水稻脆性突變體w7bc5的生物學(xué)特性研究

陸荷微， 劉斌美， 陶亮之， 葉亞峰， 吳振宇， 范 爽， 吳躍進(jìn)， 王 鈺

(1. 安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 合肥 230601; 2. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所, 合肥 230031)

水稻脆性突變體是一種經(jīng)典的形態(tài)學(xué)突變，植株的莖稈和葉片等組織脆性增加，是水稻突變類型中常見(jiàn)的一種[1]。機(jī)械強(qiáng)度作為莖稈的重要特性之一，直接關(guān)系植株后期的抗倒伏情況[2]。脆性突變一方面會(huì)導(dǎo)致莖稈強(qiáng)度的減弱，進(jìn)而降低其支撐力，倒伏風(fēng)險(xiǎn)增大，所以一般認(rèn)為脆性突變對(duì)水稻的田間管理和收獲生產(chǎn)是不利的；但是另一方面纖維素含量降低，木質(zhì)素含量升高，營(yíng)養(yǎng)成分改變，對(duì)反芻動(dòng)物反而口感好、易消化，所以將水稻脆性突變體發(fā)展成一種稻飼兼用型水稻，在提高秸稈資源的利用率等方面具有很大的應(yīng)用前景[3-5]。

物理誘變是獲得水稻脆性突變的一個(gè)重要途徑，吳躍進(jìn)等利用低能離子束和重離子等物理平臺(tái)創(chuàng)建一系列水稻脆性突變體，豐富了脆性突變體遺傳資源[6-7]。劉斌美等利用離子束誘變技術(shù)，在秈稻9311中分離1個(gè)莖、葉均表現(xiàn)脆性的bc9311-1突變體，通過(guò)細(xì)胞壁組分檢測(cè)和組織解剖的掃描電鏡觀察研究了bc933-1的生物學(xué)特性[8]。葉亞峰等在氮離子束誘變的突變體中發(fā)現(xiàn)一脆稈矮生突變體dfr并完成控制該脆性性狀基因的定位研究[9]。從目前的研究來(lái)看，水稻脆性性狀的發(fā)生和細(xì)胞壁主要成分的改變關(guān)系密切，纖維素含量降低，木質(zhì)素含量升高以及其他多種組分變化的結(jié)合作用影響了細(xì)胞壁的生物合成，進(jìn)而改變植株的支撐情況。因此，在選育水稻品種時(shí)利用物理技術(shù)創(chuàng)建和發(fā)掘新的脆性突變材料對(duì)研究細(xì)胞壁形成機(jī)理以及莖稈機(jī)械支撐力與細(xì)胞壁主要成分含量的關(guān)系有著重要的價(jià)值。

本研究圍繞通過(guò)重離子輻照粳稻品種wyj7獲得的水稻脆性突變體w7bc5的農(nóng)藝與經(jīng)濟(jì)特征，細(xì)胞壁主要成分，抗折力和莖稈中可溶性糖含量等展開(kāi)，進(jìn)而為揭示該突變體的脆性機(jī)制及深入研究和應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

水稻材料：2015年，利用重離子輻照誘變粳稻品種wyj7獲得一水稻脆性突變體，暫命名為w7bc5，其莖稈和葉片手折脆弱易斷。

材料種植：實(shí)驗(yàn)水稻材料正季(5月—11月)均種植于合肥物質(zhì)科學(xué)研究院水稻育種實(shí)驗(yàn)基地(117°18′E，31°52′N)。水稻南繁(當(dāng)年12月至翌年4月)材料均種植于海南省三亞市實(shí)驗(yàn)基地(109°49′E，18°34′N)。

1.2 方法

1.2.1 農(nóng)藝性狀分析

在田間隨機(jī)取15株(取樣時(shí)注意避取邊行株)成熟期供試水稻材料，考察其主要農(nóng)藝特征和經(jīng)濟(jì)性狀，包括：全生育期、株高、穗長(zhǎng)、分蘗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重及結(jié)實(shí)率等。

1.2.2 細(xì)胞壁組分含量的分析

根據(jù)Van Soest等[10]方法測(cè)定細(xì)胞壁組分含量。取抽穗期的水稻材料，將莖稈和葉片分開(kāi)，剪成合適的長(zhǎng)度放入65℃烘箱中,待完全烘干后取出，用旋風(fēng)磨分別將莖稈和葉片粉碎，粉末裝入干凈的封口袋中以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)所用。

1.2.3 莖稈抗折力的測(cè)定和倒伏指數(shù)的計(jì)算

莖稈抗折力(resistance snapping, RS)的測(cè)定參考楊惠杰[11]的方法。田間取回抽穗后35 d的水稻，將完整水稻莖稈放入水槽中保持其不失水，注意保留莖稈外部葉鞘及葉片。將待測(cè)水稻莖稈第二節(jié)間置于兩塊約7 cm左右的寬板中間，保持莖稈的水平狀態(tài)，將數(shù)顯示推拉力計(jì)掛于莖稈中間部位，垂直向下輕輕拉動(dòng)測(cè)力儀，由于該儀器可記載推拉過(guò)程中的最大數(shù)值，所以當(dāng)莖稈折斷彎曲45°以上時(shí)，測(cè)力儀上的數(shù)值就是莖稈基部第二節(jié)間對(duì)應(yīng)的抗折力(N)。從田間取回的水稻樣品放置實(shí)驗(yàn)室內(nèi)極易失水皺縮，因此盡量保證所有試驗(yàn)材料在當(dāng)天測(cè)定完畢。

