芥菜型油菜資源品質與萌發期模擬干旱抗性的評價及其相關性分析

原小燕,符明聯,何 柳,李根澤,鄧成市,陳曉艷,劉 玨,蘇世強,張玉松,張立帆,劉飛虎

(1.云南大學農學院,云南 昆明 650500;2.云南省農業科學院經濟作物研究所,云南 昆明 650205;3.鹽津縣農業技術推廣中心,云南 鹽津 657500;4.大理州農業科學推廣研究院,云南 大理 671600;5.德宏州農業技術推廣中心,云南 芒市 678400)

干旱對世界農業生產具有嚴重的影響,其危害遠遠超過其他非生物脅迫因素[1],并且在全球范圍內呈現逐年加重的趨勢[2]。中國水資源缺乏,近年來全國農業生產受旱災影響明顯加重,并且區域分布也發生了較大的變化,東北、西南地區的旱情災情呈明顯增加趨勢[3],1983—2015年西南地區旱災資料分析表明,云南旱情最嚴重,呈上升趨勢[4]。油菜是我國區域分布最廣、播種面積最大的油料作物,是植物油脂和植物蛋白的重要來源。菜籽油約占我國自產植物油總量的40%以上,隨著人民生活水平的提高,食用油消費量持續處于強勁增長態勢[5]。目前,我國油菜以冬油菜為主,約占全國油菜總面積的90%,主要集中在長江流域、云貴高原各省,秋旱導致油菜出苗不齊及苗弱影響產量的情況在各油菜產區時有發生,如湖北[6]、安徽[7]、湖南[8]、浙江[9]、長江中下游地區[10],及云南[11]等地均有報道。因此,鑒定、篩選耐旱種質,選育耐旱品種是從源頭上降低干旱對油菜產業影響的有效方法。

目前我國大面積推廣種植的油菜類型為甘藍型油菜,但其在整個生長季節需水量大,對干旱的適應能力較差[12]、容易產生旱害[13]。芥菜型油菜作為我國重要的油菜類型之一,曾在中國中西部、印度、巴基斯坦等國的干旱地區廣泛種植,具有耐旱、耐瘠、抗黑脛病和抗裂角等優點,是適應干旱、半干旱地區種植的油菜類型[14],已有報道成功將芥菜型油菜優良性狀導入甘藍型油菜[15-18],目前芥菜型油菜在我國土地瘠薄且干旱頻發的西藏、云南等地仍有一定種植面積。云南地處低緯度高原,地理位置特殊,地形地貌復雜,形成特殊的生態地理條件和垂直的氣候特性,蘊藏著非常豐富的芥菜型油菜種質資源[19]。此外,云南干、濕季分明,冬春易發季節性干旱的特殊自然環境,使得許多云南芥菜型油菜具有耐旱耐瘠的特點[14],如果能充分利用當地獨特自然條件長期選擇下形成的遺傳多樣性豐富的芥菜型油菜資源,系統篩選典型萌發期耐旱材料,將為油菜耐旱性狀改良提供重要的參考信息。

油菜作為我國最主要的油料作物,脂肪酸是其最重要的組成,長鏈脂肪酸是一類碳原子數大于12的飽和或不飽和脂肪酸,其中碳原子數超過18的脂肪酸為超長鏈脂肪酸,超長鏈脂肪酸直接參與種子中甘油酯、生物膜膜脂等的生物合成,也是角質層蠟質合成的前體物質[20-21],參與植物對生物和非生物脅迫的反應[22-23]。油菜中脂肪酸碳原子數均大于12,其中超長鏈脂肪酸包括芥酸、花生烯酸。三大類油菜(甘藍型油菜、芥菜型油菜及白菜型油菜)的脂肪酸含量及組成也各有特點,如甘藍型油菜脂肪酸及長鏈單不飽和脂肪酸油酸含量高,芥菜型油菜長鏈多不飽和脂肪酸亞油酸和亞麻酸高[24],芥菜型油菜的超長鏈脂肪酸芥酸含量普遍高,而目前國內推廣的甘藍型油菜均為低芥酸。

