割手密耐鋁毒基因型篩選及其篩選指標(biāo)的研究

劉建樂，白昌軍，嚴琳玲，賈慶麟，羅 燦 ，邵辰廣

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所，農(nóng)業(yè)部熱帶作物種質(zhì)資源利用重點開放實驗室，海南儋州 571737；2.海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，海南海口 570228)

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割手密耐鋁毒基因型篩選及其篩選指標(biāo)的研究

劉建樂1，2，白昌軍1*，嚴琳玲1，賈慶麟1，2，羅 燦1，邵辰廣1

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所，農(nóng)業(yè)部熱帶作物種質(zhì)資源利用重點開放實驗室，海南儋州 571737；2.海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，海南海口 570228)

[目的]通過水培試驗，研究了采自華南地區(qū)20份割手密種質(zhì)對鋁脅迫的響應(yīng)。[方法]比較各材料的相對耐鋁值及其和綜合耐鋁系數(shù)的相關(guān)性分析。 [結(jié)果]確定了相對根長、相對地上干物質(zhì)和相對地下干物質(zhì)，可作為割手密耐酸鋁的的重要篩選指標(biāo)。[結(jié)論]根據(jù)篩選體系，計算各材料的綜合耐鋁系數(shù)，篩選出A13、A20、A23等耐鋁毒的割手密基因型和A31、A24、A50等對鋁脅迫敏感的割手密基因型。

割手密；鋁毒；評價指標(biāo)

鋁是自然界中常見的元素之一，在地殼中含量僅次于氧和硅，位居第三位。土壤中的鋁多以鋁硅酸鹽和氫氧化物固體的形式存在，但隨著污水處理的污泥及改良酸性肥料的使用，土壤中鋁含量升高，土壤過度酸化。鋁是酸性土壤中限制作物生長的主要因子。鋁能抑制植物根系的生長，使得根內(nèi)細胞不能正常分裂，根的伸長受到阻礙，植物的地上部分的生長和發(fā)育受到抑制[1-2]，植物的吸收作用受阻，導(dǎo)致植物的抗逆性減弱。不同植物甚至同一植物不同品種對鋁的耐性也存在差異[3]。

割手密(SaccharumspontaneumL.)又名甜根子草、小巴茅，為禾本科(Gramineae)蜀黍族(Andropogoneae)甘蔗屬(Saccharum)多年生草本植物[4]，在熱帶、亞熱帶兩大氣候區(qū)均有其蹤跡。它具有適應(yīng)性廣、抗逆性強、分蘗率高等優(yōu)良特性[5-7]，是甘蔗屬中用于甘蔗雜交育種最早、最有價值的野生資源[8-9]，也是甘蔗屬中種類最豐富且含有較高糖分的野生種[10-11]。國內(nèi)對許多作物都進行了耐鋁毒的相關(guān)研究，但有關(guān)割手密耐鋁毒的研究還少有報道，特別是關(guān)于評價鋁毒脅迫的指標(biāo)一直以來都存在一定的爭議。筆者以采自華南8省的20份割手密種質(zhì)為材料，挑選優(yōu)質(zhì)耐酸鋁的割手密基因型，對評價指標(biāo)進行篩選，旨在為割手密作為能源植物進行開發(fā)提供適應(yīng)酸性鋁土壤生長的種質(zhì)，為耐鋁毒種質(zhì)篩選指標(biāo)提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料研究材料來自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所牧草中心種質(zhì)資源圃(表1)。通過產(chǎn)能潛力試驗，從52份種質(zhì)中篩選20份種質(zhì)進行研究。