倒伏指數(shù)(lodging index, LI)={[第2節(jié)間基部至穗頂長(zhǎng)度(cm)×第2節(jié)間基部至穗頂鮮重(g)] / 抗折力}×100。倒伏指數(shù)越大，表示植株越容易倒伏，倒伏指數(shù)臨界值為200[12]。

1.2.4 不同生長(zhǎng)時(shí)期水稻莖稈中可溶性糖含量的測(cè)定

水稻不同時(shí)期莖稈中可溶性糖含量的測(cè)定參照蒽酮比色法[13]。

1.3 分析方法

采用SAS 8.0對(duì)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 w7bc5突變體的表型特征

突變體w7bc5在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中都表現(xiàn)脆性，莖稈相較于野生型明顯變脆(圖1)，在田間易于用手折方式辨別其脆性性狀。兩者在其他表型特征上幾乎一致。

圖1突變體w7bc5和野生型wyj7植株莖稈抗折情況

性狀突變體w7bc5野生型wyj7Characteristicsmutantw7bc5wildtypewyj7生育期growthperiod124125株高plantheight(cm)947±169515±105穗長(zhǎng)paniclelength(cm)1539±0721548±093分蘗數(shù)tillernumberperplant105±04110±027每穗粒數(shù)numberofgrainperpanicle10894±56712045±325?千粒重thousandseedweight(g)2334±02628095±0125?結(jié)實(shí)率seedfertility(%)92±0689683±19?

注：*表示顯著差異(P<0.05)；下同

2.2 w7bc5突變體農(nóng)藝性狀分析

如表1所示：突變體w7bc5和野生型wyj7的全生育期和株高相近，每穗粒數(shù)有所減少，千粒重和結(jié)實(shí)率也有下降，其他性狀差異不明顯，可以看出突變體w7bc5的農(nóng)藝經(jīng)濟(jì)特征較好。

2.3 細(xì)胞壁組分含量的分析

分別測(cè)定w7bc5突變體和wyj7野生型莖稈、葉片的細(xì)胞壁各主要組分含量。結(jié)果(圖2)顯示野生型wyj7莖稈中纖維素的含量為31.34%，而脆性突變體w7bc5的是22.97%，減少了26.7%；野生型wyj7莖稈中半纖維素含量為18.9%，突變體w7bc5的是27.48%，顯然w7bc5半纖維素含量顯著提高；而兩者木質(zhì)素含量相當(dāng)，差異不明顯。木質(zhì)纖維素含量的變化導(dǎo)致突變體w7bc5和wyj7細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的變化，從而導(dǎo)致外部的脆性特征，這也與相關(guān)的研究[14]結(jié)果是一致的。

圖2 野生型wyj7和突變體w7bc5莖稈細(xì)胞壁組成成分含量分析

由圖3不難發(fā)現(xiàn)，w7bc5與wyj7水稻葉片中木質(zhì)纖維素含量的變化趨勢(shì)與莖稈中的是一致的，纖維素含量顯著降低，半纖維素含量升高，而木質(zhì)素和無(wú)機(jī)鹽含量未表現(xiàn)明顯差異。由此也可以看出，在對(duì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的影響中，纖維素和半纖維素含量的變化較為明顯。

圖3 野生型wyj7和突變體w7bc5葉片細(xì)胞壁組成成分含量分析

Fig 3 Difference of leaf cell wall components between wild typewyj7 and mutantw7bc5

2.4 抽穗后水稻脆莖突變體w7bc5的物理特性

莖稈的機(jī)械強(qiáng)度是水稻重要的物理特性之一，機(jī)械強(qiáng)度的改變導(dǎo)致莖稈出現(xiàn)脆嫩易折的特性，影響植株支撐力。我們?nèi)×顺樗牒?5 d左右的兩種水稻材料，分別進(jìn)行了莖稈抗折力的測(cè)定以及倒伏指數(shù)的計(jì)算(表2)。從w7bc5與野生型wyj7莖稈基部第二節(jié)間抗折力的測(cè)定結(jié)果來(lái)看，w7bc5比wyj7降低了約29.8%，這與田間觀察兩者莖稈手折即斷的程度相符，突變體所需的折斷力明顯減小。以倒伏指數(shù)為指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)脆性突變體w7bc5與野生型水稻后期可能存在的倒伏風(fēng)險(xiǎn)，突變體w7bc5與野生型水稻的倒伏指數(shù)都不是很大，且都小于倒伏指數(shù)的臨界值200[12]，該結(jié)果也與田間的實(shí)際觀察情況保持一致。因此，突變體w7bc5具有良好的抗倒伏特性，便于田間收獲和管理。

