顏 偉，吳紀(jì)中，蔡士賓

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，江蘇 南京 210014)

農(nóng)林46×寧麥3號(hào)RIL的耐濕性的表達(dá)和遺傳

顏 偉，吳紀(jì)中，蔡士賓

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，江蘇 南京 210014)

小麥(TriticumaestivumLinn.) ;濕害;濕害指數(shù);耐濕性

小麥濕害(waterlogging)是指土壤水分達(dá)到飽和時(shí)對(duì)小麥正常生長(zhǎng)發(fā)育所產(chǎn)生的危害。濕害是影響小麥生產(chǎn)的世界性自然災(zāi)害，全世界每年約有1 000～1 500萬(wàn)公頃的小麥不同程度地遭受漬濕危害[1]。濕害對(duì)小麥的形態(tài)和生理機(jī)能及產(chǎn)量都有較大的影響。長(zhǎng)期濕害導(dǎo)致土壤供氧能力下降，直接影響小麥根系生命活動(dòng)的正常進(jìn)行，降低了吸水吸肥能力，使?fàn)I養(yǎng)元素和必需的中間產(chǎn)物從根部淋失，葉片早衰早枯，光合作用減弱，同時(shí)影響莖鞘中儲(chǔ)存物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移，籽粒因得不到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而變得瘦癟，千粒重明顯下降，最終導(dǎo)致減產(chǎn)。濕害引起的小麥產(chǎn)量損失一般為5%～20%，嚴(yán)重的甚至絕收[2]。我國(guó)南方冬麥區(qū)約有3/4以上的年份發(fā)生不同程度的濕害[3]，因此，耐濕性已成為許多地區(qū)小麥育種的重要目標(biāo)之一。

小麥品種資源的耐濕性存在極大的遺傳差異。蔡士賓等[4]和van Ginkel等[5]以受漬后植株形態(tài)或產(chǎn)量性狀為指標(biāo)篩選和鑒定耐濕種質(zhì)。蔡士賓等[4]從數(shù)千份小麥種質(zhì)資源中鑒定出農(nóng)林46和馬卡小麥等耐濕性極強(qiáng)的種質(zhì)。曹旸等[6]用耐濕和不耐濕的小麥品種分別配制耐濕×耐濕，耐濕×不耐濕，不耐濕×不耐濕組合的群體，以過(guò)濕條件下主莖綠葉的枯萎程度為指標(biāo)，研究雜交組合后代群體耐濕性的遺傳特性及耐濕材料之間的遺傳關(guān)系。結(jié)果表明，耐濕親本對(duì)濕害的抗性受單個(gè)顯性基因控制；耐濕品種之間雜種后代出現(xiàn)雙親具等位基因和非等位基因2種分離方式；不耐濕品種間雜交后代全部為不耐濕個(gè)體，雙親在耐濕性上無(wú)遺傳差異。本研究利用耐濕與不耐濕親本雜交，通過(guò)單粒傳法構(gòu)建的重組自交系群體，人為創(chuàng)造淹水環(huán)境，觀察群體及不同自交系對(duì)淹水逆境的不同反應(yīng)，對(duì)多個(gè)與小麥耐濕性有關(guān)的性狀進(jìn)行分析，研究小麥耐濕性的遺傳特點(diǎn)，并從中篩選出耐濕性較強(qiáng)的小麥品系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

利用高度耐濕品種農(nóng)林46(P1)、極不耐濕品種寧麥3號(hào)(P2)配制雜交組合，通過(guò)一粒傳法獲得含114個(gè)自交系的F7代重組自交系群體。以該重組自交系群體及其親本為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)安排在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所網(wǎng)室水泥池內(nèi)進(jìn)行，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，2次重復(fù)，以未淹水小區(qū)作為對(duì)照(CK)。在小麥拔節(jié)后，于3月25日進(jìn)行灌水處理，保持土壤表層1 cm水層，持續(xù)至4月17日。對(duì)照(CK)區(qū)所有114個(gè)自交系和親本則正常管理。利用美國(guó)生產(chǎn)的LI-6400型便攜式光合作用測(cè)定儀測(cè)定蒸騰速率(Tr)和凈光合速率(Pn)，取旗葉測(cè)定3次，取其平均值。濕害處理后，待不耐濕親本上部葉片開始變黃時(shí)，調(diào)查群體株高(PH)、主莖綠色葉片數(shù)(NGL)。

