空間搭載新麥草當(dāng)代種質(zhì)抗旱評(píng)價(jià)

于曉丹，張?zhí)N薇

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草地研究所，北京 100193)

空間搭載新麥草當(dāng)代種質(zhì)抗旱評(píng)價(jià)

于曉丹，張?zhí)N薇

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草地研究所，北京 100193)

在新麥草(Psathyrostachysjuncea)航天誘變當(dāng)代選擇植株高、葉片大、叢幅寬的植株25份，測(cè)定其相對(duì)含水量、丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量，綜合比較其抗旱性能。結(jié)果表明，15、21、24號(hào)新麥草植株較高，15、21和11號(hào)新麥草葉片較長(zhǎng)，21、7、17號(hào)葉片較寬，10、21號(hào)新麥草叢幅較大；1和3號(hào)在干旱脅迫下可維持葉片較高的含水量，2、3、6和23號(hào)通過提高可溶性糖的含量來保護(hù)植物體少受害，11和12號(hào)可以將丙二醛水平控制在較低水平，11和24號(hào)新麥草的葉片中積累的脯氨酸含量比較高，具有較高的耐旱性。根據(jù)以上指標(biāo)反應(yīng)出的抗旱性，采用聚類分析可將這25份新麥草材料分為4個(gè)抗旱級(jí)別，較強(qiáng)抗旱為23、25、24、10、21和15號(hào)；中度抗旱為11、22號(hào)；較弱抗旱為12、13、16、6、7、2、3、4、8、17、19、1、20、5、14和9號(hào)；抗旱性最弱為18號(hào)。

航天誘變育種；新麥草；抗旱性

新麥草(Psathyrostachysjuncea)是新麥草屬多年生叢生禾草，其分蘗多，葉量大，具稠密的須根系，根白色，有沙套，耐牧、耐鹽堿，是優(yōu)良的放牧型禾草。國(guó)內(nèi)外對(duì)新麥草優(yōu)良品種選育的研究很多，如Berdahl等[1]研究了65個(gè)新麥草登記品種間干物質(zhì)、種子產(chǎn)量、高度和活力等農(nóng)藝性狀和形態(tài)性狀的遺傳多樣性。 Wang等[2]通過懸浮細(xì)胞轉(zhuǎn)基因獲得了穩(wěn)定生長(zhǎng)的新麥草，為新麥草轉(zhuǎn)基因育種奠定基礎(chǔ)。美國(guó)和加拿大相繼培育出許多新麥草新品種，如Mankota和Bozoisky-II[3-8]。

航天誘變具有變異頻率高、變異穩(wěn)定快、變異類型豐富等特點(diǎn)，農(nóng)作物航天育種已經(jīng)取得了顯著成效，10多年來，我國(guó)已經(jīng)育成了水稻(Oryzasativa)、小麥(Triticumaestivum)、西瓜(Citrulluslanatus)、番茄(Lycopersiconesculentum)等多種植物的新品種(系)以及一些性狀優(yōu)良、在育種中有應(yīng)用潛力的新品系。牧草航天育種方面同樣取得了顯著成效，嚴(yán)琳玲等[9]為能夠選育出抗炭疽病的柱花草(Stylosanthesguianensias)新品種，將“熱研2號(hào)”進(jìn)行空間輻射，選育出了最有可能取代其親本“熱研2號(hào)”柱花草而在生產(chǎn)上推廣利用的新品系。任衛(wèi)波等[10-11]、胡向敏等[12]將苜蓿(Medicagosativa)種子、蒙農(nóng)雜種冰草(Agropyroncristatum×A.desertorumcv. Hycrest-Mongnon)進(jìn)行了空間搭載，誘變一代均出現(xiàn)變異，植株抗性可能提高，為牧草育種提供新材料。本研究以空間搭載的新麥草當(dāng)代植株為研究材料，通過對(duì)其形態(tài)和生理指標(biāo)的綜合分析，確定其耐旱性，以期篩選出抗旱的新麥草材料，為進(jìn)一步的育種奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)材料取自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站，該試驗(yàn)站位于北京市海淀區(qū)上莊鎮(zhèn)辛力屯村東(115°50′ E， 40°02′ N)，海拔50 m。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為11.4 ℃，絕對(duì)最低溫為-21.7 ℃，絕對(duì)最高溫為41.6 ℃，年平均降水量628 mm。全年無霜期211 d。供試材料為搭載“實(shí)踐八號(hào)”育種衛(wèi)星的山丹新麥草種子發(fā)育而成的當(dāng)代植株(2006年9月9-24日，衛(wèi)星在近地點(diǎn)187 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)463 km的近地軌道上運(yùn)行355 h，航程900多萬km，搭載后的新麥草種子育苗后種在溫室，春季單株移栽到中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)北京地區(qū)試驗(yàn)地)。

