小麥雜交后代衡9966與親本及近緣品種抗旱性比較

王梅菊 李 揚(yáng)

(1.衡水學(xué)院生命科學(xué)系， 河北 衡水 053000；2.河北省農(nóng)作物抗旱研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所， 河北 衡水 053000；3.深州市種業(yè)有限公司， 河北 深州 053800)

干旱是制約農(nóng)作物產(chǎn)量的主要因素之一。全球干旱、半干旱地區(qū)約占土地總面積的36%，占耕地面積的43%[1]。植物對(duì)干旱的承受能力不僅僅只是與干旱強(qiáng)度、速度有關(guān)，而且更受其本身基因的影響[2]。相當(dāng)大一部分農(nóng)作物將能夠進(jìn)行相關(guān)抗旱基因的表達(dá)，前提是需要在一定干旱闕值脅迫范圍內(nèi)，會(huì)發(fā)生一系列的生理生化及相關(guān)形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面的變化。因此，深入探究農(nóng)作物的內(nèi)在抗旱原理，科學(xué)選育適合半干旱地區(qū)種植的優(yōu)良農(nóng)作物品種，對(duì)于水資源的合理利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著不同尋常的意義。

衡9966是通過雜交、回交及與60Co-γ射線輻射誘變相結(jié)合的方式選育的一個(gè)小麥新品種，于2018 年通過河北省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定(審定編號(hào)為 20180019)。其選育過程為：2009年配制雜交組合〔8099(良星99/小黑麥//良星99)/良星66)，收獲后對(duì)F0進(jìn)行60Co輻射處理；2010年F1代選育，同時(shí)對(duì)收獲種子再次進(jìn)行輻射處理，以增加優(yōu)良變異；2011年—2016年后代系譜法選育。前期的研究表明，衡9966田間性狀(株高、小穗數(shù)、千粒重等)優(yōu)于雙親，是一個(gè)節(jié)水、豐產(chǎn)、抗逆的冬小麥新品種[3]。衡9966具有正向超雙親的葉綠素含量以及葉綠素a/b比值[4]，并且具有優(yōu)于親本的抗鹽性能[5]。但衡9966在干旱缺水環(huán)境下的生理表現(xiàn)，還未進(jìn)行系統(tǒng)分析。本實(shí)驗(yàn)以衡9966及親本良星99、良星66與近緣品種濟(jì)麥22為研究對(duì)象，研究干旱脅迫下小麥幼苗生長狀況、各項(xiàng)生理指標(biāo)的變化，探究小麥雜交后代與親本抗旱性的差異，為今后的小麥抗旱研究與雜交育種工作提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

小麥雜交后代衡9966及其親本良星66、良星99以及近緣品種濟(jì)麥22(和良星99、良星66有共同的親本魯麥14)。由河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作所提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將4個(gè)品種的小麥種子用0.1% HgCl2消毒10 min，蒸餾水沖洗干凈，濾紙法發(fā)芽。待胚根長至2 cm左右時(shí)，將萌發(fā)一致的幼苗栽種在培養(yǎng)盒的紗網(wǎng)上，每個(gè)品種30棵，1/2 Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)。幼苗長至3葉期時(shí)開始干旱處理，用15%聚乙二醇6000(PEG-6000)模擬水分脅迫處理，PEG-6000用1/2 Hoagland溶液配置，對(duì)照仍用1/2 Hoagland溶液培養(yǎng)。采取逐日增加PEG-6000的方法，每日遞增5%，3 d后達(dá)到脅迫最終濃度15%。光周期為自然日長，溫度在15～25 ℃之間，培養(yǎng)過程中每5 d更換1次培養(yǎng)液。處理15 d后進(jìn)行各實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的測定。每個(gè)處理至少3次重復(fù)。

1.3 指標(biāo)測定方法

用電子天平分別稱量地上部分和根部鮮重，計(jì)算根冠比。

硫代巴比妥酸顯色法測定丙二醛(MDA)含量，脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法，超氧化物歧化酶(SOD)的測定采用氮藍(lán)四唑(NBT)法，紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性，愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[6]。

變化率(%)=[(處理-對(duì)照)/對(duì)照]×100%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件進(jìn)行分析，隸屬函數(shù)法計(jì)算各品種的抗旱隸屬函數(shù)，確定抗旱等級(jí)[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)不同品種小麥鮮重及根冠比的影響

