小麥莖稈可溶性碳水化合物積累轉(zhuǎn)運的抗旱表型變異與遺傳分析

竇佳欣，田 甜，劉 媛，張沛沛，車 卓，楊德龍

（1.干旱生境作物學(xué)國家重點實驗室，甘肅蘭州 730070；2.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；3.甘肅省種子總站，甘肅蘭州 730070）

小麥（Triticum aestivum L.）是我國第二大糧食作物[1]。我國小麥常年播種面積在0.267 億hm2以上，約占糧食作物種植面積的27%，占糧食作物產(chǎn)量的22%[2]。小麥主要分布在我國干旱和半干旱地區(qū)[3]。由于全球氣候變暖，干旱頻發(fā)，小麥生長發(fā)育受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量大幅度降低[4]。當(dāng)今小麥研究的熱點問題是通過改善小麥自身抗旱性與節(jié)水潛能[5]來降低干旱對小麥產(chǎn)量造成的影響，進而實現(xiàn)干旱地區(qū)小麥增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

籽粒灌漿的主要來源是小麥營養(yǎng)器官中暫貯性可溶性碳水化合物（WSC）[6]。當(dāng)干旱脅迫導(dǎo)致光合作用嚴(yán)重受阻時，莖稈WSC 對籽粒的潛在貢獻率高達70%，從而提高籽粒質(zhì)量對產(chǎn)量損失進行補償[7]。研究表明，在干旱脅迫條件下，莖葉暫貯性WSC 可作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)通過維持滲透勢來緩解逆境脅迫對小麥造成的損傷[8]，同時也可作為信號分子對小麥代謝過程進行生理調(diào)控[9-10]。冠層光合作用在小麥生長發(fā)育后期受到抑制[11]，以致于光合作用的產(chǎn)物無法滿足呼吸和籽粒灌漿的需求，花前積累在莖葉中的WSC 為籽粒生長發(fā)育提供大部分碳源，高達50%以上[12]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，小麥莖稈WSC 對籽粒產(chǎn)量的貢獻主要取決于基因型、節(jié)位、發(fā)育時期和水分狀況[13-14]。果聚糖是小麥營養(yǎng)器官中暫貯性WSC 的重要存在形式，在莖、葉、穗和種子中均有分布，其含量的高低直接反映營養(yǎng)器官蓄積貯藏WSC 的能力[2]?？梢?，小麥花后各器官果聚糖積累轉(zhuǎn)運具有典型的時空特異性，并且這種特定生理模式與調(diào)節(jié)小麥源庫平衡之間具有一定復(fù)雜的生理調(diào)節(jié)機制，但目前涉及該領(lǐng)域研究甚少。因此，選擇不同水分環(huán)境條件下小麥不同遺傳背景材料后代群體,對其莖稈WSC 積累轉(zhuǎn)運進行遺傳分析，更有利于發(fā)掘該性狀的抗旱遺傳信息。

