不同氮效率小麥品種苗期相關指標的雜種優勢

王漢霞,馬巧云,單福華,田立平,權 威,張勝全

(北京市農林科學院雜交小麥研究所/雜交小麥分子遺傳北京市重點實驗室,北京 100097 )

小麥是人類主要糧食作物之一,在世界各地被廣泛種植。氮是作物生長發育不可或缺的營養元素,也是影響作物代謝的限制因素之一。人們為了提高作物產量而投入大量的氮肥到土壤中,張福鎖等[1]研究表明,我國大多數農業生產區域施氮量過多,造成土壤和水污染,甚至使作物產量降低。因此,提高氮肥利用效率、選育氮高效小麥品種至關重要。關于小麥氮效率的研究已有較多報道,如張國平等[2]研究表明,不同基因型小麥的氮利用效率存在差異;趙 瑞等[3]對108份小麥的氮效率進行研究,發現不同基因型成株期的氮效率存在差異。前人研究發現,在特定氮素水平下,小麥的產量、群體質量與氮效率存在正相關關系[4];小麥單株總根長、根總表面積、單株根尖數、莖葉干重、根干重、葉面積、全氮含量可以作為小麥苗期不同氮效率類型的篩選指標[5-7];低氮脅迫使小麥葉片和根部的硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)活性及氮含量和氮積累量均降低[8]。

Kant等[9]和侯文通等[10]認為,選育氮高效品種可提高小麥氮肥利用效率。王琳琳等[11]發現,低氮高效和高氮高效小麥品種雜交,低氮環境有利于選擇優良后代。我國小麥氮高效利用的研究主要集中在不同氮素利用效率品種的評價方法及指標的篩選,對不同氮水平下,不同氮效率品種的雜種優勢研究較少。本研究選用5個不同氮效率小麥品種及其組配的6個雜交F1,在兩個氮水平下對其苗期形態及氮代謝相關酶的活性進行分析,探討不同氮效率小麥及其雜交F1苗期相關指標的差異,以期為小麥氮高效育種的親本選配提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為本課題組前期篩選出的5個不同氮效率的小麥品種京冬8(JD8,氮低效)、矮抗58(AK58,氮低效)、京農18-8(JN18-8,氮高效)、京農18-96(JN18-96,氮高效)、鄭麥366(ZM366,氮高效)及將其作為親本組配成的6個雜交F1,組合分別為JN18-8/JD8、JN18-8/AK58、JN18-96/JD8、JN18-96/AK58、ZM366/JD8、ZM366/AK58。

1.2 幼苗培養方法

幼苗采用水培培養,設置兩個氮水平:低氮(LN,0.4 mmol·L-1)和正常供氮(CK, 4.0 mmol·L-1),氮源為Ca(NO3)2。各材料均取100粒種子用5%的H2O2消毒5 min,用去離子水洗凈;置于培養盒中,于光照培養箱中去離子水培養至一葉一心;將幼苗移入氮水平為0.2和2.0 mmol·L-1的1/2 Hoagland營養液中緩苗2 d,后分別轉入氮含量0.4和4.0 mmol·L-1的Hoagland營養液中,繼續培養25 d,期間每隔3 d換一次營養液,用電動氣泵連續通氣,每個處理三次重復。試驗在光照培養室內進行,光照強度為 4.8×104Lx,光/暗時間為16 h/8 h,溫度為 25 ℃/20 ℃,相對濕度為60%。

1.3 取樣方法

將1.2中培養25 d的幼苗從培養盒中取出,用流動的去離子水沖洗干凈,用吸水紙吸干附著水;每個處理取10株材料,按根、苗分開,測定鮮重;于105 ℃的烘箱中殺青30 min后80 ℃烘干至恒重,測定根、苗干重后,用于氮含量的測定。

按上述方法每個處理取樣10株,分別取葉片和根,液氮速凍后置于-80 ℃保存,用于氮代謝相關酶活性的測定。

1.4 測定指標與方法

氮含量:采用半微量凱氏定氮法測定[12]。

采用南京建成生物工程研究所生產的試劑盒測定超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、硝酸還原酶(NR)活性、谷氨酰胺合成酶(GS)活性、谷氨酸脫氫酶(GDH)活性、丙二醛(MDA)含量。