目前國內針對甘藍型油菜的耐旱性研究較多[25-30],針對芥菜型油菜耐旱性研究較少,且主要集中在對少數種質的篩選、部分耐旱形態及生理指標的解析等方面,針對遺傳多樣性豐富的芥菜型油菜資源材料收集、耐旱性系統評價及芥菜型油菜脂肪酸與耐旱性關系的研究報道較少。本研究采用前期試驗確定的適宜PEG-6000高滲溶液模擬中度及重度干旱脅迫條件[31],對193份芥菜型油菜(包括云南省所有的芥菜型油菜地方品種、選育品種和四川、貴州、重慶、湖北、新疆等省(區、市)的部分品種以及印度、波蘭的部分資源)進行萌發期耐旱性鑒定試驗,對參試材料耐旱性進行鑒定評價,并對參試材料的脂肪酸含量、脂肪酸組成與耐旱的相關性進行分析,為油菜耐旱育種親本選拔提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

本文參試芥菜型油菜共193份,均由云南省農業科學院經濟作物研究所提供。161份材料來源于云南各地(表1,表2),其中115份為云南各地收集而來的地方品種、46份為育成品種(系);來源于國內其他省(區、市)的材料共25份(表3),其中15份來源于貴州,2份來源于湖北,5份來源于四川,來源于山西、重慶、新疆的各1份;來源于國外的材料7份,其中印度6份,波蘭1份。參試材料種子質量均符合GB4407.2-2008的要求[32],將種子充分混合后隨機取樣。

表2 云南地方選育品種(系)Table 2 Local breeding varieties (strains) in Yunnan

1.2 方法

1.2.1 試驗方法 根據前期試驗結果[31],設兩種不同干旱脅迫處理,處理1(T1)為中度干旱脅迫:19% PEG-6000(聚乙二醇-6000);處理2(T2)為重度干旱脅迫:22% PEG-6000;對照(CK)為去離子水處理。每個處理100粒種子,3次重復,種子用1%的次氯酸鈉消毒15 min,再用清水漂洗6次,分別置于直徑12 cm、高2.5 cm的圓形培養皿內,以雙層濾紙為芽床,分別加入10 ml脅迫溶液或去離子水,20℃恒溫培養。試驗按照上述操作重復3次,分別于2020年11月、2021年5月、2021年8月進行,3次中度干旱脅迫分別用T1-1、T1-2、T1-3表示,3次重度干旱脅迫分別用T2-1、T2-2、T2-3表示。

脅迫溶液的配制方法如下:分別將190 g、220 g PEG-6000溶解在0.7～0.8 L去離子水中,定容到1 L,即得到19%、22%的PEG-6000溶液。

1.2.2 性狀指標考察 種子發芽率:于發芽第7天(168 h)調查每個參試材料各處理的發芽數,并根據下面公式計算相對發芽率RG值。

RG=GT/GCK×100%

式中,RG為種子相對發芽率;GT為脅迫培養種子的3次重復發芽率平均值;GCK為對照培養種子的3次重復發芽率平均值。

品質測定試驗分別于2019年10月—2020年4月、2020年10月— 2021年4月在云南省農業科學院昆明尋甸基地進行,該地屬于低緯度高原季風氣候,緯度25°20′,經度102°41′,海拔1 869 m,紅壤土,土壤有機質含量為25.0 g·kg-1,堿解N 138.5 mg·kg-1,銨態氮15.2 mg·kg-1,速效磷16.9 mg·kg-1,速效鉀123.8 mg·kg-1,pH值6.5。193份材料隨機排列,每份材料種4行,株距25 cm,行距30 cm,每行5塘,每塘2株,田間管理按照油菜正常管理方法進行。收獲自交種后,用近紅外光譜分析儀(FOSS NIP System 461040,福斯公司,美國)測定含油量、蛋白質含量、硫甙及各脂肪酸組成含量。

