小麦RIL群体苗期抗旱性综合评价

来源:用户上传      作者: 程凯　解树斌　蒲艳艳　李斯深

　　摘 要：以小麦“山农0431×鲁麦21”RIL群体的177个系及其父母本为材料，在水培条件下，用PEG-6000模拟干旱胁迫分析小麦苗期抗旱相关性状的群体变异；利用主成分分析对所测定抗旱指标进行综合筛选，并对材料的抗旱性进行综合评价。通过对14个抗旱相关指标的主成分分析表明：前5项主成分累计贡献率为8215%，所代表的5类指标，可作为小麦苗期抗旱性鉴定指标，其重要性为生物量>根冠比>相对生长率、苗高>失水率>根数、最大根长。抗旱综合评价结果表明：父本鲁麦21的D值为057，较母本山农0431抗旱性强，群体综合抗旱性有较大的分离变异，群体中有90个系的抗旱性低于母本山农0431，有11个系抗旱性高于父本鲁麦21，有57个系抗旱性在两亲本之间。
　　关键词：小麦；重组自交系；抗旱性；苗期；综合评价
　　中图分类号：S11+7；S512.1+10.1 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2012）11-0017-05
　　Comprehensive Evaluation on Drought Resistance of
　　Wheat RIL Population at Seedling Stage
　　Cheng Kai1， Xie ShuBin2*， Pu YanYan1， Li SiShen1**
　　（1. State Key Laboratory of Crop Biology / College of Agronomy， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China；
　　2.Institute of Crop Science， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan 250100， China）
　　Abstract With the recombinant inbred lines （RILs） derived from the cross "Shannong 0431 × Lumai 21" as materials， 14 morphological and physiological traits related with drought resistance were analyzed at the seedling stage under hydroponic cultivation with the osmotic stress treatment induced by PEG-6000. The drought resistance indicators were comprehensively screened by the principal components analysis， and the drought resistance of the materials was comprehensively evaluated by the membership function value analysis. The results showed that five could be used as the indicators for seedling drought resistance identification with the accumulative contribution rate as 82.15%， and the order of their importance was biomass>root-shoot ratio>relative growth rate and seedling height>dehydration rate>root number and the maximum root length. The comprehensive evaluation results indicated that the drought resistance of the male parent Lumai 21 was higher than that of the female parent Shannong 0431. There was a great variation separation of the drought resistance among the RIL population. The drought resistance of 11 lines was higher than that of the parent Lumai 21， 90 lines was lower than the parent Shannong 0431， and 57 lines was between the two parents.
