干旱脅迫條件下小麥各器官可溶性碳水化合物積累轉(zhuǎn)運相關(guān)性狀遺傳分析

張家樂，栗孟飛，楊德龍，劉 媛，陳菁菁，程宏波，常 磊，柴守璽

(1. 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070; 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

干旱已成為限制小麥產(chǎn)量形成的重要非生物脅迫因子，每年世界各地因不同程度的干旱所導(dǎo)致的小麥減產(chǎn)約在30%左右，其危害相當(dāng)于其他自然災(zāi)害的總和[1-3]。因此，只有提高小麥自身的水分利用效率才有可能取得小麥抗旱上的新突破[4]。

小麥產(chǎn)量的形成是源、庫、流互作的結(jié)果，要保證小麥的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，不僅要有較強的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力，又要求營養(yǎng)器官中的光合產(chǎn)物能更多地向籽粒庫中轉(zhuǎn)運[5]。小麥營養(yǎng)器官中暫貯性可溶性碳水化合物(Water soluble carbohydrates，WSC)不僅是籽粒產(chǎn)量形成的重要碳源，還可以緩解逆境脅迫對小麥的傷害。尤其是在干旱脅迫條件下，小麥光合作用產(chǎn)物無法滿足冠層呼吸消耗和保持籽粒正常灌漿需要時，花前貯存于莖稈中的WSC積累與轉(zhuǎn)運對產(chǎn)量的形成具有重要作用[6-9]，且對籽粒干物質(zhì)積累的貢獻率可達(dá)10%～70%[10-13]。然而，小麥營養(yǎng)器官WSC積累與轉(zhuǎn)運不僅受基因型的控制，而且與環(huán)境條件有密切關(guān)系[14]，進一步研究表明，小麥不同器官對小麥WSC轉(zhuǎn)運及其對籽粒粒重的貢獻也有顯著影響[7,15]。由此表明，干旱調(diào)控小麥營養(yǎng)器官WSC積累轉(zhuǎn)運與產(chǎn)量形成的關(guān)系非常復(fù)雜。因此，開展不同水分環(huán)境下不同基因型小麥各營養(yǎng)器官WSC積累轉(zhuǎn)運與籽粒灌漿和產(chǎn)量形成的遺傳關(guān)系研究，可為小麥抗旱種質(zhì)資源的篩選和抗旱遺傳育種提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以不同生態(tài)區(qū)196份小麥抗旱種質(zhì)組成的自然群體為供試材料(表1)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2014年10月至2015年6月在甘肅省蘭州市榆中縣金家營小麥試驗點(35°51′N，104°07′E，平均海拔1 900 m，平均氣溫6.7℃，年降雨量450 mm，年蒸發(fā)量1 450 mm，無霜期140 d)進行。小麥播前基施K2O 60 kg·hm-2、N 180 kg· hm-2、P2O5150 kg·hm-2，在整個生育期內(nèi)均不再施肥。水分管理分為干旱脅迫(Drought stress，DS)和正常灌溉(Well-watered，WW)兩種處理。播前試驗地均統(tǒng)一灌底墑水900 m3·hm-2。正常灌溉處理條件下，在小麥拔節(jié)期、抽穗期和開花期補充灌水，每次灌水量為750 m3·hm-2；干旱脅迫處理條件下，僅在小麥拔節(jié)期灌水750 m3·hm-2，其后完全依靠自然降水(2014年10月-2015年6月小麥全生育期降水量為130 mm)。在兩種水分處理的試驗區(qū)之間種植18 m寬的小麥隔離帶，隔離帶水分處理同干旱脅迫處理。整個試驗隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，條播，行長1 m，行距0. 2 m，每行點播60粒，12行區(qū)，即每個小區(qū)2.4 m2。

