高溫脅迫下小麥耐熱性狀的評價方法

高溫脅迫下小麥耐熱性狀的評價方法

由于作物種植面積的擴大，極端高溫和水分不足已成為限制作物生長的主要因素。隨著地球平均氣溫的升高和極度高溫頻率的增加,將會在溫帶作物種植地區(qū)產(chǎn)生更大的熱脅迫壓力。因此,耐熱性機制的研究和耐熱性品種的培育已成了當前作物育種研究的一個新課題。小麥作為喜涼的C3作物,對高溫的生理適應性較差,生育期間的高溫脅迫經(jīng)常導致產(chǎn)量的降低。我國大部分麥區(qū)和世界主要小麥產(chǎn)區(qū),在小麥的籽粒灌漿期經(jīng)常出現(xiàn)30℃以上的高溫,這類天氣有時因氣溫很高或與其他環(huán)境互作(如干熱風)使小麥呼吸作用加劇,光合下降,細胞結(jié)構(gòu)和功能受到損傷,植株老化加速,從而對小麥的生長發(fā)育產(chǎn)生明顯的危害。據(jù)我國北方小麥干熱風協(xié)作組(1988)研究,干熱風在我國黃淮海流域及新疆麥區(qū)經(jīng)常發(fā)生,危害面積可達該流域小麥種植面積的1/3,使小麥減產(chǎn)10%～20%,我國北方和長江中下游麥區(qū)也常發(fā)生“高溫逼熟”災害。小麥是我國僅次于水稻的第二大糧食作物,我國又是高溫脅迫危害面積較大且比較頻繁的國家之一。目前,耐熱性機制的研究又是小麥遺傳育種研究中最薄弱的領域。因此,迫切需要開展這方面的研究以推動小麥耐熱性的遺傳改良。1材料和方法1.1試驗材料Seri82和SieteSerros及其23個重組近交系,共計25個材料。1.2期不同播期隨機區(qū)組設計,3次重復。行長1.5m,行距20cm,每行均勻點播30粒種子。高溫脅迫環(huán)境:①分期播種,03-12(正常播期),03-22(第二播期),04-03(第三播期)和04-13(第四播期)4個播期,其中以正常播期代表非脅迫環(huán)境,晚播代表高溫脅迫環(huán)境;②塑料大棚升溫處理,在小麥的籽粒灌漿后期(06-16),采用塑料大棚升溫的方法,對供試材料進行持續(xù)高溫處理,直至小麥成熟。1.3基因型及基因檢測田間觀察生育期,成熟期。在各試驗處理中隨機選取5株,室內(nèi)測定株高、小穗數(shù)、不孕小穗、穗長、單株穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、單株產(chǎn)量以及地上部分干物重,并按公式S=(1?YD/YP)/D?D=1?YDˉˉˉˉˉ/YPˉˉˉˉˉS=(1-YD/YΡ)/D?D=1-YDˉ/YΡˉ;GM=(YD·YP)/2,計算每一基因型穗粒重和千粒重的熱感指數(shù)和幾何平均單株產(chǎn)量和幾何平均穗粒重。其中,S表示千粒重或穗粒重的熱感指數(shù),GM表示幾何平均單株產(chǎn)量或穗粒重,YD是基因型在熱脅迫環(huán)境下的平均千粒重或穗粒重,YP表示該基因在非脅迫環(huán)境下的千粒重或穗粒重;D表示熱脅迫強度,YDˉˉˉˉˉYDˉ是全部基因型YD的平均值,YPˉˉˉˉˉYΡˉ是全部基因型YP的平均值,并定義耐熱性品種S<1,熱敏感品種S>1。2結(jié)果與分析2.1溫脅迫環(huán)境對農(nóng)藝性狀的影響在籽粒的灌漿后期(開花后20d)借助塑料大棚,對供試材料進行了人工升溫處理,發(fā)現(xiàn)棚內(nèi)外溫差一般為3～6℃,能夠?qū)Υ盒←溒贩N形成一定的高溫脅迫環(huán)境。分期播種的環(huán)境和正常播期相比,能夠給春小麥品種全生育期提供高溫脅迫環(huán)境條件。研究發(fā)現(xiàn)在脅迫和非脅迫環(huán)境條件下基因型的農(nóng)藝性狀均達到顯著極顯著水平(方差分析略)。不同高溫脅迫環(huán)境對各基因型不同農(nóng)藝性狀的影響也存在明顯差異(表1),其中單株產(chǎn)量、生物產(chǎn)量、穗粒重和千粒重為熱脅迫敏感性狀。單株產(chǎn)量性狀在人工升溫處理和第二播期的熱脅迫環(huán)境條件下,和正常非脅迫環(huán)境相比,平均分別下降0.74g和1.93g,下降幅度為20.61%和53.76%;生物產(chǎn)量、穗粒重和千粒重也分別下降10.57%,46.89%;20.51%,42.31%;16.02%,33%。隨著環(huán)境脅迫強度的增高,這些性狀的下降幅度顯著增高,如千粒重和穗粒重2性狀在第4播期分別下降為非脅迫環(huán)境的50.69%和84.62%。