本研究利用陜西抗旱對照品種西峰20 和山西抗旱豐產(chǎn)品種晉麥47 分別為供體親本和輪回親本，構(gòu)建小麥回交導(dǎo)入系（ILs）群體，設(shè)置不同的水分環(huán)境，調(diào)查研究在干旱脅迫調(diào)控下小麥ILs 群體莖稈WSC 積累轉(zhuǎn)運的遺傳特性及變異規(guī)律，為小麥的抗旱改良及高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為小麥回交導(dǎo)入系群體（ILs）的146 個株系，群體的供體親本和輪回親本分別為抗旱對照冬小麥品種西峰20 和抗旱高產(chǎn)品種晉麥47。本試驗材料由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所景蕊蓮研究員課題組提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在甘肅省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6.6 ℃，年降雨量450 mm、蒸發(fā)量1 450 mm，無霜期140 d）進行。2014 年10 月中旬播種，翌年6 月中旬收獲，分干旱脅迫（DS）和正常灌溉（WW）2 個處理，播前統(tǒng)一底墑水900 m3/hm2。正常灌溉分2 次灌水，分別為拔節(jié)期和開花期，灌溉量均為750 m3/hm2。干旱脅迫處理僅在拔節(jié)期灌水750 m3/hm2，其后不補充灌水。試驗為隨機區(qū)組設(shè)計，各材料均為行播，行長1 m，行距20 cm，設(shè)3 次重復(fù)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 目標(biāo)性狀的測定 隨機選擇長勢一致的ILs群體各株系及其親本的主莖做標(biāo)記，在生長周期共剪取3 次主莖，分別是初花期、灌漿中期（花后14 d）和成熟期，每次15 株，去除小麥主穗和葉片后立即放入液氮保存。隨后在低溫真空干燥器（-60 ℃）中處理24 h 后105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒量。灌漿中期干物質(zhì)量和成熟期干物質(zhì)量分別記做DWf和DWm。采用蒽酮比色法來測定不同處理主莖WSC 的含量，分別記為WSCf（初花期）、WSCg（灌漿中期）和WSCm（成熟期），計算主莖WSC 花前轉(zhuǎn)運率和WSC 花前貢獻率。以上測定重復(fù)3 次。主穗脫粒測定千粒質(zhì)量（TGW），求其平均值。

1.3.2 表型性狀遺傳多樣性指數(shù)的計算 采用譜郭瑞盼等[15]的方法對性狀表型多樣性進行劃級：計算參試材料總體平均數(shù)（X）和標(biāo)準(zhǔn)差（d），每0.5 d為一級，共分10 級，第1 級（Xi＜（X－2d））到第10 級（Xi＞（X＋2d）），每一級的相對頻率用于計算多樣性指數(shù)（H′）。

式中，Pi為某性狀第i 級別中的材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS v22.0 對各目標(biāo)性狀進行方差分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥ILs 群體及其親本的性狀表型

在不同水分環(huán)境下，小麥ILs 群體及親本W(wǎng)SC相關(guān)性狀表型存在明顯差異（表1）。小麥ILs 群體兩親本的目標(biāo)性狀表型差異顯著,其中，晉麥47 各表型顯著高于西峰20。小麥ILs 群體的各目標(biāo)性狀表型值均介于2 個親本之間，且普遍接近晉麥47；DS 處理的變異系數(shù)為44.54%～66.48%，WW 處理的變異系數(shù)為38.17%～53.87%。小麥ILs 群體及親本的各目標(biāo)性狀表型變異均表現(xiàn)為干旱脅迫普遍高于正常灌溉，并且WSC 含量在灌漿期最高。各目標(biāo)性狀的偏度是-0.42～1.62，峰度是-1.68～3.31，普遍在0～1，表現(xiàn)出近正態(tài)分布的數(shù)量性狀特點，并且在正常灌溉條件下的WSCf等性狀表現(xiàn)出較大的偏度或峰度，表明這些性狀呈尖峰的偏態(tài)分布。

表1 干旱脅迫下親本小麥及其ILs 群體WSC 積累轉(zhuǎn)運相關(guān)指標(biāo)的表型變異

2.2 小麥ILs 群體各目標(biāo)性狀間的相關(guān)性分析

對干旱脅迫和灌溉條件下小麥ILs 群體的WSC 各性狀的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)（表2），在2 種水分條件下，小麥ILs 群體WSCf與RRpr、CRpr 呈極顯著正相關(guān)（r＝0.41**～0.43**和r＝0.59**～0.70**）；WSCm與RRpr、CRpr 呈極顯著負相關(guān)（r＝-0.62**～-0.76**和r＝-0.52**～-0.54**）；RRpr 與CRpr 之間呈極顯著正相關(guān)（r＝0.65**～0.68**）。在干旱脅迫條件下，WSCg與WSCm呈顯著正相關(guān)（r＝0.16**）。各目標(biāo)相關(guān)系數(shù)在干旱脅迫下（r＝-0.62**～0.70**）普遍大于正常灌溉（r＝-0.76**～0.59**）。說明干旱脅迫可促使果聚糖積累轉(zhuǎn)運效率提高。

