【摘要】：全球約20%的農業(yè)耕地受到鹽堿化的侵害,但大部分栽培作物對鹽堿化土壤耐受性有限。植物鹽耐受性定義為可在高鹽環(huán)境中生長并完成生命周期的能力。由于大部分作物較長的生長周期,鹽耐受性研究目前普遍集中在作物某一生長發(fā)育時期,并分類為短期和長期鹽耐受性。大麥作為禾本科中鹽耐受性最強的作物,其短期或長期鹽耐受性的生理代謝及分子調控機理被視為禾本科模式植物被廣泛研究。種子萌發(fā)是作物生長起始并直接影響作物的出苗率和后續(xù)生長,但鹽脅迫介導的籽粒萌發(fā)即種子萌發(fā)期鹽耐受性及相關機理研究較少,不僅篩選的種質資源多樣性有限,測定及描述作物在鹽脅迫下的萌發(fā)響應仍局限在較簡單的算法上,缺少系統(tǒng)全面的動態(tài)響應評價體系,不僅約束了耐受基因型的篩選進度,也限制相關遺傳位點或基因無法被準確的定位和克隆。鹽脅迫因較低的水勢限制萌發(fā)種子吸漲作用,從而被認為與滲透勢脅迫類似,但作物萌發(fā)期鹽耐受性是否依賴萌發(fā)或滲透勢遺傳響應位點仍不明確。因此:1.本文以315份大麥基因型為材料,利用創(chuàng)新型垂直萌發(fā)系統(tǒng),對各基因型籽粒在Na Cl模擬的鹽脅迫多個處理(0、80、160、240、320和400 m M)和聚乙二醇(PEG)模擬的多滲透勢脅迫處理(0、5、10、15、20和25%)下的萌發(fā)根芽長進行測定,利用Sigmoid模型兩種函數(shù)分別擬合兩種脅迫下萌發(fā)性狀的動態(tài)響應,結果表明PEG脅迫下根長響應曲線明顯有別于芽長及鹽脅迫根芽長動態(tài)曲線。鹽脅迫動態(tài)曲線中,不同來源的大麥群體響應趨勢不同,野生和貴州當?shù)卮篼溔后w相比國內外栽培種表現(xiàn)更為敏感。提取擬合曲線上的特征參數(shù)Lmax、AUC、Salt80-20和PEG80-20并命名為REPs響應參數(shù),結合其根芽長初始數(shù)據(jù)共計56個性狀。其中鹽脅迫核心參數(shù)RL-Salt70、RL-AUC、SL-Salt60和SL-Salt50分別在四個不同大麥群體間表現(xiàn)出最大統(tǒng)計差異。綜合56個性狀的主成分分析以及上述鹽脅迫核心參數(shù)對315份大麥基因型的綜合篩選結果表明,鹽脅迫下萌發(fā)極耐受的基因型為Vertige、Nudinka、蘇啤4號、揚農啤2號、Orchidea和Harrington;敏感基因型為Nah34、ZY50、ZY41、Nah22、Nah23和Nah28。2.用上述材料包含的143份歐洲栽培冬大麥結合4884個全染色體組SNP標記對56個性狀進行全基因組關聯(lián)掃描(GWAS),定位結果共發(fā)現(xiàn)28個與無脅迫、鹽脅迫和PEG脅迫下萌發(fā)性狀有關的遺傳位點。相比20個PEG脅迫萌發(fā)響應位點,僅有10個QTL定位于鹽脅迫條件。定位結果僅有位于1H的一非特異性脅迫遺傳位點QTL5可同5時響應上述三種萌發(fā)條件并以Hv5PTase候選基因,位于6H的一遺傳位點QTL27同時關聯(lián)鹽脅迫和PEG脅迫性狀并與Hv DHN5連鎖,一個由鹽脅迫根長和芽長性狀共處的位點QTL25并包含Hv CNGC和Hv CML兩個候選基因�？梢�,少數(shù)控制非脅迫條件下的萌發(fā)位點可響應鹽脅迫和滲透勢脅迫,鹽脅迫和PEG脅迫亦可共用同一特異遺傳位點。但萌發(fā)期鹽脅迫性狀整體遺傳結果與無脅迫、滲透勢脅迫顯著不同。3.利用由親本Nure×Tremois(NT)構建的雙單倍體自交系對上述無脅迫、鹽脅迫和PEG脅迫下萌發(fā)性狀進行連鎖定位分析,結果未發(fā)現(xiàn)可響應三種萌發(fā)條件和兩種脅迫條件的特異遺傳位點。但鹽脅迫動態(tài)響應曲線的REPs核心參數(shù)RL-Salt80-40在染色體7HS上定位了響應鹽脅迫萌發(fā)的新主效位點QTL35,該位點LOD值高達14.5,表型解釋度超過45%。通過水稻共線性染色體6S區(qū)域內的已知基因增加大麥該QTL區(qū)域23個CAPS標記,將該位點定位在7HS的Bin2.1區(qū)域內,并以Morex_Contig_450119和Morex_Contig_2179585為區(qū)間標記,在編碼DELLA蛋白的Hv SLR1基因上該群體兩親本序列差異最大,因此為QTL35合適的候選基因。綜合NT群體PEG脅迫萌發(fā)QTL和鹽脅迫下極端基因型的形態(tài)響應分析(SIMR)結果,該QTL35僅特異響應于鹽脅迫。后者的SIMR還發(fā)現(xiàn),鹽脅迫萌發(fā)大麥的根系不僅只是生長抑制,還出現(xiàn)根尖數(shù)、根直徑和根毛密度增加的再生長趨勢。