1.3 目標(biāo)性狀測定與統(tǒng)計分析

隨機選擇小麥自然群體內(nèi)各品種開花期長勢一致主莖做標(biāo)記，每個處理分別在小麥開花初期、灌漿中期(花后14 d)和成熟期剪取主莖15株，取旗葉(FL)、穗下節(jié)(包括莖鞘，PedI)、倒二葉(SL)、倒二節(jié)(包括莖鞘PenI)、倒三葉(TL)和倒三節(jié)(包括莖鞘，ThiI)，在105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，并稱取主穗粒重(SGW)。采用蒽酮比色法[16]測定不同處理的WSC含量，各器官開花期、灌漿期和成熟期的WSC含量分別記為WSCf，WSCg和WSCm，所有測定均3次重復(fù)。

WSC花前轉(zhuǎn)運率(RRpr)=(WSCf絕對含量-WSCm絕對含量)/WSCf絕對含量×100%；WSC花后轉(zhuǎn)運率(RRps)= (WSCg絕對含量-WSCf絕對含量)/WSCg絕對含量×100%；WSC花前貢獻率(CRpr)= (WSCf絕對含量-WSCm絕對含量)/(1000×SGW)×100%；WSC花后貢獻率(CRps)= (WSCg絕對含量-WSCf絕對含量)/(1000×SGW)×100%；WSC絕對含量=WSC濃度×干物質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用DPS V7.0.5 統(tǒng)計軟件進行不同處理間各目標(biāo)性狀方差分析(ANVOA)、多重比較、相關(guān)分析和聚類分析。聚類分析采用系統(tǒng)聚類中的類平均法(UPGMA)，聚類距離為歐式距離。

性狀表型多樣性指數(shù)采用Shannon和Weaver[17]的方法計算。多樣性指數(shù)劃級方法：先計算參試材料總體平均數(shù)(X)和標(biāo)準(zhǔn)差(d)，然后劃分為10個等級，從第1級[Xi<(X-2d)]到第10級[Xi>(X+2d)]，每0.5d為1個等級，每一級的相對頻率用于計算多樣性指數(shù)。多樣性指數(shù)的計算公式為：H=-∑PilnPi，式中，Pi為某性狀第i級別中材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比。

表1 供試小麥材料Table 1 Wheat accessions

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥自然群體各性狀表型多因素方差分析

小麥自然群體WSC含量受到水分、發(fā)育階段、器官和基因型及其各因子之間互作效應(yīng)的顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)的影響(表2)。從F值看出，發(fā)育階段(F=32 775.74**)和器官(F=11 223.18**)是影響該群體WSC含量表型變異的主要因素；器官(F=390.15**～1 482.96**)和水分(F=72.16**～274.61**)是影響WSC花前、花后轉(zhuǎn)運率及其對籽粒貢獻率表型變異的主要因子；而其他因子及其互作對目標(biāo)性狀表型變異的相對貢獻率較小。WSC各目標(biāo)性狀遺傳力較低，在0.24～0.53。

2.2 不同水分條件下小麥自然群體不同器官相關(guān)性狀表型分析

在兩種水分條件下，小麥自然群體不同發(fā)育時期WSC含量，各器官花前、花后WSC轉(zhuǎn)運率及其對籽粒貢獻率表型值均差異顯著(圖1)。各器官WSC含量均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，即WSCm

2.3 小麥自然群體WSC相關(guān)性狀表型遺傳多樣性分析

從圖2可以看出，小麥自然群體WSC相關(guān)性狀表型多樣性豐富，多樣性指數(shù)為0.61～0.93(DS)和0.62～0.88(WW)。其中，干旱脅迫條件下的WSCf、WSCg、WSCm、RRpr和RRps多樣性指數(shù)顯著高于正常灌溉，但RRpr和CRps相反。WSC含量、WSC花前和花后轉(zhuǎn)運率及其對籽粒貢獻率隨著主莖節(jié)位的下降和生育期的延后呈降低趨勢。表明干旱脅迫顯著提高了各器官WSC含量多樣性指數(shù)。

表2 小麥自然群體各性狀表型多因素方差分析(F值)Table 2 Multi-factor variance analysis (F value) of target traits in the wheat natural population

注：WSC表示W(wǎng)SC含量；RRpr和RRps分別表示花前WSC轉(zhuǎn)運率和花后WSC轉(zhuǎn)運率；CRpr和CRps分別表示花前WSC貢獻率和花后WSC貢獻率。*和**分別表示多因素方差分析中顯著性水平為P<0.05和P< 0.01。

Note: WSC mean WSC content; RRprand RRpsmean WSC remobilization rate at the pre-anthesis and WSC remobilization rate at the post anthesis, respectively;CRprand CRpsmean WSC contribution rate at the pre-anthesis and WSC contribution rate at the post anthesis , respectively. * and ** mean different significence levels atP<0.05 andP<0.01 by the multi-factor analysis of variation.