表2 干旱脅迫與灌溉條件下小麥ILs 群體各指標(biāo)相關(guān)性分析

2.3 小麥ILs 群體WSC 積累轉(zhuǎn)運性狀表型多因素方差分析

小麥ILs 群體WSC 含量、轉(zhuǎn)運率及對籽粒的貢獻率均受到基因型、水分條件和發(fā)育階段及各因子間互作效應(yīng)的影響（表3）。根據(jù)各處理的變異平方和占總變異平方和的百分率（SSa/SST）值的大小及方差齊性檢驗（F）的顯著性得出，對WSC 含量產(chǎn)生影響的因子主要是基因型（SSa/SST＝0.13，F(xiàn)＝31 167 271.25，P＜0.01）和基因型與發(fā)育階段之間的互作（SSa/SST＝0.25，F(xiàn)＝201 229.81，P＜0.01）；對WSC 的轉(zhuǎn)運率及貢獻率產(chǎn)生影響的主要因子是基因型（SSa/SST＝0.27～0.39，F(xiàn)＝652.37～5 318.63，P＜0.01）。說明影響小麥ILs 群體WSC 積累轉(zhuǎn)運相關(guān)性狀的主要因子是其基因型和基因型與發(fā)育階段的相互作用。

表3 小麥ILs 群體WSC 積累轉(zhuǎn)運相關(guān)性狀表型多因素方差分析

2.4 小麥ILs 群體WSC 積累轉(zhuǎn)運性狀表型多樣性分析

小麥ILs 群體WSC 積累轉(zhuǎn)運相關(guān)性狀表型多樣性豐富（圖1），多樣性指數(shù)較高（1.46～2.03）。灌漿期WSC 含量表型多樣性指數(shù)最高，花前貢獻率表型多樣性指數(shù)明顯高于花前轉(zhuǎn)運率。與正常灌溉相比，干旱脅迫條件下的各目標(biāo)性狀表型多樣性指數(shù)均顯著變高。由此表明干旱脅迫豐富了小麥ILs群體WSC 積累轉(zhuǎn)運相關(guān)性狀表型多樣性。

2.5 小麥ILs 群體WSC 積累轉(zhuǎn)運相關(guān)性狀的聚類分析

分別根據(jù)干旱脅迫和灌溉條件下小麥ILs 群體開花期WSC 含量、WSC 花前轉(zhuǎn)運率和花前貢獻率對群體146 份抗旱種質(zhì)材料進行聚類分析發(fā)現(xiàn)，該群體正常灌溉和干旱脅迫條件下開花期WSC 含量分別分為五類和四類（圖2）。干旱脅迫下，第Ⅰ類包括109 份材料，WSCf含量為560～610 mg/g；第Ⅱ類包括17 個份材料，WSCf含量小于400 mg/g；第Ⅲ類包括18 份材料，WSCf含量為470～520 mg/g；第Ⅳ類包括2 份材料，WSCf含量為635～659 mg/g。正常灌溉條件下，第Ⅰ類包括91 份材料，WSCf含量為325～397 mg/g；第Ⅱ類包括34 份材料，WSCf含量小于200 mg/g；第Ⅲ類包括13 份材料，WSCf含量為469～524 mg/g；第Ⅳ類包括7 份材料，WSCf含量為552～610 mg/g；第Ⅴ類只有1 份材料，WSCf含量為627 mg/g。通過對小麥ILs 群體146 份材料聚類分析發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫條件下小麥ILs 群體大部分株系的WSCf含量為560～610 mg/g，而灌溉條件下為325～397 mg/g；干旱脅迫條件下有20 份材料的小麥WSCf含量大于600 mg/g，灌溉條件下僅有1 份，說明小麥在干旱脅迫條件下更利于WSC 的積累與轉(zhuǎn)運。在干旱脅迫條件下的第Ⅳ類與灌溉條件下第Ⅴ類WSC 含量較高，由于WSC 含量越高越利于小麥自身的發(fā)育生長和營養(yǎng)物質(zhì)的積累轉(zhuǎn)運，所以，在挑選育種材料方面這3 份材料（編號58、119、123）更具有研究價值和意義。