4.以籽粒蛋白質含量存在顯著差異的親本Lewis×Karl自交系群體60個基因型為研究材料,對收獲于四個不同種植環(huán)境的籽粒大量及微量營養(yǎng)成分(淀粉、蛋白質、植酸、總酚、黃酮和無機磷)和鹽脅迫萌發(fā)兩組平行性狀進行測定,結果表明不同環(huán)境來源的種源因素對籽粒營養(yǎng)成分的影響顯著大于對萌發(fā)性狀的影響。土壤有效磷含量高的環(huán)境中籽粒不僅植酸和無機磷含量高,其它營養(yǎng)成分也相對較高,同時表現(xiàn)出較耐受的鹽脅迫響應曲線。籽粒營養(yǎng)成分與鹽脅迫萌發(fā)性狀四個環(huán)境的綜合相關性結果突出了籽粒植酸和無機磷的關鍵作用。無脅迫和低濃度鹽脅迫下無機磷與根長性狀呈顯著正相關,高濃度鹽脅迫下僅植酸與根芽長有顯著正相關。不同鹽濃度下的相關性變化趨勢提示了植酸作為萌發(fā)大麥有機磷源和滲透質肌醇庫的雙重潛在作用。利用上述歐洲栽培冬大麥群體對籽粒植酸、無機磷、有效磷、植酸酶、酸性磷酸酶及萌發(fā)4天根芽長性狀進行GWAS定位,結果顯示,無機磷位點與4天萌發(fā)根長位點重疊(QTL88),控制籽粒有機磷降解的有效磷Pa與無脅迫、鹽脅迫以及滲透勢脅迫性狀位點重疊于QTL73和QTL74,證實大麥籽粒磷素在萌發(fā)中的有益功能。5.將從萌發(fā)期開始的鹽脅迫從7天延長至21天苗期,與21天無脅迫和短期鹽脅迫的苗期性狀進行平行比較,驗證控制前者鹽耐受性的遺傳位點是否依賴無脅迫并獨立于短期鹽耐受性。因此以歐洲栽培冬大麥群體為研究材料,用營養(yǎng)土基質為介質、育苗盒為脅迫裝置設置不同鹽脅迫處理。方法1(M1)將大麥從萌發(fā)開始用160和240 m M Na Cl鹽脅迫至21天,方法2(M2)和方法3(M3)分別先將大麥無脅迫萌發(fā)至7天和14天后,再用160和240 m M Na Cl鹽脅迫至21天,同時設置7、14和21天三個無脅迫生長對照。相關性網(wǎng)絡分析表明,M1性狀與無脅迫對照間存在大量顯著正相關,但與M2和M3性狀關聯(lián)較少。三種鹽脅迫方法的GWAS定位結果中,M1與M3僅有一處遺傳位點重疊并位于上述NT群體主效位點QTL35區(qū)間內,M1與無脅迫生長位點有兩處重疊(QTL46和QTL69),但M1與7天萌發(fā)期鹽耐受性位點除上述QTL35外無其它任何重疊。以上結果可見,從萌發(fā)期開始的鹽脅迫性狀21天以后仍然與不同短期鹽耐受性顯著不同。另外,M2的芽長性狀定位的Hv Nax3并未顯著關聯(lián)M3中的任何脅迫性狀,M2和M3的脅迫性狀間顯著相關性也較少,表明不同時期的短期鹽脅迫也存在顯著表型和遺傳差異。6.多數(shù)短期或長期鹽耐受性中測定地上植株表型,根系作為感受土壤鹽脅迫的第一器官其遺傳定位研究較少,找出不同時期根系表型遺傳位點的變化規(guī)律,驗證根系遺傳位點與鹽脅迫是否存在關聯(lián),對提高作物鹽耐受性具有重要意義。因此,以歐洲栽培冬大麥群體為研究材料、沙土為栽培介質測定四葉期主根長、側根長、根尖數(shù)、根體積、根直徑和根干重等13個相關性狀,結果中所有性狀均具有較高的廣義遺傳率和變異值,而相關性網(wǎng)絡顯示根干重和根長為兩類相對獨立的性狀,大麥棱型因素僅對根干重類性狀有顯著影響,但對根長性狀并無顯著影響。GWAS定位結果中,根干重性狀與大麥半矮化Hv Sdw1基因(QTL92)顯著關聯(lián),側根長、根尖數(shù)分別與富亮氨酸受體蛋白激酶LRR-RLK基因和生長素極性運輸載體PIN基因顯著關聯(lián)。不同時期根系性狀的動態(tài)比較表明,四葉期是側根發(fā)育的重要過渡時期,不同的側根發(fā)育速率可能是造成該時期表型顯著差異的主要原因。另外,根體積定位的QTL93與萌發(fā)期根性狀位點重疊并以轉錄因子b HLH為候選基因,根性狀位點QTL98與上述M1鹽脅迫性狀位點QTL65重疊并以ERF轉錄因子為候選基因。上述結果表明,同一位點不僅可決定不同時期根系性狀,還可調節(jié)無脅迫和鹽脅迫兩種條件下的根系生長。綜上所述,萌發(fā)期鹽耐受性未大量依賴萌發(fā)優(yōu)勢,未主要關聯(lián)于離子平衡調控載體,反之,響應鹽脅迫的轉錄因子和激素類調控占主導作用,與籽粒磷素營養(yǎng)及有機磷在萌發(fā)中的降解能力顯著相關,同時與苗期鹽耐受性在遺傳位點上差異較大,與控制根系發(fā)育的遺傳位點存在關聯(lián)。上述研究為進一步闡述大麥在萌發(fā)期鹽耐受性的生理及遺傳機理以及萌發(fā)期鹽耐受性大麥育種實際提供依據(jù)。
【圖文】：

