+ME(t)+PE(t)+B(t)+е(t)

①

①式中μ、E、A、D、M及P分別為均值、環境效應、加性效應、顯性效應、母本效應、父本效應[24]；AE、DE、ME及PE分別為加性與環境的互作、顯性與環境的互作、母本與環境的互作、父本與環境的互作[24]；B和е分別為區組效應和剩余效應[24]。

應用R軟件對數據進行統計分析，利用x2檢驗、Logistic回歸和非參數Kruskal-Wallis檢驗對不同種類醬油、不同采樣地點、不同生產季度等的污染情況進行比較，以α=0.05為檢驗水準。

同理，時間區間[t-1 t]時刻的凈遺傳效應如方程②：

Y(t︱t-1)[24]=μ(t︱t-1)+E(t︱t-1)+A(t︱t-1)+D(t︱t-1)+M(t︱t-1)+P(t︱t-1)+AE(t︱t-1)+DE(t︱t-1)+ME(t︱t-1)+PE(t︱t-1)+B(t︱t-1)+е(t︱t-1)

②

抽樣采用Jackknife法，遺傳方差分量值的估算采用MINQUE①法，數據處理應用SAS 9.0和QGA[18]軟件進行。

2 結果與分析

2.1 出苗至拔節期葉片酶活性遺傳效應

出苗至拔節期的遺傳效應分析見表1。結果表明，4種保護性酶的加性效應均未達顯著水平；對顯性效應而言，除POD外的SOD、CAT、GSHR的顯性效應達到顯著及以上水平，其中以SOD的顯性效應最強；在母本效應中，所測定的4種保護性酶的母本效應均達顯著及以上水平，并以GSHR的母本效應最強；在父本效應中，僅GSHR的父本效應為0，其余3種酶的均達極顯著水平，并以POD的父本效應最大。

在脅迫條件下，環境互作也存在不同程度的遺傳效應，其中4種酶的顯性×環境均達極顯著水平；加性×環境互作效應達到顯著水平及以上水平的有SOD和GSHR；母本×環境互作達顯著及以上水平的為SOD和CAT；對父本×環境互作而言，CAT的效應達到極顯著水平，余者效應為0。

表1 大麥出苗至拔節期葉片保護性酶活性凈遺傳方差比值Tab.1 Net genetic variance components rate for enzyme activities in leaves from sowing to jointing %

注：**.0.01極顯著水平；*.0.05顯著水平。VA(t︱t-1).凈加性效應方差； VD(t︱t-1).凈顯性效應方差； VM(t︱t-1).凈母本效應方差； VP(t︱t-1).凈父本效應方差； VAE(t︱t-1).凈加性與環境互作效應方差； VDE(t︱t-1).凈顯性與環境互作效應方差； VME(t︱t-1).凈母本與環境互作效應方差；VPE(t︱t-1).凈父本與環境互作效應方差；Ve(t︱t-1).凈機誤方差。表2-4同。

Note：**.Indicates significance at 1% probalility level；*.Indicates significance at 5% probalility level.VA(t︱t-1).Net additive effects variance；VD(t︱t-1).Net dominance effects variance；VM(t︱t-1).Net maternal effects variance；VP(t︱t-1).Net paternal effects variance；VAE(t︱t-1).Net additive×environment interaction effects variance；VDE(t︱t-1)=Net dominance×environment interaction effects variance；VME(t︱t-1).Net maternal×environment interaction effects variance；VPE(t︱t-1).Net paternal×environment interaction effects variance；Ve(t︱t-1).Net error effects variance.The same as Tab.2-4.

2.2 拔節至開花期葉片酶活性遺傳效應

大麥拔節至開花期的遺傳效應分析見表2。由表2可以看出，拔節至開花期，加性、顯性及母本×環境互作效應均達顯著及以上水平的為SOD和POD；母本效應中POD未達顯著水平，其余3種酶達極顯著水平；父本效應達顯著及以上的酶為CAT和GSHR；加性×環境、顯性×環境互作效應中，均表現為SOD、CAT的效應達到極顯著水平，POD和GSHR的效應為0。在父本×環境互作效應中，僅POD的效應表現突出，并達極顯著水平。

表2 大麥拔節至開花期葉片酶活性條件遺傳方差比值Tab.2 Net gengetic variance components rate for enzyme activities in leaves from jointing to flowering %

