小麦茎秆可溶性碳水化合物积累转运的抗旱表型变异与遗传分析

窦佳欣，田 甜，刘 媛，张沛沛，车 卓，杨德龙

（1.干旱生境作物学国家重点实验室，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃兰州 730070；3.甘肃省种子总站，甘肃兰州 730070）

小麦（Triticum aestivum L.）是我国第二大粮食作物[1]。我国小麦常年播种面积在0.267 亿hm2以上，约占粮食作物种植面积的27%，占粮食作物产量的22%[2]。小麦主要分布在我国干旱和半干旱地区[3]。由于全球气候变暖，干旱频发，小麦生长发育受到严重影响，导致小麦产量大幅度降低[4]。当今小麦研究的热点问题是通过改善小麦自身抗旱性与节水潜能[5]来降低干旱对小麦产量造成的影响，进而实现干旱地区小麦增产稳产。

籽粒灌浆的主要来源是小麦营养器官中暂贮性可溶性碳水化合物（WSC）[6]。当干旱胁迫导致光合作用严重受阻时，茎秆WSC 对籽粒的潜在贡献率高达70%，从而提高籽粒质量对产量损失进行补偿[7]。研究表明，在干旱胁迫条件下，茎叶暂贮性WSC 可作为渗透调节物质通过维持渗透势来缓解逆境胁迫对小麦造成的损伤[8]，同时也可作为信号分子对小麦代谢过程进行生理调控[9-10]。冠层光合作用在小麦生长发育后期受到抑制[11]，以致于光合作用的产物无法满足呼吸和籽粒灌浆的需求，花前积累在茎叶中的WSC 为籽粒生长发育提供大部分碳源，高达50%以上[12]。进一步研究发现，小麦茎秆WSC 对籽粒产量的贡献主要取决于基因型、节位、发育时期和水分状况[13-14]。果聚糖是小麦营养器官中暂贮性WSC 的重要存在形式，在茎、叶、穗和种子中均有分布，其含量的高低直接反映营养器官蓄积贮藏WSC 的能力[2]。可见，小麦花后各器官果聚糖积累转运具有典型的时空特异性，并且这种特定生理模式与调节小麦源库平衡之间具有一定复杂的生理调节机制，但目前涉及该领域研究甚少。因此，选择不同水分环境条件下小麦不同遗传背景材料后代群体,对其茎秆WSC 积累转运进行遗传分析，更有利于发掘该性状的抗旱遗传信息。

本研究利用陕西抗旱对照品种西峰20 和山西抗旱丰产品种晋麦47 分别为供体亲本和轮回亲本，构建小麦回交导入系（ILs）群体，设置不同的水分环境，调查研究在干旱胁迫调控下小麦ILs 群体茎秆WSC 积累转运的遗传特性及变异规律，为小麦的抗旱改良及高效栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为小麦回交导入系群体（ILs）的146 个株系，群体的供体亲本和轮回亲本分别为抗旱对照冬小麦品种西峰20 和抗旱高产品种晋麦47。本试验材料由中国农业科学院作物科学研究所景蕊莲研究员课题组提供。

1.2 试验设计

试验在甘肃省榆中县金家营小麦试验点（35°51′N，104°07′E，平均海拔1 900 m，平均气温6.6 ℃，年降雨量450 mm、蒸发量1 450 mm，无霜期140 d）进行。2014 年10 月中旬播种，翌年6 月中旬收获，分干旱胁迫（DS）和正常灌溉（WW）2 个处理，播前统一底墒水900 m3/hm2。正常灌溉分2 次灌水，分别为拔节期和开花期，灌溉量均为750 m3/hm2。干旱胁迫处理仅在拔节期灌水750 m3/hm2，其后不补充灌水。试验为随机区组设计，各材料均为行播，行长1 m，行距20 cm，设3 次重复。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 目标性状的测定 随机选择长势一致的ILs群体各株系及其亲本的主茎做标记，在生长周期共剪取3 次主茎，分别是初花期、灌浆中期（花后14 d）和成熟期，每次15 株，去除小麦主穗和叶片后立即放入液氮保存。随后在低温真空干燥器（-60 ℃）中处理24 h 后105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒量。灌浆中期干物质量和成熟期干物质量分别记做DWf和DWm。采用蒽酮比色法来测定不同处理主茎WSC 的含量，分别记为WSCf（初花期）、WSCg（灌浆中期）和WSCm（成熟期），计算主茎WSC 花前转运率和WSC 花前贡献率。以上测定重复3 次。主穗脱粒测定千粒质量（TGW），求其平均值。