可溶性蛋白含量:采用考馬斯亮藍G-250法測定[13]。

1.5 數據統計與分析

中親優勢(mid-parent heterosis,MH)=(F1值-雙親平均值)/ 雙親平均值×100%;超高親優勢(better parent heterosis,BH)=(F1值-高值親本值)/高值親本值×100%;超低親優勢(lower parent heterosis,LH)=(F1值-低值親本值)/低值親本值×100%;偏低親優勢表示F1雜種優勢大于超低親優勢但小于中親優勢;若F1值超過親本均值,為正雜種優勢,若低于親本均值,則為負雜種優勢。

數據用Excel 2007和DPS v 7.05進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮水平下小麥苗期植株干鮮重的遺傳分析

由表1可知,正常氮水平下小麥苗鮮重均高于低氮水平,不同材料差異程度不同;兩個氮水平下,組合ZM366/AK58和JN18-8/AK58的F1均表現出正向雜種優勢,其中組合ZM366/AK58的F1在正常供氮水平下表現出超親優勢;JN18-96/AK58的F1在正常供氮水平下表現中親優勢,組合JN18-8/JD8和JN18-96/JD8的F1在低氮水平下表現出中親優勢。

表1 不同氮水平下小麥苗期植株干鮮重及雜種優勢

大部分供試材料在低氮條件下的根鮮重高于正常氮水平,不同基因型的增減幅度不同,其中,組合JN18-8/JD8的F1在兩個氮水平下均表現為超親優勢,其他組合在低氮水平下表現為超中親或偏低親優勢。6個F1中,僅有2個F1(JN18-8/AK58和JN18-8/JD8)的苗干重同時在兩個氮水平下表現出超中親優勢;有3個F1(ZM366/JD8 、ZM366/AK58和JN18-8/JD8)的根干重同時在兩個氮水平下表現出超中親優勢或超高親優勢。ZM366/AK58和 JN18-8/AK58的F1表現出較好的根、苗干重和鮮重雜種優勢。

2.2 不同氮水平小麥苗期氮含量與氮積累量的遺傳分析

由表2可以看出,低氮水平下,各材料地上部含氮量較正常供氮水平降低1.5～1.7倍,根部氮含量降低1.8～2.1倍;除組合ZM366/JD8外,其他組合F1的地上部含氮量均表現正向雜種優勢。低氮較正常供氮水平,各供試材料地上部氮積累量降低1.9～3.2倍,根部氮積累量降低0.9～1.4倍。組合ZM366/JD8、ZM366/AK58和JN18-8/D8的F1地上部和根的氮積累量均表現正向雜種優勢。正常氮水平下,組合JN18-96/AK58的F1地上部和根的氮積累量均表現為超中親優勢;在低氮條件下,組合JN18-8/JD8的F1地上部和根的氮積累量均表現為超中親優勢。所有組合中,只有JN18-96/JD8的F1地上部和根的氮積累量在低氮條件下表現為超低親雜種優勢。

表2 不同氮水平下小麥苗期植株氮含量、氮積累量及雜種優勢

2.3 不同氮水平下小麥苗期氮代謝相關酶活性的遺傳分析

硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸脫氫酶(GDH)是植物葉片涉及氮代謝的主要同化酶。由表3可見,正常氮水平下,各供試材料葉片中GS、GDH和NR活性整體高于低氮水平;除ZM366/JD8的F1中NR活性表現為偏低親優勢外,其他組合F1葉片中的GS、GDH和NR活性均表現超中親甚至超高親優勢。低氮水平下,除JN18-8/AK58的F1中GS和GDH活性表現低親優勢外,其他組合F1的GS和GDH活性和NR活性均表現超親或者超高親優勢。氮高效品種葉片氮代謝酶活性均高于氮低效品種。

