小麥近緣種芽期和苗期的耐鹽性鑒定與評價

哈力旦·依克熱木,劉 娜,劉聯(lián)正,周安定,姜奇彥,達(dá)買力江·合孜爾,曹俊梅,張新忠

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所/農(nóng)業(yè)部西北地區(qū)小麥抗旱耐鹽生物學(xué)科學(xué)觀測實驗站,烏魯木齊 830091;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所,北京 100094;3.阜康市水磨溝鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心,新疆昌吉 831500)

0 引 言

【研究意義】小麥?zhǔn)俏覈饕募Z食作物[1]。土壤鹽漬化影響小麥的生長[2]。選育耐鹽堿小麥品種是改良鹽堿土壤有效快捷的方法。在選育耐鹽作物品種時,利用現(xiàn)有的耐鹽性較強的種質(zhì)資源作為親本材料,通過雜交技術(shù)手段選育后代,使得耐鹽性狀得以表現(xiàn),選育出具有耐鹽性,綜合性狀優(yōu)良的品種[3]。作物產(chǎn)量突破都有賴于特異種質(zhì)資源的發(fā)掘和利用。培育優(yōu)異抗旱、耐鹽小麥新品種是解決問題最根本、最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段。挖掘和利用主要性狀相關(guān)基因資源對小麥遺傳改良有重要意義[4]。作物耐鹽性是一個復(fù)雜指標(biāo)且對環(huán)境敏感。作物生長早期是整個發(fā)育過程的基礎(chǔ),極易受到逆境脅迫傷害,最終影響產(chǎn)量。芽期和苗期是研究作物耐鹽性的重要時期[5-7]。小麥耐鹽性鑒定是小麥種質(zhì)資源鑒定評價、耐鹽品質(zhì)選育以及耐鹽機(jī)理的基礎(chǔ)研究,土壤鹽漬化嚴(yán)重影響小麥生產(chǎn),提高小麥耐鹽性是應(yīng)對土壤鹽漬化的主要途徑之一。耐鹽種質(zhì)資源是耐鹽性遺傳改良的材料基礎(chǔ)。小麥近緣材料是栽培小麥改良所需優(yōu)異外緣基因的主要來源,擁有多種栽培小麥改良的優(yōu)異基因。通過耐鹽性鑒定對篩選出小麥耐鹽育種的種質(zhì)資源或直接用于小麥生產(chǎn)的新品種有實際意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】陳新等[8]在NaCl單鹽脅迫條件下,采用燕麥種子發(fā)芽生長抗鹽鑒定的方法對小麥進(jìn)行耐鹽性鑒定表明,發(fā)芽率是一項耐鹽篩選的理想指標(biāo)。劉旭等[9]芽期、苗期耐鹽性鑒定,獲得3份耐性較強的材料。由于小麥耐鹽性是多基因控制的多種生理生化代謝的綜合表現(xiàn),耐鹽性鑒定研究比較復(fù)雜。小麥近緣種具有極強的環(huán)境脅迫耐性,一直承擔(dān)著改良普通小麥種質(zhì)遺傳資源和基因庫的重任[10],趙賢等[11]對野生二粒小麥抗旱耐鹽種質(zhì)資源的鑒定及全基因組關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析,通過多層研究,篩選出耐旱耐鹽性種質(zhì)資源。杜雅楠等[12]對20個來源于普通小麥與華山新麥草的雜交衍生后代材料進(jìn)行萌發(fā)期和幼苗期的抗旱性研究,以確定其抗旱性強弱,并利用基因組原位雜交(GISH)技術(shù),對小麥-華山新麥草衍生后代抗旱性最強的材料進(jìn)行了檢測,為華山新麥草優(yōu)良基因更好的應(yīng)用于小麥改良打好基礎(chǔ)。曹俊梅等[13-14]對鹽脅迫對新疆冬小麥幼苗形態(tài)和生理特性的影響為目的,分析了新疆主栽小麥品種苗期耐鹽性差異。通過利用2%硫酸鈉模擬鹽分脅迫,研究11個新疆主栽小麥品種幼苗的形態(tài)和生理特征,利用加權(quán)隸屬函數(shù)法分析鑒定指標(biāo)和幼苗的耐鹽性。研究不同濃度的NaCl和Na2SO4混合鹽溶液對冬小麥種子發(fā)芽及幼苗生長的影響,得出了鹽分濃度的增加,3個小麥品種的種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、芽長及根長都呈下降趨勢,均與鹽濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)。收集小麥近緣種為材料,開展小麥近緣種質(zhì)資源的耐鹽性鑒定和評價工作,對挖掘小麥近緣種特有的(耐鹽)基因資源,明晰資源的遺傳基礎(chǔ)和多樣性,將促進(jìn)小麥資源的利用。從作物類型、不同鹽脅迫和生長發(fā)育等方面鑒定和篩選作物耐鹽性,對小麥耐鹽性的生理適應(yīng)性鑒定具有重要參考價值。小麥近緣種質(zhì)資源含有大量的抗逆、抗病蟲和優(yōu)質(zhì)基因,可以通過人工遠(yuǎn)緣雜交等方法轉(zhuǎn)育到現(xiàn)代的栽培品種中,并逐步應(yīng)用到小麥遺傳改良和品種選育中,對促進(jìn)小麥品種改良,培育耐鹽小麥新品種有重要意義?！颈狙芯壳腥朦c】耐鹽、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)小麥新品種的選育難度不斷增加。新疆已有對普通小麥品種的耐鹽性研究有報道,但對小麥近緣種的耐鹽性研究較少或尚未報道。植物在不同生育期耐鹽性存在差異,為精準(zhǔn)篩選出優(yōu)異的小麥近緣耐鹽資源,也需分別對芽期和苗期進(jìn)行耐鹽性鑒定、評價。【擬解決的關(guān)鍵問題】以38(含對照)份小麥近緣種為材料,利用兩種濃度NaCl處理種子和幼苗,篩選耐鹽種質(zhì),通過有效結(jié)合轉(zhuǎn)基因小麥耐鹽性鑒定的技術(shù)規(guī)程,從豐富的小麥近緣材料中篩選出一批強耐鹽種質(zhì),拓寬小麥遺傳基礎(chǔ)為小麥耐鹽性研究及小麥抗逆育種提供評價方法和基礎(chǔ)材料。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料38份小麥近緣種(1份普通小麥為對照,冬性材料28份,春性材料10份)由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供,設(shè)備也由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所(種質(zhì)資源抗逆性評價課題組)提供。