1.3.2 表型性状遗传多样性指数的计算 采用谱郭瑞盼等[15]的方法对性状表型多样性进行划级：计算参试材料总体平均数（X）和标准差（d），每0.5 d为一级，共分10 级，第1 级（Xi＜（X－2d））到第10 级（Xi＞（X＋2d）），每一级的相对频率用于计算多样性指数（H′）。

式中，Pi为某性状第i 级别中的材料份数占总份数的百分比。

1.4 数据分析

利用SPSS v22.0 对各目标性状进行方差分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 小麦ILs 群体及其亲本的性状表型

在不同水分环境下，小麦ILs 群体及亲本WSC相关性状表型存在明显差异（表1）。小麦ILs 群体两亲本的目标性状表型差异显著,其中，晋麦47 各表型显著高于西峰20。小麦ILs 群体的各目标性状表型值均介于2 个亲本之间，且普遍接近晋麦47；DS 处理的变异系数为44.54%～66.48%，WW 处理的变异系数为38.17%～53.87%。小麦ILs 群体及亲本的各目标性状表型变异均表现为干旱胁迫普遍高于正常灌溉，并且WSC 含量在灌浆期最高。各目标性状的偏度是-0.42～1.62，峰度是-1.68～3.31，普遍在0～1，表现出近正态分布的数量性状特点，并且在正常灌溉条件下的WSCf等性状表现出较大的偏度或峰度，表明这些性状呈尖峰的偏态分布。

表1 干旱胁迫下亲本小麦及其ILs 群体WSC 积累转运相关指标的表型变异

2.2 小麦ILs 群体各目标性状间的相关性分析

对干旱胁迫和灌溉条件下小麦ILs 群体的WSC 各性状的相关分析发现（表2），在2 种水分条件下，小麦ILs 群体WSCf与RRpr、CRpr 呈极显著正相关（r＝0.41**～0.43**和r＝0.59**～0.70**）；WSCm与RRpr、CRpr 呈极显著负相关（r＝-0.62**～-0.76**和r＝-0.52**～-0.54**）；RRpr 与CRpr 之间呈极显著正相关（r＝0.65**～0.68**）。在干旱胁迫条件下，WSCg与WSCm呈显著正相关（r＝0.16**）。各目标相关系数在干旱胁迫下（r＝-0.62**～0.70**）普遍大于正常灌溉（r＝-0.76**～0.59**）。说明干旱胁迫可促使果聚糖积累转运效率提高。

表2 干旱胁迫与灌溉条件下小麦ILs 群体各指标相关性分析

2.3 小麦ILs 群体WSC 积累转运性状表型多因素方差分析

小麦ILs 群体WSC 含量、转运率及对籽粒的贡献率均受到基因型、水分条件和发育阶段及各因子间互作效应的影响（表3）。根据各处理的变异平方和占总变异平方和的百分率（SSa/SST）值的大小及方差齐性检验（F）的显著性得出，对WSC 含量产生影响的因子主要是基因型（SSa/SST＝0.13，F＝31 167 271.25，P＜0.01）和基因型与发育阶段之间的互作（SSa/SST＝0.25，F＝201 229.81，P＜0.01）；对WSC 的转运率及贡献率产生影响的主要因子是基因型（SSa/SST＝0.27～0.39，F＝652.37～5 318.63，P＜0.01）。说明影响小麦ILs 群体WSC 积累转运相关性状的主要因子是其基因型和基因型与发育阶段的相互作用。

表3 小麦ILs 群体WSC 积累转运相关性状表型多因素方差分析

2.4 小麦ILs 群体WSC 积累转运性状表型多样性分析

小麦ILs 群体WSC 积累转运相关性状表型多样性丰富（图1），多样性指数较高（1.46～2.03）。灌浆期WSC 含量表型多样性指数最高，花前贡献率表型多样性指数明显高于花前转运率。与正常灌溉相比，干旱胁迫条件下的各目标性状表型多样性指数均显著变高。由此表明干旱胁迫丰富了小麦ILs群体WSC 积累转运相关性状表型多样性。

