中国春-长穗偃麦草异代换系、异附加系的氮营养性状

张小村,孔凡美,郭　军,孔令让

(1.山东农业大学 食品科学与工程学院,山东 泰安　271018;2.山东农业大学,土肥资源高效利用国家工程实验室,山东 泰安　271018;3.山东农业大学 农学院,作物生物学国家重点实验室,山东 泰安　271018)



中国春-长穗偃麦草异代换系、异附加系的氮营养性状

张小村1,孔凡美2,郭军3,孔令让3

(1.山东农业大学 食品科学与工程学院,山东 泰安271018;2.山东农业大学,土肥资源高效利用国家工程实验室,山东 泰安271018;3.山东农业大学 农学院,作物生物学国家重点实验室,山东 泰安271018)

摘要：为从小麦近缘植物长穗偃麦草中寻找氮高效基因,在高、低氮2个水平下,以中国春-长穗偃麦草二体异附加系和二体异代换系为试材,对其氮素利用特性进行了鉴定和遗传分析。结果表明:5E附加系氮素生理利用效率在低氮处理下极显著高于对照中国春，5E代换系氮素生理利用效率在高氮处理下显著高于对照中国春，4E代换系氮素总累积量和籽粒氮累积量在高、低氮处理下均显著高于对照中国春，表明5E和4E染色体可能分别携有促进氮素生理利用效率和促进氮素吸收转运的高效基因，长穗偃麦草5E和4E染色体可以作为提高小麦氮营养特性的有益基因资源。

关键词：长穗偃麦草;二体异代换系;二体异附加系;氮效率

小麦(Triticumaestivum,AABBDD)是世界上仅次于水稻的第二大粮食作物,是我国第三大粮食作物,也是我国重要的商品粮和战略储备粮,在国家粮食安全中具有突出地位。氮肥作为生命元素,在保障小麦高产稳产中具有重要作用[1-3]。我国小麦每年的氮肥用量高达 5 426 kg/hm2[4],但是氮肥利用率仅为22.4%～38.5%[5],损失的氮肥给环境带来了巨大压力[6-7]。提高氮肥利用率对于减少小麦生产成本、保护环境均具有重要现实意义。充分挖掘小麦的遗传潜力,培育氮高效小麦品种,是提高氮肥利用效率的重要途径之一。然而,由于小麦遗传基础狭窄,其本身可利用的氮高效遗传资源贫乏,严重阻碍了小麦氮高效育种进展[8]。而小麦的野生近缘植物中含有丰富的有益基因,因此,从小麦野生近缘植物中寻找氮高效基因,对于小麦氮高效遗传改良具有十分重要的意义。

长穗偃麦草(Agropyronelongatum,2n=2x=14,EE)是小麦近缘野生种,具有抗病性强、抗逆性好等特点。研究结果表明,长穗偃麦草3E、4E染色体可能含有改良小麦光合作用的高光效基因[9],1E、7E染色体含有抗赤霉病主效基因[10],4E、6E染色体携有耐低磷营养胁迫基因[11],2E、4E染色体对提高小麦旗叶光合速率的效应明显,3E、4E及6E染色体上可能携有对提高小麦产量有利的基因[12],另外,4E染色体上还可能携有K/Na判别基因,这种基因的耐盐功能要强于普通小麦4D染色体上的相关基因[13]。并且,长穗偃麦草E基因组与小麦A、B、D基因组的遗传分化程度相对较小,容易与普通小麦杂交并实现遗传重组。因此,长穗偃麦草已成为普通小麦遗传改良不可多得的重要野生近缘物种之一[14-19]。然而,有关长穗偃麦草E组染色体在小麦背景中对氮素利用效率的研究还鲜见报道。

本试验采用普通小麦中国春为对照，以中国春的长穗燕麦草E基因组附加系、代换系为供试材料,通过研究不同附加系、代换系材料氮效率的变化,探讨长穗偃麦草基因组中可能与氮效率有关基因的染色体定位,为利用染色体工程或基因工程手段将有关基因导入普通小麦,以改良这一重要特性提供材料。