表3 不同氮水平下小麥苗期葉片氮代謝相關酶活性及雜種優勢

由表4可知,正常氮水平下各供試材料根系GS、GDH和NR活性高于低氮水平。正常氮水平下,除組合JN18-8/AK58、JN18-8/JD8的F1中GDH活性表現為低親優勢外,其他組合F1的GS、GDH和NR活性均表現超中親甚至超高親優勢。低氮水平下,除ZM366/JD8的F1根系中NR活性、JN18-96/AK58與ZM366/AK58的F1中GDH、NR活性表現低親優勢外,其他組合F1根系中的GS、GDH和NR活性均表現超中親或者超高親優勢。氮高效品種根系GS、GDH活性高于氮低效品種。

表4 不同氮水平下小麥苗期根系氮代謝相關酶活性及雜種優勢

2.4 不同氮水平下小麥苗期抗氧化酶活性的遺傳分析

SOD、POD、CAT是生物防御活性氧傷害的重要保護酶類,能有效的阻止活性氧的快速積累。由表5可以看出,正常氮水平下葉片中SOD、POD、CAT活性高于低氮水平,說明氮素水平升高可提高小麥幼苗葉片內的抗氧化酶活性。正常氮水平下,組合JN18-96/AK58、ZM366/AK58、 JN18-96/JD8的F1葉片中SOD活性表現為低親優勢,組合ZM366/JD8的F1的葉片POD活性表現為超低親優勢,其他組合F1的SOD活性、POD活性、CAT活性均表現為超親優勢或者超高親優勢。低氮條件下,除組合JN18-96/JD8的F1葉片POD活性表現為低親優勢外,其他組合F1的SOD、POD、CAT活性均表現為超親優勢或者超高親優勢。

表5 不同氮水平下小麥苗期葉片抗氧化酶活性及雜種優勢分析

由表6可以看出,正常氮水平下根系中SOD、POD、CAT活性高于低氮水平,說明氮素水平升高可提高小麥幼苗根系內抗氧化酶活性。正常氮水平下,雜交組合JN18-96/AK58的F1根系SOD活性、ZM366/AK58和JN18-8/AK58的F1根系SOD和POD活性、 JN18-8/JD8和JN18-96/JD8的F1根系的POD活性表現為低親或超低親優勢外,其他組合F1的SOD、POD、CAT活性均表現為超親優勢或者超高親優勢。低氮條件下,組合ZM366/JD8、JN18-96/AK58、ZM366/AK58、JN18-8/AK58的F1根系SOD活性、JN18-96/JD8的F1根系POD活性、JN18-96/AK58和JN18-96/JD8的F1根系CAT活性表現為低親優勢或超低親優勢,其他組合F1的SOD、POD、CAT活性均表現為超親優勢或者超高親 優勢。

表6 不同氮水平下小麥苗期根系抗氧化酶活性及雜種優勢分析

2.5 不同氮水平下小麥苗期葉片MDA含量與可溶性蛋白含量遺傳分析

由表7可知,在低氮水平下葉片MDA含量較正常氮水平提高,且氮低效品種JD8的MDA含量最高,氮高效品種JN18-8的MDA含量最低,說明氮高效品種在低氮條件下能維持細胞膜的穩定狀態。正常氮水平下,組合JN18-96/AK58、JN18-8/AK58的F1葉片MDA含量表現為偏低親優勢,組合ZM366/AK58、JN18-8/JD8的F1表現為超中親優勢,組合ZM366/JD8、JN18-96/JD8的F1表現為超高親優勢,但F1與其親本間差異不顯著。低氮條件下,組合ZM366/AK58的F1葉片MDA含量表現為超高親優勢,組合JN18-8/AK58、 JN18-8/JD8的F1表現為超中親優勢,組合ZM366/JD8、JN18-96/JD8的F1表現為偏低親優勢,組合JN18-96/AK58的F1表現為超低親優勢。

由表7可以看出,正常氮水平下,各供試材料葉片的可溶性蛋白含量高于低氮水平;除組合JN18-96/JD8的F1外,其他組合F1的葉片可溶性蛋白含量均表現出超中親或超高親優勢。低氮條件下,氮高效品種的葉片可溶性蛋白含量稍高于氮低效品種,6個F1葉片的可溶性蛋白含量均表現超高親優勢。

