農(nóng)林46×寧麥3號RIL的耐濕性的表達和遺傳

顏 偉，吳紀中，蔡士賓

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所，江蘇 南京 210014)

農(nóng)林46×寧麥3號RIL的耐濕性的表達和遺傳

顏 偉，吳紀中，蔡士賓

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所，江蘇 南京 210014)

小麥(TriticumaestivumLinn.) ;濕害;濕害指數(shù);耐濕性

小麥濕害(waterlogging)是指土壤水分達到飽和時對小麥正常生長發(fā)育所產(chǎn)生的危害。濕害是影響小麥生產(chǎn)的世界性自然災害，全世界每年約有1 000～1 500萬公頃的小麥不同程度地遭受漬濕危害[1]。濕害對小麥的形態(tài)和生理機能及產(chǎn)量都有較大的影響。長期濕害導致土壤供氧能力下降，直接影響小麥根系生命活動的正常進行，降低了吸水吸肥能力，使營養(yǎng)元素和必需的中間產(chǎn)物從根部淋失，葉片早衰早枯，光合作用減弱，同時影響莖鞘中儲存物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移，籽粒因得不到營養(yǎng)物質(zhì)而變得瘦癟，千粒重明顯下降，最終導致減產(chǎn)。濕害引起的小麥產(chǎn)量損失一般為5%～20%，嚴重的甚至絕收[2]。我國南方冬麥區(qū)約有3/4以上的年份發(fā)生不同程度的濕害[3]，因此，耐濕性已成為許多地區(qū)小麥育種的重要目標之一。

小麥品種資源的耐濕性存在極大的遺傳差異。蔡士賓等[4]和van Ginkel等[5]以受漬后植株形態(tài)或產(chǎn)量性狀為指標篩選和鑒定耐濕種質(zhì)。蔡士賓等[4]從數(shù)千份小麥種質(zhì)資源中鑒定出農(nóng)林46和馬卡小麥等耐濕性極強的種質(zhì)。曹旸等[6]用耐濕和不耐濕的小麥品種分別配制耐濕×耐濕，耐濕×不耐濕，不耐濕×不耐濕組合的群體，以過濕條件下主莖綠葉的枯萎程度為指標，研究雜交組合后代群體耐濕性的遺傳特性及耐濕材料之間的遺傳關系。結(jié)果表明，耐濕親本對濕害的抗性受單個顯性基因控制；耐濕品種之間雜種后代出現(xiàn)雙親具等位基因和非等位基因2種分離方式；不耐濕品種間雜交后代全部為不耐濕個體，雙親在耐濕性上無遺傳差異。本研究利用耐濕與不耐濕親本雜交，通過單粒傳法構建的重組自交系群體，人為創(chuàng)造淹水環(huán)境，觀察群體及不同自交系對淹水逆境的不同反應，對多個與小麥耐濕性有關的性狀進行分析，研究小麥耐濕性的遺傳特點，并從中篩選出耐濕性較強的小麥品系。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

利用高度耐濕品種農(nóng)林46(P1)、極不耐濕品種寧麥3號(P2)配制雜交組合，通過一粒傳法獲得含114個自交系的F7代重組自交系群體。以該重組自交系群體及其親本為試驗材料。

1.2 試驗方法

試驗安排在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所網(wǎng)室水泥池內(nèi)進行，采用隨機區(qū)組設計，2次重復，以未淹水小區(qū)作為對照(CK)。在小麥拔節(jié)后，于3月25日進行灌水處理，保持土壤表層1 cm水層，持續(xù)至4月17日。對照(CK)區(qū)所有114個自交系和親本則正常管理。利用美國生產(chǎn)的LI-6400型便攜式光合作用測定儀測定蒸騰速率(Tr)和凈光合速率(Pn)，取旗葉測定3次，取其平均值。濕害處理后，待不耐濕親本上部葉片開始變黃時，調(diào)查群體株高(PH)、主莖綠色葉片數(shù)(NGL)。