1材料和方法

1.1试验材料

普通小麦中国春-长穗偃麦草(Agropyronelongatum,2n=2x=14,EE)二体异代换系(Disomic substitution lines,DS)7份,分别标记为:DS1E(1D)、DS2E(2D)、DS3E(3D)、DS4E(4D)、DS5E(5D)、DS6E(6D)、DS7E(7D),在这些试材中,普通小麦-中国春的1D-7D染色体分别被长穗偃麦草的1E-7E染色体所替代;普通小麦中国春-长穗偃麦草二体异附加系(Disomic addition lines,DA)7份,分别标记为:DA1E、DA2E、DA3E、DA4E、DA5E、DA6E、DA7E;这些试材中,普通小麦-中国春的正常染色体组中又分别附加了长穗偃麦草的1E-7E染色体。

1.2试验设计与实施方法

采用田间盆栽试验,试验设置了低氮和高氮2个处理,完全随机试验设计,重复3次。于2009-2010年在山东农业大学试验基地进行,试验用土系潮土,基础土壤pH值 8.1、有机质18.087 g/kg、全氮1.030 g/kg、全磷0.718 g/kg、碱解氮121.367 mg/kg、速效磷(Olsen-P)8.117 mg/kg、速效钾(NH4OAC-K)63.248 mg/kg。供试土壤过筛3次,肥料与土壤混匀后装盆,每盆6.0 kg。每盆施P2O5(NaH2PO4)0.412g、K2O (K2SO4)0.594 g作为基肥,氮肥用量为低氮处理施用纯氮(尿素)0.9 g;高氮处理施用纯氮(尿素)2.7 g,其中40%做基肥,60% 在拔节期做追肥。

每盆混肥装土后压实、浇水,将盆子埋入土中15 cm,均匀播种5粒种子,出苗后留苗势一致的幼苗3株。根据土壤含水量浇水,每盆浇水量保持一致。2010年6月8日收获,分别将叶片、颖壳、籽粒装入纸质信封袋,烘箱70 ℃烘48 h,籽粒自然风干。分别测量地上部和籽粒重量,同时分别测定地上部和籽粒氮浓度。

1.3相关指标测定及计算方法

氮素浓度测定:硫酸-双氧水消解,凯氏定氮法测定;收获指数(Harvest index,HI(mg/mg)):籽粒产量/地上部总干物质量×100%;氮素总累积量(Total nitrogen accumulation,TNA(mg/株)):单株地上部氮素累积量的总和;籽粒氮累积量(Grain nitrogen accumulation,GNA(mg/株)):单株籽粒氮素累积量的总和;氮素生理利用效率 (Nitrogen physiological efficiency,NPE(mg/mg)):地上部干质量/地上部氮累积量;氮素利用效率 (Nitrogen use efficiency,NUE(mg/mg)):籽粒产量/地上部氮累积量。

1.4数据分析

数据统计:采用SPSS 18.0分析软件进行方差分析。

2结果与分析

2.1小麦中国春-长穗偃麦草异代换系和长穗偃麦草异附加系干物质累积分析

相同氮处理下作物的生物量及籽粒产量的高低是评价其特定条件下不同材料养分效率差异的重要表观指标。以中国春作为参比,比较中国春-长穗偃麦草异代换系和长穗偃麦草异附加系与小麦中国春生物量及产量的差异能够明确不同氮处理条件下E染色体代换及附加对生物产量及籽粒产量的影响。

2.1.1小麦中国春-长穗偃麦草异代换系的干物质累积由表1看出，高氮处理下的DS5E(5D)总干物质量显著高于对照中国春。高氮处理下DS1E(1D)收获指数极显著低于中国春，DS5E(5D)的收获指数显著低于中国春。

