小麦近缘种芽期和苗期的耐盐性鉴定与评价

哈力旦·依克热木,刘 娜,刘联正,周安定,姜奇彦,达买力江·合孜尔,曹俊梅,张新忠

(1.新疆农业科学院粮食作物研究所/农业部西北地区小麦抗旱耐盐生物学科学观测实验站,乌鲁木齐 830091;2.中国农业科学院作物科学研究所,北京 100094;3.阜康市水磨沟乡农业发展服务中心,新疆昌吉 831500)

0 引 言

【研究意义】小麦是我国主要的粮食作物[1]。土壤盐渍化影响小麦的生长[2]。选育耐盐碱小麦品种是改良盐碱土壤有效快捷的方法。在选育耐盐作物品种时,利用现有的耐盐性较强的种质资源作为亲本材料,通过杂交技术手段选育后代,使得耐盐性状得以表现,选育出具有耐盐性,综合性状优良的品种[3]。作物产量突破都有赖于特异种质资源的发掘和利用。培育优异抗旱、耐盐小麦新品种是解决问题最根本、最经济、最有效的手段。挖掘和利用主要性状相关基因资源对小麦遗传改良有重要意义[4]。作物耐盐性是一个复杂指标且对环境敏感。作物生长早期是整个发育过程的基础,极易受到逆境胁迫伤害,最终影响产量。芽期和苗期是研究作物耐盐性的重要时期[5-7]。小麦耐盐性鉴定是小麦种质资源鉴定评价、耐盐品质选育以及耐盐机理的基础研究,土壤盐渍化严重影响小麦生产,提高小麦耐盐性是应对土壤盐渍化的主要途径之一。耐盐种质资源是耐盐性遗传改良的材料基础。小麦近缘材料是栽培小麦改良所需优异外缘基因的主要来源,拥有多种栽培小麦改良的优异基因。通过耐盐性鉴定对筛选出小麦耐盐育种的种质资源或直接用于小麦生产的新品种有实际意义。【前人研究进展】陈新等[8]在NaCl单盐胁迫条件下,采用燕麦种子发芽生长抗盐鉴定的方法对小麦进行耐盐性鉴定表明,发芽率是一项耐盐筛选的理想指标。刘旭等[9]芽期、苗期耐盐性鉴定,获得3份耐性较强的材料。由于小麦耐盐性是多基因控制的多种生理生化代谢的综合表现,耐盐性鉴定研究比较复杂。小麦近缘种具有极强的环境胁迫耐性,一直承担着改良普通小麦种质遗传资源和基因库的重任[10],赵贤等[11]对野生二粒小麦抗旱耐盐种质资源的鉴定及全基因组关联进行分析,通过多层研究,筛选出耐旱耐盐性种质资源。杜雅楠等[12]对20个来源于普通小麦与华山新麦草的杂交衍生后代材料进行萌发期和幼苗期的抗旱性研究,以确定其抗旱性强弱,并利用基因组原位杂交(GISH)技术,对小麦-华山新麦草衍生后代抗旱性最强的材料进行了检测,为华山新麦草优良基因更好的应用于小麦改良打好基础。曹俊梅等[13-14]对盐胁迫对新疆冬小麦幼苗形态和生理特性的影响为目的,分析了新疆主栽小麦品种苗期耐盐性差异。通过利用2%硫酸钠模拟盐分胁迫,研究11个新疆主栽小麦品种幼苗的形态和生理特征,利用加权隶属函数法分析鉴定指标和幼苗的耐盐性。研究不同浓度的NaCl和Na2SO4混合盐溶液对冬小麦种子发芽及幼苗生长的影响,得出了盐分浓度的增加,3个小麦品种的种子发芽率、发芽指数、活力指数、芽长及根长都呈下降趋势,均与盐浓度呈极显著负相关。收集小麦近缘种为材料,开展小麦近缘种质资源的耐盐性鉴定和评价工作,对挖掘小麦近缘种特有的(耐盐)基因资源,明晰资源的遗传基础和多样性,将促进小麦资源的利用。从作物类型、不同盐胁迫和生长发育等方面鉴定和筛选作物耐盐性,对小麦耐盐性的生理适应性鉴定具有重要参考价值。小麦近缘种质资源含有大量的抗逆、抗病虫和优质基因,可以通过人工远缘杂交等方法转育到现代的栽培品种中,并逐步应用到小麦遗传改良和品种选育中,对促进小麦品种改良,培育耐盐小麦新品种有重要意义。【本研究切入点】耐盐、高产、优质小麦新品种的选育难度不断增加。新疆已有对普通小麦品种的耐盐性研究有报道,但对小麦近缘种的耐盐性研究较少或尚未报道。植物在不同生育期耐盐性存在差异,为精准筛选出优异的小麦近缘耐盐资源,也需分别对芽期和苗期进行耐盐性鉴定、评价。【拟解决的关键问题】以38(含对照)份小麦近缘种为材料,利用两种浓度NaCl处理种子和幼苗,筛选耐盐种质,通过有效结合转基因小麦耐盐性鉴定的技术规程,从丰富的小麦近缘材料中筛选出一批强耐盐种质,拓宽小麦遗传基础为小麦耐盐性研究及小麦抗逆育种提供评价方法和基础材料。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料38份小麦近缘种(1份普通小麦为对照,冬性材料28份,春性材料10份)由中国农业科学院作物科学研究所提供,设备也由中国农业科学院作物科学研究所(种质资源抗逆性评价课题组)提供。

