小麥近緣種芽期和苗期的耐鹽性鑒定與評價

哈力旦·依克熱木,劉 娜,劉聯正,周安定,姜奇彥,達買力江·合孜爾,曹俊梅,張新忠

(1.新疆農業科學院糧食作物研究所/農業部西北地區小麥抗旱耐鹽生物學科學觀測實驗站,烏魯木齊 830091;2.中國農業科學院作物科學研究所,北京 100094;3.阜康市水磨溝鄉農業發展服務中心,新疆昌吉 831500)

0 引 言

【研究意義】小麥是我國主要的糧食作物[1]。土壤鹽漬化影響小麥的生長[2]。選育耐鹽堿小麥品種是改良鹽堿土壤有效快捷的方法。在選育耐鹽作物品種時,利用現有的耐鹽性較強的種質資源作為親本材料,通過雜交技術手段選育后代,使得耐鹽性狀得以表現,選育出具有耐鹽性,綜合性狀優良的品種[3]。作物產量突破都有賴于特異種質資源的發掘和利用。培育優異抗旱、耐鹽小麥新品種是解決問題最根本、最經濟、最有效的手段。挖掘和利用主要性狀相關基因資源對小麥遺傳改良有重要意義[4]。作物耐鹽性是一個復雜指標且對環境敏感。作物生長早期是整個發育過程的基礎,極易受到逆境脅迫傷害,最終影響產量。芽期和苗期是研究作物耐鹽性的重要時期[5-7]。小麥耐鹽性鑒定是小麥種質資源鑒定評價、耐鹽品質選育以及耐鹽機理的基礎研究,土壤鹽漬化嚴重影響小麥生產,提高小麥耐鹽性是應對土壤鹽漬化的主要途徑之一。耐鹽種質資源是耐鹽性遺傳改良的材料基礎。小麥近緣材料是栽培小麥改良所需優異外緣基因的主要來源,擁有多種栽培小麥改良的優異基因。通過耐鹽性鑒定對篩選出小麥耐鹽育種的種質資源或直接用于小麥生產的新品種有實際意義。【前人研究進展】陳新等[8]在NaCl單鹽脅迫條件下,采用燕麥種子發芽生長抗鹽鑒定的方法對小麥進行耐鹽性鑒定表明,發芽率是一項耐鹽篩選的理想指標。劉旭等[9]芽期、苗期耐鹽性鑒定,獲得3份耐性較強的材料。由于小麥耐鹽性是多基因控制的多種生理生化代謝的綜合表現,耐鹽性鑒定研究比較復雜。小麥近緣種具有極強的環境脅迫耐性,一直承擔著改良普通小麥種質遺傳資源和基因庫的重任[10],趙賢等[11]對野生二粒小麥抗旱耐鹽種質資源的鑒定及全基因組關聯進行分析,通過多層研究,篩選出耐旱耐鹽性種質資源。杜雅楠等[12]對20個來源于普通小麥與華山新麥草的雜交衍生后代材料進行萌發期和幼苗期的抗旱性研究,以確定其抗旱性強弱,并利用基因組原位雜交(GISH)技術,對小麥-華山新麥草衍生后代抗旱性最強的材料進行了檢測,為華山新麥草優良基因更好的應用于小麥改良打好基礎。曹俊梅等[13-14]對鹽脅迫對新疆冬小麥幼苗形態和生理特性的影響為目的,分析了新疆主栽小麥品種苗期耐鹽性差異。通過利用2%硫酸鈉模擬鹽分脅迫,研究11個新疆主栽小麥品種幼苗的形態和生理特征,利用加權隸屬函數法分析鑒定指標和幼苗的耐鹽性。研究不同濃度的NaCl和Na2SO4混合鹽溶液對冬小麥種子發芽及幼苗生長的影響,得出了鹽分濃度的增加,3個小麥品種的種子發芽率、發芽指數、活力指數、芽長及根長都呈下降趨勢,均與鹽濃度呈極顯著負相關。收集小麥近緣種為材料,開展小麥近緣種質資源的耐鹽性鑒定和評價工作,對挖掘小麥近緣種特有的(耐鹽)基因資源,明晰資源的遺傳基礎和多樣性,將促進小麥資源的利用。從作物類型、不同鹽脅迫和生長發育等方面鑒定和篩選作物耐鹽性,對小麥耐鹽性的生理適應性鑒定具有重要參考價值。小麥近緣種質資源含有大量的抗逆、抗病蟲和優質基因,可以通過人工遠緣雜交等方法轉育到現代的栽培品種中,并逐步應用到小麥遺傳改良和品種選育中,對促進小麥品種改良,培育耐鹽小麥新品種有重要意義。【本研究切入點】耐鹽、高產、優質小麥新品種的選育難度不斷增加。新疆已有對普通小麥品種的耐鹽性研究有報道,但對小麥近緣種的耐鹽性研究較少或尚未報道。植物在不同生育期耐鹽性存在差異,為精準篩選出優異的小麥近緣耐鹽資源,也需分別對芽期和苗期進行耐鹽性鑒定、評價。【擬解決的關鍵問題】以38(含對照)份小麥近緣種為材料,利用兩種濃度NaCl處理種子和幼苗,篩選耐鹽種質,通過有效結合轉基因小麥耐鹽性鑒定的技術規程,從豐富的小麥近緣材料中篩選出一批強耐鹽種質,拓寬小麥遺傳基礎為小麥耐鹽性研究及小麥抗逆育種提供評價方法和基礎材料。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料38份小麥近緣種(1份普通小麥為對照,冬性材料28份,春性材料10份)由中國農業科學院作物科學研究所提供,設備也由中國農業科學院作物科學研究所(種質資源抗逆性評價課題組)提供。

