黃 穎, 劉 歡, 趙桂琴, 王綺玉, 羅建民, 姚瑞瑞
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心, 甘肅 蘭州 730070)
皮燕麥(AvenasativaL.)和裸燕麥(AvenanudaL.)均為禾本科燕麥屬(AvenaL.)一年生草本植物[1],前者為糧、飼兼用的世界型栽培植物,成熟時(shí)內(nèi)外稃與籽粒不易分離;后者又稱玉麥、莜麥、鈴鐺麥,為綠色營(yíng)養(yǎng)保健作物,籽粒易與外稃分離[2]。隨著我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展,燕麥種植面積逐年擴(kuò)大,種子需求量也隨之增加,然而種子自生理成熟即發(fā)生不可逆的劣變,嚴(yán)重影響了生產(chǎn)、育種中種質(zhì)資源的貯藏、開發(fā)和利用[3]。
種子老化是一個(gè)不可逆的過程,種子活力在生理成熟時(shí)達(dá)到頂峰,隨著貯存時(shí)間延長(zhǎng)而降低,直至完全喪失。因此,燕麥種質(zhì)資源的耐貯藏性是決定燕麥種子品質(zhì)的一個(gè)重要因素。自然老化作為衡量燕麥耐貯藏性的直接方式,歷時(shí)較長(zhǎng),而人工老化歷時(shí)較短,被廣泛應(yīng)用于種質(zhì)資源的耐貯藏性研究[4],但是人工老化是否能夠代替自然老化尚存爭(zhēng)議。Balesevic等[5]對(duì)6個(gè)大豆(GlycinemaxL.)品種研究表明人工老化會(huì)加速氧化物歧化酶和過氧化物酶活性的下降。高華偉等[6]研究表明人工加速老化與自然貯藏時(shí)的大豆種子老化進(jìn)程有明顯的相關(guān)性。張?chǎng)╈o等[7]發(fā)現(xiàn)自然老化大蔥(AlliumfistulosumL.)種子各項(xiàng)活力和生理生化特性下降明顯快于人工老化的種子。燕麥種質(zhì)在人工老化及自然老化保存過程中其群體的遺傳結(jié)構(gòu)是否得到完全的保持,種子貯藏、繁殖保存中發(fā)生的老化及劣變是否導(dǎo)致遺傳變異,對(duì)成功貯存種子具有重大的意義[4]。
簡(jiǎn)單序列重復(fù)區(qū)間擴(kuò)增多態(tài)性分子標(biāo)記(Inter-simple sequence repeat,ISSR)最早是由Zietkiewicze等[8]在SSR的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的,利用植物基因組自身SSR設(shè)計(jì)引物擴(kuò)增重復(fù)序列間的區(qū)域,無(wú)需預(yù)先進(jìn)行克隆和測(cè)序[4],是一種簡(jiǎn)單、可靠、高效、易于處理、應(yīng)用廣泛的DNA指紋技術(shù)[9],近年被廣泛應(yīng)用于遺傳多樣性和遺傳完整性分析中。劉歡等已建立且優(yōu)化燕麥ISSR體系[10]。目前,國(guó)內(nèi)外利用ISSR分子標(biāo)記技術(shù)開展了關(guān)于水稻(OryzasativaL.)[11]、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)[12]和李(PrunussalicinaL.)[13]等多種植物種質(zhì)資源的遺傳完整性研究。石鳳玲等[12]利用ISSR分子標(biāo)記技術(shù)探究不同老化種子的發(fā)芽率與其遺傳完整性變化的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)75.00%可以考慮作為紫花苜蓿種子繁殖更新的發(fā)芽率標(biāo)準(zhǔn)。本研究通過探討不同老化方法對(duì)不同燕麥種質(zhì)的貯藏過程中萌發(fā)特性,利用ISSR分子標(biāo)記分析老化對(duì)遺傳物質(zhì)的影響和差異,為制定適合燕麥種質(zhì)資源的保存和更新策略提供科學(xué)依據(jù),并確定燕麥種質(zhì)資源的更新標(biāo)準(zhǔn)。