1.2 試驗方法試驗在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶牧草基地的試驗大棚中進行。在2014年8月15日，將20份割手密扦插在裝有營養(yǎng)液的中轉(zhuǎn)箱中。每箱裝入10 L 1/2霍格蘭營養(yǎng)液，營養(yǎng)液成分為：KNO32.527 6 g，Ca(NO3)2·4H2O 5.903 8 g，K2SO40.436 g，MgSO4·7H2O 2.46 g，ZnSO4·7H2O 0.109 9 mg，CuSO4·5H2O 0.393 mg，KH2PO468.042 mg，MnCl2·4H2O 0.905 mg，H3PO31.43 mg，F(xiàn)e-EDTA 0.3 g，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.01 mg。用泡沫板固定枝條，每箱15個孔，每孔1個扦條。每10 d更換一次營養(yǎng)液。9月14日進行鋁處理，鋁處理方法[12]為：將六水氯化鋁(AlCl3·6H2O)溶解到水培營養(yǎng)液中使其濃度為2 000 μmol/L，用1 mol/L NaOH和HCl調(diào)pH至4.0±0.2，對照pH為5.8±0.2。試驗設(shè)3個重復(fù)，經(jīng)過28 d脅迫后，測量各材料的株高、根長、地上干物質(zhì)量、地下干物質(zhì)量、相對質(zhì)膜透性[13]、丙二醛(MDA)含量、脯氨酸(Pro)含量，并且通過上述指標(biāo)對材料的耐鋁性進行綜合評價。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析為了消除不同割手密基因型之間固有的生物學(xué)特性差異，該試驗8項測定指標(biāo)均采用相對耐脅迫系數(shù)來評價不同基因型的耐鋁毒能力。相對耐性值的計算公式為：

相對耐脅迫系數(shù)=(鋁脅迫下的測定值/對照的測定值)×100。

用Excel2003對數(shù)據(jù)進行處理，用SAS9.0軟件進行統(tǒng)計分析。

表1 20份供試割手密種質(zhì)的來源

2 結(jié)果與分析

2.1 鋁脅迫對割手密農(nóng)藝性狀的影響由表2可知，不同割手密基因型的不同農(nóng)藝性狀對鋁脅迫的反應(yīng)存在較大差異。割手密基因型某一農(nóng)藝性狀的相對耐脅迫系數(shù)越大，表示該基因型的割手密在這一性狀上對鋁脅迫的抵抗力較強；相反，則表示該基因型的割手密在這一性狀上對鋁脅迫的抵抗力較弱。對于同一割手密基因型的不同農(nóng)藝性狀的相對耐脅迫系數(shù)并不一致，即在某些農(nóng)藝性狀上表現(xiàn)出較高的耐鋁脅迫，而在某些農(nóng)藝性狀上則表現(xiàn)出較弱的耐鋁脅迫。如A14基因型割手密，其在株高和根長的相對耐脅迫系數(shù)在所有參試的割手密基因型中相對較大，分別為168.57%和264.67%，而其地上部干物質(zhì)量和地下部干物質(zhì)量的相對耐脅迫系數(shù)較小，特別是其相對地上部干物質(zhì)量的耐脅迫系數(shù)。其余參試的種質(zhì)也存在類似的現(xiàn)象?？梢?，鋁脅迫對同一割手密的不同農(nóng)藝性狀的影響程度存在一定的差異。這種差異可能與不同割手密對鋁毒的生理響應(yīng)機制有關(guān)。對于割手密的同一農(nóng)藝性狀，不同基因型的割手密在鋁脅迫上也存在明顯的差異。以根長為例，A14基因型的割手密的相對耐脅迫系數(shù)性值最大，為264.67%，其次為A2(174.27%)，A25基因型的割手密的相對耐脅迫系數(shù)性值最小，為57.73%，其次為A31(58.27%)，兩者相差206.94%。通過單因素方差檢驗，兩者間差異達到0.01顯著水平，表明不同割手密基因型對鋁脅迫存在明顯的差異。從鋁毒害對割手密各農(nóng)藝性狀的影響程度來看，鋁毒害對割手密根長的影響最明顯，說明割手密的根系主根對鋁毒害的反應(yīng)最敏感。結(jié)合該研究的4個農(nóng)藝性狀，以平均相對耐脅迫系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，A34、A13和A16的耐鋁毒能力最強，A31、A24和A50的耐鋁毒能力最弱，其余介于中間。

