小麥莖稈可溶性碳水化合物積累轉運的抗旱表型變異與遺傳分析

竇佳欣，田 甜，劉 媛，張沛沛，車 卓，楊德龍

（1.干旱生境作物學國家重點實驗室，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農業大學生命科學技術學院，甘肅蘭州 730070；3.甘肅省種子總站，甘肅蘭州 730070）

小麥（Triticum aestivum L.）是我國第二大糧食作物[1]。我國小麥常年播種面積在0.267 億hm2以上，約占糧食作物種植面積的27%，占糧食作物產量的22%[2]。小麥主要分布在我國干旱和半干旱地區[3]。由于全球氣候變暖，干旱頻發，小麥生長發育受到嚴重影響，導致小麥產量大幅度降低[4]。當今小麥研究的熱點問題是通過改善小麥自身抗旱性與節水潛能[5]來降低干旱對小麥產量造成的影響，進而實現干旱地區小麥增產穩產。

籽粒灌漿的主要來源是小麥營養器官中暫貯性可溶性碳水化合物（WSC）[6]。當干旱脅迫導致光合作用嚴重受阻時，莖稈WSC 對籽粒的潛在貢獻率高達70%，從而提高籽粒質量對產量損失進行補償[7]。研究表明，在干旱脅迫條件下，莖葉暫貯性WSC 可作為滲透調節物質通過維持滲透勢來緩解逆境脅迫對小麥造成的損傷[8]，同時也可作為信號分子對小麥代謝過程進行生理調控[9-10]。冠層光合作用在小麥生長發育后期受到抑制[11]，以致于光合作用的產物無法滿足呼吸和籽粒灌漿的需求，花前積累在莖葉中的WSC 為籽粒生長發育提供大部分碳源，高達50%以上[12]。進一步研究發現，小麥莖稈WSC 對籽粒產量的貢獻主要取決于基因型、節位、發育時期和水分狀況[13-14]。果聚糖是小麥營養器官中暫貯性WSC 的重要存在形式，在莖、葉、穗和種子中均有分布，其含量的高低直接反映營養器官蓄積貯藏WSC 的能力[2]。可見，小麥花后各器官果聚糖積累轉運具有典型的時空特異性，并且這種特定生理模式與調節小麥源庫平衡之間具有一定復雜的生理調節機制，但目前涉及該領域研究甚少。因此，選擇不同水分環境條件下小麥不同遺傳背景材料后代群體,對其莖稈WSC 積累轉運進行遺傳分析，更有利于發掘該性狀的抗旱遺傳信息。

本研究利用陜西抗旱對照品種西峰20 和山西抗旱豐產品種晉麥47 分別為供體親本和輪回親本，構建小麥回交導入系（ILs）群體，設置不同的水分環境，調查研究在干旱脅迫調控下小麥ILs 群體莖稈WSC 積累轉運的遺傳特性及變異規律，為小麥的抗旱改良及高效栽培提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為小麥回交導入系群體（ILs）的146 個株系，群體的供體親本和輪回親本分別為抗旱對照冬小麥品種西峰20 和抗旱高產品種晉麥47。本試驗材料由中國農業科學院作物科學研究所景蕊蓮研究員課題組提供。

1.2 試驗設計

試驗在甘肅省榆中縣金家營小麥試驗點（35°51′N，104°07′E，平均海拔1 900 m，平均氣溫6.6 ℃，年降雨量450 mm、蒸發量1 450 mm，無霜期140 d）進行。2014 年10 月中旬播種，翌年6 月中旬收獲，分干旱脅迫（DS）和正常灌溉（WW）2 個處理，播前統一底墑水900 m3/hm2。正常灌溉分2 次灌水，分別為拔節期和開花期，灌溉量均為750 m3/hm2。干旱脅迫處理僅在拔節期灌水750 m3/hm2，其后不補充灌水。試驗為隨機區組設計，各材料均為行播，行長1 m，行距20 cm，設3 次重復。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 目標性狀的測定 隨機選擇長勢一致的ILs群體各株系及其親本的主莖做標記，在生長周期共剪取3 次主莖，分別是初花期、灌漿中期（花后14 d）和成熟期，每次15 株，去除小麥主穗和葉片后立即放入液氮保存。隨后在低溫真空干燥器（-60 ℃）中處理24 h 后105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒量。灌漿中期干物質量和成熟期干物質量分別記做DWf和DWm。采用蒽酮比色法來測定不同處理主莖WSC 的含量，分別記為WSCf（初花期）、WSCg（灌漿中期）和WSCm（成熟期），計算主莖WSC 花前轉運率和WSC 花前貢獻率。以上測定重復3 次。主穗脫粒測定千粒質量（TGW），求其平均值。