1.2測(cè)定內(nèi)容與方法 2009年5月，試驗(yàn)站平均氣溫23.3 ℃，降水量為 43.6 mm，與往年同期相比降水量較少，氣溫偏高，相對(duì)干旱，在航天誘變當(dāng)代單株中目測(cè)選擇生長(zhǎng)旺盛的植株25個(gè)，隨機(jī)編號(hào)，分別測(cè)定其株高、葉寬、葉長(zhǎng)、叢幅(最寬處)等指標(biāo)。剪取葉片用冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定葉片相對(duì)含水量、丙二醛含量、脯氨酸含量、葉片可溶性糖含量，其中，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸比色法[13]測(cè)定。游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法[13]測(cè)定，葉片可溶性糖含量采用蒽酮比色法[13]測(cè)定。

1.3數(shù)據(jù)處理 采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，分析25份太空搭載的新麥草當(dāng)代種質(zhì)材料抗旱性的差異，根據(jù)生長(zhǎng)及生理生化指標(biāo)，采用聚類分析法對(duì)25份航天育種新麥草材料進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果

2.125份新麥草的株高、葉寬、葉長(zhǎng)、叢幅 15、21和24號(hào)新麥草植株較高，分別達(dá)到126.59、122.36和119.50 cm；18、13號(hào)新麥草植株相對(duì)較矮，顯著低于10、11、15、21、23、24、25號(hào)新麥草種質(zhì)材料(P<0.05)，分別為89.48和88.85 cm；15號(hào)新麥草的株高是13號(hào)新麥草的1.42倍(表1)。 21、7和17號(hào)葉片較寬，分別是0.62、0.60和0.59 cm；15號(hào)葉片最窄，僅為0.42 cm；21號(hào)新麥草是15號(hào)新麥草的1.5倍(表1)。 15、21和11號(hào)葉長(zhǎng)分別是38.34、35.57和34.07 cm；22號(hào)新麥草葉片最短，是24.30 cm；15號(hào)新麥草葉片顯著長(zhǎng)于22號(hào)新麥草(P<0.05)。10、21號(hào)新麥草叢幅顯著大于其他23份新麥草材料(P<0.05)，達(dá)到82.44和79.70 cm，10號(hào)新麥草叢幅是22號(hào)新麥草的1.67倍(表1)。

2.225份新麥草的丙二醛含量 23和25號(hào)新麥草丙二醛含量比較高(表1)，其中23號(hào)(3.19%)顯著高于14、20、22、24、25除外的材料(P<0.05)；11和12號(hào)丙二醛含量顯著低于23、25號(hào)新麥草種質(zhì)材料(P<0.05)，分別為0.26%和0.27%(表1)；丙二醛含量最高的23號(hào)材料是含量最低的11號(hào)材料的12倍。

表1 25份新麥草材料的形態(tài)學(xué)差異

注:同列中標(biāo)有不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

圖1 25份新麥草種質(zhì)材料的聚類樹狀圖

2.325份新麥草的可溶性糖含量 25份新麥草材料中，15和10號(hào)可溶性糖含量顯著高于1、2、3、4、6、9、13、18、23號(hào)(P<0.05)，分別為4.45%和4.44%，而2、3、6和23號(hào)比較低，其中3號(hào)材料最低(1.39%)，且顯著低于15、10號(hào)材料(P<0.05)(表1)；15號(hào)材料可溶性糖含量是3號(hào)材料的3.2倍。

2.425份新麥草的脯氨酸含量 11和24號(hào)新麥草脯氨酸含量比較高，其中24號(hào)顯著高于其他材料(P<0.05)，含量為0.205 8 mg/g；而2和6號(hào)含量比較低，其中2號(hào)新麥草脯氨酸含量最低，僅為0.053 6 mg/g，顯著低于11和24號(hào)新麥草種質(zhì)材料(P<0.05)(表1)；24號(hào)材料脯氨酸含量是2號(hào)的3.8倍。