表2 鋁脅迫下割手密的相對農(nóng)藝性狀的變化 %

2.2 鋁脅迫對割手密相對質(zhì)膜透性的影響植物耐鋁毒的重要機制是調(diào)節(jié)植物體內(nèi)鋁離子的濃度。膜系統(tǒng)是植物耐鋁毒的主要部位，也是植物逆境傷害的原初位點[14]。膜結(jié)構(gòu)和功能的完整性是控制離子運轉(zhuǎn)和分配的主要因素。細胞質(zhì)膜的選擇透性小，說明在鋁脅迫下電解質(zhì)外滲少，耐鋁性強。耐鋁性強的材料的細胞質(zhì)膜損傷較輕，質(zhì)膜選擇透性的變化較小。由圖1可知，割手密各基因型的相對電導(dǎo)率在鋁脅迫下表現(xiàn)出明顯的差異。其中，A3、A8、A14、A31等4份種質(zhì)的相對電導(dǎo)率較小，均小于100%，說明這些種質(zhì)的細胞質(zhì)膜穩(wěn)定，對鋁脅迫的耐性較強，且可在一定范圍內(nèi)增強細胞質(zhì)膜的穩(wěn)定性，保護植物免受逆境傷害。A25、A17、A24、A34等4份種質(zhì)的相對電導(dǎo)率較大，說明這些種質(zhì)的抗鋁脅迫能力弱，細胞對鋁脅迫敏感，使得鋁毒造成其質(zhì)膜選擇透性的改變和喪失，電解質(zhì)外滲，電導(dǎo)率變大。

2.3 鋁脅迫對割手密相對脯氨酸含量的影響在鋁脅迫下，脯氨酸含量增加，特別是游離脯氨酸會大量積累，且積累量和植物的抗逆性有關(guān)。由圖2可知，20份割手密種質(zhì)的相對脯氨酸含量存在較大的差異，且相對脯氨酸含量均超過100%，說明參試材料均受到不同程度的鋁毒害。A3和A34等基因型割手密的相對脯氨酸含量較低，說明它們有較強的耐鋁性，在鋁脅迫下有較強的穩(wěn)定性。A10、A16、A23、A25等4份種質(zhì)的相對脯氨酸含量較高，說明它們在鋁脅迫下的耐力不足，原生質(zhì)的穩(wěn)定性較差，對鋁脅迫敏感。

2.4 鋁脅迫對割手密相對丙二醛含量的影響丙二醛是細胞膜脂過氧化的產(chǎn)物之一。一般認為，丙二醛在植物體內(nèi)是活性氧毒害的主要表現(xiàn)，含量越大，越易導(dǎo)致植物的抗逆性減弱，甚至導(dǎo)致植物死亡。由圖3可知，20份不同基因型的割手密相對丙二醛含量存在較大的差異，其中，A5、A16、A25、A42等4份種質(zhì)的相對丙二醛含量較低，均小于100%，說明這些種質(zhì)抗氧化能力強，對鋁脅迫的耐性較強，且可在一定范圍內(nèi)增強細胞膜脂的抗氧化力，保護植物免受逆境傷害。A13、A19、A31等3份種質(zhì)的相對丙二醛含量較高，說明這些種質(zhì)的抗氧化能力弱，使其細胞膜脂過度氧化。

2.5 鋁脅迫對割手密相對葉綠素含量的影響葉綠素是保障光合作用正常進行的主要物質(zhì)之一?？鼓嫘暂^強的植物含有較高的葉綠素，能夠保證較高的光能轉(zhuǎn)化率，為植物生長提供足夠的養(yǎng)分。鋁脅迫下細胞膜脂過氧化加劇，葉綠素含量降低。鋁脅迫加速葉片老化的原因可能是活性氧破壞了葉綠體[15-16]。由圖4可知，大多數(shù)種質(zhì)的相對葉綠素含量低于100%，說明這些參試材料對鋁毒較敏感。A50、A20、A12、A8等4份種質(zhì)的相對葉綠素含量較高，說明這些種質(zhì)有較強的抗逆性，對鋁脅迫的耐性較強。A25、A16、A2、A10等4份種質(zhì)的相對葉綠素含量較低，說明這些種質(zhì)的抗鋁脅迫能力弱，鋁脅迫使其葉綠體受到破壞。