1.2 方 法

1.2.1 小麥近緣種芽期 NaCl 脅迫及耐鹽性鑒定

芽期耐鹽性鑒定在溫室可控的培養(yǎng)箱與人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。相對鹽害率與耐鹽性級別作為萌發(fā)期耐鹽性鑒定的主要指標(biāo)。芽期鑒定實驗以培養(yǎng)皿(直徑為9 cm)作為發(fā)芽床。38份材料挑選發(fā)育正常的種子均為地放入鋪有二層濾紙的培養(yǎng)皿中,每盒50粒。5 mL濃度為1.2%的NaCl溶液進(jìn)行脅迫處理,以無離子水培養(yǎng)作為正常處理,設(shè)3次重復(fù)。將種子培養(yǎng)皿置于20℃培養(yǎng)箱中,每天光照16 h,暗培養(yǎng)8 h。對照材料4 d、鹽脅迫材料8 d統(tǒng)計發(fā)芽率(芽長超過種子的1/2為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn))。將38份材料分別置于5 mL無離子水(對照)和1.2% NaCl溶液中培養(yǎng),統(tǒng)計發(fā)芽數(shù),并挑選5～10株(對照處理)調(diào)查芽長,根長,根數(shù),芽鮮重,根鮮重等指標(biāo)初步鑒定材料的多樣性。統(tǒng)計發(fā)芽率,相對發(fā)芽率,相對鹽害率,評價芽期耐鹽性。