2 結果與分析

2.1 芥菜型油菜品質性狀

測定了193份芥菜型油菜的品質相關性狀,包括蛋白質含量、硫苷含量、脂肪酸含量及組成(棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸、花生烯酸、芥酸含量)等10個指標,發現其在不同材料間差異均達到極顯著水平。193份材料的蛋白質含量為20.30%～38.13%,平均值為22.36%;硫甙含量108.16～198.83 μmol·g-1,平均值為148.12 μmol·g-1;含油量 25.05%～41.47%,平均值為 33.76%;以上3個指標的變異系數較小,均小于10%,而各脂肪酸組分的變異系數較大,尤其是芥酸、花生烯酸和油酸,變異系數分別為 59.35%、57.01%、54.33%(表4)。

表4 193份芥菜型油菜品質相關性狀Table 4 Quality related traits of 193 Brassica juncea samples

品質性狀主成分分析結果表明,10個品質因子中共提取了10個主成分,其中前兩個主成分累計貢獻率為75.64%,特征值均大于1,主成分1表達式為y1=0.35x1(棕櫚酸)+0.30x2(硬脂酸)+0.40x3(油酸)+0.40x4(亞油酸)+0.33x5(亞麻酸)-0.39x6(花生烯酸)-0.41x7(芥酸) -0.07x8(蛋白)-0.18x9(含油量)-0.09x10(硫甙),其中5個長鏈脂肪酸(棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸)及2個碳原子數超過18個碳的極長鏈脂肪酸(花生烯酸和芥酸)貢獻率較大,前者變量系數為正,后者為負,其他貢獻率較小;主成分2表達式為y2=0.07x1-0.31x2-0.05x3-0.02x4-0.06x5-0.08x6-0.02x7+0.64x8-0.56x9+0.39x10,主要是蛋白質、含油量、硫甙貢獻率大。193份材料中,除J125、J227和J226外,其余材料大致聚為兩類(圖1)。同時10個品質性狀經卡方距離最長距離法連鎖聚類,也聚為兩大類(圖2,見9頁),與主成分分析結果一致;第I類有55個品種,其超長鏈脂肪酸芥酸、花生烯酸含量低,長鏈脂肪酸尤其是不飽和脂肪酸油酸、亞油酸、亞麻酸含量高;第Ⅱ類有138個品種,組成成分與第一類相反。

圖1 品質性狀主成分分析Fig.1 Principal component analysis of quality traits

2.2 不同程度干旱脅迫對芥菜型油菜相對發芽率的影響及193份材料的耐旱性分析

兩種不同程度干旱脅迫條件下,多數參試材料發芽率比對照低,且隨著PEG-6000濃度的增加而下降,中度干旱脅迫T1條件下,多數材料的相對發芽率介于72%～100%(圖3a～3c);重度干旱脅迫T2條件下,多數材料的相對發芽率介于0%～40%(圖3d～3f)。T1處理下,參試材料發芽率均值為60.34%～80.81%,變異系數為30.56%～45.21%,相對發芽率分布較為集中;T2處理下,參試材料相對發芽率均值為14.16%～24.78%,變異系數為81.66%～112.88%,相對發芽率變異大,分布較分散(表5)。

圖3 不同干旱脅迫條件下相對發芽率分布圖Fig.3 Distribution of relative germination rate under different drought stress conditions

表5 不同處理相對發芽率表現Table 5 Performance of relative germination rate under different treatments

作物萌發期耐旱性的直接表現為其在干旱條件下可正常萌發生長的能力,本研究以相對發芽率(脅迫處理的發芽率/對照處理的發芽率)作為萌發期不同干旱脅迫條件下耐旱性評價指標。將T1、T2條件下相對發芽率分別采用歐式距離離差平方和法進行連鎖聚類,得到耐旱性不同的材料分類,結果表明:中度干旱脅迫T1條件下耐旱性強的材料有17份(相對發芽率≥94%),耐旱性中等的有105份(70%≤相對發芽率<94%),耐旱性弱的有71份(相對發芽率<70%);重度干旱脅迫T2條件下耐旱性強的材料有16份(相對發芽率≥40%),耐旱性中等的有107份(20%≤相對發芽率<40%),耐旱性差的有60份(相對發芽率<20%)。3次重復下,T1與T2處理的相對發芽率均呈極顯著正相關,相關系數分別為0.50、0.35、0.56。