2.525份新麥草的相對(duì)含水量 1和3號(hào)新麥草材料相對(duì)含水量較高，分別為93.55%和88.46%，其中 1號(hào)顯著高于除2、3、6和23號(hào)以外的其他20種新麥草種質(zhì)材料(P<0.05)。5、13、14、16、18、24和15號(hào)材料相對(duì)含水量比較低，其中15號(hào)新麥草表現(xiàn)最差(64.39%)，顯著低于1和3號(hào)新麥草種質(zhì)材料(P<0.05)，僅為相對(duì)含水量最高的1號(hào)新麥草的68.83%(表1)。

2.6聚類分析 對(duì)測(cè)定的8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合聚類分析，從圖1可以看出這25份新麥草材料在不同歐氏距離上的分組。根據(jù)25份新麥草材料耐旱性生理指標(biāo)的分析結(jié)果，將25份新麥草種質(zhì)材料劃分4類，即4個(gè)抗旱級(jí)別，較強(qiáng)抗旱材料為23、25、24、10、21和15號(hào)；中度抗旱材料為11、22號(hào)；較弱抗旱材料為12、13、16、6、7、2、3、4、8、17、19、1、20、5、14和9號(hào)；抗旱性最弱的材料為18號(hào)。

3 討論

由于空間條件的特殊性，牧草種子在空間飛行后會(huì)發(fā)生不同程度的變異，甚至是在地面難以獲得的，其中有些變異極具育種價(jià)值，所以航天育種技術(shù)已經(jīng)成為一種廣泛采用的育種方法。近年來在不少草種中已有研究和應(yīng)用。在航天材料抗逆性研究方面，徐云遠(yuǎn)等[14]通過測(cè)定衛(wèi)星搭載的紅豆草(Onobrychisviciifolia)、苜蓿和沙打旺(Astragalusadsurgens)種子的發(fā)芽率、田間生長(zhǎng)情況、耐鹽性、耐旱性，發(fā)現(xiàn)紅豆草航天誘變子一代對(duì)鹽脅迫和滲透脅迫具有抗性，并產(chǎn)生一定程度的抗病害能力；沙打旺的處理組抗病性也明顯增強(qiáng)。通過對(duì)葉片、花及花序中同功酶分析，發(fā)現(xiàn)紅豆草幼花序中過氧化物酶，苜蓿葉中的淀粉酶，沙打旺幼花花序中脂酶都發(fā)生了明顯的改變。姚慶群等[15]通過測(cè)定太空育種后代柱花草種子在不同濃度PEG溶液脅迫下的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽速度、抗旱指數(shù)等，篩選出了耐旱的種質(zhì)材料。本研究中，空間搭載的新麥草當(dāng)代出現(xiàn)性狀差異。即使在選擇的25份同屬生長(zhǎng)旺盛的種質(zhì)材料中也有明顯差異，15、21、24號(hào)植株較高，21、7、17號(hào)葉片較寬， 15、21、11號(hào)葉片較長(zhǎng)，10和21號(hào)叢幅較其他具有顯著性差異，與抗逆性有關(guān)的幾種生理指標(biāo)也顯示出較大差異，初步表明航天誘變?cè)诟淖冃蔓湶莶牧系目鼓嫘苑矫嬗行Ч?。而這種誘變效果的遺傳和表達(dá)穩(wěn)定性及持續(xù)性還有待進(jìn)一步研究。

干旱環(huán)境中，葉片相對(duì)含水量是植物生理狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)[16]，是植物能否正常生長(zhǎng)的最直接的指標(biāo)。谷艷蓉等[17]在研究4種牧草幼苗對(duì)水分脅迫的響應(yīng)及其抗旱性時(shí)，確定葉片相對(duì)含水量越高，抗旱性越強(qiáng)。單純從葉片含水量角度看，本研究表明，1和3號(hào)新麥草抗旱性強(qiáng)。干旱情況下，植物要維持細(xì)胞膨壓，需要增加細(xì)胞內(nèi)的溶質(zhì)，可溶性糖類物質(zhì)會(huì)增加。在嚴(yán)重干旱狀態(tài)下，可溶性糖的積累對(duì)細(xì)胞具有保護(hù)作用。謝田富和焦鳳紅[18]發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫程度增加，不同生長(zhǎng)類型的草地早熟禾(Poapratensis)品種體內(nèi)可溶性糖含量增加。本研究15和10號(hào)新麥草可溶性糖保護(hù)作用顯著高于其他新麥草，具有耐旱潛力。植物器官衰老或在逆境下遭受傷害，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛是膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物之一，具有很強(qiáng)的細(xì)胞毒性，對(duì)膜和細(xì)胞中的許多生物功能分子如蛋白質(zhì)、核酸和酶等均具有很強(qiáng)的破壞作用，并破壞生物膜的結(jié)構(gòu)與功能，其含量可反映植物遭受逆境傷害的程度。李進(jìn)芳等[19]在研究3種早熟禾苗期的短期抗旱性時(shí)也發(fā)現(xiàn)，隨著水分脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，丙二醛含量呈增加的趨勢(shì)。本研究中11和12號(hào)新麥草可能具有更完善的保護(hù)機(jī)制，丙二醛含量較低，在干旱脅迫下被毒害的程度低，有望選育出抗旱性強(qiáng)的品系。植物干旱脅迫下，脯氨酸積累，含量上升[20]，很多試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)輕度水分脅迫使苜蓿根瘤組織積累較多的脯氨酸[21]。在正常情況下，植物中游離的脯氨酸含量?jī)H為0.2～0.6 mg/g(以干質(zhì)量計(jì))，占總游離氨基酸的百分之幾，而在干旱條件下，脯氨酸可成10倍地增加，占總游離氨基酸的30%。這些研究說明了脯氨酸的積累與植物抗旱性呈顯著正相關(guān)。本研究中11和24號(hào)新麥草的葉片中積累的脯氨酸含量比較高，由此推測(cè)與其他材料相比，其具有更高的耐旱性。