株高、穗長和小穗數(shù)相比之下為高溫脅迫反應遲鈍性狀。穗粒數(shù)在低脅迫強度條件下變化不大,但隨著脅迫強度的增加,小穗的不育率增高,穗粒數(shù)也顯著下降。不同環(huán)境脅迫條件下不同性狀遺傳變異的表現(xiàn)亦存在顯著的差異,如穗粒重和千粒重在正常環(huán)境條件的變異系數(shù)分別為20.13%和16.89%,而在人工升溫處理和第2播期則分別為22.51%,26.57%和23.45%,22.57%。說明全生育期的高溫脅迫對產(chǎn)量的影響大于生育后期高溫脅迫的影響。2.2小麥品種的熱穩(wěn)定性不同熱脅迫環(huán)境條件下,籽粒產(chǎn)量的變化可以反映基因型生育期間的熱脅迫反應,但由于基因型間產(chǎn)量及其構(gòu)成因素存在差異,而這些差異隨著脅迫強度的變化而變化。因此,僅從產(chǎn)量的變化不能完全反映出品種的耐熱性。熱敏感指數(shù)作為評價品種耐熱性的指標可以客觀地反映品種的耐熱性。由于分蘗穗和主莖穗相比,在籽粒的灌漿后期更容易受高溫脅迫的影響,使主莖穗和分蘗穗在熱脅迫反應上不能保持一致關系。因此,本研究只采用主穗的千粒重和穗粒重資料進行分析。從表2可以看出,同一脅迫環(huán)境條件下,不同基因型的耐熱性表現(xiàn)存在顯著差異。SieteCerros在升溫處理和第2播期的環(huán)境條件下,千粒重和穗粒重的感熱指數(shù)分別為2.00,1.96和2.17,1.84,表現(xiàn)熱敏感,是不耐熱性品種。Seri82在此2個環(huán)境條件下的千粒重和穗粒重的感熱指數(shù)分別為0.33,0.87和0.25,0.23,表現(xiàn)對高溫脅迫不敏感,是耐熱性品種。由雙親分離出的23個重組近交系材料中,有的近交系表現(xiàn)高度耐熱(RIL18,RIL19,RIL5),有的表現(xiàn)高度熱敏感(RIL2,RIL3,RIL11),有的表現(xiàn)中度耐熱或重度熱敏感,說明這套重組近交系是對小麥耐熱性進一步深入遺傳研究的良好材料。一般隨著脅迫強度的增加,耐熱性的變異顯著減少。千粒重S值在4個熱脅迫環(huán)境條件下的變異系數(shù)分別為56.79%,36.54%,22.45%,30.41%,穗粒重在4個環(huán)境條件下的變異系數(shù)為67.54%,39.58%,20.92%和9.29%。說明極高脅迫環(huán)境條件不利于小麥耐熱性變異的表現(xiàn)。在4個熱脅迫環(huán)境中,升溫處理和第2播期既能提供適度的高溫脅迫條件,又不限制品種耐熱性遺傳變異的表達,是模擬大田生產(chǎn)條件下高溫脅迫的有效鑒定方法。2.3產(chǎn)量和穗粒重的相關性千粒重和穗粒重熱感指數(shù)和脅迫與非脅迫環(huán)境下的農(nóng)藝性狀的相關分析表明(表3),大棚升溫和第2播期脅迫環(huán)境條件穗粒重和千粒重的感熱指數(shù)與正常環(huán)境不同基因型的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素之間不存在相關關系,而第2播期的環(huán)境條件下,穗粒重熱感指數(shù)和脅迫環(huán)境條件的穗粒數(shù)和株高顯著正相關,相關系數(shù)分別為0.52**和0.45*,與單株產(chǎn)量和穗粒重也有較高的正相關(r=0.34,r=0.31)。說明高產(chǎn)品種一般表現(xiàn)較差的耐熱性,在正常環(huán)境條件對產(chǎn)量性狀進行正向選擇,不能改良品種的耐熱性。在大棚升溫的環(huán)境條件下,千粒重熱感指數(shù)和穗粒重、穗粒數(shù)、主穗收獲指數(shù)和收獲指數(shù)均呈極顯著的負相關,相關系數(shù)分別為-0.53**,-0.56**,-0.70**和-0.60**。穗粒重熱感指數(shù)和單株產(chǎn)量、穗粒重、千粒重、單株穗數(shù)、主穗收獲指數(shù)和收獲指數(shù)亦呈顯著和極顯著的負相關,相關系數(shù)分別為-0.39*,-0.51**,-0.41*,-0.57**,-0.65**,-0.45*。在第2播期的環(huán)境條件下,熱感指數(shù)和農(nóng)藝性狀的關系與大棚升溫處理的表現(xiàn)基本一致。