2.6 割手密耐鋁毒評價指標(biāo)的篩選割手密各基因型在鋁脅迫下各個農(nóng)藝性狀、相對脯氨酸含量、相對丙二醛含量、相對質(zhì)膜透性、相對葉綠素含量都存在較明顯的差異，并且同一基因型割手密的不同性狀在鋁脅迫下的生理表現(xiàn)不一致。為了更真實、準(zhǔn)確地評價不同種質(zhì)在鋁脅迫下的綜合反應(yīng)，先假定上述8個因子對割手密綜合反應(yīng)的影響是相同的，用相對值(測定值/對照值)表示各因子對鋁脅迫的抵抗力。在每個因子中，耐性最強的種質(zhì)相對值記為20，耐性最弱的種質(zhì)相對值記為1。以此類推，割手密每個種質(zhì)的耐鋁脅迫的綜合評價系數(shù)即為上述8個指標(biāo)相對值之和，綜合評價系數(shù)越大，表示該種質(zhì)對鋁毒的整體抗性越強。但是，不同遺傳背景的種質(zhì)耐鋁脅迫的機制是不同的，并非每個性狀都能普遍反映割手密耐鋁毒能力的強弱。因此，在生產(chǎn)實踐中，選擇一些觀察方便、測定容易又能準(zhǔn)確反映割手密對鋁脅迫的指標(biāo)是很重要的。因此，將8個測定指標(biāo)和綜合評價系數(shù)進行相關(guān)性分析。由表3可知，相對根長和耐鋁系數(shù)呈顯著相關(guān)，相對地上干物質(zhì)和相對地下干物質(zhì)均與耐鋁系數(shù)呈極顯著正相關(guān)，其余指標(biāo)均與耐鋁系數(shù)無明顯相關(guān)?？梢?，相對根長、相對地上干物質(zhì)和相對地下干物質(zhì)可作為割手密耐鋁脅迫基因型篩選的有效指標(biāo)。

2.5 割手密耐鋁毒的綜合系數(shù)排名通過相關(guān)性分析，篩選出有效指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上計算3個有效指標(biāo)的綜合評價系數(shù)。由圖5可知，A13、A20、A23等割手密基因型的耐鋁綜合系數(shù)較大，說明這些種質(zhì)對鋁脅迫的整體抗逆性較強，屬于耐鋁毒的種質(zhì)。在割手密進行能源開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化中，可以嘗試在鋁毒較嚴重的地區(qū)種植。A31、A24、A50等割手密基因型的耐鋁綜合系數(shù)較小，說明這些種質(zhì)對鋁脅迫的整體抗逆性較弱，屬于鋁毒敏感性的種質(zhì)。在割手密進行能源開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化中，不適宜在鋁毒較嚴重的地區(qū)種植。

表3 割手密耐鋁各指標(biāo)的相關(guān)性分析

注：*和**分別表示在0.05和0.01水平上的相關(guān)顯著。

3 結(jié)論與討論

鋁元素并不是植物生長所必需的。土壤中過多的鋁會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生顯著的影響。鋁毒害是限制作物在酸性土壤地區(qū)生長的主要因素。研究表明，鋁毒害能明顯抑制割手密根的生長，降低株高和葉綠素含量，增加丙二醛含量和電導(dǎo)率，積累大量的脯氨酸，其中根所受的影響最明顯，表現(xiàn)為根系變小，側(cè)根數(shù)量減少，出現(xiàn)爛根等現(xiàn)象。這和前人對別的作物鋁脅迫的研究結(jié)果[17-22]相一致。另外，同一檢測指標(biāo)在不同基因型割手密之間存在明顯的差異，同一種質(zhì)的不同檢測性狀對鋁脅迫的響應(yīng)也存在一定的差異，因此這些性狀的變化可以在一定程度上體現(xiàn)出割手密種質(zhì)耐鋁毒的能力。

