PEG脅迫對小麥代換系種子萌發特性的影響及染色體效應

薛夢瑤，路 斌，杜 歡，白志英*

(1.南京農業大學生命科學學院，江蘇南京210095;

2.河北農業大學園林與旅游學院，河北保定071001;3.河北農業大學生命科學學院，河北保定071001)

干旱脅迫影響植物的生長發育、導致農作物嚴重減產，干旱對農作物造成的損失在所有非生物脅迫中占據首位。據統計，全世界1/3以上的可耕地處于干旱或半干旱狀態，我國干旱和半干旱地區約占國土面積的1/2，干旱導致的農作物減產超過了其他因素所造成減產的總和。小麥是世界上的主要糧食作物，但約有70%分布在干旱、半干旱區，干旱是小麥生產的主要限制因素之一，可影響小麥的光合作用、呼吸代謝、水分狀況和各種酶的變化等生理代謝過程。因此，研究小麥的抗旱豐產對世界糧食的解決具有重要意義［1］。

種子萌發是植物生活史中的關鍵階段，也是進行植物抗旱性研究的重要時期。PEG是一種高分子滲透劑，其最大特點是本身不能穿越細胞壁進入細胞質，因而不會引起質壁分離，使植物組織和細胞處于類似于干旱的水分脅迫之中［2］，近年來，PEG高滲溶液法已成為研究種子萌發性狀的重要方法，已被廣泛運用于玉米、小麥等農作物［3－5］。小麥染色體代換系是一個物種或品種的個別染色體代換另一個物種或品種相應染色體所產生的品系。小麥全套染色體代換系有21個成員，成員數與其染色體對數等同，每個成員與受體(背景品種)之間僅有1對染色體差異，是研究個別染色體遺傳效應的好材料。中國春(CS)-Synthetic 6x染色體代換系是將供體Synthetic 6x的21條染色體導入受體中國春所產生的［6］。前人利用該小麥代換系為材料，研究了干旱脅迫對其生理生化和農藝性狀等方面的影響及染色體效應［7－8］，但有關PRG對小麥代換系種子萌發特性影響的報道較少。為此，筆者以CS-Synthetic 6x代換系為材料，設置無離子水培養和PEG-6000模擬水分脅迫2個處理，研究了干旱脅迫對中國春-Synthetic 6x代換系的種子萌發特性的影響，并對相關基因進行了染色體定位，旨在為選擇抗旱高產品系提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料 以中國春(CS)-Synthetic 6x 21個染色體代換系及其親本(由John Innes Centre，Norwich Research Park，Colney，NorwichNR4 7UH，U.K.提供)為材料。中國春-Synthetic 6x 21個代換系是將供體品種Synthetic 6x的21條染色體導入受體品種中國春所產生的，其中受體中國春屬春性不抗旱品種，供體Synthetic 6x屬冬性抗旱品種。

1.2 方法 選取 A1-A7、B1-B7、D1-D7及中國春、Synthetic 6x等發育一致、籽粒飽滿的種子，70%乙醇消毒，去離子水沖洗、浸泡后，放在鋪有濾紙的培養皿中，每個培養皿50粒種子，3次重復。設置PEG-6000干旱脅迫組和對照組2個處理。于培養皿中分別加入5 ml 20%PEG-6000溶液和5 ml去離子水。放入20℃光照培養箱培養，每天向培養皿中分別澆適量PEG-6000溶液和去離子水，以保持濾紙潤濕。前7 d調查發芽種子數;計算種子發芽率、發芽勢、發芽指數。發芽率指在發芽試驗中第7天時已發芽的粒數占總試粒數的百分比。發芽勢指在發芽試驗中第3天時已發芽的粒數占總試粒數的百分比。發芽指數(GI)=∑(Gt/Dt)，其中Gt為時間t日的發芽數，Dt為相應的發芽日數。

1.3 數據處理 利用浙江大學唐啟義的DPSv9.05軟件對數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 基因型間的差異顯著性檢驗 利用DPSv9.05統計軟件進行方差分析，發現不同處理間各基因型的發芽率、發芽勢、發芽指數均呈極顯著差異，表明利用該代換系進行發芽率、發芽勢、發芽指數的基因定位具有可靠性。

2.2 干旱脅迫對中國春-Synthetic 6x代換系發芽率的影響及染色體調控 由表1可知，不同代換系的發芽率并不一致。在對照(無離子水培養)條件下，除父本Synthetic 6x極顯著低于中國春外，其他代換系均與中國春無顯著差異。

在干旱脅迫條件下，各基因型發芽率普遍低于對照，表明干旱脅迫抑制了種子的萌發。父本Synthetic 6x的發芽率與中國春相比無顯著差異，6A、3B、5B、6B、7B、4D、6D、7D 代換系的發芽率顯著或極顯著高于中國春。從干旱/對照值來看，父本Synthetic 6x的發芽率高于中國春，但無顯著差異。除7A、2B、5B、6B、4D、6D、7D 代換系的發芽率比值顯著高于中國春外，其他代換系與中國春之間無顯著差異。