2.1.2小麦中国春-长穗偃麦草异附加系干物质累积低氮处理下,DA5E总干物质量极显著高于对照中国春,高氮处理下,DA5E总干物质量也高于对照小麦中国春,这表明5E染色体含有能增加总生物量的基因。然而,1E-7E附加系单株籽粒产量在高、低氮处理下均低于对照小麦中国春。特别是低氮处理下的DA1E、DA2E、DA3E附加系和在高氮处理下的DA1E附加系,其籽粒产量均显著或极显著低于对照小麦中国春,表明这些染色体可能含有对产量不利的基因。尤其是1E附加系,在高低氮处理下单株籽粒产量均显著或极显著低于对照中国春(表1),表明这些染色体特别是1E染色体可能含有对产量不利的基因。在高、低氮处理下,1E-7E附加系收获指数均低于或显著低于对照小麦中国春。

表1　小麦中国春-长穗偃麦草异代换系和异附加系干物质累积比较

注:*、**.0.05和0.01水平上与背景亲本中国春差异显著。表2同。

Note:*,**.Significant difference with Chinese Spring at 0.05 and 0.01 level.The same as Tab.2.

2.2小麦中国春-长穗偃麦草异代换系和异附加系氮营养性状的差异

2.2.1小麦中国春-长穗偃麦草异附加系氮素累积量与氮素利用效率由表2看出,在高、低氮处理下,DA5E氮素总累积量、籽粒氮累积量均高于对照中国春,但差异不显著，表明5E染色体可能携有氮高效吸收基因。同时,低氮处理下,DA5E氮素生理利用效率极显著高于对照小麦中国春,表明5E染色体可能携有氮素生理利用高效基因。

低氮处理下,DA2E氮素总累积量、籽粒氮累积量均显著低于对照小麦中国春,这表明低氮条件下,2E染色体可能携有强烈抑制氮素吸收的基因。高氮处理下,DA2E氮素生理利用效率显著低于对照小麦中国春,表明2E染色体可能携有抑制氮素生理利用效率的基因。

不论在高氮还是低氮处理下,1E-7E附加系氮素利用效率均低于对照小麦中国春,特别是低氮处理下,DA1E、DA2E、DA5E附加系的氮素利用效率极显著低于对照小麦中国春,高氮处理下,DA1E、DA2E、DA3E附加系氮素利用效率显著或极显著低于对照小麦中国春,表明这些染色体上可能携有强烈抑制氮素利用效率的基因。

2.2.2小麦中国春-长穗偃麦草异代换系氮素累积量与氮素利用效率在高、低氮处理下，DS4E(4D)氮素总累积量和籽粒氮累积量均显著高于对照中国春，这表明4E染色体可能携有促进氮素吸收及向籽粒转移累积的高效基因。高氮处理下，DS5E(5D)的氮素总累积量和籽粒氮累积量均显著高于对照中国春。低氮处理下，DS1E(1D)的氮素生理利用效率显著高于对照中国春，DS2E(2D)、DS3E(3D)、DS4E(4D)和DS6E(6D)的氮素生理利用效率显著低于对照中国春。高氮处理下，5E代换系氮素生理利用效率显著高于对照中国春。低氮处理下，1E-6E代换系氮素利用效率均极显著低于对照中国春。

表2　不同氮处理下小麦中国春-长穗偃麦草异代换系和异附加系氮营养性状相关指标

3讨论

已有研究表明长穗偃麦草染色体携有大量对小麦改良有益的基因,比如,长穗偃麦草4E染色体可能携有与耐低磷胁迫特性有关的主效基因[11]、抗赤霉病基因[10]、决定总根长和根系总表面积相关基因[20]、K/Na判别基因[13]等。本试验表明,长穗偃麦草4E染色体可能携有增加单株粒重的相关基因,其代换系的单株粒重在高、低氮处理下均高于对照小麦中国春。陈士强等[12]研究也表明,4E染色体对小麦千粒质量和收获指数有显著和极显著的提高作用,整体上对单穗籽粒产量也有提高作用,这说明长穗偃麦草4E染色体对小麦产量的提高有正向效益。