供試的皮燕麥品種為‘隴燕3號(hào)’,裸燕麥品種為‘白燕2號(hào)’,由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供,各處理方案見表1,自然老化種質(zhì)材料收獲于2012—2018年,貯藏倉(cāng)庫(kù)室內(nèi)全年通風(fēng),年均溫保持在10℃~12℃、年平均相對(duì)濕度為45%~64%,試驗(yàn)于2020年10月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,供試材料分別貯藏了2年、4年、6年和8年。
表1 燕麥種子的自然老化和人工老化處理Table 1 Treatment of Avena seeds under natural aging and artificial aging
參照鄭曉鷹提供的老化方法[14],測(cè)定燕麥種子初始含水量,將2018年收獲的燕麥種子含水量調(diào)至10%~14%,置于人工老化箱中,設(shè)定溫度為45℃,相對(duì)濕度95%進(jìn)行人工老化。設(shè)置老化時(shí)間為24~96 h,每24 h取樣一次,共4個(gè)處理,以2018年收獲的未經(jīng)人工老化的種子為對(duì)照(Control check,CK)。老化完畢,取出種子晾至含水量降為原狀態(tài),在4℃冰箱保存。
1.2.1測(cè)定指標(biāo)與方法 按照《國(guó)際種子檢驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定[15],采用培養(yǎng)皿紙上法進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn),并逐日統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽數(shù)。
發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%
活力指數(shù)(VI)=∑Gt/Dt×S
式中:Dt為發(fā)芽天數(shù),Gt為Dt相應(yīng)(t天)的發(fā)芽數(shù),S為幼苗鮮重(g)。
浸出液電導(dǎo)率:隨機(jī)數(shù)取每品種50粒凈種子,浸入100 mL去離子水并封口,以去離子水為空白對(duì)照;于25℃恒溫培養(yǎng)箱中放置24 h;浸種結(jié)束,立即測(cè)定溶液電導(dǎo)率[15]。
1.2.2燕麥種子基因組DNA提取 采用植物基因組DNA提取試劑盒(TIANGEN,DP305)提取燕麥種子DNA。用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA質(zhì)量,紫外分光光度計(jì)測(cè)定DNA純度,于-20℃冰箱保存。
1.2.3ISSR-PCR反應(yīng)體系和ISSR引物的篩選 參照哥倫比亞大學(xué)公布的100條ISSR通用引物序列及劉歡[10]、郭紅媛[16]和余青青[17]等已發(fā)表的關(guān)于研究燕麥ISSR遺傳多樣性的文章,選出20條ISSR引物(表2),由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。ISSR-PCR反應(yīng)體系總體積為25 μL:12.5 μL 2× San Taq PCR Mix、40 ng模板DNA、4 μL引物(10 μmol·L-1),用ddH2O補(bǔ)充至25 μL。在PCR熱循環(huán)儀器上進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增程序?yàn)椋?4℃預(yù)變性5 min;94℃變性30 s,退火30 s,72℃延伸1 min,35個(gè)循環(huán);72℃延伸10 min,4℃保存。擴(kuò)增結(jié)束后,用2.0%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物,點(diǎn)樣5 μL,以天根生化科技(北京)公司的2 000 bp Marker為對(duì)照,1×TAE為電泳緩沖液,電壓90 V,電流80 mA,電泳1 h,用Bio-Rad凝膠成像系統(tǒng)拍照保存。