統(tǒng)計鹽脅迫和對照種子發(fā)芽率,相對鹽害率。以相對鹽害率作為萌發(fā)期耐鹽性的評價指標(biāo)。相對鹽害率以α表示(%)。

1.2.2 小麥近緣種苗期NaCl脅迫及耐鹽性鑒定

小麥近緣種苗期耐鹽性實驗采用Hoangland營養(yǎng)液培養(yǎng)。發(fā)芽第4 d,將每柱分別移到96孔板子上。浮漂在培養(yǎng)槽Hoangland營養(yǎng)液中,放入組培間25℃恒溫,光照,恢復(fù)培養(yǎng)3 d,換成1.2% NaCl溶液。鹽害指數(shù)與受害級別作為苗期耐鹽性鑒定的主要標(biāo)準(zhǔn)。幼苗經(jīng)過 Hoangland 營養(yǎng)液恢復(fù)培養(yǎng)3 d后用1.2%的NaCl溶液進(jìn)行脅迫處理。20 d后對每株苗進(jìn)行受害分級并統(tǒng)計鹽害指數(shù),對苗期耐鹽性進(jìn)行評價并對比芽期和苗期耐鹽性級別。圖4,圖5

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl鹽脅迫對小麥近緣種萌發(fā)期指標(biāo)影響

研究表明,供試材料的多樣性豐富,在NaCl鹽脅迫條件下,發(fā)芽率是受抑制較嚴(yán)重的一個生理指標(biāo),發(fā)芽率最小值、最大值、平均值分別為0、100%、66.7%;與對照相比下降46%、19.3%、最大值無變化。表2

圖1 芽期正常處理條件下各項指標(biāo)對比

表1 供試材料各項指標(biāo)的多樣性

續(xù)表1 供試材料各項指標(biāo)的多樣性

表2 發(fā)芽率變化

篩選出高耐鹽材料21份,耐鹽材料8份。供試材料在不同處理階段的差異性也較大。表3,圖2,圖3

表3 萌發(fā)期耐鹽分級與評價標(biāo)準(zhǔn)

圖2 萌發(fā)期耐鹽材料及耐鹽級別

式中:XCK-對照平均發(fā)芽種子粒數(shù);XT-鹽處理平均發(fā)芽種子粒數(shù);α-相對鹽害率。

2.2 苗期 NaCl鹽脅迫對植株生長的影響

研究表明,成活率100%的材料有15份,大于80%的有20份,小于60%的有3份材料。成苗率100%的材料有3份,大于80%的有15份,小于50%的有12份材料。成活率與成苗率均為100%的材料2份,分別為XM944(野生一粒小麥)、RM050(小亞山羊草)。圖4,圖5鹽害指數(shù)以β表示:

圖3 不同處理之間的差異

圖4 苗期耐鹽性級別

式中:Ci-受害級別;Ni-每個級別株數(shù);n-檢驗樣本總株數(shù);5-鹽害最高級別。

篩選出苗期耐鹽材料7份,中耐鹽材料17份,敏感材料12份,高敏材料2份。

2.3 小麥近緣種芽期與苗期耐鹽性比較

研究表明,部分材料的差異較大。XM5、XM8-1、XM9、XM10、XM15、XM712、XM838、XM943、XM1098、RM105在芽期為耐鹽,而苗期屬于敏感材料。RM8、RM142在芽期為敏感,而苗期為中耐鹽材料。也發(fā)現(xiàn)了芽期和苗期耐鹽類型相同的材料。2個時期均為耐鹽材料有7份,分別為XM884、XM886、XM836、XM883、XM879、XM1106和新冬34(對照),中耐鹽材料2份,分別為RM103、RM078,敏感材料4份,分別為XM65、XM944、RM143、RM050。圖6,表4

圖6 芽期與苗期耐鹽性級別對比

2.4 小麥近緣種在鹽脅迫條件下芽期和苗期耐鹽性分布

研究表明,在萌發(fā)期鹽脅迫條件下高耐鹽材料21份(占55.2%),耐鹽材料8份(占21%),中耐鹽材料3份(占7.8%),敏感材料4份(10.5%),高敏材料2份(5.2%)。苗期脅迫條件下耐鹽材料7份(占18.4%),中耐鹽材料17份(占44.7%),敏感材料12份(占31.5%),高敏材料2份(5.2%)。