干旱脅迫后4個(gè)品種小麥鮮重降低，表明干旱缺水已影響到小麥的生長。其中衡9966鮮重降低幅度較小。干旱脅迫下，為了保證水分的吸收，植物往往通過增加根系體積來加強(qiáng)水分的吸收。表1表明，除濟(jì)麥22根冠比變化較小外，其余3個(gè)品種的根冠比均表現(xiàn)為顯著增加。

表1 干旱脅迫下不同品種小麥鮮重及根冠比的變化

供試材料測定指標(biāo) 鮮重/g 根冠比 對(duì)照干旱處理變化率/%對(duì)照干旱處理變化率/%良星992.70A2.32A-14.10.37B0.47A35.9良星663.27A2.82A-13.80.34B0.50A45.7衡99663.05A2.75B-9.80.40B0.57A42.5濟(jì)麥223.2A2.83B-11.60.42AB0.48A20.0

注：表中同行不同大寫字母表示差異極顯著(p>0.01)。下同。

2.2 干旱脅迫下不同品種小麥丙二醛含量的變化

丙二醛(MDA)是植物細(xì)胞在干旱脅迫下膜脂過氧化的產(chǎn)物，它對(duì)細(xì)胞具有很強(qiáng)的毒性，不僅嚴(yán)重破壞膜和細(xì)胞中的許多生物功能分子，而且還會(huì)參與破壞生物膜的結(jié)構(gòu)與功能，因而是膜系統(tǒng)受傷害的重要標(biāo)志之一[8]。由表2可見，干旱脅迫下親本良星66和良星99丙二醛含量差異顯著，良星99升高幅度達(dá)78.9%，衡9966變化不顯著，升高幅度最低。

表4 水分脅迫下小麥抗氧化酶活性的變化

品種生理指標(biāo) SOD/(U·g-1) CAT/[U·(g·min)-1] POD/[△A470·(g·min)-1] 對(duì)照干旱處理變化率/%對(duì)照干旱處理變化率/%對(duì)照干旱處理變化率/%良星99114B148A29.8182.6A158.0A-535382A29645B-16.21良星66101B128A26.7175.1A114.8B-3431889A23484B-26.36衡9966123B164A33.3182.4A202.6A11.125639A21980B-14.27濟(jì)麥22132A140A6.1202.2A157.1B-2222924A22268A-2.86

表5 水分脅迫下不同品種小麥的各項(xiàng)隸屬函數(shù)值

品種鮮重根冠比丙二醛脯氨酸SODPODCAT隸屬度良星9900.18000.6210.400.31良星660.860.710.900.810.20000.50衡99661110.3210.2710.80濟(jì)麥220.9500.64100.510.300.49

表2 水分脅迫對(duì)小麥丙二醛含量的影響

品種ck/(μmol·g-1)干旱/(μmol·g-1)變化率/%良星990.0159B0.0214A34.59良星660.012B0.0149A24.7衡99660.0155A0.0164A5.8濟(jì)麥220.0175B0.0194A11.2

2.3 干旱脅迫下不同品種小麥脯氨酸含量的變化

脯氨酸具有較強(qiáng)水合能力，是極其適合的滲透介質(zhì)。干旱脅迫下脯氨酸積累在保護(hù)小麥耐旱方面通過以下2種途徑，一是通過其偶極性，膜蛋白結(jié)構(gòu)的完整性得到保護(hù)，同時(shí)，膜的柔韌性也有改變；二是增強(qiáng)了小麥的滲透調(diào)節(jié)作用，使組織的抗脫水力增強(qiáng)。因此可視為作物自身的一種保護(hù)性適應(yīng)對(duì)抗外界干旱環(huán)境的措施[9]。由表3可知，4個(gè)品種小麥葉片中脯氨酸含量在干旱處理下急劇上升，與對(duì)照相比差異顯著，其中濟(jì)麥22變化率最大。

表3 水分脅迫下小麥脯氨酸含量的變化

品種ck/(μg·g-1)干旱/(μg·g-1)變化率/%良星9962B229A269良星6654.7B235.9A332衡996655.2B215.8A289濟(jì)麥2248.9B219.5A349

2.4 干旱脅迫對(duì)不同品種小麥抗氧化酶的影響

超氧化物歧化酶(SOD)是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，原因在于減輕了超氧負(fù)離子本身及其所產(chǎn)生的其它活性氧對(duì)機(jī)體的傷害，作為自然界唯一一個(gè)以氧自由基為底物的酶，可以淬滅超氧負(fù)離子產(chǎn)生H2O2，組成了細(xì)胞體內(nèi)第一條抗氧化防線，一般來說，水分脅迫下植物體內(nèi)的SOD活性與植物抗氧化能力呈正相關(guān)[10]。由表4可見，4個(gè)品種的超氧化物歧化酶(SOD)活性在干旱脅迫下均升高，衡9966升高幅度最大。