以上的研究結果表明,在不同程度干旱脅迫條件下,材料的耐旱性表現出一定差異,采用不同干旱脅迫條件下材料的綜合表現來評價其耐旱性更可靠,將T1、T2條件下的相對發芽率一起進行連鎖聚類,將參試品種根據其綜合耐旱性大致分為3類,見圖4。第I類為綜合耐旱性強的材料,這類材料在中度及重度干旱條件下耐旱性均表現為強而或一種脅迫條件下表現為強而另一種條件下表現為較強(85%≤T1相對發芽率<94%,35%≤T2相對發芽率<40%),第I類材料共有23份,編號和相對發芽率見表6;第Ⅱ類為綜合耐旱性弱的材料共66份,這類材料在中度及重度干旱條件下耐旱性均較弱;第Ⅲ類為綜合耐旱性中等的材料共104份,其中包含中度及重度干旱脅迫條件下耐旱性均表現中等的材料,還包括2種干旱脅迫條件下耐旱性表現不一致的材料。

表6 耐旱性強的材料在不同干旱脅迫處理下的相對發芽率Table 6 Relative germination rate of strong drought tolerant materials under different drought stress treatments

2.3 耐旱性與品質性狀的相關性分析

由表7可知,兩種不同程度干旱脅迫條件下相對發芽率與品質性狀相關分析表明,T1中度干旱脅迫條件下材料的耐旱性與脂肪酸總含量(含油量)呈顯著相關,相關系數為0.1875,重度干旱脅迫條件下未達到顯著水平。相對于脂肪酸含量,芥菜型油菜萌發期耐旱性與各脂肪酸組成相關性更高,與5類長鏈脂肪酸(棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸)均呈負相關,其中與油酸相關系數最大;與2類長鏈脂肪酸(芥酸、花生烯酸)均呈極顯著正相關,相關系數均較大。我們進一步對193份材料的脂肪酸組成包括超長鏈脂肪酸含量與長鏈脂肪酸、長鏈飽和脂肪酸、長鏈不飽和脂肪酸、長鏈多不飽和脂肪酸含量的比值與萌發期耐旱性的相關性進行分析,發現超長鏈脂肪酸與4類長鏈脂肪酸的比值與耐旱性均表現為極顯著正相關,T1條件下相關系數為0.3400～0.3442,T2條件下相關系數為0.1661～0.1729。同時超長鏈脂肪酸芥酸、花生烯酸的含量與以上4個比值(超長鏈脂肪酸與4類長鏈脂肪酸的比值)均為極顯著正相關,相關系數分別為0.98～0.99、0.96～0.98。本文篩選出的20份綜合耐旱性強的材料,僅有3份為低芥酸材料(芥酸≤3%),超過80%芥酸含量大于25%。

表7 參試品種(系)品質和耐旱相關性狀的相關系數Table 7 Correlation coefficient of quality and drought tolerance traits of tested varieties (strains)

3 討論與結論

萌發出苗期是作物生長最關鍵的時期,秋旱影響油菜出苗進而影響產量的問題在我國各油菜產區時有發生,篩選創制萌發期耐旱性強的種質是油菜育種的關鍵,與甘藍型油菜相比,芥菜型油菜具有較強的耐旱性[33]。我們前期針對甘藍型油菜萌發期耐旱性研究表明,19%PEG-6000脅迫下,相對發芽率大于90%的為抗旱性極強的材料,相對發芽率在60%左右的材料為抗旱性中等的材料,22%PEG-6000脅迫下僅有少數耐旱性強的材料相對發芽率可超過30%[31],而本研究19%PEG-6000脅迫條件下80%的參試材料(154份)相對發芽率≥60%,22% PEG-6000脅迫條件下19%的參試材料(36份)相對發芽率>30%,表明芥菜型油菜萌發期耐旱性普遍比甘藍型油菜強,是改良甘藍型油菜耐旱性的重要資源。

