不同細(xì)胞質(zhì)小麥雄性不育系雜種F1越冬期生理生化特性分析

巴青松，謝琴琴，張改生，李桂萍，陳 楚，宋運(yùn)賢，傅兆麟

(1.淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/資源植物生物學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮北 235000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/陜西省作物雜種優(yōu)勢(shì)研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100)

黃淮麥區(qū)屬暖溫帶向亞熱帶、濕潤(rùn)向半濕潤(rùn)過(guò)渡的季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷、雨雪少，冬季凍害和春季寒害是小麥生長(zhǎng)過(guò)程中的主要制約因素，其中，越冬期間凍害會(huì)影響冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育，并導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)[1]。研究表明，低溫可使植物的生物膜由液晶態(tài)變?yōu)槟z態(tài)甚至冰晶態(tài)，原生質(zhì)的流動(dòng)受阻[2]。同時(shí)，低溫逆境會(huì)使植物細(xì)胞發(fā)生一系列生理生化變化，如增加抗氧化物質(zhì)含量、降低可溶性糖積累量、誘導(dǎo)新蛋白合成、增加多種代謝酶活性等[3]。研究表明，SOD活性、MDA含量等可作為細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度衡量指標(biāo)，電導(dǎo)率、細(xì)胞液濃度等可作為質(zhì)膜透性衡量指標(biāo)，可溶性糖和脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化可作為植物抗寒性鑒定指標(biāo)[4-5]。

細(xì)胞質(zhì)雄性不育(cytoplasmic male sterility, CMS)是小麥雜種優(yōu)勢(shì)利用的重要途徑之一，K型(Ae.kotschyi)、Ven型(Ae.ventricosa)、S型(Ae.squarrosa)和B型(Ae.bicornis)細(xì)胞質(zhì)雄性不育系既易保持又易恢復(fù)，且恢復(fù)源廣泛分布在普通小麥栽培品種內(nèi)，這些不育系的創(chuàng)制為小麥雜種優(yōu)勢(shì)利用打下了良好的基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景[6-8]。人們?yōu)榱颂綄ぎ愒醇?xì)胞質(zhì)對(duì)雜種F1的影響，對(duì)不同類(lèi)型小麥細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，但多集中于農(nóng)藝、產(chǎn)量和品質(zhì)性狀及不育系的光合生理特性等方面[9-11]，關(guān)于不同類(lèi)型小麥細(xì)胞質(zhì)對(duì)其雜種F1越冬期生理特性影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究利用同核異質(zhì)的K型、V型、S型和B型細(xì)胞質(zhì)的穩(wěn)定不育系及其保持系和恢復(fù)系，配制K、V、S型和B型四種小麥細(xì)胞質(zhì)雜種F1，對(duì)其越冬性相關(guān)生理指標(biāo)進(jìn)行研究，旨在探討細(xì)胞質(zhì)對(duì)其雜種F1越冬期生理特性的影響，為利用小麥不育類(lèi)型選配抗凍性雜種小麥提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

供試材料為保持系8222、恢復(fù)系R113和同核異質(zhì)不育系K8222(細(xì)胞質(zhì)來(lái)源為Ae.kotschyi)、B8222(細(xì)胞質(zhì)來(lái)源為Ae.bicornis)、Ven8222(細(xì)胞質(zhì)來(lái)源為Ae.ventricosa)和S8222(細(xì)胞質(zhì)來(lái)源為Ae.squarrosa)，以及K8222/R113(K)、B8222/R113(B)、Ven8222/R113(Ven)、S8222/R113(S)的F1，均由西北農(nóng)林科技大學(xué)陜西省作物雜種優(yōu)勢(shì)研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。試驗(yàn)于 2017-2018 年在淮北師范大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3 次重復(fù)，行長(zhǎng) 2 m，8行區(qū)，行距0.25 m。田間管理同一般高產(chǎn)田。

1.2 調(diào)查及取樣

根據(jù)包雨卓等[12]的研究結(jié)果，當(dāng)小麥越冬期連續(xù) 10 d 最低溫度的平均值為 -5 ℃時(shí)，與小麥抗寒相關(guān)的物質(zhì)會(huì)大量積累。本試驗(yàn)于2018年1月4日至14日進(jìn)行取樣。隨機(jī)取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的雜種F1幼苗30株，將所取幼苗葉片用蒸餾水沖洗3次后，用濾紙吸干，剪成小段，用錫箔紙包裹后液氮速凍，置-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析(ANOVA)和差異顯著性檢驗(yàn)，采用Sigmaplot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片中SOD、POD和CAT活性比較