2.3 開花至灌漿期葉片酶活性遺傳效應

開花至灌漿期的遺傳效應見表3。由表3可知，此生育期內，在加性效應中，SOD、POD的效應達顯著及以上水平，并以SOD效應最大；在顯性效應中，僅POD的效應達顯著水平；在母本效應中，除POD外的3種保護性酶：SOD、CAT、GSHR的效應均達顯著及以上水平，并以SOD的效應最大；在父本效應中，僅GSHR的效應被檢測到，并達極顯著水平。

在環境互作效應中，4種保護性酶的父本×環境均達顯著及以上水平，其中以POD的父本與環境互作效應最強；對母本×環境互作效應而言，除CAT外，其余3種酶的母本與環境互作效應均達極顯著水平，并以POD的母本與環境效應最強；在顯性×環境的互作效應中，POD、GSHR的顯性與環境的互作效應未被檢測到，其中CAT的顯性×環境互作效應大于SOD的互作效應；在加性×環境的互作效應中，僅CAT存在微弱、未達顯著水平的互作效應，其余3種酶的互作效應未被檢測到。

表3 大麥開花至灌漿期葉片酶活性條件遺傳方差比值Tab.3 Net genetic variance components rate for enzyme activities in leaves from flowering to grain filling %

2.4 生育進程中4種酶的主效應發育遺傳

為了能夠更直觀地顯示遺傳主效應，將表1-3中的遺傳主效應提取后得表4，由表4可知，隨著生育進程推進，4種保護性酶的加性、顯性、母本及父本的條件遺傳效應表現出一定的依時空波動和間歇性。

在SOD的遺傳效應中，出苗至灌漿階段，其條件加性效應表現為拔節前關閉，拔節后開始表達，并在拔節至灌漿期間高水平表達，并使凈效應表達量達到最大值(VA(t︱t-1)=36.13)，而后加性效應降低；條件顯性效應在出苗至拔節階段最強(VD(t︱t-1)=41.02)，而后隨著生育進程依次降低，并在開花至灌漿期間失去顯著性的表達；在母本效應中，表現出先上升后降低趨勢；對SOD的條件父本效應而言，僅在出苗至拔節期間有顯著性的表達，而在拔節至灌漿期間，未被檢測到父本效應(VP(t︱t-1)=0)。

在POD的遺傳效應中，在出苗至拔節階段，其條件加性、條件顯性效應均未被檢測到，但拔節至開花、開花至灌漿階段，其加性效應和顯性效應表現出基本等量強度的遺傳效應；在母本、父本效應中，在出苗至拔節階段，其母本效應和父本效應均被檢測到，而在隨著生育進程的推進，其母本和父本效應消失。

對CAT而言，出苗后其條件加性效應和顯性的表達趨勢近似相同，都表現為出苗至拔節的時間段分別被檢測到條件加性和顯性效應，隨后基因表達關閉，二者的區別在于加性效應不顯著，而顯性效應顯著；在母本及父本效應中，其基因表達效應均隨發育進程表現為依次降低，并以出苗至拔節期的效應最強，其中條件父本效應在開花至灌漿階段基因關閉。

在GSHR的遺傳效應中，其條件加性效應和顯性均表現為在出苗至拔節階段被檢測到，隨后消失，區別在于起始階段的顯性遺傳效應顯著；在母本效應中，全程的基因表達強度呈衰退趨勢，出苗至拔節階段的效應最強為70.24，是開花至灌漿階段的5.6倍；在出苗至灌漿的發育過程中，父本效應的高強度表達時間段為拔節之后，而在出苗至拔節階段其效應未被檢測到。

通過上述分析可知，在出苗至拔節階段是SOD顯性效應、POD父本效應、CAT父本效應及GSHR母本效應的凈表達量的高峰期；在拔節至開花階段，遺傳凈效應表達量高的分別為SOD加性效應、POD加性效應、CAT母本效應及GSHR父本效應；在開花至灌漿階段，以SOD加性效應、POD加性效應、CAT母本效應及GSHR父本效應的凈表達程度強。以此可明確，以上分析中4種酶的遺傳效應凈表達量高峰期就是其對應效應基因表達的活躍期。

表4 遺傳主效應Tab.4 Genetic main effects

3 結果與討論

發育遺傳理論表明，數量性狀的遺傳效應實際是生物體內諸多基因順序表達的過程，相關基因的表達具有時空性和累積性；因此，獲得某特定時段內的遺傳凈表達量有助于揭示生物體發育進程中的遺傳動態[23-25]。