由于過氧化氫酶的特性是能將H2O2分解為H2O和O2，能大量減少由過氧化氫(H2O2)誘發(fā)的單線態(tài)氧(O2-)以及產(chǎn)生的某些自由基，能夠在干旱脅迫條件下起到保護(hù)植物、延緩植物衰老的作用。由表4可知，良星66、良星99和濟(jì)麥22的CAT活性在干旱脅迫下均降低，差異顯著，且只有衡9966活性升高。

POD是廣泛存在于植物中的一種抗氧化酶，它與CAT作用類似，把H2O2轉(zhuǎn)化為H2O。由表4可見，4個(gè)小麥品種的POD活性在干旱脅迫下均降低，降低幅度不同，濟(jì)麥22降低較少，衡9966次之。

2.5 干旱脅迫下不同品種小麥的各項(xiàng)隸屬函數(shù)值

將每一供試材料主要性狀的具體隸屬值進(jìn)行累加，求平均值得到該材料的隸屬度。根據(jù)隸屬度控制四級(jí)制劃分標(biāo)準(zhǔn)以及表5可知，4個(gè)小麥品種的隸屬抗旱性順序?yàn)楹?966>良星66>濟(jì)麥22>良星99。

3 結(jié)論與討論

干旱脅迫下，植物體的生理生化過程發(fā)生不同程度變化，MDA含量、脯氨酸含量、抗氧化酶等一些與抗旱性關(guān)系密切的指標(biāo)可作為抗旱性鑒定指標(biāo)[11]。在本實(shí)驗(yàn)中，衡9966在鮮重和根冠比的變化均表現(xiàn)出較好的抗旱性能。Riesa等研究認(rèn)為，MDA含量高低和細(xì)胞膜透性的改變是反映細(xì)胞膜脂過氧化作用強(qiáng)弱和脂膜破壞程度的重要指標(biāo)[12]。研究表明，抗旱性較強(qiáng)的小麥品種在干旱脅迫下能夠保持較低水平的MDA[13-15]，本實(shí)驗(yàn)表明，雖然4個(gè)品種的丙二醛含量均升高，但衡9966的丙二醛變化率最低，表明衡9966減緩干旱傷害的能力較強(qiáng)。滲透調(diào)節(jié)是植株抵抗水分脅迫的一種重要方式，小麥的滲透調(diào)節(jié)也主要通過脯氨酸等親和性溶質(zhì)的積累來體現(xiàn)[16]，干旱脅迫下，4個(gè)品種的脯氨酸含量均大幅度升高。

植物細(xì)胞在長期進(jìn)化過程中形成了防御活性氧離子毒害的保護(hù)酶系統(tǒng)，其中主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)，來維持植物體內(nèi)活性氧離子代謝的動(dòng)態(tài)平衡[17]。本實(shí)驗(yàn)表明，小麥在干旱脅迫時(shí)葉片組織內(nèi)的SOD活性升高，且由于4個(gè)品種小麥抗旱性存在著差異，SOD活性上升的的幅度也不盡相同，衡9966和親本均有較高幅度的上升。而小麥葉片中CAT活性變化除衡9966活性上升外，其它3個(gè)品種小幅降低。所有小麥葉片POD的活性均降低，推測可能是干旱脅迫引起的POD、CAT活性變化可能存在滯后效應(yīng)，但抗旱性強(qiáng)的品種往往表現(xiàn)出較高的酶活性或下降幅度較低[16,18]。

抗旱性是一個(gè)受多因素影響復(fù)雜的數(shù)量性狀，不同品種小麥對(duì)某一單項(xiàng)理化指標(biāo)的抗旱性反應(yīng)不一定相同，植物的抗旱性是由于多因素的相互作用相互疊加的結(jié)果。因此，若用單一指標(biāo)難以全面準(zhǔn)確地反映各品種抗旱性的強(qiáng)弱，利用隸屬函數(shù)分析可以對(duì)材料進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)隸屬度可知， 4個(gè)品種中，雜交后代衡9966隸屬度最高，達(dá)到了0.80，抗旱性相比于親本和近緣品種有較大程度的提高，至于生育期是否保持較強(qiáng)的抗旱性還有待于進(jìn)一步研究。衡9966高于親本的抗逆性是否是由于60Co輻射引起了基因突變也有待于基因水平的進(jìn)一步揭示。