3 討 論

3.1 NaCl鹽脅迫對小麥近緣種萌發(fā)期指標(biāo)及苗期植株生長的影響

萌發(fā)期鹽脅迫條件下,由于鹽分過多而使作物種子水勢降低,吸水困難,使細(xì)胞缺水,容易破壞細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和完整性,影響種子萌發(fā)和幼苗的生長[15,16]。芽期和苗期的耐鹽性是植物全生育期耐鹽的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。研究在前人研究的基礎(chǔ)上,對38份材料芽期脅迫濃度為1.2%,苗期脅迫濃度為1.5%的NaCl溶液處理。結(jié)果表明,供試材料在芽期對鹽脅迫不太敏感,被篩選出21份高耐鹽材料占總材料的55.2%。

苗期脅迫處理中,未發(fā)現(xiàn)高耐鹽材料,篩選出耐鹽材料7份,占總材料數(shù)的18.4%。

芽期耐鹽性體現(xiàn)在種子的吸水膨脹能力,機(jī)理是抵御滲透脅迫;苗期的耐鹽機(jī)理是拒Na+[16-18]。導(dǎo)致小麥不同發(fā)育階段耐鹽能力的差異,即芽期表現(xiàn)耐鹽材料,苗期不一定具有耐鹽性。試驗擬合芽期和苗期耐鹽性評價關(guān)系的結(jié)果來看,兩個時期無顯著相關(guān)。原因就是2個時期的耐鹽機(jī)理不完全相同,與前人的研究結(jié)果基本一致。

3.2 幼苗成活率,成苗率與芽期苗期耐鹽級別的關(guān)系

幼苗成活率100%的材料2個時期出現(xiàn)敏感或高敏感的情況。其中只有2份材料(XM886,XM879)芽期和苗期為高耐鹽和耐鹽材料。成苗率100%的(XM944,RM50)在2個時期均為敏感和高敏材料。成活率與成苗率均大于80%的共9份材料中4份(XM884,XM883,XM1106,新冬34號)為高耐鹽和耐鹽材料。3份(XM009,XM008-1,XM015)為苗期敏感材料,而在芽期為高耐鹽,耐鹽,中耐鹽類型。成活率、成苗率與2個時期的耐鹽類型無顯著相關(guān)。

表4 芽期、苗期耐鹽鑒定結(jié)果

4 結(jié) 論

4.138份(含對照)小麥近緣種在芽期和苗期進(jìn)行了單鹽(NaCl)脅迫處理。采用5個耐鹽級別,篩選出芽期高耐材料21份,分別為XM886、XM826、XM829、XM712、XM16、XM943、XM837、XM1107-1、XM836、XM838、RM130、XM10、XM1107、XM711-1、RM54,XM883、XM879、XM1106、 XM708、XM15、對照(新冬34號),高敏材料2份(高大山羊草)RM142、RM143。獲得中耐材料3份:RM103(尾狀山羊草)、RM78(鉤刺山羊草)、XM9(栽培二粒小麥)。

4.2采用植株受害指標(biāo)篩選出苗期(未發(fā)現(xiàn)高耐鹽材料)耐鹽材料7份(其中蜜穗小麥5份,圓錐小麥1份),分別為XM884、XM886、XM836、XM883、XM879、XM1106、對照(新冬34號)。獲得高敏材料2份:分別為XM944(野生一粒小麥)、RM50(小亞山羊草)。獲得中耐材料17份,分為XM826、XM829、XM16、XM837、RM142、XM11071、XM711、RM130、XM1107、RM103、RM104、RM126、RM54、RM78、RM8、XM708、XM711-1。

4.3對照材料新冬34號在新疆耐鹽堿特性較強的小麥品種。小麥近緣種芽期和苗期使用的NaCl鹽濃度能夠作為耐鹽鑒定與評價的適應(yīng)濃度。