利用濕害指數(shù)衡量品種受漬危害的程度。濕害指數(shù)越高表示濕害造成的危害越大，濕害指數(shù)越低表示耐濕性越強。

式中，VG表示遺傳方差；VP表示表型方差；VE表示環(huán)境方差。

2 結(jié)果與分析

2.1 重組自交系群體對孕穗期淹水處理的反應

小麥經(jīng)淹水處理后，7 d內(nèi)，處理區(qū)與對照區(qū)在外觀上尚無明顯差異；7 d后，濕害的影響開始表現(xiàn)出來：小麥下部葉片先發(fā)黃，然后逐漸向上擴展；葉片自下而上褪綠變黃，先是葉片的葉尖發(fā)黃，然后向葉片中、基部波及，經(jīng)過一定時間，枯黃的部分漸次枯死，綠葉數(shù)明顯減少。濕害對葉片的影響是小麥受漬后外觀長相的最先表現(xiàn)，淹水對小麥綠色葉片數(shù)的影響極為顯著，試驗發(fā)現(xiàn)處理區(qū)平均主莖綠色葉片數(shù)比對照減少近3張，減少幅度高達84.5%(t=82.643**)和82.6%(t=69.518**)(表1)。孕穗期是小麥生長非常旺盛的時期，隨著氣溫升高，伸長量加快，植株體積迅速增大。此時濕度過大，根系缺氧，活力下降，影響物質(zhì)吸收、運輸和轉(zhuǎn)化，部分營養(yǎng)物質(zhì)淋失，導致營養(yǎng)生長受到抑制，生長發(fā)育停滯，分蘗退化。植株矮化分蘗減少是小麥遭受濕害的另一外觀表現(xiàn)。本研究觀察發(fā)現(xiàn)淹水組株高分別較對照下降22.3 cm(t=20.539**)和24.5 cm(t=22.152**)(表1)。

長期淹水脅迫，導致小麥根系通氣不良，有害物質(zhì)在體內(nèi)積累，導致植株生理缺水，使小麥葉面氣孔收縮或部分關閉，氣孔阻力增加，造成葉片內(nèi)外氣體交換受阻，減少了水分蒸發(fā)，限制了CO2進入葉肉細胞，蒸騰作用、光合作用等生理機能衰減。本研究觀察發(fā)現(xiàn)處理區(qū)小麥蒸騰速率分別較對照下降了63.2%(t=27.809**)和62.9%(t=27.901**)，光合速率分別下降44.3%(t=25.341**)和43.4%(t=28.794**)(表1)。不難看出濕害對小麥的生長代謝危害非常大。

表1 孕穗期淹水處理對小麥部分性狀和生理指標的影響Table 1 Effect of waterlogging at booting stage on 4 different characters of wheat

注：**表示0.01的顯著水平，t0.01=2.597；|t2|：組群比較常用來比較處理之間的差異，本研究中用于測試淹水處理與對照的差異，反映濕害對小麥形態(tài)和生理參數(shù)的影響。對照區(qū)與處理區(qū)種植同樣的群體，只是不進行淹水逆境處理，正常田間管理。

2.2 親本及重組自交系群體不同性狀濕害指數(shù)的評價

圖1 重組自交系群體的濕害指數(shù)的頻率分布Figure 1 Frequency distribution of wet-damage indices in RILs derived from Nonglin46×Ningmai3

重組自交系群體(RIL)在耐濕性上表現(xiàn)出明顯差異，耐濕性越差的自交系葉片變黃越迅速，植株矮化越明顯。灌水處理結(jié)束后，一些株系能很好地恢復生長，而另一些則植株逐漸枯黃。根據(jù)濕害指數(shù)的公式計算各性狀對應的濕害指數(shù)。各個性狀的濕害指數(shù)在RIL群體中的分布頻率見圖1。圖1顯示主莖綠色葉片數(shù)和株高的濕害指數(shù)呈連續(xù)變異，表明這2個性狀的濕害指數(shù)為多基因控制的數(shù)量性狀，分布頻率大致接近正態(tài)分布，且存在明顯的雙向超親分離，它們的峰值和偏斜度見表2。表2表明蒸騰速率和光合速率濕害指數(shù)呈不連續(xù)分布，蒸騰速率濕害指數(shù)分布峰值為6.103，其頻率分布呈多峰分布。除主莖綠色葉片數(shù)的濕害指數(shù)外，其余3個性狀的濕害指數(shù)在RIL群體中的平均表型值介于雙親之間。供試材料之間濕害指數(shù)存在著較大的差異，變異范圍較大。

表2 親本和重組自交系群體的濕害指數(shù)的表現(xiàn)與分布Table 2 Performance and distributions of wet-damage indices in the RIL population and its parents

為了滿足處理方差的同質(zhì)性和改進誤差的非正態(tài)性，先對濕害指數(shù)進行反正弦轉(zhuǎn)換，再作方差分析。方差分析結(jié)果顯示，RIL群體各自交系在主莖綠葉數(shù)濕害指數(shù)、株高濕害指數(shù)、蒸騰速率濕害指數(shù)和凈光合速率濕害指數(shù)等4項指標均存在極顯著差異(表3)。表明重組自交系的耐濕能力是有差異的，這種差異主要是受基因型控制。

表4 各項濕害指數(shù)間的相關系數(shù)Table 4 Correlation coefficients among all thewet-damage indices in the RIL population

注：**表示0.01的顯著水平

表3 各性狀濕害指數(shù)的方差分析Table 3 Analysis of variance and genetic parameters estimate of four wet-damage indices

注：表示達到0.05顯著水平，* * 表示達到0.01極顯著水平。

對各項濕害指數(shù)的相關分析顯示，蒸騰速率濕害指數(shù)與光合速率濕害指數(shù)之間存在極顯著的正相關(r=0.721**)，濕害導致植株葉片氣孔關閉，抑制了水分的蒸發(fā)，同時也阻礙了氣體的交換，蒸騰作用和光合作用都受到了抑制。而主莖綠色葉片數(shù)濕害指數(shù)、株高濕害指數(shù)之間，以及與蒸騰速率濕害指數(shù)、光合速率濕害指數(shù)之間不存在顯著的相關性(表4)，即隨著某一單項濕害指數(shù)的加重，并不能影響其他幾項指數(shù)，這些濕害指數(shù)不依賴其他指數(shù)。這一結(jié)果表明濕害對小麥的影響是多方面，由于不同小麥品種(系)耐濕機制不盡相同，導致不同品種(系)對某一具體指標的耐濕性反應以及同一個品種(系)的不同濕害指標存在差異。