Robinson等[23]研究表明，當(dāng)2種一年生的黑麥草在鋁離子濃度小于74 μmol/L時，其地上干物質(zhì)量和根長都在增加。Liu等[24]研究表明，當(dāng)鋁離子濃度為320 μmol/L時，草地早熟禾品種的地上生物量和地下生物量都有所增加。該研究表明，在2 000 μmol/L鋁濃度脅迫下，A12、A20和A34的根長、地上干物質(zhì)和地下干物質(zhì)都有所增加。這說明與上述作物相比，割手密具有更高的鋁適應(yīng)性和耐鋁性。

鋁毒對割手密的影響是體現(xiàn)在多方面的，幾乎涉及割手密生長的每個生長時期和每個方面，但并不是每個農(nóng)藝指標(biāo)或生理指標(biāo)都能客觀地表示割手密耐鋁毒的能力。在生產(chǎn)實踐中，選擇一些觀察方便、測定容易又能準(zhǔn)確反映割手密對鋁脅迫的指標(biāo)是很重要的。因此，該研究將8個測定指標(biāo)和綜合評價系數(shù)進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)相對根長和耐鋁系數(shù)呈顯著相關(guān)，相對地上干物質(zhì)和相對地下干物質(zhì)均和耐鋁系數(shù)呈極顯著正相關(guān)。因此，相對根長、相對地上干物質(zhì)和相對地下干物質(zhì)可作為割手密耐鋁脅迫基因型篩選的有效指標(biāo)。許多研究表明，植物耐酸鋁的能力與植物根系有著密切的關(guān)系，耐酸鋁作物一般表現(xiàn)為根系體積大，根具有較強的吸收力。與根相關(guān)的許多指標(biāo)(如根鮮重、根系全長、根干重)都可以作為作物耐酸鋁的主要評價參數(shù)[25]，并且測定根長和地下干物質(zhì)是許多作物鑒定耐酸鋁的通用方法[26]。研究中，地下干物質(zhì)量和耐鋁脅迫極顯著相關(guān)，說明地下干物質(zhì)量是鑒定割手密耐鋁毒基因型的良好指標(biāo)，但根長和耐脅迫系數(shù)的相關(guān)性只達到顯著而未達到極顯著。這可能是因為植物根長除了對鋁脅迫敏感外，對外界的其他環(huán)境因子如含水量、鹽堿度等的響應(yīng)都較敏感。彭嘉桂等[27]研究發(fā)現(xiàn)，脯氨酸的積累過程是對大豆鋁脅迫的一種生理響應(yīng)；脯氨酸是滲透調(diào)節(jié)物，能夠提高原生質(zhì)的滲透壓，可以是大豆種質(zhì)耐鋁脅迫的評價指標(biāo)。但是，相對脯氨酸含量和耐鋁脅迫系數(shù)沒有明顯的相關(guān)性，不能作為割手密耐酸鋁脅迫的評價指標(biāo)。這可能由不同作物面對脅迫的不同生理響應(yīng)機制造成的。