1.2 方 法

1.2.1 小麦近缘种芽期 NaCl 胁迫及耐盐性鉴定

芽期耐盐性鉴定在温室可控的培养箱与人工气候室内进行。相对盐害率与耐盐性级别作为萌发期耐盐性鉴定的主要指标。芽期鉴定实验以培养皿(直径为9 cm)作为发芽床。38份材料挑选发育正常的种子均为地放入铺有二层滤纸的培养皿中,每盒50粒。5 mL浓度为1.2%的NaCl溶液进行胁迫处理,以无离子水培养作为正常处理,设3次重复。将种子培养皿置于20℃培养箱中,每天光照16 h,暗培养8 h。对照材料4 d、盐胁迫材料8 d统计发芽率(芽长超过种子的1/2为发芽标准)。将38份材料分别置于5 mL无离子水(对照)和1.2% NaCl溶液中培养,统计发芽数,并挑选5～10株(对照处理)调查芽长,根长,根数,芽鲜重,根鲜重等指标初步鉴定材料的多样性。统计发芽率,相对发芽率,相对盐害率,评价芽期耐盐性。

统计盐胁迫和对照种子发芽率,相对盐害率。以相对盐害率作为萌发期耐盐性的评价指标。相对盐害率以α表示(%)。

1.2.2 小麦近缘种苗期NaCl胁迫及耐盐性鉴定

小麦近缘种苗期耐盐性实验采用Hoangland营养液培养。发芽第4 d,将每柱分别移到96孔板子上。浮漂在培养槽Hoangland营养液中,放入组培间25℃恒温,光照,恢复培养3 d,换成1.2% NaCl溶液。盐害指数与受害级别作为苗期耐盐性鉴定的主要标准。幼苗经过 Hoangland 营养液恢复培养3 d后用1.2%的NaCl溶液进行胁迫处理。20 d后对每株苗进行受害分级并统计盐害指数,对苗期耐盐性进行评价并对比芽期和苗期耐盐性级别。图4,图5

2 结果与分析

2.1 NaCl盐胁迫对小麦近缘种萌发期指标影响

研究表明,供试材料的多样性丰富,在NaCl盐胁迫条件下,发芽率是受抑制较严重的一个生理指标,发芽率最小值、最大值、平均值分别为0、100%、66.7%;与对照相比下降46%、19.3%、最大值无变化。表2

图1 芽期正常处理条件下各项指标对比

表1 供试材料各项指标的多样性

续表1 供试材料各项指标的多样性

表2 发芽率变化

筛选出高耐盐材料21份,耐盐材料8份。供试材料在不同处理阶段的差异性也较大。表3,图2,图3

表3 萌发期耐盐分级与评价标准

图2 萌发期耐盐材料及耐盐级别

式中:XCK-对照平均发芽种子粒数;XT-盐处理平均发芽种子粒数;α-相对盐害率。

2.2 苗期 NaCl盐胁迫对植株生长的影响

研究表明,成活率100%的材料有15份,大于80%的有20份,小于60%的有3份材料。成苗率100%的材料有3份,大于80%的有15份,小于50%的有12份材料。成活率与成苗率均为100%的材料2份,分别为XM944(野生一粒小麦)、RM050(小亚山羊草)。图4,图5盐害指数以β表示:

图3 不同处理之间的差异

图4 苗期耐盐性级别

式中:Ci-受害级别;Ni-每个级别株数;n-检验样本总株数;5-盐害最高级别。

筛选出苗期耐盐材料7份,中耐盐材料17份,敏感材料12份,高敏材料2份。

2.3 小麦近缘种芽期与苗期耐盐性比较

研究表明,部分材料的差异较大。XM5、XM8-1、XM9、XM10、XM15、XM712、XM838、XM943、XM1098、RM105在芽期为耐盐,而苗期属于敏感材料。RM8、RM142在芽期为敏感,而苗期为中耐盐材料。也发现了芽期和苗期耐盐类型相同的材料。2个时期均为耐盐材料有7份,分别为XM884、XM886、XM836、XM883、XM879、XM1106和新冬34(对照),中耐盐材料2份,分别为RM103、RM078,敏感材料4份,分别为XM65、XM944、RM143、RM050。图6,表4

图6 芽期与苗期耐盐性级别对比

2.4 小麦近缘种在盐胁迫条件下芽期和苗期耐盐性分布

研究表明,在萌发期盐胁迫条件下高耐盐材料21份(占55.2%),耐盐材料8份(占21%),中耐盐材料3份(占7.8%),敏感材料4份(10.5%),高敏材料2份(5.2%)。苗期胁迫条件下耐盐材料7份(占18.4%),中耐盐材料17份(占44.7%),敏感材料12份(占31.5%),高敏材料2份(5.2%)。

3 讨 论

3.1 NaCl盐胁迫对小麦近缘种萌发期指标及苗期植株生长的影响

萌发期盐胁迫条件下,由于盐分过多而使作物种子水势降低,吸水困难,使细胞缺水,容易破坏细胞膜的稳定性和完整性,影响种子萌发和幼苗的生长[15,16]。芽期和苗期的耐盐性是植物全生育期耐盐的基础环节。研究在前人研究的基础上,对38份材料芽期胁迫浓度为1.2%,苗期胁迫浓度为1.5%的NaCl溶液处理。结果表明,供试材料在芽期对盐胁迫不太敏感,被筛选出21份高耐盐材料占总材料的55.2%。

苗期胁迫处理中,未发现高耐盐材料,筛选出耐盐材料7份,占总材料数的18.4%。

芽期耐盐性体现在种子的吸水膨胀能力,机理是抵御渗透胁迫;苗期的耐盐机理是拒Na+[16-18]。导致小麦不同发育阶段耐盐能力的差异,即芽期表现耐盐材料,苗期不一定具有耐盐性。试验拟合芽期和苗期耐盐性评价关系的结果来看,两个时期无显著相关。原因就是2个时期的耐盐机理不完全相同,与前人的研究结果基本一致。

3.2 幼苗成活率,成苗率与芽期苗期耐盐级别的关系

幼苗成活率100%的材料2个时期出现敏感或高敏感的情况。其中只有2份材料(XM886,XM879)芽期和苗期为高耐盐和耐盐材料。成苗率100%的(XM944,RM50)在2个时期均为敏感和高敏材料。成活率与成苗率均大于80%的共9份材料中4份(XM884,XM883,XM1106,新冬34号)为高耐盐和耐盐材料。3份(XM009,XM008-1,XM015)为苗期敏感材料,而在芽期为高耐盐,耐盐,中耐盐类型。成活率、成苗率与2个时期的耐盐类型无显著相关。

表4 芽期、苗期耐盐鉴定结果

4 结 论

4.138份(含对照)小麦近缘种在芽期和苗期进行了单盐(NaCl)胁迫处理。采用5个耐盐级别,筛选出芽期高耐材料21份,分别为XM886、XM826、XM829、XM712、XM16、XM943、XM837、XM1107-1、XM836、XM838、RM130、XM10、XM1107、XM711-1、RM54,XM883、XM879、XM1106、 XM708、XM15、对照(新冬34号),高敏材料2份(高大山羊草)RM142、RM143。获得中耐材料3份:RM103(尾状山羊草)、RM78(钩刺山羊草)、XM9(栽培二粒小麦)。

4.2采用植株受害指标筛选出苗期(未发现高耐盐材料)耐盐材料7份(其中蜜穗小麦5份,圆锥小麦1份),分别为XM884、XM886、XM836、XM883、XM879、XM1106、对照(新冬34号)。获得高敏材料2份:分别为XM944(野生一粒小麦)、RM50(小亚山羊草)。获得中耐材料17份,分为XM826、XM829、XM16、XM837、RM142、XM11071、XM711、RM130、XM1107、RM103、RM104、RM126、RM54、RM78、RM8、XM708、XM711-1。

4.3对照材料新冬34号在新疆耐盐碱特性较强的小麦品种。小麦近缘种芽期和苗期使用的NaCl盐浓度能够作为耐盐鉴定与评价的适应浓度。