利用濕害指數(shù)衡量品種受漬危害的程度。濕害指數(shù)越高表示濕害造成的危害越大，濕害指數(shù)越低表示耐濕性越強(qiáng)。

式中，VG表示遺傳方差；VP表示表型方差；VE表示環(huán)境方差。

2 結(jié)果與分析

2.1 重組自交系群體對(duì)孕穗期淹水處理的反應(yīng)

小麥經(jīng)淹水處理后，7 d內(nèi)，處理區(qū)與對(duì)照區(qū)在外觀上尚無(wú)明顯差異；7 d后，濕害的影響開始表現(xiàn)出來(lái)：小麥下部葉片先發(fā)黃，然后逐漸向上擴(kuò)展；葉片自下而上褪綠變黃，先是葉片的葉尖發(fā)黃，然后向葉片中、基部波及，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，枯黃的部分漸次枯死，綠葉數(shù)明顯減少。濕害對(duì)葉片的影響是小麥?zhǔn)軡n后外觀長(zhǎng)相的最先表現(xiàn)，淹水對(duì)小麥綠色葉片數(shù)的影響極為顯著，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)處理區(qū)平均主莖綠色葉片數(shù)比對(duì)照減少近3張，減少幅度高達(dá)84.5%(t=82.643**)和82.6%(t=69.518**)(表1)。孕穗期是小麥生長(zhǎng)非常旺盛的時(shí)期，隨著氣溫升高，伸長(zhǎng)量加快，植株體積迅速增大。此時(shí)濕度過(guò)大，根系缺氧，活力下降，影響物質(zhì)吸收、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化，部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)淋失，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)受到抑制，生長(zhǎng)發(fā)育停滯，分蘗退化。植株矮化分蘗減少是小麥遭受濕害的另一外觀表現(xiàn)。本研究觀察發(fā)現(xiàn)淹水組株高分別較對(duì)照下降22.3 cm(t=20.539**)和24.5 cm(t=22.152**)(表1)。

長(zhǎng)期淹水脅迫，導(dǎo)致小麥根系通氣不良，有害物質(zhì)在體內(nèi)積累，導(dǎo)致植株生理缺水，使小麥葉面氣孔收縮或部分關(guān)閉，氣孔阻力增加，造成葉片內(nèi)外氣體交換受阻，減少了水分蒸發(fā)，限制了CO2進(jìn)入葉肉細(xì)胞，蒸騰作用、光合作用等生理機(jī)能衰減。本研究觀察發(fā)現(xiàn)處理區(qū)小麥蒸騰速率分別較對(duì)照下降了63.2%(t=27.809**)和62.9%(t=27.901**)，光合速率分別下降44.3%(t=25.341**)和43.4%(t=28.794**)(表1)。不難看出濕害對(duì)小麥的生長(zhǎng)代謝危害非常大。

表1 孕穗期淹水處理對(duì)小麥部分性狀和生理指標(biāo)的影響Table 1 Effect of waterlogging at booting stage on 4 different characters of wheat

注：**表示0.01的顯著水平，t0.01=2.597；|t2|：組群比較常用來(lái)比較處理之間的差異，本研究中用于測(cè)試淹水處理與對(duì)照的差異，反映濕害對(duì)小麥形態(tài)和生理參數(shù)的影響。對(duì)照區(qū)與處理區(qū)種植同樣的群體，只是不進(jìn)行淹水逆境處理，正常田間管理。

2.2 親本及重組自交系群體不同性狀濕害指數(shù)的評(píng)價(jià)

圖1 重組自交系群體的濕害指數(shù)的頻率分布Figure 1 Frequency distribution of wet-damage indices in RILs derived from Nonglin46×Ningmai3