在升溫處理環(huán)境條件下,穗粒重和千粒重的熱感指數(shù)和生物產(chǎn)量相關沒有達到顯著水平,而在第2播期環(huán)境條件下,千粒重和穗粒重的熱感指數(shù)和主穗生物產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均達到極顯著水平,相關系數(shù)分別為-0.57**,-0.55**,-0.49*、-0.71**。千粒重熱感指數(shù)和植株總重也達到顯著負相關(r=-0.53**)。2.4環(huán)境對全穗粒重和單株產(chǎn)量的熱感或熱感指數(shù)的影響為了進步研究耐熱性與產(chǎn)量性狀的關系,對不同脅迫環(huán)境條件下單株產(chǎn)量和穗粒重的幾何平均數(shù)(GM)和千粒重熱感指數(shù)進行了相關分析(表4),結(jié)果表明在升溫處理和第2播期2個環(huán)境條件下單株產(chǎn)量和穗粒重兩性狀幾何平均數(shù)彼此相關均達到極顯著水平。在升溫處理環(huán)境條件下,單株產(chǎn)量和穗粒重兩個性狀的幾何平均數(shù)彼此正相關,但和各個環(huán)境條件下的千粒重感熱指數(shù)的相關均未達到顯著水平,說明熱感指數(shù)和GM兩個性狀對熱脅迫具有不同的生物學反應。因此,在這種環(huán)境條件下選育較高的GM和適度的熱感指數(shù),有助于提高品種的耐熱性而不顯著降低產(chǎn)量。在第2播期的環(huán)境條件下,單株產(chǎn)量和穗粒重的幾何平均數(shù)和該環(huán)境的熱感指數(shù)呈顯著負相關,相關系數(shù)分別為-0.42*和-0.93**,說明在該環(huán)境脅迫條件下,對穗粒重和單株產(chǎn)量進行正向選擇,有助于提高品種的產(chǎn)量潛力,而不會降低品種的耐熱性。第3播期的結(jié)果和第2播期的結(jié)果相似,第4播期穗粒重的幾何平均數(shù)和該期的熱感指數(shù)之間相關未達到顯著水平。不同脅迫環(huán)境條件下的熱感指數(shù)相關分析表明升溫處理的熱感指數(shù)和第2,3播期的熱感指數(shù)之間均達到極顯著正相關(r=0.70**,r=0.50**);第2播期和第3播期的感熱指數(shù)的相關系數(shù)也達到顯著水平(r=0.44*);而這3個脅迫環(huán)境的熱感指數(shù)和第4播期的熱感指數(shù)均未達到顯著水平,說明第4播期的環(huán)境脅迫條件,由于脅迫強度太高,不適宜耐熱性的評價。3不同環(huán)境條件下穗粒重和熱感指數(shù)的變化我國的大部分小麥種植區(qū),在小麥生長發(fā)育后期,尤其是在籽粒的灌漿期經(jīng)常出現(xiàn)高于30℃的高溫天氣,有時還伴隨諸如干熱風和干旱等逆境因子的互作,對小麥的正常生長發(fā)育,特別是籽粒的干物質(zhì)積累產(chǎn)生明顯的影響。據(jù)Wiegand等(1981)的研究,小麥灌漿期日均氣溫15.8～27.7℃范圍內(nèi),溫度每升高1℃,可使粒重平均下降2.8mg。我們的研究也發(fā)現(xiàn),人工升溫和分期播種方法都能給小麥的生長發(fā)育提供不同程度的熱脅迫環(huán)境。在不同的脅迫環(huán)境中,小麥的產(chǎn)量性狀及其構(gòu)成因素都受到顯著影響。其中,單株產(chǎn)量、穗粒重,千粒重對高溫脅迫反應最為敏感,株高、穗長、穗粒數(shù)、小穗數(shù)等性狀隨熱脅迫強度的增加也顯著下降。小麥耐熱性是一個復雜的遺傳現(xiàn)象,對該性狀的遺傳改良的當務之急是確定客觀的快速鑒定方法和適合的選擇指標。室內(nèi)人工模擬大田的高溫脅迫環(huán)境,試驗結(jié)果精確,但投資大且不能對大量試驗材料進行鑒定和選擇;室內(nèi)采用MT或TTC等方法雖能一定程度上反映品種耐熱性差異,但不能反映基因型產(chǎn)量潛力及在不同環(huán)境條件下的脅迫反應,也不能對品種選育的低代材料進行簽定。而借助自然條件,采用分期播種和不同地點環(huán)境互作的方法,既能提供不同的熱脅迫環(huán)境。又能在這種環(huán)境條件下進行大量材料的耐熱性評價。本試驗的研究結(jié)果也顯示,在大棚升溫處理和分期播種的各環(huán)境條件下基因型的耐熱性表現(xiàn)出了明顯差異,且隨著熱脅迫強度的增加耐熱性的變異范圍逐漸減小,認為在籽粒灌漿后期進行人工高溫脅迫和分期播種的第2播期,既能提供適度的高溫脅迫又能使基因型的遺傳差異充分表現(xiàn)是理想的熱脅迫方法。不同環(huán)境條件的穗粒重熱感指數(shù)