2.5 小麦ILs 群体WSC 积累转运相关性状的聚类分析

分别根据干旱胁迫和灌溉条件下小麦ILs 群体开花期WSC 含量、WSC 花前转运率和花前贡献率对群体146 份抗旱种质材料进行聚类分析发现，该群体正常灌溉和干旱胁迫条件下开花期WSC 含量分别分为五类和四类（图2）。干旱胁迫下，第Ⅰ类包括109 份材料，WSCf含量为560～610 mg/g；第Ⅱ类包括17 个份材料，WSCf含量小于400 mg/g；第Ⅲ类包括18 份材料，WSCf含量为470～520 mg/g；第Ⅳ类包括2 份材料，WSCf含量为635～659 mg/g。正常灌溉条件下，第Ⅰ类包括91 份材料，WSCf含量为325～397 mg/g；第Ⅱ类包括34 份材料，WSCf含量小于200 mg/g；第Ⅲ类包括13 份材料，WSCf含量为469～524 mg/g；第Ⅳ类包括7 份材料，WSCf含量为552～610 mg/g；第Ⅴ类只有1 份材料，WSCf含量为627 mg/g。通过对小麦ILs 群体146 份材料聚类分析发现，干旱胁迫条件下小麦ILs 群体大部分株系的WSCf含量为560～610 mg/g，而灌溉条件下为325～397 mg/g；干旱胁迫条件下有20 份材料的小麦WSCf含量大于600 mg/g，灌溉条件下仅有1 份，说明小麦在干旱胁迫条件下更利于WSC 的积累与转运。在干旱胁迫条件下的第Ⅳ类与灌溉条件下第Ⅴ类WSC 含量较高，由于WSC 含量越高越利于小麦自身的发育生长和营养物质的积累转运，所以，在挑选育种材料方面这3 份材料（编号58、119、123）更具有研究价值和意义。

3 结论与讨论

干旱胁迫导致小麦光合作用强度减弱，此时小麦茎秆中WSC 被认为是籽粒灌浆碳源物质的重要来源[14]，小麦可通过自身调节，促进营养器官中WSC向籽粒转运，使产量损失得以补偿[15-16]。本研究发现，适度干旱状态促使小麦茎秆WSC 含量增加，同时WSC 转运率及对籽粒贡献率也随之增加。小麦ILs 群体茎秆中WSC 含量表现为干旱胁迫大于正常灌溉，且在灌浆期最高；并且各性状之间变异系数较高，在38.17%～66.48%，证明该群体之间个体差异较大。干旱胁迫下初花期、灌浆中期和成熟期WSC 含量以及主茎WSC 花前转运率和花前贡献率相关系数普遍大于正常灌溉。特别在干旱条件下，小麦可能由于其本身微效复杂数量性状特点，进行一系列特定生理生化反应，促使灌浆期的WSC 进一步积累转运，避免干旱胁迫对小麦产量造成损失。

前人研究发现，小麦WSC 积累转运是典型多基因控制的复杂数量性状[17]，且对不同群体小麦WSC积累转运相关性状进行研究分析发现，不同群体均表现出了复杂的遗传特性[18]。因此，通过对不同基因型小麦进行不同水分处理，有利于深入发掘WSC相关性状的微效数量遗传机制[19-21]。本研究表明，小麦ILs 群体茎秆中WSC 积累转运相关性状表型变异广泛，干旱条件下WSC 表型变异显著提高并且表型多样性指数较正常灌溉高。说明干旱条件使小麦表型多样性得到丰富，同时小麦可能在一定程度上通过其复杂WSC 代谢反应和多基因表达，缓解水分缺失对植株造成的损伤，保证小麦达到稳产甚至高产的目的，这些结果为进一步发掘小麦果聚糖积累转运分子遗传机制提供了理论基础。本研究表明，小麦ILs 群体WSC 积累转运相关性状受基因型、水分条件和发育阶段及其互作影响。但本试验通过进一步多因素方差分析发现，影响小麦WSC 含量变异的主要因子是基因型和基因型及发育阶段互作，基因型是影响小麦WSC 花前转运率及贡献率的主要因子。进一步补充说明小麦ILs 群体WSC积累转运可能通过内外因子相互协调，促使其向小麦籽粒灌浆的高效转运。同时，从表型变异范围可以看出，各性状均存在超亲分离现象。本研究通过对2 种水分条件下小麦开花期WSC 含量及相关表型值进行聚类分析，得到3 份表型值较高的小麦品种（系），具有潜在的抗旱改良能力。说明小麦茎秆WSC 含量具备一定筛选抗旱品种的价值。