表2 突變體w7bc5與野生型wyj7的物理特性

2.5 水稻不同生育期莖稈的可溶性糖含量

由表3可以看出，突變體w7bc5與野生型wyj7莖稈中可溶性糖含量在拔節(jié)期與抽穗期的差異并不顯著，而后兩者的差距由抽穗期的12.8 mg/g擴(kuò)大到成熟期的62.9 mg/g，成熟期突變體莖稈中可溶性糖含量顯著低于野生型，可見(jiàn)突變體在抽穗之后莖稈中的可溶性糖可能更多地轉(zhuǎn)運(yùn)去籽?；蚱渌M織中，導(dǎo)致在此過(guò)程中莖稈充實(shí)度下降，抗折力減小，最終引起脆性性狀的表達(dá)。

表3 突變體w7bc5與野生型wyj7不同時(shí)期可溶性糖含量

注：通過(guò)Duncan檢驗(yàn)，同列不同小寫字母表示兩個(gè)材料之間的差異顯著(P<0.05)

3 討論

水稻脆性性狀的發(fā)生涉及多個(gè)復(fù)雜的生理生化過(guò)程，目前對(duì)其機(jī)理的研究已經(jīng)有了新的進(jìn)展，但是具體的脆性發(fā)生機(jī)制還不是很清晰。本文研究的重離子輻照粳稻wyj7獲得的一個(gè)脆性突變體w7bc5，與野生型相比，該突變體的發(fā)育生長(zhǎng)未受到較大的影響，產(chǎn)量相關(guān)經(jīng)濟(jì)性狀較為優(yōu)良。目前在水稻脆性突變已有的報(bào)道中，莖稈和葉片等其他組織脆嫩易折的性狀大部分與木質(zhì)纖維素的合成有關(guān)，細(xì)胞壁主要成分含量的改變導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的變化[15]。纖維素是細(xì)胞壁的主要成分，是細(xì)胞骨架的基礎(chǔ)，它起到控制細(xì)胞大小和維持細(xì)胞形態(tài)的重要作用，在遭遇外界壓力的時(shí)候給予植株機(jī)械支撐力[16]。w7bc5突變體葉片和莖稈的纖維素含量比野生型wyj7的都要低，半纖維素含量有所升高，且差異顯著，木質(zhì)素、無(wú)機(jī)鹽含量并沒(méi)有明顯差異，從中可以看出木質(zhì)纖維素含量的改變導(dǎo)致植株脆性性狀的發(fā)生。從不同時(shí)期水稻莖稈中可溶性糖含量來(lái)看，脆性突變體w7bc5可溶性糖含量從拔節(jié)期后一直小于野生型品種，成熟期差異達(dá)到最大。研究表明，可溶性糖含量的降低可能改變了莖稈的充實(shí)度，從而影響了莖稈的抗折性，中空的結(jié)構(gòu)或不充實(shí)的組織更容易引起脆性的表現(xiàn)[17]。但是鑒于水稻脆性性狀的發(fā)生原因涉及多種莖稈生化成分的變化，所以還要進(jìn)一步從莖稈形態(tài)結(jié)構(gòu)、不同生育期莖稈硅、鉀、鈣、鎂含量以及后期莖稈含水等方面進(jìn)行深入研究[18]。

通過(guò)重離子誘變獲得一系列的水稻脆性突變體，這些突變體為研究水稻細(xì)胞壁的生物合成提供寶貴的材料[19]。創(chuàng)建和發(fā)掘新的脆性突變體對(duì)于闡明水稻莖稈支撐力改變的發(fā)生過(guò)程同樣具有重大意義[20-22]。水稻秸稈數(shù)量多，體積大，自然狀態(tài)下降解速率緩慢，秋收季節(jié)秸稈焚燒隨處可見(jiàn)，造成嚴(yán)重環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。通過(guò)重離子輻照誘變的脆性突變體莖稈和葉片變脆，收獲時(shí)易破碎降解，減少機(jī)器耗能和損傷，更有利于水稻秸稈的自然還田。同時(shí)還可以將脆性材料直接作為家畜飼料，其較低的纖維素含量對(duì)反芻動(dòng)物更易消化。木質(zhì)纖維素的含量與莖稈的抗折力大小密不可分，直接影響植株的脆性特征，由于纖維素等主要成分含量的改變，植株莖稈、葉片等變脆，通過(guò)手折等方法容易在田間鑒別，因此在遺傳育種實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)脆莖突變的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)現(xiàn)莖稈堅(jiān)硬的突變材料，所以注意田間選擇應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)更多類型的細(xì)胞壁合成突變材料。同時(shí)通過(guò)選擇適當(dāng)變化的突變材料，為適合秸稈還田、新株型、生物質(zhì)能源、稻飼兼用等作物育種提供目標(biāo)性狀，從而進(jìn)一步發(fā)掘新種質(zhì)的應(yīng)用價(jià)值。

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