本研究以抗旱性存在差異的遺傳群體為材料，以ADMP遺傳模型為基礎，應用條件分析方法，分析了PEG6000脅迫下大麥葉片SOD、POD、CAT、GSHR 4種保護性酶隨發育進程中(出苗-拔節、拔節-開花、開花-灌漿)的遺傳效應。結果表明，所測定的4種保護性酶的遺傳表現為加性效應、顯性效應、母本效應、父本效應及環境互作效應，而且在不同發育時期，其遺傳效應的表達量存在依時空變化的特征。

在出苗-拔節階段，SOD、CAT、GSHR檢測到了一定的顯性效應，說明在此階段存在一定的雜種優勢，其中以SOD的顯性效應強；同時，顯著及以上水平的母體及父本效應被檢測到，其中以GSHR的母本效應最強。

在拔節-開花階段，除SOD、POD存在較大的加性效應，GSHR存在最大值的父本效應。

在開花-灌漿階段，SOD、POD表現出較大的加性效應，并分別高于各自的母體效應和顯性效應；CAT被檢測到較大的母體遺傳效應；對GSHR而言，存在最大值的父本效應。

綜上所述可知，所測4種保護性酶的遺傳機理不盡同；在不同發育階段，其遺傳效應存在類別、表達量上的差異。因此，在進行抗旱育種實踐中，針對基于保護性酶的抗旱鑒定時，所測指標的側重點應有所不同，根據本研究結果可做如下選擇：在出苗-拔節階段，對高代材料或親本而言，適宜測定GSHR；對F1或F2而言，適宜測定SOD；拔節-開花階段，對高代材料或親本而言，適宜測定SOD、POD；對F1或F2而言，適宜測定POD；開花-灌漿階段，對高代材料或親本而言，適宜測定SOD、POD、CAT、GSHR；對F1或F2而言，適宜測定POD。

本研究結果表明，利用條件方差分析的方法，可揭示與抗旱相關的4種保護性酶在植株發育進程中的間斷性表達情況，因此，更能準確地描述其在特定發育時期的凈遺傳效應的動態表達量，能為不同時期的抗旱鑒定、雜交親本的選擇及栽培技術的改進提供理論參考。

[1] 楊宏羽,王 蒂,王 麗,等.不同磷水平對向日葵幼苗根系生長及保護酶活性的影響[J].甘肅農業大學學報,2015,50(4):63-68.

[2] 馮世座,劉合芹.極端溫度對粳稻苗期光合特性及生理生化特性的影響[J].浙江師范大學學報：自然版,2012,35(3):330-337.

[3] 王志威,牟思維,閆麗麗,等.水分脅迫對春播玉米苗期生長及其生理生化特性的影響[J].西北植物學報,2013,33(2):343-351.

[4] 敬禮恒,劉立成,梅 坤,等.水稻抗旱性能鑒定方法及評價指標研究進展[J].中國農學通報,2013,29(12):1-5.

[5] 湯豐收,張新友,張 俊,等. 高油、高產花生新品種豫花9326抗旱生理特性及生產適應性研究[J].花生學報,2014,43(3):7-12

[6] 李 萍,侯萬偉,劉玉皎.干旱脅迫對蠶豆苗期植株形態及葉片保護酶活性的影響[J].西南農業學報,2014,27(3):1029-1036.

[7] 任 鵬,趙保平,劉瑞芳,等.水分脅迫對燕麥穗穎滲透調節和抗氧化能力的影響[J].西北植物學報,2014,34(10):2049-2055.

[8] Neil S J，Burnett E C.RegIllation of gene expression during water deficit stress[J].Plant Growth Regul，1999，29：23-33.

[9] Shinozaki K，Yamaguchi-Shinozaki K.Gene networks involved in drought stress response and tolerance[J].Journal of Experimental Botany，2007，58(2)：221-227.

[10] 王曙光，趙建奎，寧幸蓮，等.PEG-6000引發對老化大豆種子膜透性及保護性酶活性的影響[J].華北農學報，2012，27(6)：113-117.

[11] 趙 梅，王晶珊，李文香.不同品種花生抗氧化能力的研究[J].中國糧油學報，2011，26(9)：70-73.

[12] 張文英，智 慧，柳斌輝，等.谷子孕穗期一些生理性狀與品種抗旱性的關系[J].華北農學報，2011，26(3)：128-133.