注：WSCf：初花期WSC含量；WSCg：花后14d WSC含量；WSCm：成熟期WSC含量；FL：旗葉；PedI：穗下節(jié)；SL：倒二葉；PenI：倒二節(jié)；TL：倒三葉；ThiI：倒三節(jié)；DS：干旱脅迫；WW：正常灌溉。下同。不同小寫字母表示同一器官不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note: WSCf：WSC content at the early anthesis stage; WSCg：WSC content 14 days after anthesis;WSCm:WSC content at the mature stage; FL：flag leaf; PedI：peduncle internode; SL: top second leaf; Penl：the second internode; TL：top third leaf; ThiI：the third internode from top. DS：drought stress; WW：well-watered. The same below. Different small letters mean significant difference between different treatment in the same organ(P<0.05).圖1 不同水分條件下小麥自然群體WSC積累轉(zhuǎn)運表型Fig.1 WSC accumulation and remobilization in wheat natural population under different water treatment

圖2 不同水分條件下小麥自然群體各器官WSC積累轉(zhuǎn)運相關(guān)性狀表型多樣性指數(shù)Fig.2 Phenotype diversity index of associated traits related to WSC accumulation and remobilization of different organ in wheat natural population under different water treatment

2.4 小麥自然群體各目標(biāo)性狀之間的相關(guān)性分析

從表3得出，兩種水分條件下的WSCg與SGW間均呈顯著或極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)(r)0.21**～0.36**(DS)和0.15*～0.32**(WW)，倒二節(jié)的WSCg與SGW間相關(guān)系數(shù)達(dá)到最高0.36**(DS)和0.32**(WW)。在干旱脅迫條件下，WSCf和RRpr呈極顯著正相關(guān)(r=0.28**～0.48**)，但WSCm相反(r=-0.28**～-0.68**)；且WSCg、RRpr、CRpr與SGW均呈不同程度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)(r)為0.11 ～ 0.36**。在正常灌溉條件下，RRps、CRps和SGW呈不同程度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.14～0.27**；而WSCm與RRpr呈極顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.29**～-0.72**。在不同器官中，各因子間呈顯著或極顯著關(guān)系，莖鞘均高于葉片，且在倒二節(jié)達(dá)到最大值。

