欧山羊草6Ub染色体附加对小麦萌发期抗旱性的改良作用

赵 慧，宋利强，张 娜，张 玮，李俊明，纪 军

(1.河北科技大学生物科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，河北石家庄 050021)

小麦(TriticumaestivumL.)在世界粮食生产中占有重要地位。受全球气候变暖和环境污染影响，农业水资源日趋匮乏，干旱已成为制约世界粮食生产的最主要的环境胁迫因素[1-2]。种子萌发是大田生产的开始，是植物生活史上最关键的发育时期[3]，对最终的产量高低起到决定性作用。种子的萌发是由其遗传因素和外界环境条件共同决定的，干旱缺水会抑制种子萌发。通过遗传育种可提高作物的抗旱性，减弱干旱对作物种子萌发等生长发育过程的负效应，而创制种质资源是应对作物抗旱育种的前提和基础。

近年来以欧山羊草(AegilopsbiuncialisVis.)为代表的小麦近缘种属成为育种家改良栽培小麦抗逆性的重要种质资源[4-5]。欧山羊草(2n=4x=28，UUMM)具有抗旱、耐盐、抗病虫、加工品质好等优异性状[6-8]。目前，已有一批抗旱性强的小麦-欧山羊草双二倍体和异附加系通过远缘杂交被选育出来[5,9]。这种异附加系通过较高活性的酶促防御系统和较强的渗透调节能力来积极应对干旱胁迫[10]。

本试验以附加6Ub染色体的小麦-欧山羊草异附加系Ae9041和Ae9061为供试材料，以黄淮麦区旱地品种晋麦47和节水品种石4185作对照，利用聚乙二醇(PEG6000)模拟干旱胁迫，在萌发期测定不同小麦材料的抗旱相关指标，评价欧山羊草Ub染色体在提高小麦抗旱能力方面的贡献，以期为小麦抗旱性遗传改良提供种质基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料包括普通小麦-欧山羊草杂交后代株系(Ae9041和Ae9061，均附加了一对6Ub染色体)、2个普通小麦品种(旱地品种晋麦47和节水品种石4185，对照)和附加系的普通小麦亲本中国春。

1.2 试验设计

1.2.1 处理液的配置

利用PEG6000(Sigma)模拟干旱胁迫。用双蒸水和PEG6000配置5个梯度(w/v)，分别为0%、15%、20%、25%、30%，分别用T0、T1、T2、T3、T4代表。

1.2.2 种子萌发

选取直径9 cm的培养皿，内置两层滤纸，作为发芽床。各供试材料分别选取100粒完整种子，先用0.01%的升汞表面消毒10 min，再用蒸馏水冲洗数次，洗净后整齐排列于发芽床上，每个培养皿中加入以上各梯度处理液10 mL，盖上盖子后置于室温条件(温度为22±2 ℃、湿度50%)下萌发，每天光照16 h，黑暗8 h。各干旱胁迫处理设3次重复，各梯度胁迫处理持续7 d，胁迫处理期间每天定时更换处理液，以保证供试种子在稳定的干旱胁迫条件下萌发。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 种子发芽力指标的测定

以胚芽长度达到种子长度一半作为发芽判定标准，分别统计胁迫处理第4天(发芽高峰期)和发芽 7 d结束时正常发芽种子总数，计算其占供试种子总数的百分比即分别为种子发芽势和发 芽率。

1.3.2 萌发期形态指标的测定

在发芽结束后，随机选取10株，分别测量胚芽鞘长度、种子根数、胚根长度和幼苗高度等形态指标。

1.3.3 萌发期贮藏物质利用率的测定

种子贮藏物质利用率是指发芽结束时，由种子形成的幼苗芽和根的干重占此时种子总干重的百分比。在萌发期形态指标测定完成后，将各培养皿中所有植株用蒸馏水冲洗干净，分成根、芽和剩余物三部分，在烘箱中于105 ℃杀青30 min，再于80 ℃下烘干至恒重，分别称重，用于计算种子贮藏物质利用率。

种子贮藏物质利用率=(DWr+DWs)/(DWr+DWs+DWrs)×100%

公式中DWr是根的干重，DWs是芽的干重，DWrs是剩余部分干重。

1.4 统计分析

采用Excel 2016和SPSS 17.0软件进行数据统计分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同小麦材料种子发芽势对干旱胁迫的响应

随干旱胁迫程度的增加，不同材料的种子发芽势均呈明显的下降趋势(图1)。在T1～T3处理下，普通小麦-欧山羊草异附加系Ae9041和Ae9061的种子发芽势与晋麦47和石4185差异不显著；在T4处理下，Ae9061的种子发芽势显著高于石4185和中国春，且相对于T0处理的下降幅度表现为中国春(59.6%)>石4185 (51.1%)>Ae9041(44.7%)>晋麦47(41.7%)>Ae9061(38.3%)。Ae9041和Ae9061的种子发芽势对PEG浓度变化的反应表现一致，在相同PEG处理下二者差异不显著。以上结果说明，Ae9041和Ae9061的种子发芽势较高，受干旱胁迫影响较亲本小，能较好地应对干旱胁迫。

图柱上不同小写字母表示不同处理之间有显著差异 (P<0.05)。CS：中国春；JM47：晋麦47；S4185：石4185。下 图同。

Different letters above the columns mean significant differences among the treatments at 0.05 level.CS:Chinese Spring; JM47:Jinmai 47; S4185:Shi 4185. The same in figures 2-7.