1.3.2 表型性狀遺傳多樣性指數的計算 采用譜郭瑞盼等[15]的方法對性狀表型多樣性進行劃級：計算參試材料總體平均數（X）和標準差（d），每0.5 d為一級，共分10 級，第1 級（Xi＜（X－2d））到第10 級（Xi＞（X＋2d）），每一級的相對頻率用于計算多樣性指數（H′）。

式中，Pi為某性狀第i 級別中的材料份數占總份數的百分比。

1.4 數據分析

利用SPSS v22.0 對各目標性狀進行方差分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 小麥ILs 群體及其親本的性狀表型

在不同水分環境下，小麥ILs 群體及親本WSC相關性狀表型存在明顯差異（表1）。小麥ILs 群體兩親本的目標性狀表型差異顯著,其中，晉麥47 各表型顯著高于西峰20。小麥ILs 群體的各目標性狀表型值均介于2 個親本之間，且普遍接近晉麥47；DS 處理的變異系數為44.54%～66.48%，WW 處理的變異系數為38.17%～53.87%。小麥ILs 群體及親本的各目標性狀表型變異均表現為干旱脅迫普遍高于正常灌溉，并且WSC 含量在灌漿期最高。各目標性狀的偏度是-0.42～1.62，峰度是-1.68～3.31，普遍在0～1，表現出近正態分布的數量性狀特點，并且在正常灌溉條件下的WSCf等性狀表現出較大的偏度或峰度，表明這些性狀呈尖峰的偏態分布。

表1 干旱脅迫下親本小麥及其ILs 群體WSC 積累轉運相關指標的表型變異

2.2 小麥ILs 群體各目標性狀間的相關性分析

對干旱脅迫和灌溉條件下小麥ILs 群體的WSC 各性狀的相關分析發現（表2），在2 種水分條件下，小麥ILs 群體WSCf與RRpr、CRpr 呈極顯著正相關（r＝0.41**～0.43**和r＝0.59**～0.70**）；WSCm與RRpr、CRpr 呈極顯著負相關（r＝-0.62**～-0.76**和r＝-0.52**～-0.54**）；RRpr 與CRpr 之間呈極顯著正相關（r＝0.65**～0.68**）。在干旱脅迫條件下，WSCg與WSCm呈顯著正相關（r＝0.16**）。各目標相關系數在干旱脅迫下（r＝-0.62**～0.70**）普遍大于正常灌溉（r＝-0.76**～0.59**）。說明干旱脅迫可促使果聚糖積累轉運效率提高。

表2 干旱脅迫與灌溉條件下小麥ILs 群體各指標相關性分析

2.3 小麥ILs 群體WSC 積累轉運性狀表型多因素方差分析

小麥ILs 群體WSC 含量、轉運率及對籽粒的貢獻率均受到基因型、水分條件和發育階段及各因子間互作效應的影響（表3）。根據各處理的變異平方和占總變異平方和的百分率（SSa/SST）值的大小及方差齊性檢驗（F）的顯著性得出，對WSC 含量產生影響的因子主要是基因型（SSa/SST＝0.13，F＝31 167 271.25，P＜0.01）和基因型與發育階段之間的互作（SSa/SST＝0.25，F＝201 229.81，P＜0.01）；對WSC 的轉運率及貢獻率產生影響的主要因子是基因型（SSa/SST＝0.27～0.39，F＝652.37～5 318.63，P＜0.01）。說明影響小麥ILs 群體WSC 積累轉運相關性狀的主要因子是其基因型和基因型與發育階段的相互作用。

表3 小麥ILs 群體WSC 積累轉運相關性狀表型多因素方差分析

2.4 小麥ILs 群體WSC 積累轉運性狀表型多樣性分析

小麥ILs 群體WSC 積累轉運相關性狀表型多樣性豐富（圖1），多樣性指數較高（1.46～2.03）。灌漿期WSC 含量表型多樣性指數最高，花前貢獻率表型多樣性指數明顯高于花前轉運率。與正常灌溉相比，干旱脅迫條件下的各目標性狀表型多樣性指數均顯著變高。由此表明干旱脅迫豐富了小麥ILs群體WSC 積累轉運相關性狀表型多樣性。

