大賴草染色體對小麥光合特性和產量性狀的效應研究

摘 要：了解大賴草染色體對小麥光和特性和產量性狀的效應，為進一步利用大賴草外源基因提供理論依據。通過光合儀測定灌漿初期旗葉光合指標，收獲后調查產量性狀，對小麥-大賴草二體附加系、代換系和親本‘中國春’進行了鑒定。結果表明，10個異染色體系的凈光合速率均低于對照普通小麥‘中國春’，但除H和L染色體附加系外，均差異不顯著；大賴草A、F染色體有增加氣孔導度的正向效應；大賴草K染色體具有提高蒸騰速率的正向效應；大賴草E染色體具有增加水分利用效率的正向效應。大賴草E、J染色體能夠提高小麥單穗粒重和千粒重，對提高小麥產量具有正效應。10份異染色體系中均未發現含高光效基因的大賴草染色體，大賴草附加系DALr#E、DALr#J可用于小麥產量性狀的改良。

關鍵詞：小麥；大賴草；異染色體系；光合特性；產量性狀

中圖分類號：S512.1 文獻標志碼：A 論文編號：2014-0200

Abstract： To understand effect of chromosomes of Leymus racemosus on photosynthesis and yield character in wheat would provide a theoretical basis for further utilization of exogenous genes. Net photosynthetic characteristics of 'Chinese Spring'- L. racemosus addition lines and substitution line and their wheat background 'Chinese Spring' was measured at the stage of early filling by photosynthesis system， and the yield traits were investigated after harvest. The results showed that photosynthetic rate of the 10 lines were lower than that of 'Chinese Spring'， and no significant difference was observed from Chinese Spring except for addition lines of chromosome H， L. Positive effect of chromosome A， F on stomatal conductance was found， chromosome K on transpiration rate， chromosomes E on water use efficiency. Chromosome E， J could increase wheat grain weight per spike and 1000-grain weight， and had positive effect on yield. High efficiency photosynthesis genes were not found in L. racemosus chromosomes of the 10 'Chinese Spring'-L. racemosus alien chromosome lines. Addition line of DALr#E and DALr#J would be used in wheat breeding for improving grain yield.

Key words： Wheat； Leymus racemosus； Alien Chromosome Lines； Photosynthetic Characteristics； Yield Traits

0 引言

隨著小麥生產水平的提高，近年來世界各小麥生產國單產增長逐漸變緩。同時，由于人口不斷增長，今后對小麥的需求仍將呈大幅度增長趨勢。因此，進一步提高單產是今后的研發重點。從國際研究動向看，發現和利用產量相關的關鍵基因，挖掘作物產量遺傳潛力，通過育種重組提高光合作用效率，改良適應性、產量和收獲指數等主要性狀為小麥主要研究方向[1]。光合作用是作物獲得產量的基礎。據估計，植物地上部干物質90%來自于光合作用，小麥產量的90%～95%來自光合作用過程中形成的光合物質，提高葉片的光合作用將有利于產量的增加[2-3]。彭遠英等[4]和陳士強等[5]的研究表明，小麥近緣植物中存在改良光和特性的基因，發現小麥背景中二倍體長穗偃麥草的2E、4E和6E染色體具有提高光合速率的效應。據陳全戰等[6]報道簇毛麥2V、5V和7V染色體上可能攜有高光效基因。白志英等[7]發現人工合成小麥可能攜有改良光合特征的相關有利基因。因此通過遠緣雜交將小麥近緣種屬的有益基因通過外源染色體的附加、代換、易位等方式導入普通小麥基因組內，是拓寬小麥遺傳多樣性，提升小麥產量、品質和抗性水平的重要手段之一。

大賴草（Leymus racemosus，2n=4x=28，NsNsXmXm）又稱巨大冰麥草（Elymus giganteus），屬于禾本科小麥族賴草屬，為多年生（具有根莖）草本，具有大穗、多花、耐鹽、抗旱和抗多種病害等多種優良特性[8-9]，廣泛分布于中亞和東歐，在海岸、沙丘和沙漠中最為常見。前人已成功地將大賴草染色體通過異附加系、異代換系等方式導入到普通小麥栽培品種中，開展了抗病性[10-13]、耐鋁[14]、減少N2O（土壤中施用氮素化肥產生）氣體排放和提高氮肥利用率等特性的染色體定位研究[15]。但對大賴草光合作用和產量性狀相關基因的染色體定位還未見報道。

本研究旨在通過對大賴草異染色體系光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度等指標的測定和農藝性狀調查，了解大賴草不同染色體對小麥光合效應與產量性狀的影響，初步定位影響光合作用和產量相關基因所在的染色體，以期為今后科學地進行小麥遺傳改良和高光效種質創新提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用材料見表1，包括‘中國春’（'Chinese Spring'）1份，由本所提供，中國春-大賴草異染色體系10份，其中包括‘中國春’-大賴草二體附加系（'Chinese Spring'- Leymus racemosus dismoc addition lines，DALr） 9份、‘中國春’-大賴草二體代換系（'Chinese Spring'- Leymus racemosus substitution lines，DSLr） 1份，上述材料均來自日本鳥取大學小麥異源種質基因庫（Tottori Alien Chromosome Bank of Wheat，TACBOW），由日本鳥取大學辻本壽教授提供。大賴草染色體因染色體組和部分同源群歸屬尚未確定，附加或代換的大賴草染色體用DALr#或DSLr#加上英文字母來表示（表1）。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗地點和概況 試驗于2013年度在晉中市東陽鎮山西省農業科學院試驗基地進行。試驗田土質為粘土。播前田間0～20 cm土層養分含量為：有機質11.3 g/kg，全氮64 g/kg，pH 8.66，速效磷8.01 mg/kg，速效鉀137 mg/kg。底肥施復合肥（N-P2O5-K2O=17-17-17）750 kg/hm2。

