云南不同生態(tài)型割手密及其血緣F1 代種質(zhì) 的抗旱性遺傳分析

經(jīng)艷芬，董立華，孫有芳，桃聯(lián)安，朱建榮，周清明，楊李和，安汝東

(云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所瑞麗育種站，云南 瑞麗 678600)

作物的抗旱育種實踐中，創(chuàng)造抗旱種質(zhì)、選配抗旱親本組合、在分離后代中選擇抗旱基因型，特別是育種早期世代，需要比較簡便且準確可靠的鑒定方法和指標[1]。有研究表明，葉片長度和寬度及厚度、地下生物量脅迫指數(shù)、根冠比脅迫指數(shù)等指標，可作為甜菜苗期抗旱性的鑒定指標[2]。反復干旱幾次后植株存活率與品種抗旱性呈顯著正相關(guān)，可作為鑒定品種抗旱性的可靠指標[3]；水稻根系形態(tài)學特征如根長、根重以及下層根的數(shù)量與抗旱性呈極顯著正相關(guān)，這些根系性狀能夠穩(wěn)定遺傳，可作為生產(chǎn)上篩選抗旱品種的指標[4]。干旱脅迫篩選抗旱性指標在大麥[5]、旱稻[6]、玉米[7–8]和谷子[9]等多種作物上已得到普遍應用。

種質(zhì)資源的抗旱性評價是開展甘蔗抗旱性育種的基礎[10]，割手密是甘蔗品種抗逆基因的主要來源，亦是分布最廣、育種利用成效最顯著的甘蔗野生種。由于資源利用的局限性，甘蔗種質(zhì)資源的抗旱性鑒定大多針對親本、品種展開[10–12]，涉及甘蔗野生種、栽培原種[13–15]的抗旱性研究[16–17]不多。筆者比較分析了原生地為內(nèi)陸高原的云南不同生態(tài)型割手密及其血緣的部分高產(chǎn)高錘度一代創(chuàng)新種質(zhì)材料的生長發(fā)育性狀，期望篩選出抗旱性優(yōu)良的創(chuàng)新種質(zhì)材料，并建立能大批量鑒定抗旱性種質(zhì)材料的簡易方法，為系統(tǒng)發(fā)掘云南不同生態(tài)型割手密優(yōu)良抗逆基因奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材 料

參試材料：5 個母本、8 個父本、15 個云割F1代創(chuàng)新種質(zhì)材料，共計28 個(表1)。

表1 參試材料

續(xù) 表

1.2 試驗方法

試驗于2010年在云南瑞麗進行。5月20日，篩選出在鑒定圃中單產(chǎn)高于80 t/hm2、11月田間蔗汁錘度高于15.3%、經(jīng)分子標記鑒定血緣真實的云割F1代創(chuàng)新種質(zhì)材料，取雙芽節(jié)間，在山基土與發(fā)酵豬糞和河沙質(zhì)量比為2∶1∶1 的基質(zhì)中培養(yǎng)催芽。當母本品種開始分蘗時，將幼苗移入同樣基質(zhì)的桶中，每桶裝基質(zhì)10 kg，移栽5 叢，每個材料種植7 桶，共計35 叢，適時灌水、施肥，保證其正常生長。至10月30日，全部材料統(tǒng)一從基部剪除地上部分，使其在自然氣候條件下重新萌苗、生長。適時灌水，保證其生長正常。至2011年4月12日，每個材料隨機取1 桶，調(diào)查生長發(fā)育指標(萌苗率、地上部分相對含水量、主要功能葉(+1、+2、+3 葉)長寬比、根冠比)。其余材料分3 重復，每重復2 桶，第Ⅰ重復正常供水，第Ⅱ、Ⅲ重復進行干旱脅迫處理，至2011年5月20日，干旱脅迫材料大部分分蘗枯死時，分別調(diào)查3 重復試驗材料的生長發(fā)育指標(枯苗率、枯葉率、株高、最大根長、根冠比)，取第Ⅱ、Ⅲ重復平均值作為干旱脅迫指標值，根據(jù)干旱脅迫指數(shù)(%)=干旱脅迫指標值/正常供水指標值×100%，得到抗旱性綜合評價指標(綠苗率脅迫指數(shù)、枯苗率脅迫指數(shù)、綠葉率脅迫指數(shù)、枯葉率脅迫指數(shù)、株高傷害率、最大根長指數(shù)、根冠比、根冠比脅迫指數(shù))，利用隸屬函數(shù)均值法處理數(shù)據(jù)，對參試材料的抗旱性進行綜合評價。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用公式(1)和(2)計算參試材料抗旱性綜合評價指標的隸屬函數(shù)值。指標與抗旱性呈正相關(guān)，用公式(1)；指標與抗旱性呈負相關(guān)，選用公式(2)。