2.5 小麥自然群體表型聚類分析

在干旱條件下對該自然群體灌漿期196份抗旱種質(zhì)材料WSC倒二節(jié)相關(guān)性狀表型值進行聚類分析(圖略)發(fā)現(xiàn)，該群體WSC倒二節(jié)含量被分為三類。第Ⅰ類，包括76個株系，各株系倒二節(jié)WSC含量較高，其中包括43份甘肅品種、14份山西品種、7份河北品種、3份陜西品種、5份山東品種、1份天津品種和3份北京品種；第Ⅱ類，包括96個株系，其中54份甘肅品種、17份山西品種、4份河北品種、2份山東品種、1份天津品種、6份北京品種和12份美國品種；第Ⅲ類，各株系倒二節(jié)WSC含量較低，包括24個株系，其中16份甘肅品種、2份山西品種、1份河南品種、3份北京品種和2份美國品種。該群體在干旱脅迫下WSC轉(zhuǎn)運率表型值被分為三類。第Ⅰ類，包括104個株系，各株系倒二節(jié)WSC轉(zhuǎn)運率較高，包含61份甘肅品種、19份山西品種、3份河北品種、2份陜西品種、1份河南品種、2份山東品種、6份北京品種和10份美國品種；第Ⅱ類包括82個株系，其中46份甘肅品種、11份山西品種、7份河北品種、3份陜西品種、5份山東品種、6份北京品種和4份美國品種；第Ⅲ類，包括10個株系，各株系倒二節(jié)WSC轉(zhuǎn)運率較低，其中4份甘肅品種、2份山西品種、2份陜西品和2份天津品種。在干旱條件下該群體倒二節(jié)WSC貢獻率被分為三類。第Ⅰ類，倒二節(jié)WSC貢獻率較高，包括71個株系，其中36份甘肅品種、13份山西品種、6份河北品種、1份河南品種、2份山東品種、1份天津品種、5份北京品種和7份美國品種；第Ⅱ類，包括77個株系，其中44份甘肅品種、12份山西品種、4份陜西品種、5份山東品種、1份天津品種、4份北京品種和3份美國品種；第Ⅲ類，包括48個株系，各株系倒二節(jié)WSC貢獻率較低，其中包含31份甘肅品種、7份山西品種、2份河北品種、1份陜西品種、3份北京品種和4份美國品種。本研究中的196份不同地理來源的小麥種質(zhì)，因其遺傳背景的復(fù)雜性和多樣性，以及各品種株系對干旱脅迫環(huán)境適應(yīng)能力的差異，導(dǎo)致其在灌漿期可溶性碳水化合物在倒二節(jié)中的積累和轉(zhuǎn)運具有顯著差異，而倒二節(jié)WSC的含量及其轉(zhuǎn)運能力與產(chǎn)量在一定程度上呈正相關(guān)，從而使小麥種質(zhì)表現(xiàn)出不同的抗旱能力，最終表現(xiàn)為產(chǎn)量的差異。此外，通過對該自然群體灌漿期倒二節(jié)WSC含量、轉(zhuǎn)運率及其貢獻率的表型值聚類分析得到，具有較高WSC含量、轉(zhuǎn)運率和貢獻率的品種株系15個，分別為21-30、運旱22-33、冬03-07、魯麥15、石麥13、B61-2-3-2-1、Dd52-17-3-2、臨旱51241、隴鑒127、京雙2號、B160-2-2-1-1、A80-3-2-2-1、清農(nóng)3、石家莊8號、臨豐3號。

表3 干旱脅迫和灌溉條件下小麥自然群體不同器官WSC積累轉(zhuǎn)運與穗粒重的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between WSC accumulation and remobilization of different organ and grain weight per spike in wheat natural population under drought stress and well-watered conditions

注：表中左和右兩個三角區(qū)域分別表示干旱脅迫和灌溉條件下性狀的相關(guān)系數(shù)。

Note: Figures at the lower left segment are the correlation coefficients under rain-fed conditions (DS);those in the upper right under well-watered conditions (WW).

3 討 論

3.1 小麥自然群體WSC積累轉(zhuǎn)運與抗旱性

小麥的抗旱性是復(fù)雜的生物學(xué)性狀，往往通過一系列生理反應(yīng)來應(yīng)對不同程度的干旱脅迫[18]。小麥葉片(尤其是旗葉)作為光合作用的主要器官，直接決定著植株WSC的積累量，在干旱脅迫條件下，小麥葉片卷曲，氣孔關(guān)閉，在灌漿期小麥葉片光合產(chǎn)物無法滿足冠層呼吸消耗時，小麥的籽粒灌漿和最終產(chǎn)量的形成更加依賴于莖稈WSC的積累和轉(zhuǎn)運[6,19]。研究表明，適度的干旱脅迫，可以促進小麥暫貯性WSC含量的增加，并且調(diào)控其向籽粒的轉(zhuǎn)運，同時提高小麥水分利用效率，從而提高小麥御旱能力，保證小麥籽粒的產(chǎn)量[20-24]。在本研究中，小麥自然群體灌漿期不同發(fā)育階段WSC含量，花前、花后轉(zhuǎn)運率及其對籽粒的貢獻率普遍表現(xiàn)為干旱脅迫高于正常灌溉，WSCg高于WSCf和WSCm，倒二節(jié)和倒三節(jié)WSC含量顯著高于其他器官并在倒二節(jié)中達(dá)到最大值，與趙萬春等[25]研究結(jié)果一致，并且小麥籽粒灌漿更多依賴于莖鞘中貯藏的WSC。由此說明，小麥自然群體WSC積累轉(zhuǎn)運具有明顯的水分環(huán)境、器官和發(fā)育階段效應(yīng)，不同性狀對以上諸因子響應(yīng)不同。小麥各器官WSC含量受發(fā)育時期影響較大，且各器官WSC含量差異顯著，小麥WSC轉(zhuǎn)運率受水分和器官的共同作用，而WSC轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻具有顯著的水分和器官的主導(dǎo)效應(yīng)，表現(xiàn)出小麥WSC積累轉(zhuǎn)運的復(fù)雜數(shù)量性狀的特點及其在小麥抗旱種質(zhì)研究中的重要作用。