然而,本研究中低氮和高氮处理下,4E代换系的收获指数小于小麦中国春,4E染色体对小麦中国春收获指数表现了明显的负效应,这与陈士强等[12]的研究结果不同。收获指数是籽粒产量与地上部总干质量的比例,相对低的籽粒产量或相对高的地上部总干质量均可能导致收获指数偏低。本研究中4E代换系的粒重高于对照小麦中国春,而收获指数又低于小麦中国春,这可能是因为4E染色体不但对籽粒产量有正效应,对地上部总干质量也有正效应,而本试验中4E代换系的粒重在高、低氮处理下分别比对照中国春提高0.99%和6.83%,而总干质量则分别比对照中国春提高12.89%和17.83%,可见,4E代换系收获指数的负效应是由于4E染色体对地上部总干质量的效应高于其对单株籽粒产量的效应。

本试验中,4E染色体代换系的氮素总累积量在低氮和高氮条件下均高于小麦中国春处理,但是其生理利用效率和氮素利用效率在低氮条件下均显著低于中国春，在高氮条件下与中国春无显著差异。这表明,尽管长穗偃麦草4E染色体可能含有氮高效吸收基因,然而,由于4E代换系是外源4E染色体替换掉了普通小麦的4D染色体,在这个过程中,普通小麦本身的相对遗传平衡被打破,外源基因与普通小麦的核基因或与细胞质基因发生了一系列有利或不利的互作。而普通小麦经过长期人工驯化,基因组之间已经形成复杂又高度协调的有机整体[21-23],因此,其物质分配与代换系相比更加协调。

此外，高氮处理下， 5E代换系的氮素总累积量、籽粒氮素累积量及氮素生理利用效率显著高于对照中国春，表明5E染色体可能携有高氮条件下氮素高效吸收及氮素生理利用高效的基因。因此，长穗偃麦草4E、5E染色体可以作为改良小麦氮高效特性的有益基因资源。

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The Nitrogen Use Efficiency inTriticumaestivum-Agropyronelongatumwith Chinese Spring Background under Different Nitrogen Treatments

ZHANG Xiaocun1,KONG Fanmei2,GUO Jun3,KONG Lingrang3

(1.College of Food Science and Engineering,Shandong Agricultural University,Taian271018,China;2.National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer,Shandong Agricultural University,Taian271018,China;3.College of Agronomy,Shandong Agricultural University,State Key Laboratory of Crop Biology,Taian271018,China)

Abstract：The nitrogen(N) use efficiency was studied with one set of the disomic substitution lines and disomic addition lines of Triticum aestivum L.cv.Chinese Spring(CS)-Agropyron elongatum (Host)under high and low N levels.The 5E genomes of Agropyron elongatum might confer high N physiological efficiency genes because the substitution and addition lines of 5E achieved remarkable higher N physiological efficiency values than Chinese Spring in low and high N treatment,respectively.The 4E genomes of Agropyron elongatum might confer high N absorption and transfer efficient genes because the substitution line of 4E achieved significantly higher values of total N accumulation and grain N content than Chinese Spring in high and low N treatments.Therefore,the chromosomes of 5E and 4E of Agropyron elongatum would be useful genetic resources to improve wheat N efficient features.

Key words:Agropyron elongatum;Disomic substitution;Disomic addition;Nitrogen use efficiency

doi:10.7668/hbnxb.2016.02.026

中图分类号：S143.1

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2016)02-0159-05

作者简介：张小村(1978-),男,山东安丘人,讲师,博士,主要从事小麦遗传育种以及农产品加工研究。通讯作者：孔令让(1963-),男,山东菏泽,教授,博士,主要从事小麦遗传育种研究。

基金项目：国家自然科学基金面上项目(31171553)

收稿日期：2016-02-18