　　Key words Wheat； Recombinant inbred lines （RILs）； Drought resistance； Seedling stage； Comprehensive evaluation
　　干旱在我国分布广泛，对农业生产影响非常严重。据统计，我国每年受旱面积已上升到（2 700～3 300）× 104 hm2，成灾面积达到1 200 × 104 hm2[1]。小麦是世界上最重要的粮食作物之一[2，3]，有超过35%的人口以小麦为主食，有70%的小麦播种区域分布在干旱和半干旱地区[4]。选育抗旱性好的小麦品种是降低干旱危害的有效方法[5]。
　　小麦重组自交系（recombinant inbred line，RIL）群体可在很大程度上消除遗传背景干扰，从而较为准确地反映不同性状间的关系[7]。国内外学者对小麦的抗旱机制进行了深入研究，筛选出了一大批与抗旱性有关的形态和生理指标[8]。如间断干旱试验结果表明，在干旱条件下株高、植株平均绿叶数、叶片干物质等性状均有变化[9]；Landjeva等（2008）[10]在PEG模拟干旱胁迫条件下检测了小麦水培幼苗的根长、胚芽鞘长、苗高及根长苗高比共4个性状，认为根长和胚芽鞘长是小麦幼苗期抗旱的重要指标。周晓果等（2005）[11]在干旱胁迫及非胁迫两种条件下调查了小麦水培幼苗的单株根数、最长根长、根鲜重、根干重、根茎鲜重比及根茎干重比等根系性状，表明小麦苗期根数和根干重与其抗旱性密切相关。 　　本研究以小麦RIL群体为材料，在PEG-6000模拟干旱胁迫和正常水分处理两种条件下，调查抗旱相关性状在群体中的变异情况，并用主成分分析结合隶属函数法综合评价其抗旱性，为小麦苗期抗旱分析及抗旱育种研究提供参考。1 材料与方法
　　11 试验材料
　　材料为小麦RIL群体177个系及其父母本，亲本组合为“山农0431×鲁麦21”。其中鲁麦21水分利用效率高，抗旱性强；山农0431为大粒新种质，抗旱性一般。
　　12 试验设计
　　采用水培法，每次试验设置PEG胁迫和非胁迫（CK）两个处理，重复3次。整个试验重复2次，时间分别为2011年10月19日至11月19日和2011年11月28日至12月28日。试验在山东农业大学温室实施。小麦RIL群体及其父母本种子经10%双氧水消毒5 min后，用蒸馏水冲洗数次，放入培养皿中，在光照培养箱中培养幼苗（温度为25℃，光照周期12 h/d，相对湿度60%～70%）。当幼苗长至一叶一心时，挑取健壮、长势一致的幼苗，植于发芽盘中，每穴2株，用海绵固定植株。将发芽盘置于盛有20 L Hoagland营养液的黑色塑料盒中，保持根系的黑暗生长环境，以塑胶封住发芽盘周围间隙，防止水分蒸发。培养1天后，胁迫处理以含192% PEG-6000的Hoagland营养液进行水分胁迫处理（小麦抗旱性鉴定评价技术规范：GB/T 21121-2007），非胁迫处理则不加PEG。处理8天后测定相关性状[11]。
　　13 指标测定
　　本试验选择以下性状作为抗旱指标测定的相关性状[10，11]。
　　根数、最长根长、苗高、地上部鲜重、地下部鲜重、地上部干重、地下部干重均采用常规方法测定。
　　总鲜重=地上部鲜重+地下部鲜重
　　总干重=地上部干重+地下部干重
　　鲜重根冠比=地下部鲜重/地上部鲜重
　　干重根冠比=地下部干重/地上部干重
　　相对生长率（%）=（处理8天后苗高-处理前苗高）/处理前苗高×100
　　失水率=（鲜重-失水后重）/鲜重（将称过鲜重的小麦幼苗地上部或地下部放入30℃的干燥器中，在黑暗条件下干燥6 h，再称量失水后的重量）
　　14 抗旱性评价
　　141 性状相对值 为了减少各株系之间的固有差异，采用性状相对值进行抗旱性综合评价[12～14]。
　　性状相对值=（干旱胁迫下性状测定值/正常水分下性状测定值）×100
　　142 隶属函数值 用公式（1）求得每个株系各综合指标得分的隶属函数值[17]。
　　u（Xj）=（Xj-Xmin）/（Xmax-Xmin）
　　j=1，2…n
　　（1）
　　式中：Xj表示第j个综合指标的平均值，Xmin表示第j个综合指标的最小值，Xmax表示第j个综合指标的最大值。
　　143 综合指标权重 用公式（2）求出各综合指标的权重[17]。
　　Wj=Pj/∑nj=1Pj j=1，2…n
　　（2）
　　式中：Wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度，即权重；Pj为第j个综合指标的贡献率。