2.3 耐濕品系的篩選

表5 部分耐濕性較強和耐濕性較弱自交系Table 5 Waterlogging tolerant indices of 3 traits of RIL

試驗結(jié)果表明重組自交系之間的存在耐濕性差異，從中可以選出耐濕性較強的品系。但由于不同品系對某一具體指標的耐濕性反應存在差異，所以用任何單一性狀的濕害指數(shù)評價小麥耐濕性的都有片面性，難以全面準確地反映耐濕性的強弱。濕害對小麥生命活動的影響是綜合的，多層次，多方面的，為了篩選出綜合耐濕性較強的品種(系)，宜采用多個指標，層層篩選。本研究綜合4個性狀的濕害指數(shù)，篩選出一批耐濕性較強的品系(表5)。

3 討論

3.1 小麥濕害及其耐濕性鑒定

小麥濕害是指土壤水分達到飽和時對小麥正常生長發(fā)育所產(chǎn)生的危害。不同的淹水時期、不同的脅迫強度對小麥的影響是不一樣的。孕穗期是小麥生長的關鍵時期，由營養(yǎng)生長向生殖生長過渡，對水分脅迫非常敏感。孕穗期淹水嚴重影響小麥的生長發(fā)育，表現(xiàn)生長停滯、葉片早衰凋亡，蒸騰作用和光合作用等生理機能衰減。這些都是植株遭受淹水產(chǎn)生的濕害表現(xiàn)，這些性狀的變化反映的只是小麥遭受濕害的程度，很難反映品種對濕害的抵御或抵抗能力，因此，通過研究小麥對濕害的防御機制來挖掘種質(zhì)的耐濕性顯得非常必要。

關于不同小麥品種(系)耐濕性的評價，當前仍停留在依據(jù)大量測試數(shù)據(jù)進行簡單定量分析比較的階段，即利用水淹條件下，小麥性狀表現(xiàn)占正常環(huán)境下的百分比作為鑒定各小麥品種(系)耐濕性強弱的指標[7～9]。由于不同處理時期、不同小麥品種(系)的耐濕機制不盡相同，使得不同品種(系)對某一具體指標的耐濕性反應并不一定相同。尤其一些形態(tài)指標，如本研究中重組自交系之間生育期的差異即處理的時期存在差異，導致測定的主莖綠葉數(shù)、株高濕害指數(shù)產(chǎn)生偏差。有學者采用單株產(chǎn)量為主要指標，以及有效穗數(shù)、每穗實粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量結(jié)構性狀等為指標進行耐濕性鑒定，因為濕害的最終表現(xiàn)是對產(chǎn)量的影響，這樣有利于篩選出產(chǎn)量適應性好的種質(zhì)。筆者認為濕害的鑒定應建立在利用目標的基礎上，若為了選育耐濕品種，耐濕性應結(jié)合產(chǎn)量鑒定，篩選既耐濕、產(chǎn)量又高的種質(zhì)或品系；而進行耐濕遺傳研究應盡可能選擇那些與小麥耐受或抵御濕害危害緊密相關的性狀為指標。因此本研究在測定了株高、主莖綠葉數(shù)的基礎上又加測了蒸騰速率、凈光合速率，增加了耐濕性鑒定結(jié)果的可靠性。

3.2 小麥品種的耐濕性遺傳

本研究發(fā)現(xiàn)小麥品種間存在耐濕性差異，而且這種耐濕性是可以遺傳的。曹旸等[6]根據(jù)耐感親本間雜交和回交后代分離比例，指出其親本耐濕性受1～2對顯性主效基因控制。張江麗等[10]研究表明：親本的耐濕性受主效基因的控制，同時也受微效基因的影響。本研究利用農(nóng)林46×寧麥3號的F7代重組自交系對耐濕性進行鑒定，結(jié)果表明群體在蒸騰速率等濕害指數(shù)上呈多峰分布；而在株高、主莖綠色葉片數(shù)等濕害指數(shù)上表現(xiàn)正態(tài)分布，似乎是受多基因控制的數(shù)量性狀，有必要重復多年鑒定并結(jié)合小麥耐濕機制研究進行進一步探索。

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2009-05-27

國家科技支撐計劃子課題(2006BAD13B02-11)；科技基礎性工作專項(2007FY110500-06)；農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項(NB2004BA525B03)

顏 偉(1972-)，男，江蘇建湖人，農(nóng)學碩士，副研究員，主要從事小麥品種資源研究.

蔡士賓,E-mail:caisb@jaas.ac.cn

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2010.01.001

S512.1

A

1673-1409(2010)01-S001-05