大麦种质资源盐耐受性的筛选及遗传分析

发布时间：2020-05-15 23:15

【摘要】：全球约20%的农业耕地受到盐碱化的侵害,但大部分栽培作物对盐碱化土壤耐受性有限。植物盐耐受性定义为可在高盐环境中生长并完成生命周期的能力。由于大部分作物较长的生长周期,盐耐受性研究目前普遍集中在作物某一生长发育时期,并分类为短期和长期盐耐受性。大麦作为禾本科中盐耐受性最强的作物,其短期或长期盐耐受性的生理代谢及分子调控机理被视为禾本科模式植物被广泛研究。种子萌发是作物生长起始并直接影响作物的出苗率和后续生长,但盐胁迫介导的籽粒萌发即种子萌发期盐耐受性及相关机理研究较少,不仅筛选的种质资源多样性有限,测定及描述作物在盐胁迫下的萌发响应仍局限在较简单的算法上,缺少系统全面的动态响应评价体系,不仅约束了耐受基因型的筛选进度,也限制相关遗传位点或基因无法被准确的定位和克隆。盐胁迫因较低的水势限制萌发种子吸涨作用,从而被认为与渗透势胁迫类似,但作物萌发期盐耐受性是否依赖萌发或渗透势遗传响应位点仍不明确。因此:1.本文以315份大麦基因型为材料,利用创新型垂直萌发系统,对各基因型籽粒在Na Cl模拟的盐胁迫多个处理(0、80、160、240、320和400 m M)和聚乙二醇(PEG)模拟的多渗透势胁迫处理(0、5、10、15、20和25%)下的萌发根芽长进行测定,利用Sigmoid模型两种函数分别拟合两种胁迫下萌发性状的动态响应,结果表明PEG胁迫下根长响应曲线明显有别于芽长及盐胁迫根芽长动态曲线。盐胁迫动态曲线中,不同来源的大麦群体响应趋势不同,野生和贵州当地大麦群体相比国内外栽培种表现更为敏感。提取拟合曲线上的特征参数Lmax、AUC、Salt80-20和PEG80-20并命名为REPs响应参数,结合其根芽长初始数据共计56个性状。其中盐胁迫核心参数RL-Salt70、RL-AUC、SL-Salt60和SL-Salt50分别在四个不同大麦群体间表现出最大统计差异。综合56个性状的主成分分析以及上述盐胁迫核心参数对315份大麦基因型的综合筛选结果表明,盐胁迫下萌发极耐受的基因型为Vertige、Nudinka、苏啤4号、扬农啤2号、Orchidea和Harrington;敏感基因型为Nah34、ZY50、ZY41、Nah22、Nah23和Nah28。2.用上述材料包含的143份欧洲栽培冬大麦结合4884个全染色体组SNP标记对56个性状进行全基因组关联扫描(GWAS),定位结果共发现28个与无胁迫、盐胁迫和PEG胁迫下萌发性状有关的遗传位点。相比20个PEG胁迫萌发响应位点,仅有10个QTL定位于盐胁迫条件。定位结果仅有位于1H的一非特异性胁迫遗传位点QTL5可同5时响应上述三种萌发条件并以Hv5PTase候选基因,位于6H的一遗传位点QTL27同时关联盐胁迫和PEG胁迫性状并与Hv DHN5连锁,一个由盐胁迫根长和芽长性状共处的位点QTL25并包含Hv CNGC和Hv CML两个候选基因。可见,少数控制非胁迫条件下的萌发位点可响应盐胁迫和渗透势胁迫,盐胁迫和PEG胁迫亦可共用同一特异遗传位点。但萌发期盐胁迫性状整体遗传结果与无胁迫、渗透势胁迫显著不同。3.利用由亲本Nure×Tremois(NT)构建的双单倍体自交系对上述无胁迫、盐胁迫和PEG胁迫下萌发性状进行连锁定位分析,结果未发现可响应三种萌发条件和两种胁迫条件的特异遗传位点。但盐胁迫动态响应曲线的REPs核心参数RL-Salt80-40在染色体7HS上定位了响应盐胁迫萌发的新主效位点QTL35,该位点LOD值高达14.5,表型解释度超过45%。通过水稻共线性染色体6S区域内的已知基因增加大麦该QTL区域23个CAPS标记,将该位点定位在7HS的Bin2.1区域内,并以Morex_Contig_450119和Morex_Contig_2179585为区间标记,在编码DELLA蛋白的Hv SLR1基因上该群体两亲本序列差异最大,因此为QTL35合适的候选基因。综合NT群体PEG胁迫萌发QTL和盐胁迫下极端基因型的形态响应分析(SIMR)结果,该QTL35仅特异响应于盐胁迫。后者的SIMR还发现,盐胁迫萌发大麦的根系不仅只是生长抑制,还出现根尖数、根直径和根毛密度增加的再生长趋势。4.以籽粒蛋白质含量存在显著差异的亲本Lewis×Karl自交系群体60个基因型为研究材料,对收获于四个不同种植环境的籽粒大量及微量营养成分(淀粉、蛋白质、植酸、总酚、黄酮和无机磷)和盐胁迫萌发两组平行性状进行测定,结果表明不同环境来源的种源因素对籽粒营养成分的影响显著大于对萌发性状的影响。土壤有效磷含量高的环境中籽粒不仅植酸和无机磷含量高,其它营养成分也相对较高,同时表现出较耐受的盐胁迫响应曲线。籽粒营养成分与盐胁迫萌发性状四个环境的综合相关性结果突出了籽粒植酸和无机磷的关键作用。无胁迫和低浓度盐胁迫下无机磷与根长性状呈显著正相关,高浓度盐胁迫下仅植酸与根芽长有显著正相关。不同盐浓度下的相关性变化趋势提示了植酸作为萌发大麦有机磷源和渗透质肌醇库的双重潜在作用。利用上述欧洲栽培冬大麦群体对籽粒植酸、无机磷、有效磷、植酸酶、酸性磷酸酶及萌发4天根芽长性状进行GWAS定位,结果显示,无机磷位点与4天萌发根长位点重叠(QTL88),控制籽粒有机磷降解的有效磷Pa与无胁迫、盐胁迫以及渗透势胁迫性状位点重叠于QTL73和QTL74,证实大麦籽粒磷素在萌发中的有益功能。5.将从萌发期开始的盐胁迫从7天延长至21天苗期,与21天无胁迫和短期盐胁迫的苗期性状进行平行比较,验证控制前者盐耐受性的遗传位点是否依赖无胁迫并独立于短期盐耐受性。因此以欧洲栽培冬大麦群体为研究材料,用营养土基质为介质、育苗盒为胁迫装置设置不同盐胁迫处理。方法1(M1)将大麦从萌发开始用160和240 m M Na Cl盐胁迫至21天,方法2(M2)和方法3(M3)分别先将大麦无胁迫萌发至7天和14天后,再用160和240 m M Na Cl盐胁迫至21天,同时设置7、14和21天三个无胁迫生长对照。相关性网络分析表明,M1性状与无胁迫对照间存在大量显著正相关,但与M2和M3性状关联较少。三种盐胁迫方法的GWAS定位结果中,M1与M3仅有一处遗传位点重叠并位于上述NT群体主效位点QTL35区间内,M1与无胁迫生长位点有两处重叠(QTL46和QTL69),但M1与7天萌发期盐耐受性位点除上述QTL35外无其它任何重叠。以上结果可见,从萌发期开始的盐胁迫性状21天以后仍然与不同短期盐耐受性显著不同。另外,M2的芽长性状定位的Hv Nax3并未显著关联M3中的任何胁迫性状,M2和M3的胁迫性状间显著相关性也较少,表明不同时期的短期盐胁迫也存在显著表型和遗传差异。6.多数短期或长期盐耐受性中测定地上植株表型,根系作为感受土壤盐胁迫的第一器官其遗传定位研究较少,找出不同时期根系表型遗传位点的变化规律,验证根系遗传位点与盐胁迫是否存在关联,对提高作物盐耐受性具有重要意义。因此,以欧洲栽培冬大麦群体为研究材料、沙土为栽培介质测定四叶期主根长、侧根长、根尖数、根体积、根直径和根干重等13个相关性状,结果中所有性状均具有较高的广义遗传率和变异值,而相关性网络显示根干重和根长为两类相对独立的性状,大麦棱型因素仅对根干重类性状有显著影响,但对根长性状并无显著影响。GWAS定位结果中,根干重性状与大麦半矮化Hv Sdw1基因(QTL92)显著关联,侧根长、根尖数分别与富亮氨酸受体蛋白激酶LRR-RLK基因和生长素极性运输载体PIN基因显著关联。不同时期根系性状的动态比较表明,四叶期是侧根发育的重要过渡时期,不同的侧根发育速率可能是造成该时期表型显著差异的主要原因。另外,根体积定位的QTL93与萌发期根性状位点重叠并以转录因子b HLH为候选基因,根性状位点QTL98与上述M1盐胁迫性状位点QTL65重叠并以ERF转录因子为候选基因。上述结果表明,同一位点不仅可决定不同时期根系性状,还可调节无胁迫和盐胁迫两种条件下的根系生长。综上所述,萌发期盐耐受性未大量依赖萌发优势,未主要关联于离子平衡调控载体,反之,响应盐胁迫的转录因子和激素类调控占主导作用,与籽粒磷素营养及有机磷在萌发中的降解能力显著相关,同时与苗期盐耐受性在遗传位点上差异较大,与控制根系发育的遗传位点存在关联。上述研究为进一步阐述大麦在萌发期盐耐受性的生理及遗传机理以及萌发期盐耐受性大麦育种实际提供依据。
【图文】：