　　144 各株系抗旱性综合评价 用公式（3）计算各株系的综合抗旱能力大小。
　　D=∑nj=1[u（Xj）×Wj] j=1，2…n
　　（3）
　　式中：D值为各株系抗旱性综合评价值。可将各株系按照抗旱综合评价分为3级进行评价[15]，同时结合群体亲本抗旱能力，划分为以下3个评价标准：1级：D值≥050，为高抗旱型； 2级：D值在030～049之间，为较抗旱型；3级：D值<030，为不抗旱型。
　　145 数据处理 应用SAS统计软件进行基本统计量及主成分分析。
　　2 结果与分析
　　21 抗旱性状表型变异及相关性分析
　　由RIL群体性状表型（表1）分析表明，对照群体生长明显好于PEG处理的生长状况。除胁迫处理下失水率变异系数小于10%外，其他性状变异系数范围在1295%～5060%之间，变异范围较大。
　　从性状相关系数（表2）可以看出：形态相关性状之间大都呈极显著相关性，如：苗高和根数、苗高和最大根长之间均呈现极显著相关性；生理和形态性状间以及生理性状间呈现出显著或极显著相关性，如：根部失水率和根数、根部失水率和叶片失水率分别呈现出显著、极显著相关性；生物量相关性状间大都表现为显著或极显著相关，如：地上部鲜重和苗高、地下部鲜重和最大根长分别呈现出显著、极显著的相关性；鲜重根冠比和地下部鲜重呈现极显著相关性，干重根冠比和地上、地下部干重均呈现出极显著相关性。所选性状间均存在一定相关性，表明试验所选调查性状合理，说明小麦苗期抗旱机制较为复杂。各性状间的相关性表明，所选性状可用于对群体进行主成分分析和抗旱性综合评价的研究。
　　表1
　　RIL群体14个性状表型分析
　　处 理 性 状
　　最小值 最大值 平均值 标准差 变异系数（%）
　　胁 迫
　　最小值 最大值 平均值 标准差 变异系数（%）
　　根数 5000 12250 7731 1370 17723 3500 10000 6651 1050 15781
　　最大根长 5750 23750 15041 3044 20240 4500 15900 7554 1648 21820
　　苗高 14175 33375 22992 3728 16214 12800 38200 27229 4577 16808
　　相对生长率 0082 2170 0843 0427 50598 0206 2489 1166 0461 39529 　　地上鲜重 0216 0927 0451 0110 24468 0171 0439 0280 0051 18139
　　地下鲜重 0068 0297 0132 0039 29653 0047 0175 0086 0018 21077
　　鲜重根冠比 0176 0634 0293 0050 17209 0208 0440 0307 0040 12951
　　总鲜重 0299 1210 0583 0144 24707 0230 0615 0366 0066 18041
　　地上干重 0026 0096 0045 0011 24881 0022 0057 0036 0007 18828
　　地下干重 0006 0045 0010 0004 39755 0005 0016 0009 0002 21812
　　干重根冠比 0159 1113 0232 0087 37678 0145 0559 0249 0051 20451
　　总干重 0031 0117 0056 0014 25034 0029 0072 0045 0008 17978
　　地上失水率 0072 0684 0296 0093 31321 0403 0955 0846 0058 6801
　　地下失水率 0182 0685 0376 0084 22390 0733 0908 0838 0036 4283
　　表2
　　群体性状相关系数
　　性状 根数 最大根长 苗高 相对生长率 地上部鲜重 地下部鲜重 鲜重根冠比 总鲜重 地上部干重 地下部干重 干重根冠比 总干重 地上失水率
　　最大根长 -0003
　　苗高 0301** -0316**
　　相对生长率 0208** -0250** 0828**
　　地上部鲜重 -0001 0222** -0159* -0134
　　地下部鲜重 -0009 0234** -0053 -0088 0798**
　　鲜重根冠比 -0033 0116 0025 0016 -0142 0456**
　　总鲜重 -0008 0235** -0100 -0130 0986** 0886** 0014
　　地上部干重 -0153* 0069 -0071 -0100 0476** 0430** 0017 0483**
　　地下部干重 -0037 0111 -0010 -0044 0688** 0771** 0219** 0742** 0362**