表2 20條ISSR引物信息Table 2 Information on the 20 pairs of ISSR primers
利用Excel 2010,NTSYS 2.1,POPGENE 32及SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。
隨著老化處理時(shí)間的增加,2個(gè)燕麥品種的發(fā)芽率總體呈下降趨勢(shì)(圖1)。貯藏2~4年的‘隴燕3號(hào)’發(fā)芽率差異不顯著,均高于85.00%,隨后逐年下降,貯藏8年降至60.00%;而貯藏2年的‘白燕2號(hào)’發(fā)芽率為90.50%,隨后降幅逐年增大,貯藏8年發(fā)芽率降至49.00%。與自然老化相比,經(jīng)人工老化的‘隴燕3號(hào)’發(fā)芽率顯著下降(P<0.05),各處理均與CK差異顯著(P<0.05),AL1發(fā)芽率較CK下降了71.35%;隨著人工老化進(jìn)程加深,‘白燕2號(hào)’發(fā)芽率呈先升后降的趨勢(shì),人工老化處理24 h的種子發(fā)芽率為91.00%,略高于CK,經(jīng)人工老化處理72 h后發(fā)芽率顯著下降(P<0.05),經(jīng)人工老化處理96 h降至54.00%。由此看來(lái),自然老化對(duì)‘白燕2號(hào)’的發(fā)芽率影響更大,人工老化對(duì)‘隴燕3號(hào)’發(fā)芽率影響更大。
圖1 自然老化和人工老化對(duì)燕麥種子發(fā)芽率的影響Fig.1 Effect on germination ratio of Avena under natural aging and artificial aging
隨著老化時(shí)間的增加,種子活力指數(shù)總體呈下降趨勢(shì)(圖2)。自然老化對(duì)‘白燕2號(hào)’種子活力指數(shù)影響顯著,貯藏2年的‘白燕2號(hào)’種子活力指數(shù)顯著高于‘隴燕3號(hào)’(P<0.05);隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng),自然老化下的‘隴燕3號(hào)’的活力指數(shù)下降不顯著,而‘白燕2號(hào)’種子活力指數(shù)降幅逐年增大,貯藏8年的‘白燕2號(hào)’種子活力指數(shù)降至4.16,略低于‘隴燕3號(hào)’。經(jīng)人工老化處理24 h的燕麥種子與CK相比下降顯著(P<0.05),隨著人工老化時(shí)間的增加,‘白燕2號(hào)’種子活力指數(shù)的降幅逐漸增大(P<0.05),‘隴燕3號(hào)’則下降較為緩慢。
圖2 自然老化和人工老化對(duì)燕麥種子活力指數(shù)的影響Fig.2 Effect on vigor index of Avena under natural aging and artificial aging
隨著老化時(shí)間的增加,燕麥種子浸提液電導(dǎo)率總體呈上升趨勢(shì)(圖3)。不同老化方法下‘白燕2號(hào)’的電導(dǎo)率均高于‘隴燕3號(hào)’,自然老化下‘隴燕3號(hào)’的電導(dǎo)率增長(zhǎng)緩慢,貯藏8年的‘隴燕3號(hào)’電導(dǎo)率與對(duì)照差異顯著(P<0.05);自然老化下‘白燕2號(hào)’的電導(dǎo)率總體呈先下降后上升的趨勢(shì),‘白燕2號(hào)’種子貯藏4年,電導(dǎo)率開始顯著上升(P<0.05),貯藏8年的‘白燕2號(hào)’細(xì)胞透性增大,電導(dǎo)率增至47.13 μS·cm-1。人工老化對(duì)‘隴燕3號(hào)’種子電導(dǎo)率影響不顯著;經(jīng)人工老化24 h的‘白燕2號(hào)’電導(dǎo)率顯著高于CK,人工老化24 h后上升緩慢;2種供試燕麥在人工老化96 h后電導(dǎo)率差異達(dá)到最大,‘隴燕3號(hào)’的電導(dǎo)率僅為‘白燕2號(hào)’的40.22%。
圖3 自然老化和人工老化對(duì)燕麥種子電導(dǎo)率的影響Fig.3 Effect on electrical conductivity of Avena under natural aging and artificial aging
