羟基化牧草落粒性的研究进展

羟基化牧草落粒性的研究进展

分散的现象在科西科、水稻、十字花草和胡麻科等植物中很常见。这是植物在长期生存竞争和进化过程中，为了避免恶劣的外部环境，逐渐形成的适应机制。这是一个重要的植物生理现象。然而,落粒会对农牧业种子生产造成巨大的损失,大量种子在收获前自然脱落,不仅增加了种子采收的难度,提高了种子生产的成本,而且使种子质量和产量均受到严重影响。牧草由于栽培时间短或未经人工选择,落粒现象严重,如何通过减少种子落粒来提高种子产量和质量是广大草业工作者长期关注的难点之一。本文对禾草种子落粒进行综述,旨在为进一步加强落粒研究提供依据。1不同牧草落粒率禾草种子落粒是指种子成熟后,受种子周围附属器官变化的影响,小穗轴基部与母体花序连接部位发生断裂后种子松散地包被在颖片内,随含水量逐步降低,颖片打开,种子散落到地面的现象。在实际生产中,易落粒的品种因其在收获过程中种子产量和质量都严重下降而难以被农牧民接受和大面积推广。老芒麦(Elymussibiricus)落粒率随着生育期的推后而增加,在第46天落粒率高达87.73%。在人工模拟自然外力的条件下,7种常见禾本科牧草到种子完熟期,平均落粒率高达66.8%。路氏臂形草、大黍、绒毛草等由于落粒,在收获期种子产量均不足潜在产量的一半(表1)。百喜草(Paspalumnotatum)在花后14d落粒最为严重,最大落粒率达36%,在任何时间收获都达不到表现种子产量的50%。具色大黍花后49d有95%的种子脱落,自然条件下更加严重。花后14d,毛花雀稗(P.dilatatum)落粒在30%以上。羊草花后12~14d落粒率达到40%~60%,种子收获仅为表现种子产量的19%。Hurley和Funk对草地早熟禾(Poapratensis)种群中249份材料两年的观测发现,大多数材料花后25d已全部落粒,仅有5份材料具有减少落粒的趋势,种子产量较高。2做好用量和意义合适的落粒率测定方法对于落粒研究具有重要意义。在实际生产及科学研究中落粒率的测定方法应针对实际情况进行选择。常见的落粒率测定方法包括以下几种。2.1模拟过程落粒率测定由于外力作用造成的植物落粒,其落粒率可采用人工摇穗法,即人工摇动穗子,收集并统计落下籽粒的方法进行测定。这种方法虽然简单易行,但其缺点在于人工摇动的力度很难掌握,不能准确模拟田间自然落粒情况。将穗子从某一高度摔下,利用计数掉落种子数的方法计算落粒率。张妙青在测定垂穗披碱草落粒率时,从高处摔落穗子,模拟收获时外力对穗子的碰撞作用力,从而计算落粒率。由于穗子间密度不同,受力部位难以把握,致使结果重复性较差。将穗子放在光滑的斜置木板上使其从木板上滑下,通过在底端用圆筒收集脱落的籽粒计算落粒率。该方法消除了人为作用力的影响,通过斜置木板测量在一定外力作用下籽粒在穗子上的附着程度来测量落粒率。对于不同种及品种间的比较具有可操作性,但同样不能准确测定田间条件下的种子落粒率。2.2种子拉动拉力器提取液对小穗轴的活性Yang等通过测力计测定取下种子所需要的力度对种子落粒性进行评价分级(图1)。将小穗轴端固定在拉力器上,用镊子分别从不同方向拉动种子,测定种子从小穗轴上脱落时的拉力值。该方法精确度较高,但费时费力,难以对大量材料进行落粒率的测定。2.3不同成熟阶段的落粒率测定在田间条件下,对植物单株及分蘖株籽粒数定期观测,统计分析落粒情况。刘文辉等研究了青海扁茎早熟禾的动态落粒率,在盛花期后第8天随机选取30个分蘖株,统计每个分蘖株上的籽粒数,每隔4d统计一次,直至盛花期后40d(种子完熟期),以此计算种子不同成熟阶段的落粒率。游明鸿等以老芒麦为对象,不仅测定了动态落粒率而且还定位了落粒部位。