表7 不同氮水平下小麥苗期葉片MDA、可溶性蛋白含量及雜種優勢

由表8可知,正常條件下,6個F1的根系MDA 含量表現為中親、低親或超低親優勢。在低氮條件下,供試材料根系的MDA含量增加,且氮低效品種根系的MDA含量較氮高效品種高,說明氮低效品種受到的傷害大,6個F1均表現為中親或低親優勢。

由表8可以看出,正常條件下,除組合JN18-96/AK58的F1外,其他組合F1的根系的可溶性蛋白含量均表現出超中親或超高親優勢,與葉片表現一致。在低氮條件下,除JN18-96/JD8外,其他組合的F1根系可溶性蛋白含量表現為偏低親或者超低親優勢。

3 討論與結論

氮素是作物生長發育的重要營養元素之一,選育氮高效小麥品種是提高小麥氮效率、實現減氮豐產的有效措施[14-17]。前人研究表明,不同基因型小麥具有不同的氮利用效率,低氮脅迫下,不同基因型小麥均表現出地上部生物量降低、根部生物量升高,且氮高效品種的根部生物量增幅更大[18-19];苗期根系的主要形態數量性狀可作為衡量氮效率的篩選指標[7]。本研究表明,低氮水平下,各基因型小麥的根系鮮重高于正常氮水平下,這與前人的研究結果一致,這說明低氮可誘導根系的生長,在一定程度上促進根系對氮素的吸收,緩解氮脅迫對植株生長的不良影響。本研究中,組合ZM366/AK58、JN18-8/AK58的F1葉片和根系鮮重均表現為超中親或超高親優勢。

在氮脅迫下,小麥會產生更多的活性氧使小麥細胞膜脂過氧化,損傷細胞膜,抗氧化酶能快速清除細胞中的活性氧,保護細胞膜受到損傷[28]。有研究表明,小麥旗葉的SOD、POD、CAT活性在一定的范圍內隨施氮水平的增加而提高[29-30]。本研究表明,氮高效小麥品種葉片和根系的抗氧化酶活性高于氮低效小麥品種,更利于細胞完整性的維持;組合JN18-8/AK58和JN18-8/JD8的F1葉片中三種抗氧化酶活性在兩個氮素水平下的均表現出超中親或超高親優勢。

MDA含量是植物膜脂過氧化程度的體現,本研究發現,在低氮條件下,小麥MDA含量增加,且氮低效品種的MDA含量大于氮高效小麥品種,說明氮低效小麥品種的細胞膜受的傷害較大。可溶性蛋白是細胞重要的滲透調節物質,本研究中,葉片可溶性蛋白含量在正常施氮條件下高于低氮,且在低氮條件下,氮高效小麥品種的可溶性蛋白含量高于氮低效小麥品種,組合ZM366/AK58和JN18-8/JD8的F1葉片的MDA和可溶性蛋白含量均表現出了超中親或超高親優勢,組合JN18-96/JD8的F1根系的MDA和可溶性蛋白含量均表現出了超中親或超高親優勢。說明利用氮效率雜種優勢配置雜交組合可以作為培育小麥氮高效小麥新品種的一種途徑。

王琳琳等[11]研究發現,不同氮效率小麥品種配置的雜交組合在不同氮水平下,大多數指標表現為正向雜種優勢。本研究中,6個雜交組合F1葉片的NR、GS、GDH、SOD、POD、CAT活性、可溶性蛋白含量大多存在中親或高親優勢,根系的NR、GS、GDH、CAT活性、MDA含量大多存在中親或高親優勢。正常施用氮肥能夠有效提高小麥苗期葉片SOD、POD、CAT活性,增加可溶性蛋白含量,降低膜脂過氧化程度,提高NR、GS、GDH活性。在低氮條件下,氮高效品種比氮低效品種生長的更好,雜交F1也表現出了較好的耐低氮性,所以以氮高效小麥品種作為親本配制雜交組合可以作為氮高效育種的有效方法。