玉米EMS誘變材料的抗旱性篩選

張明義 ，王 翔 ，張彥芹 ，梁改梅 ，楊麗莉 ，周小梅 ，董春林 ，孫 潔

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究中心，山西 太原 030031；2.山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030006）

我國(guó)干旱、半干旱耕地面積約占全國(guó)總耕地面積的50%，干旱已成為限制作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要因素。北方地區(qū)常發(fā)生春旱，給玉米生產(chǎn)帶來(lái)巨大損失[1]。水資源短缺、氣候干旱問(wèn)題具有不斷加重的趨勢(shì)，對(duì)糧食生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。作物的抗旱性研究越來(lái)越受到人們重視[2]。

山西地處黃土高原，降水少，蒸發(fā)量大，干旱常常導(dǎo)致作物嚴(yán)重減產(chǎn)。因此，選育和應(yīng)用抗旱耐逆的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物品種就顯得尤為迫切[3-4]。通過(guò)誘變技術(shù)創(chuàng)造抗、耐旱作物新種質(zhì)，是培育抗旱優(yōu)良新品種的有效途徑。目前，化學(xué)誘變劑甲基磺酸乙酯（EMS）在農(nóng)作物誘變育種中得到了較廣泛的應(yīng)用，尤其在對(duì)玉米遺傳誘變新種質(zhì)選擇方面的效果最好[5-8]。自2006年以來(lái)，山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究中心利用EMS化學(xué)誘變技術(shù)開展了玉米抗旱新種質(zhì)的創(chuàng)新研究，對(duì)鄭58、昌7-2等幾個(gè)玉米骨干自交系進(jìn)行了大量的EMS誘變處理和選擇，先后獲得了一批遺傳穩(wěn)定、抗逆和農(nóng)藝性狀優(yōu)良的新種質(zhì)。

本試驗(yàn)對(duì)以玉米自交系鄭58為EMS誘變材料、經(jīng)M5選擇的15個(gè)新種質(zhì)材料進(jìn)行抗旱相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定，對(duì)其抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，旨在為培育抗旱新品種提供新的種質(zhì)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)材料為玉米自交系鄭58及其用EMS誘變選擇的M5變異材料（表1）。

1.2 幼苗水分脅迫

種子萌發(fā)參照范翠麗等[1]的方法進(jìn)行。待幼苗生長(zhǎng)到3葉1心時(shí)，用5%PEG-6000溶液進(jìn)行脅迫，處理1 d后，換用10%PEG-6000溶液脅迫2 d，隨后測(cè)定各項(xiàng)與抗旱相關(guān)的生理生化指標(biāo)。

表1 供試玉米材料

1.3 失水速率及丙二醛、可溶性糖、脯氨酸含量的測(cè)定

用葉片失水速率[9]表示保水能力的強(qiáng)弱。用TBA比色法測(cè)定丙二醛含量[10]；用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量[10]；用磺基水楊酸法測(cè)定脯氨酸含量[10]。

1.4 誘變系的隨機(jī)PCR鑒定

玉米DNA提取采用CTAB法[11]。RAPD反應(yīng)在PE-480 PCR儀上進(jìn)行。擴(kuò)增反應(yīng)溶液體積為20 μL，其中，ddH2O 13 μL，10×buffer （含 20 mmol/LMgCl2）2 μL，dNTP （2.5 mmol/L）0.5 μL，primer（10μmol/L）1μL，Taq 酶（5U/μL）0.5μL，DNA3 μL。PCR反應(yīng)程序?yàn)?94℃預(yù)變性3 min；94℃變性 1 min，50℃退火 0.5 min，72℃延伸1.2 min，擴(kuò)增36個(gè)循環(huán)；72℃延伸10 min，最后在4℃保存。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)1.5%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同誘變材料失水速率的比較

PEG脅迫后16份玉米材料幼苗的失水速率如圖1所示。從圖1可以看出，測(cè)試材料失水速率的變化在0.13～0.23 mg/（g·h）之間，表明各材料在抗旱性上存在差異。11號(hào)（Y1020-2）的保水力最高（失水速率最低），其次是3號(hào)（Y1002-1）、16 號(hào)（Y1027-1）、7 號(hào)（Y1010-2），從保水方面看，這幾個(gè)材料的抗旱性較好。