3 結(jié)論與討論

干旱脅迫導(dǎo)致小麥光合作用強度減弱，此時小麥莖稈中WSC 被認(rèn)為是籽粒灌漿碳源物質(zhì)的重要來源[14]，小麥可通過自身調(diào)節(jié)，促進營養(yǎng)器官中WSC向籽粒轉(zhuǎn)運，使產(chǎn)量損失得以補償[15-16]。本研究發(fā)現(xiàn)，適度干旱狀態(tài)促使小麥莖稈WSC 含量增加，同時WSC 轉(zhuǎn)運率及對籽粒貢獻率也隨之增加。小麥ILs 群體莖稈中WSC 含量表現(xiàn)為干旱脅迫大于正常灌溉，且在灌漿期最高；并且各性狀之間變異系數(shù)較高，在38.17%～66.48%，證明該群體之間個體差異較大。干旱脅迫下初花期、灌漿中期和成熟期WSC 含量以及主莖WSC 花前轉(zhuǎn)運率和花前貢獻率相關(guān)系數(shù)普遍大于正常灌溉。特別在干旱條件下，小麥可能由于其本身微效復(fù)雜數(shù)量性狀特點，進行一系列特定生理生化反應(yīng)，促使灌漿期的WSC 進一步積累轉(zhuǎn)運，避免干旱脅迫對小麥產(chǎn)量造成損失。

前人研究發(fā)現(xiàn)，小麥WSC 積累轉(zhuǎn)運是典型多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀[17]，且對不同群體小麥WSC積累轉(zhuǎn)運相關(guān)性狀進行研究分析發(fā)現(xiàn)，不同群體均表現(xiàn)出了復(fù)雜的遺傳特性[18]。因此，通過對不同基因型小麥進行不同水分處理，有利于深入發(fā)掘WSC相關(guān)性狀的微效數(shù)量遺傳機制[19-21]。本研究表明，小麥ILs 群體莖稈中WSC 積累轉(zhuǎn)運相關(guān)性狀表型變異廣泛，干旱條件下WSC 表型變異顯著提高并且表型多樣性指數(shù)較正常灌溉高。說明干旱條件使小麥表型多樣性得到豐富，同時小麥可能在一定程度上通過其復(fù)雜WSC 代謝反應(yīng)和多基因表達，緩解水分缺失對植株造成的損傷，保證小麥達到穩(wěn)產(chǎn)甚至高產(chǎn)的目的，這些結(jié)果為進一步發(fā)掘小麥果聚糖積累轉(zhuǎn)運分子遺傳機制提供了理論基礎(chǔ)。本研究表明，小麥ILs 群體WSC 積累轉(zhuǎn)運相關(guān)性狀受基因型、水分條件和發(fā)育階段及其互作影響。但本試驗通過進一步多因素方差分析發(fā)現(xiàn)，影響小麥WSC 含量變異的主要因子是基因型和基因型及發(fā)育階段互作，基因型是影響小麥WSC 花前轉(zhuǎn)運率及貢獻率的主要因子。進一步補充說明小麥ILs 群體WSC積累轉(zhuǎn)運可能通過內(nèi)外因子相互協(xié)調(diào)，促使其向小麥籽粒灌漿的高效轉(zhuǎn)運。同時，從表型變異范圍可以看出，各性狀均存在超親分離現(xiàn)象。本研究通過對2 種水分條件下小麥開花期WSC 含量及相關(guān)表型值進行聚類分析，得到3 份表型值較高的小麥品種（系），具有潛在的抗旱改良能力。說明小麥莖稈WSC 含量具備一定篩選抗旱品種的價值。