用于分子標(biāo)記的燕麥種子DNA,條帶清晰,OD260/OD280介于1.8~2.0,DNA純度較好,沒有雜質(zhì)污染。老化處理對(duì)DNA分子量無(wú)明顯變化,條帶無(wú)明顯降解現(xiàn)象(圖4)。
圖4 自然老化和人工老化下燕麥的基因組DNA圖譜Fig.4 The genomic DNA of Avena under natural aging and artificial aging
由表3可知,自然老化和人工老化下2個(gè)燕麥品種的種子基因組DNA由不同ISSR引物擴(kuò)增出的條帶數(shù)不同(8~16條),10條引物共檢測(cè)出108個(gè)位點(diǎn),多態(tài)性位點(diǎn)85個(gè),總多態(tài)性位點(diǎn)達(dá)78.70%。
表3 ISSR引物擴(kuò)增結(jié)果及其多態(tài)性Table 3 Amplification results and polymorphism of ISSR primers used in this study
通過POPGENE 32對(duì)基因多樣性指數(shù)分析表明(表4),L(自然老化的’隴燕3號(hào)’群體)的等位基因數(shù)(Na)、有效等位基因數(shù)(Ne)、基因多樣性(H)、香農(nóng)指數(shù)(I)值均為最高,分別為1.225 2,1.164 0,0.093 5和0.136 1。與L群體相比,AL,B和AB的Na,Ne,H和I均有所下降,各群體遺傳參數(shù)排序均為L(zhǎng) > AL > B > AB??梢?,人工老化對(duì)2個(gè)燕麥品種遺傳物質(zhì)的損傷比自然老化更大。
表4 應(yīng)用ISSR標(biāo)記對(duì)4個(gè)處理群體的遺傳參數(shù)分析Table 4 ISSR Genetic parameters analysis of four different treated populations
對(duì)不同老化處理下燕麥種子群體的基因組DNA進(jìn)行ISSR-PCR擴(kuò)增,引物UBC885和引物UBC889可以較為明晰的展示燕麥種子老化處理前后較為ISSR-PCR圖譜變化(圖5)。引物UBC885擴(kuò)增出來(lái)的燕麥種子基因組片段長(zhǎng)度主要集中在100~750 bp的范圍內(nèi),‘隴燕3號(hào)’種子經(jīng)人工老化后條帶逐漸模糊,大分子條帶逐漸變暗,小分子條帶變亮且伴有條帶增加現(xiàn)象;引物UBC889擴(kuò)增片段長(zhǎng)度主要集中在100~2 000 bp的范圍內(nèi),‘白燕2號(hào)’經(jīng)人工老化處理48 h和72 h后,在250~500 bp出現(xiàn)特有帶。從擴(kuò)增圖譜來(lái)看,隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng),部分小分子條帶逐漸變淡,100~500 bp出現(xiàn)DNA片段的缺失和增加現(xiàn)象,且DNA片段的缺失和增加都是隨機(jī)的,這種現(xiàn)象在人工老化下更為明顯。
圖5 引物UBC885(上)、UBC889(下)對(duì)自然老化和人工老化處理燕麥種子的ISSR-PCR圖譜Fig.5 ISSR amplification patterns of UBC885(upper) and UBC889(below) primers to different aging populations of Avena under natural aging and artificial aging
各老化處理間遺傳相似系數(shù)(表5)表明,自然老化各處理均與對(duì)照差異不顯著;人工老化各處理與對(duì)照間遺傳相似系數(shù)最大的是24 h的處理,遺傳相似系數(shù)為0.864 9,最小的是處理96 h,遺傳相似系數(shù)為0.681 2。人工老化低于48 h的處理與對(duì)照間的遺傳相似系數(shù)差異不顯著,人工老化處理72 h種子受到的傷害較大,與對(duì)照之間的遺傳相似系數(shù)差異顯著(P<0.05),可見人工老化處理的臨界值介于48~72 h。人工老化對(duì)燕麥種子遺傳特征的影響大于自然老化。