图片,小麦出苗率,盐碱地

盐碱地中的小麦出苗率.图片来源于http://www.icarda.org/Fig.1.8.Seedlingemergenceofwheatinsalinefield.Pictureoriginalc

野生大麦,栽培大麦,盐胁迫,生长比较

贵州大学2018届博士论文大麦种质资源盐耐受籽粒大而饱满，粒型较长。但以上14个基因型的盐胁迫势胁迫下的动于其他群体均较敏感。不同的是，该群体的基因型在无胁迫条件下萌发于其他群体，如图2.5-A，表明该群体具有明显的快速萌发优势，但该高浓度盐胁迫条件下，特别是芽长生长。而对该野生大麦群体中Nah2叶期短期盐耐受性测试中发现(先无胁迫生长至二叶期再添加盐胁迫250 mM的盐浓度下长势明显好于其他栽培种，，特别是地上部分，如图生大麦基因型在萌发期表现敏感但在二叶期后表达盐耐性受的现象给予该野生大麦群体起源于沿海盐碱地，但其快速萌发的特点可适应地中海并快速生长，从而避开了萌发期盐胁迫，度过苗期的野生大麦待盐胁迫显的抗盐性，从而存活。这种生态适应性策略在野生植物中常有报道，的休眠和萌发特征可适应运城盐湖区不同的土壤盐胁迫(Wei et al., 20北部“进化谷”两侧植被野生物种完全不同的生理特征(Eviatar, 2006)
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S512.3

【参考文献】