　　干重根冠比 0063 -0032 0162* 0174* -0104 0042 0188* -0065 -0400** 0381**
　　总干重 -0154* 0075 -0070 -0102 0557** 0524** 0048 0572** 0981** 0515** -0314**
　　地上失水率 0106 0017 0041 -0069 0056 -0058 -0137 0030 -0128 -0080 0042 -0126
　　地下失水率 -0184* 0064 -0077 -0091 0051 -0022 -0066 0033 0044 -0079 -0155* 0030 0200**
　　注：* 表示相关性分析005显著水平，** 表示相关性分析001极显著水平。22 抗旱性状主成分分析
　　用SAS软件对14个单项指标的抗旱性状相对值进行主成分分析，前5个主成分的贡献率分别为：4031%、1505%、1065%、892%和722%，累积贡献率达8215%，其余忽略不计。这样就把原来14个单项指标转换为5个新的相对独立的综合指标，分别定义为第1到第5主成分（表3）。在第1主成分中，地上部、地下部和总
　　表3 各综合指标因子载荷系数、贡献率及权重主成分 CI（1） CI（2） CI（3） CI（4） CI（5）
　　根数 -0125 -0002 0341 -0163 0715
　　最大根长 0189 -0153 -0165 0298 0552
　　苗高 -0231 0357 0437 -0053 -0131
　　相对生长率 -0171 0314 0522 -0022 -0041
　　地上部鲜重 0385 -0084 0242 -0023 -0013
　　地下部鲜重 0375 0222 0061 0044 0099
　　鲜重根冠比 0027 0497 -0299 0114 0207
　　总鲜重 0395 -0018 0211 -0003 0012
　　地上部干重 0390 -0032 0124 -0178 -0073
　　地下部干重 0311 0397 -0098 -0095 -0009
　　干重根冠比 -0065 0530 -0261 0095 0075
　　总干重 0394 0071 0079 -0169 -0069
　　地上失水率 0002 -0038 0307 0631 0104
　　地下失水率 0110 0033 0055 0624 -0292
　　贡献率（%） 4031 1505 1065 892 722
　　权重（%） 491 183 130 109 88
　　鲜重，地上部、地下部和总干重的因子载荷系数较大，均为生物量性状；第2主成分中，鲜重根冠比和干重根冠比的因子载荷系数较大，均为生物量根冠比性状；第3主成分中，相对生长率和苗高的因子载荷系数较大，为苗期地上部生长率性状；第4主成分中，叶片失水率和根部失水率的因子载荷系数较大，为水分利用性状；第5主成分中，根数和最大根长的因子载荷系数较大，均为苗期根系生长性状。 　　23 综合评价
　　根据5种主成分的贡献率大小，用公式计算得到抗旱能力综合评价值D值。根据D值，对群体亲本和各株系进行抗旱性强弱排序（表4），其中株系37的D值（002）最小，表明抗旱性最差；株系133的D值（083）最大，其抗旱性最强。父本鲁麦21（D值为057）抗旱性强于母本山农0431（D值为032）。其中有90个株系抗旱性低于两亲本，有57个株系抗旱性在两亲本之间，有11个株系（9、56、97、101、104、111、133、140、165、173和176）抗旱性强于父本。D值≥050的有27个株系，其中有4个株系（9、56、140、170）千粒重大于50 g，可作为抗旱育种材料利用。
　　表4
　　RIL群体各个株系及其父母本抗旱性综合评价
　　抗旱性级别 株系号（D值）
　　不抗旱（<030） 37（002） 160（003） 12（004） 17（005） 162（005） 72（005） 52（006） 53（008）
　　158（008） 73（008） 28（008） 149（008） 164（009） 5（009） 58（009） 44（010）
　　15（011） 45（011） 116（012） 49（012） 124（012） 19（013） 123（014） 54（014）
　　159（014） 118（014） 27（015） 113（015） 169（016） 90（016） 143（017） 1（017）
　　93（017） 157（017） 23（018） 2（018） 16（018） 114（018） 4（018） 177（019）