[13] 張 軍，吳秀寧，魯 敏，等.拔節期水分脅迫對冬小麥生理特性的影響[J].華北農學報，2014，29(1)：129-134.

[14] 宋培玲,張 鍵,郝麗芬,等.不同抗性油菜品種接種黑脛病菌防御酶活性變化研究[J].華北農學報,2015,30(2):110-115.

[15] 張文英，柳斌輝，彭海城，等.冬小麥抗旱性狀遺傳力分析[J].干旱地區農業研究，2009，27(3)：44-47.

[16] 李志遠.不同環境下玉米葉片SOD活性遺傳效應分析[J].種子，2010，29(2)：85-89.

[17] 宋美珍，喻樹迅，范術麗，等.短季棉早熟不早衰生化性狀的遺傳分析[J].西北植物學報，2005，25(5)：903-910.

[18] 朱 軍.遺傳模型分析方法[M].北京：中國農業出版社，1997.

[19] Zhu J.New approaches of genetic analysis for quantitative traits and their applications in breeding[J].Journal of Zhejiang University：Agriculture & Life Science，2000，26(1)：1-6.

[20] 賈 婷,趙 鋼,彭鐮心,等.PEG-6000引發對苦蕎種子萌發及幼苗生長的影響[J].成都大學學報:自然科學版,2012,3(1):1-3.

[21] 王學奎.植物生理生化實驗原理和技術[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.

[22] Gosset D R，Millhollon E P，Lucas M C.Antioxidant response to NaCl stress in salt-tolerant and salt-sensitive cultivars of cotton[J].Crops Sci，1994，34(3)：706-714.

[23] Atchley W R，Zhu J.Developmental quantitative genetic，conditional epigenetic variability and growth in mice[J].Genetics，1997，147(2)：765-776.

[24] Atchley W R，Zhu J.Developmental quantitative genetic models of evolutionary change[J].Developmenttal Genetics，1994，15(1)：92-103.

[25] 包海柱，高聚林，馬 慶，等.基于ADM模型的油用向日葵籽實含油率動態發育遺傳研究[J].中國油料作物學報，2013，35(5)：533-538.

Developmental Genetic Analysis of Protective Enzymes in Barley Leaves under Simulating Drought

BAO Haizhu1，2，XU Shoujun3，ZHANG Fengying2，LIU Zhiping2，Lü Ersuo2

(1.Agricultural College，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010019，China； 2.Inner Mongolia Academy of Agriculture and Animal Husbandry Sciences，Huhhot 010031，China； 3.Inner Mongolia University for Nationalities，Tongliao 028000，China)

In order to understand developmental behavior of four protective enzymes (SOD，POD，CAT，GSHR) in Barley.Experimental data based on 196 genetic populations were used for the additive-dominant-maternal-paternal(ADMP) model with genotype ×environment interaction and multivariable conditional analysis.The results showed that the genetic effects of 4 protective enzymes were not the same in different developmental stages.In the emergence to jointing stage，the dominant effect of SOD was the most strongest and the maternal effect of GSHR had the maximum value；from jointing to flowering，the SOD and POD had a relatively large additive effect，but GSHR had the maximum value of paternal effect；from the flowering to grain filling，the value of additive genetic was greater than the dominant effect on SOD and POD，the larger maternal effect of SOD and CAT had been detected，Meanwhile，the maximal value of paternal effect was detected on GSHR.In different growth stage，the drought-resistant identification indexes could be used：From emergence to jointing stage，the identification indexes was GSHR for the inbred line or parents，and SOD was suitable indexes for F1or F2of filial generation.From jointing to flowering stage，SOD and POD could be used as identification indexs for the inbred line or parents，meanwhile，POD could also be used to identify for F1or F2of filial generation.Flowing to grain filling stage，4 enzymes could be used as identification index for the inbred line or parents，but for F1or F2generation，only POD was suitable index.

Barley；Protective enzymes；Genetic effect

2016-09-20

內蒙古自然科學基金項目(2015MS0378)；內蒙古農牧業創新基金項目；農業部現代農業-大麥青稞產業技術體系建設項目(CARS-05)

包海柱(1971-)，男，內蒙古通遼人，研究員，博士，主要從事作物遺傳育種研究。

S512.3

A

1000-7091(2016)06-0100-05

10.7668/hbnxb.2016.06.016