图1 干旱胁迫下不同材料的发芽势变化

Fig.1Changes in germination potential of wheatmaterials under drought stress

2.2 不同小麦材料种子发芽率对干旱胁迫的响应

随着干旱胁迫程度的增加，各材料的种子发芽率均逐渐降低(图2)。在T1处理下，各材料发芽率降低不明显，且不同材料之间差异较小。在T2～T4处理下，普通小麦-欧山羊草异附加系Ae9041和Ae9061的种子发芽率都高于晋麦47和石4185。在干旱胁迫严重(T3和T4)时，Ae9041和Ae9061的种子发芽率显著高于中国春，特别是在T4处理下，与中国春差异更明显。在T4处理下，各材料种子发芽率相对于T0处理的下降幅度表现为中国春(55.6%)>石4185(52.6%)>晋麦47(47.0%)>Ae9041 (37.6%)>Ae9061(31.3%)。这说明异附加系的种子在遭受干旱胁迫时，能保持较强的发芽能力，并且这种抗旱能力显著优于亲本。

图2 干旱胁迫下不同材料的发芽率变化

2.3 不同小麦材料胚芽鞘长度对干旱胁迫的响应

由图3可见，干旱胁迫抑制了各小麦材料胚芽鞘伸长，并且随着胁迫程度的加大，抑制效应越显著。T0处理下，Ae9061的胚芽鞘显著长于其他材料。T1～T4处理下，普通小麦-欧山羊草异附加系Ae9041和Ae9061的胚芽鞘长度大于中国春、晋麦47和石4185，而且差异大多数达到显著水平。在T4处理下胚芽鞘长度下降最明显，相对于T0处理，各材料胚芽鞘长度的下降幅度表现为石4185(79.1%)>晋麦47 (74.9%)>中国春(71.4%)>Ae9041(59.6%)>Ae9061 (53.9%)。这表明普通小麦-欧山羊草异附加系种子在萌发初期有较长的胚芽鞘，有利于其保护幼叶抵御干旱胁迫，促进幼苗形态建成。

图3 干旱胁迫下不同材料的胚芽鞘长度变化

2.4 不同小麦材料种子根数对干旱胁迫的响应

不同小麦材料的种子根数随干旱胁迫程度的加大呈下降趋势，表明干旱胁迫对小麦种子根发育产生了一定的抑制作用(图4)。干旱胁迫下，普通小麦-欧山羊草异附加系Ae9041和Ae9061的种子根数表现相对稳定，较中国春、晋麦47及石4185多。在T4处理下，不同材料间种子根数差异较大，Ae9061的种子根数显著多于其他材料。与T0处理相比，在T4处理下，各材料种子根数下降幅度表现为晋麦47(32.9%)>中国春(24.3%)>石4185(21.3%)>Ae9041(20.1%)>Ae9061(9.4%)。这表明在干旱胁迫下异附加系的种子根发育较亲本有所改良，能形成发达根系，有利于吸收水分，以抵御干旱胁迫。

图4 干旱胁迫下不同材料的种子根数变化

2.5 不同小麦材料胚根长度对干旱胁迫的响应

干旱胁迫抑制了小麦胚根的生长(图5)。同一处理下，不同材料间胚根长度差异显著，特别是在T4处理下，各材料胚根长度相对于T0处理的下降幅度表现为石4185(63.2%)>晋麦47 (61.7%)>Ae9041(56.7%)>中国春(53.1%)>Ae9061(52.8%)。在干旱胁迫下，Ae9061保持较长的胚根，尤其在重度干旱胁迫下其胚根长度显著高于中国春和晋麦47，这有助于在干旱胁迫下植株形成发达根系，有利于水分和养分吸收。

图5 干旱胁迫下不同材料的胚根长度变化

2.6 不同材料幼苗高度干旱胁迫的响应

干旱胁迫对幼苗高度有较明显的抑制作用(图6)，且随着PEG浓度的提高，各小麦材料的幼苗高度受抑制程度加大。在相同处理下，晋麦47和石4185幼苗高度矮于Ae9041和Ae9061及中国春。在T4处理下，各材料幼苗高度相对于T0处理的下降幅度表现为石4185(81.8%)>晋麦47(81.2%)>中国春(72.5%)>Ae9061(61.2%)>Ae9041(60.4%)。以上结果表明，异附加系生长受干旱胁迫影响较小，尤其是在严重干旱时抗旱优势明显。