植物抗旱性表現(xiàn)為復(fù)雜的數(shù)量性狀，目前還沒有發(fā)現(xiàn)一個(gè)性狀可以作為唯一的、可靠的抗旱性鑒定指標(biāo)，將各種指標(biāo)綜合起來作為衡量抗旱性高低的最終標(biāo)準(zhǔn)更為合理。孫鐵軍等[22]將土壤干旱脅迫下苗期7種抗旱性特征指標(biāo)聚類，將10種禾草按抗旱能力高低分為3類。溫超等[23]對(duì)幼苗抗旱性生理指標(biāo)進(jìn)行數(shù)學(xué)聚類分析，將15份野生冰草(A.cristatum)種質(zhì)材料的抗旱性劃分為3個(gè)級(jí)別。孟林等[24]、楊秀娟等[25]測(cè)定干旱脅迫下不同品種苜蓿苗期的生態(tài)、生理指標(biāo)，綜合聚類分析后，將所選材料劃分為抗旱性較強(qiáng)、中、較弱3類。本研究通過對(duì)空間搭載的新麥草種質(zhì)材料的株高、葉寬、葉長(zhǎng)、叢幅、相對(duì)含水量、可溶性糖含量、脯氨酸含量和丙二醛含量8個(gè)指標(biāo)綜合聚類分析，將25份新麥草種質(zhì)材料分為4個(gè)抗旱級(jí)別：較強(qiáng)、中、較弱和相對(duì)最弱。

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TheevaluationofnewdroughttolerantgermplasmsinRussianwildrye(Psathyrostachysjuncea)byspacebreeding

YU Xiao-dan, ZHANG Yun-wei

(Institute of Grassland Science, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Twenty-five Russian Wildrye (Psathyrostachysjuncea) germplasms were selected from the first generation individuals developed from space flight seeds to test the drought tolerance by using the relative water content, MDA content, proline content and soluble sugar content The results of this study showed that the height of individual 15, 21 and 24 were higher than that of others, leaf length of individual 15, 21 and 11 were longer than that of others, leaf width of individual 21, 7 and 17 were widest, and that cover of individual 10 and 21 was biggest. The individual 1 and 3 maintained higher relative water content under drought environment and the individual 2, 3, 6 and 23 showed the soluble sugar content. The MDA content in 11 and 12 individuals was lower and the proline content in 11 and 24 individuals was higher. The cluster analysis showed that 25 germplasms of Russian Wildrye were divided into three groups by drought tolerance, indicating that 23, 25, 24, 10, 21 and 15 fell into the group with stronger drought tolerance, 11 and 22 showed the medium drought tolerance, and that the weaker drought tolerance group included 12, 13, 16, 6, 7, 2, 3, 4, 8, 17, 19, 1, 20, 5, 14 and 9，the weakest drought tolerance group included 18.

space mutation breeding; Russion wildrye; drought resistance

Q945.7；S543.034

A

1001-0629(2011)01-0085-05

2010-03-23 接受日期：2010-06-24

十一五科技支撐項(xiàng)目[2008BADB3B04；2008BAD97B07；2008BAD95B12和“產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(牧草)”]

于曉丹(1984-)，女，河南鄭州人，碩士，研究方向?yàn)槟敛菖c草坪草種子育種。

張?zhí)N薇 Email:zywei@126.com