1.2.2 試驗設計 參試材料于2013年2月23日種植，1行區，每行20株，株距10 cm，行距28 cm，田間管理按常規進行。

1.2.3 光合指標測定 在田間選擇灌漿期初期測定凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度等相關光合生理指標。利用CB-1102型光合蒸騰作用測定系統，于上午晴朗微風天氣進行，每個材料測試5個旗葉葉片。

1.2.4 農藝性狀調查和分析 參照陳士強等[4]的方法，成熟時收獲測定樣本5個主莖的地上部分，調查生物產量、穗粒數、穗粒重，計算收獲指數和千粒重。以背景親本小麥品種‘中國春’為對照，試驗結果用DPS數據處理系統進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 大賴草不同染色體對小麥光合特性的影響

從表2可以看出，不同大賴草異染色體系的光合速率明顯不同，10個異染色體系的凈光合速率均低于‘中國春’，說明大賴草A、E、F、H、I、J、K、L和N染色體對小麥光合速率具有負向效應，但除H和L染色體附加系外，均差異不顯著。

氣孔導度表示的是氣孔張開的程度，影響光合作用、呼吸作用及蒸騰作用。從表2可以看出附加系DALr#F、DALr#A明顯高于親本‘中國春’，表明大賴草A、F染色體有增加氣孔導度的正向效應。

蒸騰速率分析發現，大賴草K染色體具有提高蒸騰速率的正向效應。‘中國春’胞間CO2濃度高于各異染色體系，說明導入外源染色體對普通小麥的胞間CO2濃度具有負向效應。以光合速率/蒸騰速率來計算水分利用率，大賴草E染色體具有增加水分利用效率的正向效應。通過H染色體的附加系和代換系光合特性的比較發現，DALr#H的凈光合速率、蒸騰速率、葉片氣孔導度、胞間CO2濃度和水分利用效率均低于DSLr#H，說明H染色體附加比代換對光合特性的負向效應更大。

2.2 大賴草染色體對產量性狀的影響

分析產量性狀結果（表3），可以看出，大賴草E、F和J染色體附加系對增加生物產量具有正向效應。J染色體具有增加單穗粒數的正向效應；E、J染色體則有增加單穗粒重的正向效應；大賴草E、J和L染色體有增加千粒重的正向效應；H染色體附加系具有增加收獲指數的正向效應，通過H染色體的附加系和代換系產量性狀的比較發現，除生物產量這一個指標DSLr#H略高于DALr#H外，DSLr#H的單穗粒數、單穗粒重、千粒重和收獲指數均低于DALr#H。

3 結論與討論

大賴草是改良小麥的重要近緣植物，迄今有關小麥-大賴草異染色體系光合特性的研究還未見報道。本研究通過光合指標和產量性狀測定，對小麥-大賴草二體附加系和二體代換系進行了分析，試驗結果表明，10份異染色體系中均未發現含高光效基因的大賴草染色體，異染色體的凈光合速率變幅為8.87～ 18.56 μmol/（m2·s），均低于親本中國春[18.68 μmol/（m2·s）]。發現大賴草E、J染色體能夠提高小麥單穗粒重和千粒重，可分別增加單穗粒重0.03、0.11 g，千粒重3.49、0.57 g，對提高小麥產量具有正效應。大賴草E染色體同時具有增加水分利用效率的正向效應，比‘中國春’高出7.21%。

陳士強等[5]研究發現二倍體長穗偃麥草4E染色體具有提高單穗粒重、千粒重的正向效應，本研究中的大賴草E染色體屬第4部分同源群（表1），同樣具有上述效應，而同為第4部分同源群的F染色體卻是負向效應，因此，外源第4同源群是否多數具有增加產量的正向效應，需要進一步利用多種小麥與其近緣植物的附加系鑒定分析。Kishii等[11]報道大賴草J染色體抗小麥葉銹病，且具有增加SDS沉降值，提高烘烤品質的正向效應。最新的研究還發現大賴草E染色體具有很好的耐鋁特性[14]，因此，有必要深入發掘每條大賴草染色體上所含的特異基因。

本研究中大賴草異染色體系的背景親本為‘中國春’，該品種雖有易雜交等特點，但存在稈高、豐產性差的弱點，在今后的利用中要進行轉育與改良，可以通過細胞工程、分子標記輔助選擇與常規雜交技術相結合，將大賴草的優異基因導入到小麥品種。本研究僅在灌漿初期對光合特性進行了分析，考慮到光合作用是十分復雜的過程，今后需要在孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、灌漿后期等主要生育時期進行跟蹤測定，以了解在各生育時期旗葉光合特性的變化規律。此外，由于尚未獲得小麥-大賴草一整套二體異附加系，這對大賴草有益基因庫的全面評價和利用極為不利。隨著分子標記和生物技術的發展，異附加系的分離和鑒定已不是選育小麥異附加系的主要障礙。鳥取大學辻本壽教授為進一步選育整套14個二體異附加系，已經重新開展了相關研究（亓增軍私人通訊）。

研究中還從鳥取大學引進了編號TACBOW0012～TACBOW0016的5個二體附加系[14]，其大賴草來源是產自美國的大賴草，而TACBOW001-TACBOW0011的親本大賴草來自保加利亞，考慮到物種的遺傳多樣性，今后將開展上述2套異染色體系的比較研究，及其對生物和非生物脅迫的適應性、籽粒營養品質等方面的研究，以期發現新的有益基因。實踐也證明通過國外特異小麥種質資源的引進、鑒定和利用研究可豐富中國小麥基因庫，對實現中國小麥生產的持續發展具有重要的戰略意義。

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