歐山羊草6Ub染色體附加對小麥萌發(fā)期抗旱性的改良作用

趙 慧，宋利強，張 娜，張 瑋，李俊明，紀(jì) 軍

(1.河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北石家莊 050021)

小麥(TriticumaestivumL.)在世界糧食生產(chǎn)中占有重要地位。受全球氣候變暖和環(huán)境污染影響，農(nóng)業(yè)水資源日趨匱乏，干旱已成為制約世界糧食生產(chǎn)的最主要的環(huán)境脅迫因素[1-2]。種子萌發(fā)是大田生產(chǎn)的開始，是植物生活史上最關(guān)鍵的發(fā)育時期[3]，對最終的產(chǎn)量高低起到?jīng)Q定性作用。種子的萌發(fā)是由其遺傳因素和外界環(huán)境條件共同決定的，干旱缺水會抑制種子萌發(fā)。通過遺傳育種可提高作物的抗旱性，減弱干旱對作物種子萌發(fā)等生長發(fā)育過程的負效應(yīng)，而創(chuàng)制種質(zhì)資源是應(yīng)對作物抗旱育種的前提和基礎(chǔ)。

近年來以歐山羊草(AegilopsbiuncialisVis.)為代表的小麥近緣種屬成為育種家改良栽培小麥抗逆性的重要種質(zhì)資源[4-5]。歐山羊草(2n=4x=28，UUMM)具有抗旱、耐鹽、抗病蟲、加工品質(zhì)好等優(yōu)異性狀[6-8]。目前，已有一批抗旱性強的小麥-歐山羊草雙二倍體和異附加系通過遠緣雜交被選育出來[5,9]。這種異附加系通過較高活性的酶促防御系統(tǒng)和較強的滲透調(diào)節(jié)能力來積極應(yīng)對干旱脅迫[10]。

本試驗以附加6Ub染色體的小麥-歐山羊草異附加系A(chǔ)e9041和Ae9061為供試材料，以黃淮麥區(qū)旱地品種晉麥47和節(jié)水品種石4185作對照，利用聚乙二醇(PEG6000)模擬干旱脅迫，在萌發(fā)期測定不同小麥材料的抗旱相關(guān)指標(biāo)，評價歐山羊草Ub染色體在提高小麥抗旱能力方面的貢獻，以期為小麥抗旱性遺傳改良提供種質(zhì)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料包括普通小麥-歐山羊草雜交后代株系(Ae9041和Ae9061，均附加了一對6Ub染色體)、2個普通小麥品種(旱地品種晉麥47和節(jié)水品種石4185，對照)和附加系的普通小麥親本中國春。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 處理液的配置

利用PEG6000(Sigma)模擬干旱脅迫。用雙蒸水和PEG6000配置5個梯度(w/v)，分別為0%、15%、20%、25%、30%，分別用T0、T1、T2、T3、T4代表。

1.2.2 種子萌發(fā)

選取直徑9 cm的培養(yǎng)皿，內(nèi)置兩層濾紙，作為發(fā)芽床。各供試材料分別選取100粒完整種子，先用0.01%的升汞表面消毒10 min，再用蒸餾水沖洗數(shù)次，洗凈后整齊排列于發(fā)芽床上，每個培養(yǎng)皿中加入以上各梯度處理液10 mL，蓋上蓋子后置于室溫條件(溫度為22±2 ℃、濕度50%)下萌發(fā)，每天光照16 h，黑暗8 h。各干旱脅迫處理設(shè)3次重復(fù)，各梯度脅迫處理持續(xù)7 d，脅迫處理期間每天定時更換處理液，以保證供試種子在穩(wěn)定的干旱脅迫條件下萌發(fā)。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 種子發(fā)芽力指標(biāo)的測定

以胚芽長度達到種子長度一半作為發(fā)芽判定標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計脅迫處理第4天(發(fā)芽高峰期)和發(fā)芽 7 d結(jié)束時正常發(fā)芽種子總數(shù)，計算其占供試種子總數(shù)的百分比即分別為種子發(fā)芽勢和發(fā) 芽率。