不同植物耐鋁脅迫有一定的差異。同一植物不同品種耐鋁脅迫間也存在一定的差異。挖掘種質(zhì)資源本身的耐鋁能力，篩選優(yōu)質(zhì)的耐鋁品種，是酸性鋁土壤改良的有效途徑[28]。但是，不同遺傳背景的種質(zhì)耐鋁脅迫的機制是不同的，并非每個性狀都能普遍反映割手密耐鋁毒能力的強弱。一般意義的權(quán)重系數(shù)排名常常存在著靠近測定值相差較大的指標(biāo)，使得在抗性評價時結(jié)果有所偏移。該研究首先確立主要的篩選指標(biāo)，然后計算出各指標(biāo)的綜合耐鋁系數(shù)，通過這樣的方式篩選出的耐鋁種質(zhì)在實際生產(chǎn)中有較大的實用意義。利用耐鋁毒脅迫綜合系數(shù)，該試驗對采自華南8省的20份優(yōu)質(zhì)割手密基因型進行了耐鋁脅迫篩選。結(jié)果表明，A13、A20、A23等割手密基因型對鋁脅迫的整體抗逆性強，屬于耐鋁毒的種質(zhì)。在割手密進行能源開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化中，可以嘗試在鋁毒比較嚴重的地區(qū)種植。A31、A24、A50等割手密基因型對鋁脅迫的整體抗逆性較弱，屬于鋁毒敏感性的種質(zhì)，在割手密進行能源開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化中不適宜在鋁毒比較嚴重的地區(qū)種植。但是，該次試驗結(jié)果還需要在大田和實踐中進一步驗證，以便為割手密的產(chǎn)業(yè)化推廣奠定基礎(chǔ)。

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名詞解釋

1 總被引頻次指該期刊自創(chuàng)刊以來所登載的全部論文在統(tǒng)計當(dāng)年的統(tǒng)計刊源中被引用的總次數(shù)。該指標(biāo)反映了該期刊在學(xué)術(shù)交流中總體被使用和受重視的程度，是文獻計量中的一個基礎(chǔ)性指標(biāo)。

2 影響因子指某期刊前兩年發(fā)表的論文在統(tǒng)計當(dāng)年的被引用總次數(shù)與該期刊在前兩年內(nèi)發(fā)表的論文總數(shù)之比。這是一個國際上通行的傳統(tǒng)評價指標(biāo)，又可稱作2年影響因子(IF2)。計算公式為：

3 5年影響因子某一期刊前五年發(fā)表的論文在統(tǒng)計當(dāng)年的被引用總次數(shù)與該期刊在前五年內(nèi)發(fā)表的論文總數(shù)之比。計算公式為：

IF5反映了期刊在5年內(nèi)的平均學(xué)術(shù)影響力，可作為2年影響因子(IF2)的參照。

Study on Screening and Screening Indices ofSaccharumspontaneumL. Aluminum Tolerance Genotypes

LIU Jian-le1,2, BAI Chang-jun1*, YAN Lin-ling1et al

(1. Tropical Crops Genetic Resources Institute, CATAS, Key Laboratory of Tropical Crops Germplasm Utilization, Ministry of Agriculture, Danzhou, Hainan 571737; 2. College of Agronomy, Hainan University, Haikou, Hainan 570228)

[Objective] A solution culture test was carried out on 20 high quality varieties or lines ofSaccharumspontaneumL. from southern China for their response to aluminum stress. [Method] Their relative tolerance index, the correlation analysis and comprehensive evaluation coefficient were compared. [Result] Reative dry weight of plant root, relative DW of up-ground plant part and relative plant height could be considered as important indices for screening the aluminum tolerance ofSaccharumspontaneumL. [Conclusion]The aluminum-resistant comprehensive coefficient was calculated using the critical indices, and A13, A20, A23 high tolerant genotypes and A31, A24, A50 low tolerant genotypes were selected.

SaccharumspontaneumL.; Aluminum toxicity；Evaluation index

農(nóng)業(yè)部物種資源保護“熱帶牧草種質(zhì)資源保存”項目；農(nóng)業(yè)部熱帶作物種質(zhì)資源保護項目(12RZZY-09)； 農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)人才支撐計劃項目-熱帶牧草創(chuàng)新與利用；農(nóng)業(yè)部“948”重點項目“重要熱帶作物特異種質(zhì)資源的引進”。

劉建樂(1988-)，男，甘肅慶陽人，碩士研究生，研究方向：牧草種質(zhì)資源學(xué)及新能源的開發(fā)。*通訊作者，研究員，博士，從事牧草種質(zhì)資源學(xué)方面的研究。

2014-12-01

S 541

A

0517-6611(2015)02-001-05