式中： Xij表示 i 基因型j 指標干旱脅迫指數(shù)，Xjmax、Xjmin分別表示各個指標的最大和最小值。

式中：Zij表示i 基因型j 指標的抗旱隸屬函數(shù)值，公式 (3)表示i 基因型的隸屬函數(shù)平均值，n 為指標數(shù)，計算干旱脅迫指數(shù)的隸屬函數(shù)值時，n＝1；計算生長發(fā)育指標抗旱性隸屬函數(shù)平均值時，n＝指標數(shù)。將測定結(jié)果按上述公式擴展到[0，1]閉區(qū)間內(nèi)，即得各指標的隸屬函數(shù)值，按所計算結(jié)果進行參試材料的抗旱性綜合評價，隸屬函數(shù)均值越大，抗旱性越強。

2 結(jié)果與分析

2.1 參試材料生長發(fā)育與抗旱性

在干旱脅迫下，株高受傷害程度越輕，抗旱性越強；干物質(zhì)積累數(shù)量越多，干物質(zhì)脅迫指數(shù)越大，抗旱性越強；綠苗率脅迫指數(shù)越高，抗旱性越強；枯死苗率脅迫指數(shù)越高，抗旱性越弱。從表2 中可見，萌苗率優(yōu)于割手密排前4 位的材料依次是云割F108–475(376.67%)、云割F108–519(300.00%)、云割F108–317(283.33%)和云割F108–392(280.00%)，其萌苗率均優(yōu)于父本割手密中排第1 位的云南82– 59(262.22%)。干旱脅迫下，株高受傷害程度最輕的是云南82–25(10.42%)、云南83–184(11.57%)和粵糖93–159(2.1%)，最重的是云割F108–519(41.03%)、云割F108–326(35.19%)和云南82–34(34.45%)。根據(jù)干物質(zhì)脅迫指數(shù)，抗旱性由強到弱排前3 位的依次是Hocp93–746(158.3%)、50Uahiapele(120.51%)和云瑞05–189(116.77%)。根據(jù)綠苗率脅迫指數(shù)，抗旱性由強到弱排前 3 位的依次是 50Uahiapele (130.4%)、云割F108–317(118.5%)、云割F108–511 (107.8%)。根據(jù)枯死苗脅迫指數(shù)，抗旱性由強到弱依次是云瑞05–189(103.6%)、德蔗93–94(108.4%)和云割F108–319(114.5%)。

表2 參試材料抗旱系數(shù)

2.2 參試材料隸屬函數(shù)均值及其排序

不同的單個生長發(fā)育指標，對參試材料的抗旱性強弱評價結(jié)果各不相同，而且各參試指標度量單位亦不盡相同，難以用測定結(jié)果直接評價參試材料的抗旱性。為便于對參試材料的抗旱性進行綜合評價，對參試指標進行無量綱化處理，求取隸屬函數(shù)均值，見表3。根據(jù)隸屬函數(shù)均值間最大極差0.344，將參試材料的抗旱性分為5 級。隸屬函數(shù)均值＜0.333，抗旱性弱；0.334＜隸屬函數(shù)均值＜0.402，抗旱性中等；0.403＜隸屬函數(shù)均值＜0.470，抗旱性強；0.471＜隸屬函數(shù)均值＜0.538，抗旱性較強；隸屬函數(shù)均值＞0.540，抗旱性特強。

在28 個參試材料中，德蔗93–94、云割F108– 319、云割F108–511、Hocp93–746 等4 個材料表現(xiàn)抗旱性特強；云南82–34 和云南82–59 表現(xiàn)抗旱性弱；5 個母本材料中，德蔗93–94、Hocp93–746 表現(xiàn)抗旱性特強，50Uahiapele、云瑞05–189 抗旱性較強，粵糖93–159 抗旱性強。8 個父本割手密表現(xiàn)出不同的抗旱性。15 個云割F1代創(chuàng)新種質(zhì)材料，80%表現(xiàn)抗旱性強，100%具有中等以上的抗旱性，其中云割F108–319 和云割F108–511 表現(xiàn)抗旱性特強，云割F108–616、云割F108–519 和云割F108–326表現(xiàn)抗旱性中等，其余云割F1代材料表現(xiàn)抗旱性強或較強。