1.3.2 萌發(fā)期形態(tài)指標(biāo)的測定

在發(fā)芽結(jié)束后，隨機選取10株，分別測量胚芽鞘長度、種子根數(shù)、胚根長度和幼苗高度等形態(tài)指標(biāo)。

1.3.3 萌發(fā)期貯藏物質(zhì)利用率的測定

種子貯藏物質(zhì)利用率是指發(fā)芽結(jié)束時，由種子形成的幼苗芽和根的干重占此時種子總干重的百分比。在萌發(fā)期形態(tài)指標(biāo)測定完成后，將各培養(yǎng)皿中所有植株用蒸餾水沖洗干凈，分成根、芽和剩余物三部分，在烘箱中于105 ℃殺青30 min，再于80 ℃下烘干至恒重，分別稱重，用于計算種子貯藏物質(zhì)利用率。

種子貯藏物質(zhì)利用率=(DWr+DWs)/(DWr+DWs+DWrs)×100%

公式中DWr是根的干重，DWs是芽的干重，DWrs是剩余部分干重。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2016和SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥材料種子發(fā)芽勢對干旱脅迫的響應(yīng)

隨干旱脅迫程度的增加，不同材料的種子發(fā)芽勢均呈明顯的下降趨勢(圖1)。在T1～T3處理下，普通小麥-歐山羊草異附加系A(chǔ)e9041和Ae9061的種子發(fā)芽勢與晉麥47和石4185差異不顯著；在T4處理下，Ae9061的種子發(fā)芽勢顯著高于石4185和中國春，且相對于T0處理的下降幅度表現(xiàn)為中國春(59.6%)>石4185 (51.1%)>Ae9041(44.7%)>晉麥47(41.7%)>Ae9061(38.3%)。Ae9041和Ae9061的種子發(fā)芽勢對PEG濃度變化的反應(yīng)表現(xiàn)一致，在相同PEG處理下二者差異不顯著。以上結(jié)果說明，Ae9041和Ae9061的種子發(fā)芽勢較高，受干旱脅迫影響較親本小，能較好地應(yīng)對干旱脅迫。

圖柱上不同小寫字母表示不同處理之間有顯著差異 (P<0.05)。CS：中國春；JM47：晉麥47；S4185：石4185。下 圖同。

Different letters above the columns mean significant differences among the treatments at 0.05 level.CS:Chinese Spring; JM47:Jinmai 47; S4185:Shi 4185. The same in figures 2-7.

圖1 干旱脅迫下不同材料的發(fā)芽勢變化

Fig.1Changes in germination potential of wheatmaterials under drought stress

2.2 不同小麥材料種子發(fā)芽率對干旱脅迫的響應(yīng)

隨著干旱脅迫程度的增加，各材料的種子發(fā)芽率均逐漸降低(圖2)。在T1處理下，各材料發(fā)芽率降低不明顯，且不同材料之間差異較小。在T2～T4處理下，普通小麥-歐山羊草異附加系A(chǔ)e9041和Ae9061的種子發(fā)芽率都高于晉麥47和石4185。在干旱脅迫嚴重(T3和T4)時，Ae9041和Ae9061的種子發(fā)芽率顯著高于中國春，特別是在T4處理下，與中國春差異更明顯。在T4處理下，各材料種子發(fā)芽率相對于T0處理的下降幅度表現(xiàn)為中國春(55.6%)>石4185(52.6%)>晉麥47(47.0%)>Ae9041 (37.6%)>Ae9061(31.3%)。這說明異附加系的種子在遭受干旱脅迫時，能保持較強的發(fā)芽能力，并且這種抗旱能力顯著優(yōu)于親本。

圖2 干旱脅迫下不同材料的發(fā)芽率變化

2.3 不同小麥材料胚芽鞘長度對干旱脅迫的響應(yīng)

由圖3可見，干旱脅迫抑制了各小麥材料胚芽鞘伸長，并且隨著脅迫程度的加大，抑制效應(yīng)越顯著。T0處理下，Ae9061的胚芽鞘顯著長于其他材料。T1～T4處理下，普通小麥-歐山羊草異附加系A(chǔ)e9041和Ae9061的胚芽鞘長度大于中國春、晉麥47和石4185，而且差異大多數(shù)達到顯著水平。在T4處理下胚芽鞘長度下降最明顯，相對于T0處理，各材料胚芽鞘長度的下降幅度表現(xiàn)為石4185(79.1%)>晉麥47 (74.9%)>中國春(71.4%)>Ae9041(59.6%)>Ae9061 (53.9%)。這表明普通小麥-歐山羊草異附加系種子在萌發(fā)初期有較長的胚芽鞘，有利于其保護幼葉抵御干旱脅迫，促進幼苗形態(tài)建成。