由圖1A可知，K、B、Ven型和S型雄性不育系雜種F1葉片的SOD酶活性分別為190.1、205.7、194.9和270.2 U·g-1，以S型雜交F1葉片SOD活性最高，與其他類(lèi)型差異顯著；K型和Ven型差異不顯著。

由圖1B可知，K、B、Ven型和S型雄性不育系雜種F1葉片POD酶活性分別為343.3、326.7、296.7和453.3 U·g-1，其中，S型雜交F1葉片POD活性最高，與其他類(lèi)型差異顯著；以Ven型最低，但與 B型差異不顯著；K型和B型差異不顯著。

由圖1C可以得出，K、B、Ven型和S型雄性不育系雜種F1葉片CAT酶活性分別為18.5、18.3、16.2和24.4 U·g-1，其中，S型雜種F1葉片 CAT活性最高，與其他類(lèi)型差異顯著；以Ven型最低，且與其他類(lèi)型差異顯著；K型和B型差異不顯著。

綜上所述，在低溫條件下，小麥不同雄性不育系雜種F1對(duì)逆境的適應(yīng)能力不同；S型雄性不育系雜種F1葉片的抗氧化酶活性均保持較高水平，推測(cè)其對(duì)低溫脅迫的抗性較好。

圖柱上的不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different letters above columns mean significant differences among the treatments(P<0.05).The same below.

圖1不同細(xì)胞質(zhì)類(lèi)型雜種F1葉片SOD、POD和CAT活性差異比較

Fig.1ComparisonofSOD,PODandCATactivityamongdifferentcytoplasmichybridF1leaves

2.2 葉片中和H2O2含量比較

2.3 葉內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量比較

K、B、Ven型和S型雄性不育系雜種F1葉片中可溶性糖含量依次為2.8、2.6、2.9和3.4 mg·g-1，以S型雜交F1葉片最高，各處理間差異顯著(圖3)。由此可見(jiàn)， S型雄性不育系雜種F1葉片在持續(xù)低溫脅迫下積累了較高濃度的可溶性糖。

K、B、Ven型和S型雄性不育系雜種F1葉片Pro含量分別為25.7、26.9、25.2和46.8 mg·g-1，S型雜交F1葉片Pro含量顯著高于其他類(lèi)型，其他3個(gè)類(lèi)型間差異均不顯著(圖4)。

2.4 葉片中MDA含量和電導(dǎo)率的比較

K、B、Ven型和S型雄性不育系雜種F1葉片MDA含量分別為4.3、4.5、5.7和2.9 μmol·g-1，S型雜交F1葉片MDA含量顯著低于其他類(lèi)型；以Ven型含量最高，且顯著高于其他類(lèi)型(圖5)。推測(cè) S型雄性不育系雜種F1葉片具有較強(qiáng)的越冬能力。

圖2 不同細(xì)胞質(zhì)類(lèi)型雜種F1葉片和H2O2含量差異比較Fig.2 Comparison of H2O2 content among different cytoplasmic hybrid F1 leaves

圖3 不同細(xì)胞質(zhì)類(lèi)型雜種F1葉片可溶性糖含量差異比較Fig.3 Comparison of soluble sugar content among different cytoplasmic hybrid F1 leaves

圖4 不同細(xì)胞質(zhì)類(lèi)型雜種F1葉片脯氨酸含量差異比較Fig.4 Comparison of proline content among different cytoplasmic hybrid F1 leaves

圖5 不同細(xì)胞質(zhì)類(lèi)型雜種F1葉片MDA含量差異比較Fig.5 Comparison of MDA content among different cytoplasmic hybrid F1 leaves

由圖6可知，K、B、Ven型和S型雄性不育系雜種F1葉片電導(dǎo)率分別為0.64、0.56、0.68和0.19，S型雜交F1葉片電導(dǎo)率最低，且顯著低于其他類(lèi)型。說(shuō)明S型雄性不育系雜種F1葉片細(xì)胞膜完整性被破壞程度最小。

2.5 葉片中葉綠素含量比較

K、B、Ven型和S型雄性不育系雜種F1葉片葉綠素含量分別為0.92、0.86、0.96和1.24 mg·g-1，以S型雜交F1最高，且顯著高于其他類(lèi)型(圖7)。田間觀察結(jié)果顯示，S型雜種F1葉色較深，葉表面蠟質(zhì)化較為明顯。