1.2 方 法

1.2.1 小麥近緣種芽期 NaCl 脅迫及耐鹽性鑒定

芽期耐鹽性鑒定在溫室可控的培養箱與人工氣候室內進行。相對鹽害率與耐鹽性級別作為萌發期耐鹽性鑒定的主要指標。芽期鑒定實驗以培養皿(直徑為9 cm)作為發芽床。38份材料挑選發育正常的種子均為地放入鋪有二層濾紙的培養皿中,每盒50粒。5 mL濃度為1.2%的NaCl溶液進行脅迫處理,以無離子水培養作為正常處理,設3次重復。將種子培養皿置于20℃培養箱中,每天光照16 h,暗培養8 h。對照材料4 d、鹽脅迫材料8 d統計發芽率(芽長超過種子的1/2為發芽標準)。將38份材料分別置于5 mL無離子水(對照)和1.2% NaCl溶液中培養,統計發芽數,并挑選5～10株(對照處理)調查芽長,根長,根數,芽鮮重,根鮮重等指標初步鑒定材料的多樣性。統計發芽率,相對發芽率,相對鹽害率,評價芽期耐鹽性。

統計鹽脅迫和對照種子發芽率,相對鹽害率。以相對鹽害率作為萌發期耐鹽性的評價指標。相對鹽害率以α表示(%)。

1.2.2 小麥近緣種苗期NaCl脅迫及耐鹽性鑒定

小麥近緣種苗期耐鹽性實驗采用Hoangland營養液培養。發芽第4 d,將每柱分別移到96孔板子上。浮漂在培養槽Hoangland營養液中,放入組培間25℃恒溫,光照,恢復培養3 d,換成1.2% NaCl溶液。鹽害指數與受害級別作為苗期耐鹽性鑒定的主要標準。幼苗經過 Hoangland 營養液恢復培養3 d后用1.2%的NaCl溶液進行脅迫處理。20 d后對每株苗進行受害分級并統計鹽害指數,對苗期耐鹽性進行評價并對比芽期和苗期耐鹽性級別。圖4,圖5

2 結果與分析

2.1 NaCl鹽脅迫對小麥近緣種萌發期指標影響

研究表明,供試材料的多樣性豐富,在NaCl鹽脅迫條件下,發芽率是受抑制較嚴重的一個生理指標,發芽率最小值、最大值、平均值分別為0、100%、66.7%;與對照相比下降46%、19.3%、最大值無變化。表2

圖1 芽期正常處理條件下各項指標對比

表1 供試材料各項指標的多樣性

續表1 供試材料各項指標的多樣性

表2 發芽率變化

篩選出高耐鹽材料21份,耐鹽材料8份。供試材料在不同處理階段的差異性也較大。表3,圖2,圖3

表3 萌發期耐鹽分級與評價標準

圖2 萌發期耐鹽材料及耐鹽級別

式中:XCK-對照平均發芽種子粒數;XT-鹽處理平均發芽種子粒數;α-相對鹽害率。

2.2 苗期 NaCl鹽脅迫對植株生長的影響

研究表明,成活率100%的材料有15份,大于80%的有20份,小于60%的有3份材料。成苗率100%的材料有3份,大于80%的有15份,小于50%的有12份材料。成活率與成苗率均為100%的材料2份,分別為XM944(野生一粒小麥)、RM050(小亞山羊草)。圖4,圖5鹽害指數以β表示:

圖3 不同處理之間的差異

圖4 苗期耐鹽性級別

式中:Ci-受害級別;Ni-每個級別株數;n-檢驗樣本總株數;5-鹽害最高級別。

篩選出苗期耐鹽材料7份,中耐鹽材料17份,敏感材料12份,高敏材料2份。

2.3 小麥近緣種芽期與苗期耐鹽性比較

研究表明,部分材料的差異較大。XM5、XM8-1、XM9、XM10、XM15、XM712、XM838、XM943、XM1098、RM105在芽期為耐鹽,而苗期屬于敏感材料。RM8、RM142在芽期為敏感,而苗期為中耐鹽材料。也發現了芽期和苗期耐鹽類型相同的材料。2個時期均為耐鹽材料有7份,分別為XM884、XM886、XM836、XM883、XM879、XM1106和新冬34(對照),中耐鹽材料2份,分別為RM103、RM078,敏感材料4份,分別為XM65、XM944、RM143、RM050。圖6,表4

圖6 芽期與苗期耐鹽性級別對比

2.4 小麥近緣種在鹽脅迫條件下芽期和苗期耐鹽性分布

研究表明,在萌發期鹽脅迫條件下高耐鹽材料21份(占55.2%),耐鹽材料8份(占21%),中耐鹽材料3份(占7.8%),敏感材料4份(10.5%),高敏材料2份(5.2%)。苗期脅迫條件下耐鹽材料7份(占18.4%),中耐鹽材料17份(占44.7%),敏感材料12份(占31.5%),高敏材料2份(5.2%)。

3 討 論

3.1 NaCl鹽脅迫對小麥近緣種萌發期指標及苗期植株生長的影響

萌發期鹽脅迫條件下,由于鹽分過多而使作物種子水勢降低,吸水困難,使細胞缺水,容易破壞細胞膜的穩定性和完整性,影響種子萌發和幼苗的生長[15,16]。芽期和苗期的耐鹽性是植物全生育期耐鹽的基礎環節。研究在前人研究的基礎上,對38份材料芽期脅迫濃度為1.2%,苗期脅迫濃度為1.5%的NaCl溶液處理。結果表明,供試材料在芽期對鹽脅迫不太敏感,被篩選出21份高耐鹽材料占總材料的55.2%。

苗期脅迫處理中,未發現高耐鹽材料,篩選出耐鹽材料7份,占總材料數的18.4%。

芽期耐鹽性體現在種子的吸水膨脹能力,機理是抵御滲透脅迫;苗期的耐鹽機理是拒Na+[16-18]。導致小麥不同發育階段耐鹽能力的差異,即芽期表現耐鹽材料,苗期不一定具有耐鹽性。試驗擬合芽期和苗期耐鹽性評價關系的結果來看,兩個時期無顯著相關。原因就是2個時期的耐鹽機理不完全相同,與前人的研究結果基本一致。

3.2 幼苗成活率,成苗率與芽期苗期耐鹽級別的關系

幼苗成活率100%的材料2個時期出現敏感或高敏感的情況。其中只有2份材料(XM886,XM879)芽期和苗期為高耐鹽和耐鹽材料。成苗率100%的(XM944,RM50)在2個時期均為敏感和高敏材料。成活率與成苗率均大于80%的共9份材料中4份(XM884,XM883,XM1106,新冬34號)為高耐鹽和耐鹽材料。3份(XM009,XM008-1,XM015)為苗期敏感材料,而在芽期為高耐鹽,耐鹽,中耐鹽類型。成活率、成苗率與2個時期的耐鹽類型無顯著相關。

表4 芽期、苗期耐鹽鑒定結果

4 結 論

4.138份(含對照)小麥近緣種在芽期和苗期進行了單鹽(NaCl)脅迫處理。采用5個耐鹽級別,篩選出芽期高耐材料21份,分別為XM886、XM826、XM829、XM712、XM16、XM943、XM837、XM1107-1、XM836、XM838、RM130、XM10、XM1107、XM711-1、RM54,XM883、XM879、XM1106、 XM708、XM15、對照(新冬34號),高敏材料2份(高大山羊草)RM142、RM143。獲得中耐材料3份:RM103(尾狀山羊草)、RM78(鉤刺山羊草)、XM9(栽培二粒小麥)。

4.2采用植株受害指標篩選出苗期(未發現高耐鹽材料)耐鹽材料7份(其中蜜穗小麥5份,圓錐小麥1份),分別為XM884、XM886、XM836、XM883、XM879、XM1106、對照(新冬34號)。獲得高敏材料2份:分別為XM944(野生一粒小麥)、RM50(小亞山羊草)。獲得中耐材料17份,分為XM826、XM829、XM16、XM837、RM142、XM11071、XM711、RM130、XM1107、RM103、RM104、RM126、RM54、RM78、RM8、XM708、XM711-1。

4.3對照材料新冬34號在新疆耐鹽堿特性較強的小麥品種。小麥近緣種芽期和苗期使用的NaCl鹽濃度能夠作為耐鹽鑒定與評價的適應濃度。