圖3 干旱脅迫下不同材料的胚芽鞘長度變化

2.4 不同小麥材料種子根數(shù)對干旱脅迫的響應(yīng)

不同小麥材料的種子根數(shù)隨干旱脅迫程度的加大呈下降趨勢，表明干旱脅迫對小麥種子根發(fā)育產(chǎn)生了一定的抑制作用(圖4)。干旱脅迫下，普通小麥-歐山羊草異附加系A(chǔ)e9041和Ae9061的種子根數(shù)表現(xiàn)相對穩(wěn)定，較中國春、晉麥47及石4185多。在T4處理下，不同材料間種子根數(shù)差異較大，Ae9061的種子根數(shù)顯著多于其他材料。與T0處理相比，在T4處理下，各材料種子根數(shù)下降幅度表現(xiàn)為晉麥47(32.9%)>中國春(24.3%)>石4185(21.3%)>Ae9041(20.1%)>Ae9061(9.4%)。這表明在干旱脅迫下異附加系的種子根發(fā)育較親本有所改良，能形成發(fā)達根系，有利于吸收水分，以抵御干旱脅迫。

圖4 干旱脅迫下不同材料的種子根數(shù)變化

2.5 不同小麥材料胚根長度對干旱脅迫的響應(yīng)

干旱脅迫抑制了小麥胚根的生長(圖5)。同一處理下，不同材料間胚根長度差異顯著，特別是在T4處理下，各材料胚根長度相對于T0處理的下降幅度表現(xiàn)為石4185(63.2%)>晉麥47 (61.7%)>Ae9041(56.7%)>中國春(53.1%)>Ae9061(52.8%)。在干旱脅迫下，Ae9061保持較長的胚根，尤其在重度干旱脅迫下其胚根長度顯著高于中國春和晉麥47，這有助于在干旱脅迫下植株形成發(fā)達根系，有利于水分和養(yǎng)分吸收。

圖5 干旱脅迫下不同材料的胚根長度變化

2.6 不同材料幼苗高度干旱脅迫的響應(yīng)

干旱脅迫對幼苗高度有較明顯的抑制作用(圖6)，且隨著PEG濃度的提高，各小麥材料的幼苗高度受抑制程度加大。在相同處理下，晉麥47和石4185幼苗高度矮于Ae9041和Ae9061及中國春。在T4處理下，各材料幼苗高度相對于T0處理的下降幅度表現(xiàn)為石4185(81.8%)>晉麥47(81.2%)>中國春(72.5%)>Ae9061(61.2%)>Ae9041(60.4%)。以上結(jié)果表明，異附加系生長受干旱脅迫影響較小，尤其是在嚴重干旱時抗旱優(yōu)勢明顯。

圖6 干旱脅迫下不同材料的幼苗高度變化

2.7 不同小麥材料貯藏物質(zhì)利用率對干旱脅迫的響應(yīng)

干旱脅迫降低了小麥種子貯藏物質(zhì)的利用率(圖7)。不同干旱脅迫處理下，普通小麥-歐山羊草異附加系A(chǔ)e9041的種子貯藏物質(zhì)利用率一直最高，且Ae9041和Ae9061的種子貯藏物質(zhì)利用率均顯著高于晉麥47和石4185。T4處理下，各材料的種子貯藏物質(zhì)利用率相對于T0處理的下降幅度表現(xiàn)為中國春(66.5%)>石4185 (63.3%)>Ae9041 (63.1%)>晉麥47(60.0%)>Ae9061(54.2%)，說明在干旱脅迫加大后，Ae9041和Ae9061的種子貯藏物質(zhì)利用率下降較緩。可見，異附加系受干旱脅迫后，種子內(nèi)部代謝活動仍能正常進行，種子內(nèi)儲存的營養(yǎng)能夠較快、較多地供給萌發(fā)期其他器官(芽和根)，以滿足幼苗較好地完成苗期形態(tài)建成。