表5 不同老化時(shí)間燕麥與對(duì)照間的遺傳相似系數(shù)Table 5 The genetic similarity coefficient between aging treatments and control treatments of Avena under different aging time
NTSYS分析16份老化燕麥材料間遺傳相似系數(shù)(GS)結(jié)果表明,其變化范圍為0.504 5~0.973 0(表6)。老化處理下燕麥種子ISSR標(biāo)記的聚類分析如圖6所示,在遺傳相似系數(shù)0.800 0時(shí)聚為兩大類,‘隴燕3號(hào)’和‘白燕2號(hào)’的種子老化材料分別聚為一類?!]燕3號(hào)’各處理在遺傳相似系數(shù)為0.855 0時(shí),自然老化處理(L1,L2,L3和L4)和人工老化處理(AL1,AL2,AL3和AL4)各歸為一類,在遺傳相似系數(shù)為0.930 0,人工老化處理中AL4單獨(dú)聚為一類?!籽?號(hào)’在遺傳相似系數(shù)為0.880 0聚為兩類,第一類為自然老化處理(B1,B2,B3和B4),第二類是人工老化處理(AB1,AB2,AB3和AB4)。最終,在最高遺傳相似系數(shù)0.980 0時(shí),僅AL2和AL3聚為一類。可見,不同品種的燕麥遺傳距離差異較大,同一品種在不同老化方法下遺傳相似度較低;長(zhǎng)時(shí)間(≥72 h)的高溫高濕老化對(duì)‘隴燕3號(hào)’和‘白燕2號(hào)’種子的遺傳完整性保持具有較大的負(fù)面作用。
表6 自然老化和人工老化下燕麥的遺傳相似系數(shù)Table 6 The Genetic coefficient of the oat samples under natural aging and artificial aging
圖6 基于ISSR分子標(biāo)記的燕麥老化種子材料聚類分析Fig.6 Cluster analysis of aged oat seeds based on ISSR marker
種子活力是檢驗(yàn)種子質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,種子萌發(fā)是種子活力的具體表現(xiàn),高活力的種子具有更好的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),生產(chǎn)潛能和耐貯藏性[18]。本研究中影響燕麥種子萌發(fā)的主要因素為自然老化與人工老化處理的時(shí)間。隨著貯藏時(shí)間和人工老化的延長(zhǎng),‘隴燕3號(hào)’和‘白燕2號(hào)’種子活力均呈明顯的下降趨勢(shì),相對(duì)電導(dǎo)率上升,這與大豆[6]和水稻[11]的相關(guān)研究結(jié)果一致。人工老化處理24 h的‘白燕2號(hào)’種子發(fā)芽率略高于未老化處理,這可能與種子休眠有關(guān),燕麥屬于非深度休眠植物,貯藏年限較短的種子存在休眠或生理后熟現(xiàn)象,而短時(shí)間內(nèi)溫度升高可能激活了種子內(nèi)部某些酶的活性[19],從而提高了種子發(fā)芽率。自然老化和人工老化下‘隴燕3號(hào)’種子活力指數(shù)明顯低于‘白燕2號(hào)’種子,這可能是因?yàn)椤]燕3號(hào)’是皮燕麥,其外稃的機(jī)械約束作用在一定程度上延遲了種子的發(fā)芽時(shí)間。
人工老化因其耗時(shí)短、便于操作和可重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于牧草種子耐貯性的相關(guān)研究。許多試驗(yàn)表明,人工老化和自然老化的老化進(jìn)程有一定的相關(guān)性,但也有研究表明,人工老化和自然老化兩種老化進(jìn)程的遺傳基礎(chǔ)不同[20]。遺傳參數(shù)分析顯示:人工老化群體的遺傳參數(shù)較自然老化群體有所下降。