重組自交系群體(RIL)在耐濕性上表現(xiàn)出明顯差異，耐濕性越差的自交系葉片變黃越迅速，植株矮化越明顯。灌水處理結(jié)束后，一些株系能很好地恢復(fù)生長(zhǎng)，而另一些則植株逐漸枯黃。根據(jù)濕害指數(shù)的公式計(jì)算各性狀對(duì)應(yīng)的濕害指數(shù)。各個(gè)性狀的濕害指數(shù)在RIL群體中的分布頻率見圖1。圖1顯示主莖綠色葉片數(shù)和株高的濕害指數(shù)呈連續(xù)變異，表明這2個(gè)性狀的濕害指數(shù)為多基因控制的數(shù)量性狀，分布頻率大致接近正態(tài)分布，且存在明顯的雙向超親分離，它們的峰值和偏斜度見表2。表2表明蒸騰速率和光合速率濕害指數(shù)呈不連續(xù)分布，蒸騰速率濕害指數(shù)分布峰值為6.103，其頻率分布呈多峰分布。除主莖綠色葉片數(shù)的濕害指數(shù)外，其余3個(gè)性狀的濕害指數(shù)在RIL群體中的平均表型值介于雙親之間。供試材料之間濕害指數(shù)存在著較大的差異，變異范圍較大。

表2 親本和重組自交系群體的濕害指數(shù)的表現(xiàn)與分布Table 2 Performance and distributions of wet-damage indices in the RIL population and its parents

為了滿足處理方差的同質(zhì)性和改進(jìn)誤差的非正態(tài)性，先對(duì)濕害指數(shù)進(jìn)行反正弦轉(zhuǎn)換，再作方差分析。方差分析結(jié)果顯示，RIL群體各自交系在主莖綠葉數(shù)濕害指數(shù)、株高濕害指數(shù)、蒸騰速率濕害指數(shù)和凈光合速率濕害指數(shù)等4項(xiàng)指標(biāo)均存在極顯著差異(表3)。表明重組自交系的耐濕能力是有差異的，這種差異主要是受基因型控制。

表4 各項(xiàng)濕害指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients among all thewet-damage indices in the RIL population

注：**表示0.01的顯著水平

表3 各性狀濕害指數(shù)的方差分析Table 3 Analysis of variance and genetic parameters estimate of four wet-damage indices

注：表示達(dá)到0.05顯著水平，* * 表示達(dá)到0.01極顯著水平。

對(duì)各項(xiàng)濕害指數(shù)的相關(guān)分析顯示，蒸騰速率濕害指數(shù)與光合速率濕害指數(shù)之間存在極顯著的正相關(guān)(r=0.721**)，濕害導(dǎo)致植株葉片氣孔關(guān)閉，抑制了水分的蒸發(fā)，同時(shí)也阻礙了氣體的交換，蒸騰作用和光合作用都受到了抑制。而主莖綠色葉片數(shù)濕害指數(shù)、株高濕害指數(shù)之間，以及與蒸騰速率濕害指數(shù)、光合速率濕害指數(shù)之間不存在顯著的相關(guān)性(表4)，即隨著某一單項(xiàng)濕害指數(shù)的加重，并不能影響其他幾項(xiàng)指數(shù)，這些濕害指數(shù)不依賴其他指數(shù)。這一結(jié)果表明濕害對(duì)小麥的影響是多方面，由于不同小麥品種(系)耐濕機(jī)制不盡相同，導(dǎo)致不同品種(系)對(duì)某一具體指標(biāo)的耐濕性反應(yīng)以及同一個(gè)品種(系)的不同濕害指標(biāo)存在差異。

2.3 耐濕品系的篩選

表5 部分耐濕性較強(qiáng)和耐濕性較弱自交系Table 5 Waterlogging tolerant indices of 3 traits of RIL

試驗(yàn)結(jié)果表明重組自交系之間的存在耐濕性差異，從中可以選出耐濕性較強(qiáng)的品系。但由于不同品系對(duì)某一具體指標(biāo)的耐濕性反應(yīng)存在差異，所以用任何單一性狀的濕害指數(shù)評(píng)價(jià)小麥耐濕性的都有片面性，難以全面準(zhǔn)確地反映耐濕性的強(qiáng)弱。濕害對(duì)小麥生命活動(dòng)的影響是綜合的，多層次，多方面的，為了篩選出綜合耐濕性較強(qiáng)的品種(系)，宜采用多個(gè)指標(biāo)，層層篩選。本研究綜合4個(gè)性狀的濕害指數(shù)，篩選出一批耐濕性較強(qiáng)的品系(表5)。