2.5 小麥ILs 群體WSC 積累轉運相關性狀的聚類分析

分別根據干旱脅迫和灌溉條件下小麥ILs 群體開花期WSC 含量、WSC 花前轉運率和花前貢獻率對群體146 份抗旱種質材料進行聚類分析發現，該群體正常灌溉和干旱脅迫條件下開花期WSC 含量分別分為五類和四類（圖2）。干旱脅迫下，第Ⅰ類包括109 份材料，WSCf含量為560～610 mg/g；第Ⅱ類包括17 個份材料，WSCf含量小于400 mg/g；第Ⅲ類包括18 份材料，WSCf含量為470～520 mg/g；第Ⅳ類包括2 份材料，WSCf含量為635～659 mg/g。正常灌溉條件下，第Ⅰ類包括91 份材料，WSCf含量為325～397 mg/g；第Ⅱ類包括34 份材料，WSCf含量小于200 mg/g；第Ⅲ類包括13 份材料，WSCf含量為469～524 mg/g；第Ⅳ類包括7 份材料，WSCf含量為552～610 mg/g；第Ⅴ類只有1 份材料，WSCf含量為627 mg/g。通過對小麥ILs 群體146 份材料聚類分析發現，干旱脅迫條件下小麥ILs 群體大部分株系的WSCf含量為560～610 mg/g，而灌溉條件下為325～397 mg/g；干旱脅迫條件下有20 份材料的小麥WSCf含量大于600 mg/g，灌溉條件下僅有1 份，說明小麥在干旱脅迫條件下更利于WSC 的積累與轉運。在干旱脅迫條件下的第Ⅳ類與灌溉條件下第Ⅴ類WSC 含量較高，由于WSC 含量越高越利于小麥自身的發育生長和營養物質的積累轉運，所以，在挑選育種材料方面這3 份材料（編號58、119、123）更具有研究價值和意義。

3 結論與討論

干旱脅迫導致小麥光合作用強度減弱，此時小麥莖稈中WSC 被認為是籽粒灌漿碳源物質的重要來源[14]，小麥可通過自身調節，促進營養器官中WSC向籽粒轉運，使產量損失得以補償[15-16]。本研究發現，適度干旱狀態促使小麥莖稈WSC 含量增加，同時WSC 轉運率及對籽粒貢獻率也隨之增加。小麥ILs 群體莖稈中WSC 含量表現為干旱脅迫大于正常灌溉，且在灌漿期最高；并且各性狀之間變異系數較高，在38.17%～66.48%，證明該群體之間個體差異較大。干旱脅迫下初花期、灌漿中期和成熟期WSC 含量以及主莖WSC 花前轉運率和花前貢獻率相關系數普遍大于正常灌溉。特別在干旱條件下，小麥可能由于其本身微效復雜數量性狀特點，進行一系列特定生理生化反應，促使灌漿期的WSC 進一步積累轉運，避免干旱脅迫對小麥產量造成損失。

前人研究發現，小麥WSC 積累轉運是典型多基因控制的復雜數量性狀[17]，且對不同群體小麥WSC積累轉運相關性狀進行研究分析發現，不同群體均表現出了復雜的遺傳特性[18]。因此，通過對不同基因型小麥進行不同水分處理，有利于深入發掘WSC相關性狀的微效數量遺傳機制[19-21]。本研究表明，小麥ILs 群體莖稈中WSC 積累轉運相關性狀表型變異廣泛，干旱條件下WSC 表型變異顯著提高并且表型多樣性指數較正常灌溉高。說明干旱條件使小麥表型多樣性得到豐富，同時小麥可能在一定程度上通過其復雜WSC 代謝反應和多基因表達，緩解水分缺失對植株造成的損傷，保證小麥達到穩產甚至高產的目的，這些結果為進一步發掘小麥果聚糖積累轉運分子遺傳機制提供了理論基礎。本研究表明，小麥ILs 群體WSC 積累轉運相關性狀受基因型、水分條件和發育階段及其互作影響。但本試驗通過進一步多因素方差分析發現，影響小麥WSC 含量變異的主要因子是基因型和基因型及發育階段互作，基因型是影響小麥WSC 花前轉運率及貢獻率的主要因子。進一步補充說明小麥ILs 群體WSC積累轉運可能通過內外因子相互協調，促使其向小麥籽粒灌漿的高效轉運。同時，從表型變異范圍可以看出，各性狀均存在超親分離現象。本研究通過對2 種水分條件下小麥開花期WSC 含量及相關表型值進行聚類分析，得到3 份表型值較高的小麥品種（系），具有潛在的抗旱改良能力。說明小麥莖稈WSC 含量具備一定篩選抗旱品種的價值。