鹽堿地中的小麥出苗率.圖片來源于http://www.icarda.org/Fig.1.8.Seedlingemergenceofwheatinsalinefield.Pictureoriginalc

貴州大學2018屆博士論文 大麥種質資源鹽耐受籽粒大而飽滿，粒型較長。但以上14個基因型的鹽脅迫勢脅迫下的動于其他群體均較敏感。不同的是，該群體的基因型在無脅迫條件下萌發(fā)于其他群體，如圖2.5-A，表明該群體具有明顯的快速萌發(fā)優(yōu)勢，但該高濃度鹽脅迫條件下，特別是芽長生長。而對該野生大麥群體中Nah2葉期短期鹽耐受性測試中發(fā)現(xiàn)(先無脅迫生長至二葉期再添加鹽脅迫250 mM的鹽濃度下長勢明顯好于其他栽培種，，特別是地上部分，如圖生大麥基因型在萌發(fā)期表現(xiàn)敏感但在二葉期后表達鹽耐性受的現(xiàn)象給予該野生大麥群體起源于沿海鹽堿地，但其快速萌發(fā)的特點可適應地中海并快速生長，從而避開了萌發(fā)期鹽脅迫，度過苗期的野生大麥待鹽脅迫顯的抗鹽性，從而存活。這種生態(tài)適應性策略在野生植物中常有報道，的休眠和萌發(fā)特征可適應運城鹽湖區(qū)不同的土壤鹽脅迫(Wei et al., 20北部“進化谷”兩側植被野生物種完全不同的生理特征(Eviatar, 2006)
【學位授予單位】：貴州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S512.3

【參考文獻】

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1 錢剛;平軍嬌;王大忠;張珍;劉茂生;;SSR多態(tài)性信息含量(PIC)對大麥糖化力的選擇效果[J];廣東農業(yè)科學;2011年14期

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本文編號：2665765