3 討論

3.1 小麥濕害及其耐濕性鑒定

小麥濕害是指土壤水分達(dá)到飽和時(shí)對(duì)小麥正常生長(zhǎng)發(fā)育所產(chǎn)生的危害。不同的淹水時(shí)期、不同的脅迫強(qiáng)度對(duì)小麥的影響是不一樣的。孕穗期是小麥生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)過(guò)渡，對(duì)水分脅迫非常敏感。孕穗期淹水嚴(yán)重影響小麥的生長(zhǎng)發(fā)育，表現(xiàn)生長(zhǎng)停滯、葉片早衰凋亡，蒸騰作用和光合作用等生理機(jī)能衰減。這些都是植株遭受淹水產(chǎn)生的濕害表現(xiàn)，這些性狀的變化反映的只是小麥遭受濕害的程度，很難反映品種對(duì)濕害的抵御或抵抗能力，因此，通過(guò)研究小麥對(duì)濕害的防御機(jī)制來(lái)挖掘種質(zhì)的耐濕性顯得非常必要。

關(guān)于不同小麥品種(系)耐濕性的評(píng)價(jià)，當(dāng)前仍停留在依據(jù)大量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單定量分析比較的階段，即利用水淹條件下，小麥性狀表現(xiàn)占正常環(huán)境下的百分比作為鑒定各小麥品種(系)耐濕性強(qiáng)弱的指標(biāo)[7～9]。由于不同處理時(shí)期、不同小麥品種(系)的耐濕機(jī)制不盡相同，使得不同品種(系)對(duì)某一具體指標(biāo)的耐濕性反應(yīng)并不一定相同。尤其一些形態(tài)指標(biāo)，如本研究中重組自交系之間生育期的差異即處理的時(shí)期存在差異，導(dǎo)致測(cè)定的主莖綠葉數(shù)、株高濕害指數(shù)產(chǎn)生偏差。有學(xué)者采用單株產(chǎn)量為主要指標(biāo)，以及有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量結(jié)構(gòu)性狀等為指標(biāo)進(jìn)行耐濕性鑒定，因?yàn)闈窈Φ淖罱K表現(xiàn)是對(duì)產(chǎn)量的影響，這樣有利于篩選出產(chǎn)量適應(yīng)性好的種質(zhì)。筆者認(rèn)為濕害的鑒定應(yīng)建立在利用目標(biāo)的基礎(chǔ)上，若為了選育耐濕品種，耐濕性應(yīng)結(jié)合產(chǎn)量鑒定，篩選既耐濕、產(chǎn)量又高的種質(zhì)或品系；而進(jìn)行耐濕遺傳研究應(yīng)盡可能選擇那些與小麥耐受或抵御濕害危害緊密相關(guān)的性狀為指標(biāo)。因此本研究在測(cè)定了株高、主莖綠葉數(shù)的基礎(chǔ)上又加測(cè)了蒸騰速率、凈光合速率，增加了耐濕性鑒定結(jié)果的可靠性。

3.2 小麥品種的耐濕性遺傳

本研究發(fā)現(xiàn)小麥品種間存在耐濕性差異，而且這種耐濕性是可以遺傳的。曹旸等[6]根據(jù)耐感親本間雜交和回交后代分離比例，指出其親本耐濕性受1～2對(duì)顯性主效基因控制。張江麗等[10]研究表明：親本的耐濕性受主效基因的控制，同時(shí)也受微效基因的影響。本研究利用農(nóng)林46×寧麥3號(hào)的F7代重組自交系對(duì)耐濕性進(jìn)行鑒定，結(jié)果表明群體在蒸騰速率等濕害指數(shù)上呈多峰分布；而在株高、主莖綠色葉片數(shù)等濕害指數(shù)上表現(xiàn)正態(tài)分布，似乎是受多基因控制的數(shù)量性狀，有必要重復(fù)多年鑒定并結(jié)合小麥耐濕機(jī)制研究進(jìn)行進(jìn)一步探索。

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2009-05-27

國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題(2006BAD13B02-11)；科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(2007FY110500-06)；農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項(xiàng)(NB2004BA525B03)

顏 偉(1972-)，男，江蘇建湖人，農(nóng)學(xué)碩士，副研究員，主要從事小麥品種資源研究.

蔡士賓,E-mail:caisb@jaas.ac.cn

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2010.01.001

S512.1

A

1673-1409(2010)01-S001-05