由此看來(lái),人工老化對(duì)燕麥種子遺傳物質(zhì)的損傷比自然老化更大,這可能由于人工老化更易導(dǎo)致燕麥種質(zhì)群體的部分等位基因缺失,降低其遺傳完整性,推測(cè)人工老化不能完全代替自然老化進(jìn)行種子的耐貯性研究。當(dāng)前我國(guó)種質(zhì)資源保存工作的核心是維持種質(zhì)資源的遺傳完整性,即貯藏和繁殖更新過程中保持最小的遺傳變異,維持等位基因頻率分布的穩(wěn)定和群體的基因頻率分布以及遺傳結(jié)構(gòu)完整[21]。自然老化和人工老化下燕麥種子ISSR-PCR圖譜顯示:隨著貯藏時(shí)間和高溫高濕老化處理時(shí)間的延長(zhǎng),條帶趨于模糊,且伴有條帶數(shù)目減少和增加,說明老化時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)引起遺傳變異。方青慧等[22]發(fā)現(xiàn)老化使燕麥種子中醇溶蛋白含量降低,也證實(shí)了老化對(duì)燕麥的遺傳完整性具有負(fù)面影響。在美洲狼尾草(PennisetumglaucumL.)[23]、水稻[11]和扁蓿豆(MedicagoruthenicaL.)[24]的遺傳完整性研究中也發(fā)現(xiàn)種子老化會(huì)降低種質(zhì)資源的種子活力,染色體畸變?cè)龆?,同時(shí)伴隨著遺傳完整性的下降[25]。
種子老化會(huì)引起染色體畸變和DNA損傷,破壞基因組的完整性,為了保持種質(zhì)資源遺傳完整性,必須考慮更新種質(zhì)資源庫(kù)的臨界發(fā)芽率[26]。目前,各國(guó)種質(zhì)資源更新的臨界發(fā)芽率的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同,如印度的臨界發(fā)芽率標(biāo)準(zhǔn)為75.00%[27],英國(guó)為70.00%,美國(guó)為50.00%[28],而我國(guó)牧草中心庫(kù)將更新種質(zhì)資源庫(kù)的臨界發(fā)芽率定為60.00%[29]。本研究中貯藏時(shí)間不超過4年的2個(gè)燕麥品種的種子及人工老化0~48 h的‘白燕2號(hào)’發(fā)芽率均高于84.00%,可以保持較高的遺傳多樣性,而人工老化72 h,遺傳完整性顯著下降,此時(shí)‘白燕2號(hào)’發(fā)芽率降至79.50%。由此看來(lái),‘隴燕3號(hào)’和‘白燕2號(hào)’的貯藏時(shí)間應(yīng)保持在1~4年,不宜超過6年,據(jù)此推測(cè)應(yīng)試燕麥品種的發(fā)芽率臨界值在79.50%~84.00%。人工老化下‘隴燕3號(hào)’各處理發(fā)芽率均低于30.00%,完全喪失了種用價(jià)值,建議采用高溫高濕老化方法對(duì)該種質(zhì)進(jìn)行耐貯性研究時(shí)將老化時(shí)間縮短在24 h內(nèi)。未來(lái)尋找燕麥種質(zhì)資源更新的具體臨界發(fā)芽率和相應(yīng)的種質(zhì)資源貯存時(shí)間,還需要細(xì)化種子老化的時(shí)間梯度,將形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、生理生化研究相結(jié)合,采取更加先進(jìn)的技術(shù),并對(duì)遺傳參數(shù)進(jìn)行更深入的分析。
隨著老化程度加深,2個(gè)燕麥品種的種子活力和遺傳完整性逐漸降低?!]燕3號(hào)’比‘白燕2號(hào)’更耐貯,人工老化對(duì)種子遺傳物質(zhì)的損傷比自然老化更大,可見其不能完全替代自然老化。高溫高濕老化處理‘白燕2號(hào)’種子的臨界值介于48~72 h,貯藏時(shí)間不超過4年的‘隴燕3號(hào)’和‘白燕2號(hào)’種子及人工老化0~48 h的‘白燕2號(hào)’種子發(fā)芽率均高于84.00%,可以保持較高的遺傳多樣性,人工老化72 h后‘白燕2號(hào)’種子發(fā)芽率降至79.50%,與未經(jīng)人工老化處理的種子遺傳相似系數(shù)差異顯著,說明應(yīng)試燕麥種質(zhì)的發(fā)芽率臨界值介于79.50%~84.00%之間,建議將‘隴燕3號(hào)’和‘白燕2號(hào)’的貯藏時(shí)間保持在1~4年,不宜超過6年。