3.2 小麥自然群體WSC積累轉(zhuǎn)運與穗粒重的關(guān)系

小麥作為C3植物，要求具有較強的光合能力和有效的轉(zhuǎn)運與再分配能力，貯存更多的光合產(chǎn)物，可促進WSC向籽粒的運輸，為籽粒產(chǎn)量的形成提高充足的底物條件[19]。前人利用小麥DH群體和RIL群體研究發(fā)現(xiàn)，小麥莖稈WSC含量和WSC積累轉(zhuǎn)運量與產(chǎn)量和穗粒重呈顯著或極顯著正相關(guān)，且干旱脅迫條件下相關(guān)系數(shù)顯著高于正常灌溉[26-28]。在本研究中，兩種水分條件下，小麥自然群體各器官WSCg與SGW均呈顯著或極顯著正相關(guān)，且在倒二節(jié)中WSCg與SGW的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值。在干旱脅迫條件下，WSCg、RRpr、CRpr與SGW均呈不同程度正相關(guān)，而在正常灌溉條件下，RRps、CRps和SGW呈不同程度正相關(guān)，并且相關(guān)程度干旱脅迫普遍高于正常灌溉，莖鞘顯著高于葉片，倒二節(jié)相關(guān)系數(shù)最高。表明灌漿中期小麥暫貯性WSC對小麥WSC積累轉(zhuǎn)運及其對籽粒灌漿的貢獻具有重要作用，尤其是在干旱脅迫條件下，小麥可能通過自身的生理調(diào)節(jié)作用，動員莖鞘(尤其是倒二節(jié))中暫貯性WSC向籽粒轉(zhuǎn)運，從而補償籽粒產(chǎn)量損失，緩解干旱脅迫引起的環(huán)境壓力。

3.3 小麥自然群體WSC積累轉(zhuǎn)運的遺傳特性

本研究發(fā)現(xiàn)，小麥自然群體WSC含量，花前、花后轉(zhuǎn)運率及其對籽粒的貢獻率表型變異豐富，在不同水分處理下，不同發(fā)育階段WSC含量以及不同器官中的WSC花前、花后轉(zhuǎn)運率和貢獻率多樣性指數(shù)較高。楊德龍等[28-29]利用DH群體和RIL群體對小麥灌漿期WSC積累轉(zhuǎn)運相關(guān)性狀進行遺傳分析，發(fā)現(xiàn)群體內(nèi)株系各性狀表型變異廣泛，介于雙親之間，且表現(xiàn)出超親分離，遺傳力較低，多樣性指數(shù)高。說明小麥的遺傳背景、水分、發(fā)育階段和器官等差異，導(dǎo)致了小麥WSC積累轉(zhuǎn)運豐富的表型多樣性。因此，加速開展復(fù)雜遺傳背景的小麥種質(zhì)在不同水分環(huán)境下的WSC積累轉(zhuǎn)運的數(shù)量遺傳研究，將有利于發(fā)掘WSC積累轉(zhuǎn)運豐富的抗旱遺傳信息[30]。在本研究中，干旱脅迫顯著地提高了小麥自然群體WSC積累轉(zhuǎn)運表型的變異，豐富了表型多樣性。這可能是水分脅迫誘導(dǎo)的一些在非水分脅迫條件下沉默的基因表達(dá)，以應(yīng)對干旱脅迫環(huán)境對植株的傷害，而這也可能是導(dǎo)致這些性狀表型值在干旱脅迫條件下普遍增高的重要遺傳基礎(chǔ)。