2.2 不同誘變材料丙二醛含量的比較

植物在逆境條件下，往往會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，其產(chǎn)物之一是丙二醛（MDA），其含量的高低可以代表細(xì)胞膜的膜脂過(guò)氧化程度和細(xì)胞膜的受損傷大小，可用于衡量植物在逆境條件下抗性的強(qiáng)弱。從圖2可以看出，16份材料中的7號(hào)（Y1010-2）MDA含量最低，為 1.36×10 μmol/g，即在此指標(biāo)下的抗旱性最好；其次是3號(hào)（Y1002-1）、16 號(hào)（Y1027-1）、9 號(hào)（Y1017-1）玉米材料，也有較好的抗旱性。

2.3 不同誘變材料可溶性糖含量的比較

植物為了抵抗干旱等不良環(huán)境造成的細(xì)胞脫水，往往會(huì)主動(dòng)積累一些可溶性糖和氨基酸來(lái)降低滲透勢(shì)和冰點(diǎn)，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化。PEG脅迫后的16個(gè)玉米材料體內(nèi)的可溶性糖含量如圖3所示，7號(hào)（Y1010-2）的可溶性糖含量最高，達(dá)2.78%，其次是16號(hào)（Y1027-1）、4號(hào)（Y1003-3）、8號(hào)（Y1015-1）。各供試材料的可溶性糖含量存在差異，表明它們?cè)诟珊得{迫下對(duì)細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力的大小不同，進(jìn)而在抗旱性上存在差異。

2.4 不同誘變材料脯氨酸含量的比較

在干旱條件下，植物體內(nèi)脯氨酸的含量會(huì)顯著增加。抗旱性強(qiáng)的品種往往會(huì)積累較多的脯氨酸，因此，植物體內(nèi)脯氨酸含量在一定程度上可以反映植物的抗逆性，常作為抗旱育種的生理指標(biāo)。由圖4可知，供試材料中，以5號(hào)（Y1004-6）的脯氨酸含量最高，為4.3 mg/100 g；含量較高的材料還有 7號(hào)（Y1010-2）、16號(hào)（Y1027-1），表明它們的抗旱性也較好。

2.5 抗旱性的綜合評(píng)價(jià)

采用抗旱性隸屬函數(shù)法[12]分析比較，綜合評(píng)價(jià)誘變材料的抗旱性，結(jié)果列于表2。從表2綜合評(píng)價(jià)可以得出，有10個(gè)誘變系的抗旱性比對(duì)照高，處于前 4 位的是 7，16，11，5 號(hào)，它們與鄭58相比，優(yōu)勢(shì)很明顯，這一篩選結(jié)果同田間種植的玉米植株在干旱脅迫后所觀察到的生長(zhǎng)狀況基本一致。

表2 不同誘變材料抗旱性綜合評(píng)價(jià)

2.6 誘變材料DNA的變異

從40個(gè)隨機(jī)引物中篩選出1個(gè)具有明顯擴(kuò)增差異的引物S38，序列為ATTGTACCGT，隨機(jī)PCR 擴(kuò)增結(jié)果如圖 5所示，5號(hào)（Y1004-6）、7號(hào)（Y1010-2）、13 號(hào)（Y1022-4）、16 號(hào)（Y1027-1）與1號(hào)（鄭58）的差異較為明顯，表明經(jīng)EMS誘變后玉米DNA發(fā)生了質(zhì)的變化。

3 討論

干旱對(duì)于作物的各種生理過(guò)程有著廣泛而深刻的影響，作物在抗旱性方面所表現(xiàn)出的差異都有其相應(yīng)的生理生化基礎(chǔ)，玉米的抗旱性是多種生理生化綜合作用的結(jié)果。迄今為止，已有許多學(xué)者進(jìn)行了玉米抗旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究，提出了一系列評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[13-15]，所得的結(jié)果表明，在干旱條件下離體葉片的抗脫水能力、丙二醛含量、外滲電導(dǎo)率、還原性酶活性、滲透調(diào)節(jié)能力等可作為玉米抗旱性鑒定評(píng)價(jià)的良好指標(biāo)。宋鳳斌等[3，15]研究表明，玉米脯氨酸含量、丙二醛含量和可溶性糖含量等生理指標(biāo)與玉米抗旱性存在較好的相關(guān)性，可作為玉米抗旱性鑒定指標(biāo)。

本研究對(duì)供試15個(gè)誘變材料的抗旱性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與其田間水、旱地種植進(jìn)行抗旱性鑒定的結(jié)果基本一致，說(shuō)明抗旱性鑒定所采用的生理生化指標(biāo)是有效的，可用于玉米抗旱種質(zhì)材料的輔助選擇。

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