表3 參試材料抗旱性分級

2.3 參試材料抗旱性遺傳分析

從表4 可見，云割F1代材料的抗旱性較其雙親無一具有超親優(yōu)勢，只有超父和無優(yōu)勢兩種表現(xiàn)，其中具有超父優(yōu)勢的材料占云割F1代材料總數(shù)的66.7%。較雙親無優(yōu)勢的材料中，抗旱性與父本相當?shù)恼荚聘頕1代材料總數(shù)的20%，抗旱性較其雙親均無優(yōu)勢占云割F1代材料總數(shù)的13.3%。表現(xiàn)強抗旱性的瑞割07–30、云南93–184、云南82–25 等3個割手密無性系的雜交后代71.4%表現(xiàn)抗旱性強，但其中只有42.8%的抗旱性具超父優(yōu)勢，與父本相當或較雙親均無優(yōu)勢的各占28.6%；抗旱性表現(xiàn)中等的云南83–174、云南82–110、云南1 號的雜交后代83.3%表現(xiàn)抗旱性強并具超父優(yōu)勢，只有16.6%的材料較雙親均無優(yōu)勢；抗旱性表現(xiàn)弱的云南82– 34、云南82–59 分別與抗旱性表現(xiàn)優(yōu)良的Hocp93– 746、50Uahiapele 雜交后代云割F108–511、云割F108–475 的抗旱性表現(xiàn)特強、較強，具有明顯的超父優(yōu)勢。

表4 云割F1 代的抗旱性遺傳性

3 討 論

割手密是現(xiàn)代甘蔗雜交品種的抗逆基因來源。在利用割手密創(chuàng)新種質(zhì)、培育新型親系、選育甘蔗新品種的研究中，存在兩大不協(xié)調(diào)關(guān)系：一是豐富的甘蔗細莖野生種質(zhì)資源與狹窄的甘蔗育種遺傳基礎之間的不協(xié)調(diào)；二是甘蔗野生種質(zhì)資源創(chuàng)新利用過程中目標性狀–––抗逆性往往在世代升級過程中丟失，背離野生種質(zhì)資源利用的初衷，而導致資源利用效率不高。因此，對云南不同生態(tài)型的割手密及其血緣的一代創(chuàng)新種質(zhì)材料抗旱性鑒定，對于篩選抗旱性優(yōu)良種質(zhì)材料，拓寬育種遺傳基礎，提升甘蔗野生資源利用效率均具有重要意義。

本研究涉及原生地為云南不同氣候生態(tài)型的8個割手密無性系，其抗旱性各不相同；原生地同為中亞熱帶半濕潤半干燥型氣候生態(tài)類型的云南82–34、云南82–59 的抗旱性均弱，原生地同為北熱帶半濕潤半干燥型的云南83–184、云南83–174和云南1 號的抗旱性表現(xiàn)有強有弱；抗旱性表現(xiàn)強的瑞割07–30、云南93–184、云南82–25 割手密無性系，其原生地又屬不同的生態(tài)類型。云割F1代的抗旱性表現(xiàn)似乎與其父本原生地氣候類型以及父本的抗旱性表現(xiàn)均無一致性或特異性。這與彭遠英等[18]研究燕麥的抗旱性不具有種屬和分布區(qū)域的特異性的結(jié)果相似。因此，其抗旱性并非簡單地由基因和環(huán)境決定，在確定抗旱性材料時需要對個體進行全面的抗旱性評價和鑒定，以期在利用抗旱材料和通過克隆抗旱基因來改善干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境中能更準確和有效。

抗旱育種的最終目的是選育出能夠在干旱條件下獲得高產(chǎn)的品種?？购敌苑N質(zhì)材料的選育是抗旱親本、品種培育的種質(zhì)基礎。因此，本研究將參試材料在自然條件下與干旱脅迫條件下的表現(xiàn)相結(jié)合，兼顧了部分形態(tài)指標與生長發(fā)育指標，但從研究結(jié)果來看，割手密及其血緣材料的抗旱性是一個復雜的特性，甘蔗生育各個時期對光溫水氣的需求不同，其不同時期的抗旱性表現(xiàn)及其遺傳機理亦將產(chǎn)生差異，對于割手密及其血緣種質(zhì)材料的抗旱性及其遺傳的全面了解，尚需要對其進行全生育期的抗旱性鑒定，需將形態(tài)指標、生長發(fā)育指標及產(chǎn)量指標相結(jié)合，建立一套標準的指標體系。

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