本研究通過對芥菜型油菜萌發期兩種不同程度干旱脅迫處理結果比較發現,中度干旱脅迫對發芽率整體影響較小,相對發芽率變異系數小,分布集中;重度干旱脅迫對發芽率影響較大,相對發芽率變異系數較大,分布較為分散,材料之間差異顯著。另外,兩種不同程度干旱脅迫條件下的相對發芽率雖呈極顯著正相關,但相關系數較小,不同程度干旱脅迫條件下材料的耐旱性有一定差異,這與我們前期關于芥菜型油菜苗期耐旱性的研究[34]結果一致。因此采用中度、重度不同程度干旱脅迫進行耐旱性鑒定,綜合評價材料耐旱性結果更可靠,本研究以兩種脅迫處理條件下的相對發芽率為基礎,采用連鎖聚類方法,篩選出20份綜合耐旱性強的種質。

根據劉后利教授[35]研究,云南和新疆為我國芥菜型油菜的兩大集中產區,在中國西南部高原和山區,芥菜型油菜的類型和品種豐富多樣,可為世界之冠。本研究通過連續2年的田間試驗,測定了所有材料包括含油量、蛋白質、硫苷及脂肪酸組成在內的10個品質相關指標,其中芥酸、花生烯酸及油酸含量變異系數高,同時分析了它們與萌發期耐旱性的相關性,結果表明萌發期耐旱性與籽粒脂肪酸含量及脂肪酸組成顯著相關,尤其是與脂肪酸組成相關性更高,與極長鏈脂肪酸(芥酸、花生烯酸)呈極顯著正相關,與5種長鏈脂肪酸(尤其是油酸、亞油酸)呈顯著負相關,中度干旱脅迫條件下相關性更強,這與我們前期對芥菜型油菜苗期耐旱性研究結果一致[34]。張弋[36]研究發現蠟質中超長鏈脂肪酸及其衍生物與茶樹葉片角質蒸騰速率呈負相關,在干旱脅迫下蠟質中的超長鏈脂肪酸及其衍生物對角質蒸騰屏障性能的增強貢獻較大。Allakhverdiev等[37]研究表明,藍藻對干旱的耐受與脂肪酸含量有關,當定點突變使脂肪酸合成酶失活時,其合成的脂肪酸含量下降,會導致藻細胞耐受脅迫的能力下降。朱倩等[38]研究表明,酵母細胞極長鏈脂肪酸合成缺陷會導致細胞膜更脆弱、穩定性下降。本研究表明極長鏈脂肪酸含量與芥菜型油菜萌發期耐旱性相關,可能是脂肪酸作為細胞膜的重要組分,其穩定性與植物逆境下的生長直接相關,關于極長鏈脂肪酸影響萌發期耐旱性的分子機制需進一步研究。本研究篩選出的20份綜合耐旱性強的種質,有17份的極長鏈脂肪酸含量高,為高芥酸材料。與中度脅迫相比,重度干旱脅迫條件下耐旱性與脂肪酸組成相關性較弱,可能是由于重度干旱對植株影響更大致使相關基因作用不顯著。

本研究在不同程度干旱脅迫條件下,對193份芥菜型油菜資源的萌發期耐旱性、籽粒品質性狀及兩者相關性進行分析,結果表明芥菜型油菜萌發期耐旱性整體表現較好,同一材料在不同程度干旱條件下其耐旱性有差別;193份芥菜型油菜資源品質變異豐富,參試材料根據極長鏈脂肪酸和長鏈脂肪酸含量不同大致聚為兩類;萌發期不同程度干旱脅迫下,材料耐旱性與極長鏈脂肪酸為顯著正相關,與5種長鏈脂肪酸均為顯著負相關。以上結果為芥菜型油菜萌發期耐旱種質篩選提供了參考依據。本研究是采用自然群體在PEG-6000模擬干旱條件下開展,研究結果可在生產實際中的干旱條件下采用遺傳背景較為一致的群體進行進一步的驗證。