圖6 不同細(xì)胞質(zhì)類(lèi)型雜種F1葉片電導(dǎo)率差異比較Fig.6 Comparison of electrical conductivity among different cytoplasmic hybrid F1 leaves

圖7 不同細(xì)胞質(zhì)類(lèi)型雜種F1葉綠素含量差異比較Fig.7 Comparison of chlorophyll content among different cytoplasmic hybrid F1 leaves

3 討 論

小麥與水稻、玉米、高粱等作物一樣，雜種F1具有明顯的雜交優(yōu)勢(shì)，比常規(guī)品種一般可增產(chǎn)15%～30%[15]。自1951年日本Kihara首次將普通小麥細(xì)胞核導(dǎo)入尾狀山羊草細(xì)胞質(zhì)而獲得普通小麥雄性不育系以來(lái)，世界上許多國(guó)家先后開(kāi)展了利用雄性不育系創(chuàng)制雜交小麥的研究工作。目前，利用小麥細(xì)胞質(zhì)雄性不育(CMS)實(shí)現(xiàn)小麥三系配套,并用于小麥雜交制種的小麥細(xì)胞質(zhì)雄性不育系有T型(T.timopheevi)、K型(Ae.kotschyi)、V型(Ae.ventricosa)、S型(Ae.squarrosa)等不育系類(lèi)型[16]。目前，部分雜交小麥組合已開(kāi)始商品化制種，在小麥生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景[17]。溫度是影響小麥分布、產(chǎn)量和品質(zhì)的重要環(huán)境因素，低溫不僅限制小麥的種植范圍，還會(huì)影響其產(chǎn)量和品質(zhì)[18]。植物在低溫逆境下生長(zhǎng)發(fā)育受阻，誘發(fā)植物體內(nèi)的抗凍基因合成大量的蛋白及抗逆境的小分子物質(zhì)[19]。

可溶性糖和游離脯氨酸是細(xì)胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量多少對(duì)植物抗寒性影響較大[21-22]。在逆境下植物積累大量的可溶性糖以提高細(xì)胞液濃度，使細(xì)胞滲透勢(shì)增大以減少水分流失，增強(qiáng)質(zhì)膜的穩(wěn)定性，從而提高組織抗冷性[23]。小麥抗寒性與植株可溶性糖含量存在正相關(guān)的關(guān)系[24]。在苗期低溫脅迫下，抗寒性強(qiáng)的冬小麥葉片中可溶性糖含量升高幅度要快于抗寒性弱的品種[25]。本研究結(jié)果表明，S型雄性不育系雜種F1葉片在持續(xù)低溫的影響下，其葉片中積累了較多的可溶性糖，推測(cè)其抗寒性較強(qiáng)。也有研究認(rèn)為還原性糖含量與抗寒性并不相關(guān)[26]。研究結(jié)果的差異可能與品種、組織器官、測(cè)定時(shí)期和指標(biāo)不同有關(guān)。

研究認(rèn)為，脯氨酸含量與高等植物的抗寒性存在相關(guān)性，脯氨酸可調(diào)節(jié)植物細(xì)胞滲透壓、降低水勢(shì)、解毒并降低冰點(diǎn)[27-28]。孫金月等[29]認(rèn)為，經(jīng)抗寒鍛煉處理小麥中游離脯氨酸含量比未經(jīng)抗寒鍛煉處理增加5～32倍，脯氨酸積累進(jìn)程在各個(gè)品種間差異較大。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在低溫脅迫下，S型雄性不育系雜種F1葉片中脯氨酸含量較高且隨低溫的持續(xù)，脯氨酸含量呈遞增趨勢(shì)。

植物體感受低溫的部位是細(xì)胞膜，細(xì)胞膜是生物體和細(xì)胞器與環(huán)境之間的界面，在維持植物體正常生理生化過(guò)程中起著重要作用。臨界低溫會(huì)引起膜脂的相變，使膜從流動(dòng)液晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)、凝膠態(tài)，造成膜收縮，引起細(xì)胞膜透性的增加，導(dǎo)致細(xì)胞代謝和功能紊亂，最終對(duì)植物體造成傷害[30]。本研究表明，S型雄性不育系雜種F1葉片中的MDA含量、電導(dǎo)率顯著低于其他雄性不育系雜種F1，說(shuō)明其質(zhì)膜透性比較穩(wěn)定。綜上所述，S型雄性不育系雜種F1具有較強(qiáng)的抗寒能力。