图6 干旱胁迫下不同材料的幼苗高度变化

2.7 不同小麦材料贮藏物质利用率对干旱胁迫的响应

干旱胁迫降低了小麦种子贮藏物质的利用率(图7)。不同干旱胁迫处理下，普通小麦-欧山羊草异附加系Ae9041的种子贮藏物质利用率一直最高，且Ae9041和Ae9061的种子贮藏物质利用率均显著高于晋麦47和石4185。T4处理下，各材料的种子贮藏物质利用率相对于T0处理的下降幅度表现为中国春(66.5%)>石4185 (63.3%)>Ae9041 (63.1%)>晋麦47(60.0%)>Ae9061(54.2%)，说明在干旱胁迫加大后，Ae9041和Ae9061的种子贮藏物质利用率下降较缓。可见，异附加系受干旱胁迫后，种子内部代谢活动仍能正常进行，种子内储存的营养能够较快、较多地供给萌发期其他器官(芽和根)，以满足幼苗较好地完成苗期形态建成。

图7 干旱胁迫下不同材料的贮藏物质利用率变化

3 讨 论

干旱胁迫下作物种子的萌发能力已成为其抗旱性评价的重要方面[11]。大量研究表明，干旱胁迫会抑制种子的萌发，降低种子的萌发速度和发芽率[12-13]。并且这种受抑制程度与基因型有关，即干旱敏感基因型受干旱胁迫的抑制程度要大于耐旱基因型[14-15]。本研究中，在重度干旱胁迫下，普通小麦-欧山羊草异附加系Ae9041和Ae9061的种子发芽势和发芽率都显著高于亲本中国春及生产对照品种晋麦47和石4185，且相对于T0处理的下降幅度较低，表明携带了欧山羊草6Ub染色体小麦附加系干旱条件下的种子萌发能力得到改良。在干旱胁迫下，种子能够迅速吸水并整齐萌发，有利于作物在播种后遭遇干旱时可整齐 出苗。

禾本科植物种子萌发时，幼苗、根系、胚芽鞘等器官性状在干旱胁迫下的表现常常作为植株抗旱能力早期鉴定的重要研究内容[11,16]。有研究指出，作物根系和胚芽鞘的长度与抗旱性均呈正相关[11,17]，并且干旱敏感基因型的根系长度受干旱胁迫抑制的程度要大于抗旱性强的基因型[14]。干旱胁迫下，较长的胚芽鞘有利于提高种子发芽率，获得较多的生物量[18-19]。本研究中，在相同PEG处理下，Ae9041和Ae9061的胚芽鞘始终较中国春、晋麦47和石4185长，根数和胚根长度受干旱胁迫的抑制程度也小于晋麦47和石4185，普通小麦-欧山羊草异附加系的株高受抑制幅度低于晋麦47和石4185。这表明普通小麦-欧山羊草异附加系具有发达的根系，在水分亏缺时也能保持较多的根数和较长的胚根，有利于吸收水分和养分；较长的胚芽鞘有利于保护幼苗顺利萌发和苗期形态建成，为产量形成奠定基础。

成熟种子内贮藏着大量营养物质，如淀粉、脂质和蛋白质，这些有机物在种子萌发时在酶的作用下被分解为简单有机物，并被运送到正在生长的幼胚中去，满足幼胚生长的营养物质需求。种子贮藏物质利用率反映出基因型对种子贮藏物质的利用速率、效率以及体内能量供应水平[20]。干旱胁迫下，较高的种子贮藏物质利用率反映出各基因型对干旱的抵御能力[21]。本研究中，在各PEG胁迫下，Ae9041和Ae9061都具有较高的种子贮藏物质利用率，且显著高于晋麦47和石4185。这表明种子储存的营养能够较快、较多地供给到萌芽初期其他器官(芽和根)，从而促进种子萌发和幼苗形态建成。

中国春在萌发期具有较强的抗旱性[22]。在本研究萌发期7个指标中，干旱胁迫下中国春仅在株高和贮藏物质利用率上表现较为突出。Ae9041和Ae9061以中国春为受体，附加了欧山羊草的6Ub染色体，在萌发能力、根系发育和形态建成等多个指标上的表现都优于中国春。

综合本研究结果，附加欧山羊草6Ub的普通小麦-欧山羊草异附加系在萌发期的抗旱能力得到改良，受干旱胁迫后仍具有较长的胚芽鞘、胚根长度及较高的种子发芽率和贮藏物质利用率。同时，异附加系在遭受干旱胁迫后，上述指标受胁迫抑制程度较对照材料轻微，从而有利于种子整齐、迅速出苗，抵御干旱胁迫的能力增强，能够继续保持根系的持续生长，汲取较深土层的水分。