　　171（019） 59（022） 63（022） 13（022） 126（022） 129（023） 152（023） 22（023）
　　67（023） 110（024） 112（024） 61（024） 71（024） 8（024） 109（024） 40（024）
　　137（024） 79（024） 43（025） 128（025） 150（025） 62（026） 94（026） 60（026）
　　33（027） 39（027） 121（028） 122（028） 76（028） 131（028） 144（028） 83（029）
　　74（029） 48（029） 153（029） 81（029）
　　较抗旱（030～049） 155（030） 166（030） 151（030） 50（030） 26（031） 25（031） 108（031） 3（031）
　　34（031） 136（031） 87（032） 69（032） 64（032） 105（032） 179（032） 30（032）
　　46（033） 168（033） 75（033） 65（035） 68（036） 51（036） 82（037） 36（037）
　　115（038） 57（039） 174（039） 55（039） 91（039） 146（039） 41（040） 24（040）
　　70（041） 96（041） 38（041） 119（041） 80（043） 127（044） 35（045） 148（045）
　　156（045） 78（045） 145（046） 154（046） 92（046） 172（046） 163（046） 175（047）
　　29（047） 18（047） 47（048） 138（048） 139（048） 32（049） 135（049） 100（049）
　　161（049）
　　高抗旱（≥050） 167（050） 117（051） 89（051） 42（051） 31（051） 88（051） 95（052） 14（052）
　　130（052） 66（053） 170（054） 142（054） 106（055） 134（055） 98（056） 178（057）
　　97（058） 104（060） 165（063） 176（066） 140（066） 56（070） 173（072） 101（075）
　　9（081） 111（082） 133（083）
　　注：表中179（032）为母本山农0431；178（057）为父本鲁麦21。
　　3 结论与讨论
　　小麦的抗旱性是受多基因控制的复杂性状，利用单项指标鉴定小麦抗旱性有较大的局限性。以往研究表明，采用多个指标以“平均隶属函数值”法鉴定作物抗逆性较为可行[17，18]，许多学者利用隶属函数法对小麦抗旱性进行综合评价[12～18]。采用主成分分析法，以综合指标隶属函数值的加权平均值对21个小麦代换系及其亲本的抗旱性进行了分类和评价，该方法可在不损失或很少损失原有信息的前提下，将个数较多而且彼此相关的指标转换成新的个数较少且彼此独立的综合指标，求出每一个综合指标值的隶属函数值后进行加权，得到各品种抗逆性的综合评价值，从而对各作物品种的抗逆性进行评价[16～18]。
　　小麦抗旱与环境条件的影响有较大关系，本试验以常用的PEG-6000模拟干旱胁迫，在较大程度上消除了群体株系间及环境条件带来的干扰。本研究供试材料的14个性状值为生物量积累、根系生长、苗期相对生长率、植株水分等方面的形态及生理性状的相对值，对其通过主成分分析转换为5项综合指标，然后利用隶属函数法求得该RIL群体苗期各株系及亲本抗旱性综合评价值（D值），从而较为科学地对RIL群体苗期抗旱性进行评价。结果表明，小麦RIL群体苗期综合抗旱性有较大的分离变异，超亲分离普遍存在，该群体适于进一步用来进行小麦苗期抗旱相关性状遗传机理和QTL定位研究。主成分分析表明：生物量、根冠比、相对生长率、失水率、根数、最大根长等主成分与小麦综合抗旱能力关系密切，可作为小麦早期抗旱鉴定指标。由各株系及父母本D值可见，其中既抗旱又有较高千粒重的株系可作为抗旱育种材料。参 考 文 献： 　　[1] 王法宏，李升东，张 宾，等2009年山东省小麦早春旱情分析及春季麦田管理意见[J]山东农业科学，2009， 2：99-100[2] Hischenhuber C，Crevel R，Jarry B，et alSafe amounts of gluten for patients with wheat allergy or coeliac disease[J]Aliment PharmacolTher， 2006，23：559-575
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