圖7 干旱脅迫下不同材料的貯藏物質(zhì)利用率變化

3 討 論

干旱脅迫下作物種子的萌發(fā)能力已成為其抗旱性評價的重要方面[11]。大量研究表明，干旱脅迫會抑制種子的萌發(fā)，降低種子的萌發(fā)速度和發(fā)芽率[12-13]。并且這種受抑制程度與基因型有關(guān)，即干旱敏感基因型受干旱脅迫的抑制程度要大于耐旱基因型[14-15]。本研究中，在重度干旱脅迫下，普通小麥-歐山羊草異附加系A(chǔ)e9041和Ae9061的種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率都顯著高于親本中國春及生產(chǎn)對照品種晉麥47和石4185，且相對于T0處理的下降幅度較低，表明攜帶了歐山羊草6Ub染色體小麥附加系干旱條件下的種子萌發(fā)能力得到改良。在干旱脅迫下，種子能夠迅速吸水并整齊萌發(fā)，有利于作物在播種后遭遇干旱時可整齊 出苗。

禾本科植物種子萌發(fā)時，幼苗、根系、胚芽鞘等器官性狀在干旱脅迫下的表現(xiàn)常常作為植株抗旱能力早期鑒定的重要研究內(nèi)容[11,16]。有研究指出，作物根系和胚芽鞘的長度與抗旱性均呈正相關(guān)[11,17]，并且干旱敏感基因型的根系長度受干旱脅迫抑制的程度要大于抗旱性強的基因型[14]。干旱脅迫下，較長的胚芽鞘有利于提高種子發(fā)芽率，獲得較多的生物量[18-19]。本研究中，在相同PEG處理下，Ae9041和Ae9061的胚芽鞘始終較中國春、晉麥47和石4185長，根數(shù)和胚根長度受干旱脅迫的抑制程度也小于晉麥47和石4185，普通小麥-歐山羊草異附加系的株高受抑制幅度低于晉麥47和石4185。這表明普通小麥-歐山羊草異附加系具有發(fā)達的根系，在水分虧缺時也能保持較多的根數(shù)和較長的胚根，有利于吸收水分和養(yǎng)分；較長的胚芽鞘有利于保護幼苗順利萌發(fā)和苗期形態(tài)建成，為產(chǎn)量形成奠定基礎(chǔ)。

成熟種子內(nèi)貯藏著大量營養(yǎng)物質(zhì)，如淀粉、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，這些有機物在種子萌發(fā)時在酶的作用下被分解為簡單有機物，并被運送到正在生長的幼胚中去，滿足幼胚生長的營養(yǎng)物質(zhì)需求。種子貯藏物質(zhì)利用率反映出基因型對種子貯藏物質(zhì)的利用速率、效率以及體內(nèi)能量供應(yīng)水平[20]。干旱脅迫下，較高的種子貯藏物質(zhì)利用率反映出各基因型對干旱的抵御能力[21]。本研究中，在各PEG脅迫下，Ae9041和Ae9061都具有較高的種子貯藏物質(zhì)利用率，且顯著高于晉麥47和石4185。這表明種子儲存的營養(yǎng)能夠較快、較多地供給到萌芽初期其他器官(芽和根)，從而促進種子萌發(fā)和幼苗形態(tài)建成。

中國春在萌發(fā)期具有較強的抗旱性[22]。在本研究萌發(fā)期7個指標(biāo)中，干旱脅迫下中國春僅在株高和貯藏物質(zhì)利用率上表現(xiàn)較為突出。Ae9041和Ae9061以中國春為受體，附加了歐山羊草的6Ub染色體，在萌發(fā)能力、根系發(fā)育和形態(tài)建成等多個指標(biāo)上的表現(xiàn)都優(yōu)于中國春。

綜合本研究結(jié)果，附加歐山羊草6Ub的普通小麥-歐山羊草異附加系在萌發(fā)期的抗旱能力得到改良，受干旱脅迫后仍具有較長的胚芽鞘、胚根長度及較高的種子發(fā)芽率和貯藏物質(zhì)利用率。同時，異附加系在遭受干旱脅迫后，上述指標(biāo)受脅迫抑制程度較對照材料輕微，從而有利于種子整齊、迅速出苗，抵御干旱脅迫的能力增強，能夠繼續(xù)保持根系的持續(xù)生長，汲取較深土層的水分。