比較干旱脅迫條件下不同代換系的發芽率及其干旱/對照值可知，5B、6B、4D、6D和7D代換系均顯著或極顯著高于母本中國春，即Synthetic 6x的5B、6B、4D、6D和7D 5條染色體分別代換中國春相應的染色體后，相應代換系種子的發芽率均顯著提高。因此推測，Synthetic 6x的5B、6B、4D、6D和7D染色體上可能存在促進種子萌發的基因。

表1 對照和干旱脅迫下中國春-Synthetic 6x代換系及其親本發芽率、發芽勢、發芽指數變化

2.3 干脅迫對中國春-Synthetic 6x代換系發芽勢的影響及染色體調控 由表1可知，不同代換系的發芽勢各不相同。在對照條件下，各代換系的發芽勢較為接近，除父本Synthetic 6x極顯著低于中國春外，其他代換系均與中國春無顯著差異。而在干旱脅迫條件下，各基因型發芽勢普遍低于對照值，表明干旱脅迫降低了種子活力。與母本中國春相比，父本 Synthetic 6x的發芽勢無顯著差異，6A、5B、6B、7B、4D、6D、7D代換系的發芽勢顯著或極顯著提高。從干旱/對照值來看，父本Synthetic 6x的發芽勢與中國春無顯著差異，7A、5B、6B、1D、3D、4D、6D、7D 代換系顯著高于中國春，即 5B、6B、4D、6D和7D代換系的發芽勢及其干旱/對照值均顯著或極顯著高于母本中國春，表明Synthetic 6x的5B、6B、4D、6D和7D染色體上可能存在提高種子活力的基因。而1D代換系的發芽勢顯著低于母本中國春，即Synthetic 6x的1D染色體上可能存在抑制種子活力的基因。

2.4 干脅迫對中國春-Synthetic 6x代換系發芽指數的影響及染色體調控 由表1可知，不同代換系的發芽指數也不完全一致。在對照條件下，各代換系的發芽指數較接近，除1A、1B代換系和父本Synthetic 6x顯著或極顯著低于中國春外，其他代換系均與中國春均無顯著差異。而在干旱脅迫條件下，各基因型發芽指數普遍低于對照值，表明干旱脅迫抑制了種子的萌發。1A、1B代換系和父本Synthetic 6x的發芽指數與中國春無顯著差異。2A、3A、4A、6A、7A、4B、5B、6B、7B、3D、4D、5D、6D、7D代換系的發芽指數顯著或極顯著高于中國春，1D代換系的發芽勢極顯著低于母本中國春。

從干旱/對照值來看，父本Synthetic 6x的發芽勢顯著高于母本與中國春，表明父本Synthetic 6x的抗旱性高于母本。此外，除1A、5A、2D、7D代換系外，其余代換系的發芽指數均顯著或極顯著高于中國春。即 2A、3A、4A、6A、7A、4B、5B、6B、7B、3D、4D、5D、6D 代換系發芽指數及其干旱/對照值均顯著或極顯著高于中國春，由此推測Synthetic 6x的2A、3A、4A、6A、7A、4B、5B、6B、7B、3D、4D、5D 和 6D 染色體上可能存在促進種子萌發的基因。

綜合比較干旱脅迫下各代換系的發芽率、發芽勢及發芽指數可知，5B、6B、4D、6D和7D代換系均顯著或極顯著高于母本中國春，表明Synthetic 6x的5B、6B、4D、6D和7D染色體上可能存在干旱脅迫下提高種子活力、促進種子萌發的基因。

3 討論

種子萌發是一個復雜的生理生化過程，干旱是限制種子萌發的一個主要影響因子［9］。PEG-6000是一種滲透調節劑，其溶液可模擬干旱脅迫環境，對種子萌發起到抑制作用。郁飛燕等［5］研究認為，高濃度PEG-6000(20%)對小麥種子萌發起到明顯抑制效應。李威［10］研究認為15%以上濃度PEG-6000也對裸燕麥種子萌發產生抑制作用。郭秀璞等［11］采用PEG-6000滲透脅迫研究了不同抗旱性小麥品種對滲透脅迫反應的差異性。結果表明，滲透脅迫條件下小麥的發芽率明顯下降。姚維傳等［12］對16個皖麥品種進行發芽試驗，認為水分脅迫下小麥發芽率亦有所降低。該研究以20%的PEG-6000作為滲透劑模擬水分脅迫來鑒定小麥種子在高滲溶液中的萌發狀況，結果表明，在干旱脅迫下，小麥種子的發芽率、發芽勢及發芽指數明顯降低，即小麥種子萌發生長減弱，這與前人的研究結果較為一致。

近年來，有關代換系的抗性及抗性基因的染色體定位已成為國內外專家的研究熱點，苑澤寧［13］以小麥－黑麥5A/5R二體代換系種子為材料，研究了不同濃度NaCl脅迫下種子萌發特性;李敏［14］利用一套以秈稻珍汕97B為背景、粳稻日本晴為供體的染色體片段代換(導入)系為材料，對水稻種子萌發速率進行數量性狀位點(QTL)分析，并精細定位其中一個主效QTL qGR2;Morgan等［15］利用埃及紅－中國春異代換系，將小麥滲透調節基因定位在7A染色體上。該試驗結果表明，Synthetic 6x的5B、6B、4D、6D和7D染色體上可能存在干旱脅迫下提高種子活力、促進種子萌發的基因，可在抗旱育種中加以利用。

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