在盛花期选取20个生殖枝进行标记,并对小穗、小花的排列顺序和位置编号绘图。开始落粒后,每两天与图对照测定小穗数与种子数变化,计算各部位的落粒率,即:落粒率=(空缺种子位点/小花数)×100%。3牧草抗落粒性能禾本科牧草种子落粒机理的研究对生产实践中减少种子落粒、落粒性及培育抗落粒的牧草新品种都有重要意义。目前,多年生禾本科牧草种子落粒机制的研究主要集中在物理结构、化学物质以及遗传基因3个方面。3.1植物种子落粒性因子分析田间观察及结构解剖分析结果显示,多年生禾本科牧草的自然落粒性表现出种间差异,落粒率与花序形态和离区结构特征紧密相关。冰草的小穗紧密地排列在花序轴上,内外颖片坚硬。当小穗湿度较高的时候,两颖片张开的角度较小,且小穗基部包被于颖片内,当种子基部与小穗轴连接处断裂时,种子也能包被在花序中而不易掉落。蒙古冰草的小穗在其花序上排列较稀疏,但其颖片坚硬,小穗基部紧挨着颖片的两粒种子着生在颖片形成的夹角中,种子不易脱落。缘毛雀麦的小穗轴较柔韧,花序轴具有弹性,在高湿环境中也不易折断。与以上几种牧草相比,老芒麦和披碱草的花序结构缺少以上有利于保持种子而减少自然脱落的生物学特性,这可能是老芒麦与披碱草种子发育早期严重落粒的主要原因。禾本科植物种子的落粒可分为两个阶段。第1阶段是颖果发育至成熟前期,包间层溶解使离区细胞分离,形成胞间隙,此时胞间连丝仍起着连接作用;第2阶段是颖果完全成熟后,在相关基因、激素作用下,水分丧失,胞间连丝断开,离区断裂,从而种子发生脱落。离区是由多层细胞膜和细胞质紧密排列形成的普遍存在的形态结构。离层相邻细胞壁之间胶层的膨胀和溶解决定了离层的断裂与种子的脱落。在许多植物中,离区在细胞分离和断裂发生之前要经过较长时间才能形成。研究表明,野生水稗(Echinochloaoryzicola)花序在小穗轴和种柄部位分别存在离区结构,而栽培水稗中却没有,这可能是野生水稗落粒率明显高于栽培水稗的原因。对随机选取的花后24d的野生垂穗披碱草种柄和小穗轴落粒位点的电镜扫描结果显示,种柄和小穗轴具有明显的离区结构(图2),因此野生垂穗披碱草具有较高的落粒率。在毛花雀稗孕穗期与抽穗期之间,离层出现并伸长,之后离层细胞破裂并溶解,形成空隙,花后18d,小穗脱落。鸭茅花期小穗表层细胞增大,维管细胞不变,从而形成楔形离层并逐渐向维管紧缩。花后7~9d离层细胞破裂形成空腔,种子仅有维管束与花梗连接。花后30d,维管细胞破裂,种子脱落。然而也有研究表明,有些植物的落粒性可能并不依赖于脱落组织的发育。McWillim通过对虉草(Phalarisarundinacea)种子形态结构的研究发现,虉草穗轴镶嵌于两个护颖压缩后的基底内,其后护颖发育,干燥变硬,导致小穗轴断裂,小穗脱落,小穗轴中无脱落组织。在落粒率低的虉草品系中,颖片在一定程度上能够包裹住脱落的种子从而延缓落粒。ABA可以促进种子、花以及果实等的脱落,与禾本科牧草落粒性紧密相关。而GA在许多生理过程中通过与ABA共同作用,或与其相互拮抗从而对植物落粒产生影响。禾本科植物种子发育过程中,离区的形成是种子落粒的直接原因,而种子成熟后的自然脱落正是在脱落酸等激素作用下促使离层断裂造成的。Sorefan等在拟南芥中的研究表明,局部生长素最小化对于拟南芥引起开裂的瓣边缘的离层是非常必要的。另外,离区细胞的分离也与几种降解酶,特别是多聚半乳糖醛酸酶,引起的果胶降解有关。3.2落粒遗传基因调控离区的作用植物种子的落粒性受遗传因素调控。随着分子生物技术水平的提高,种子落粒的研究更多地集中在遗传基因的方面。禾本科牧草种子落粒的分子机制及落粒相关基因的定位与克隆对现代育种具有重要意义,可为人工驯化和培育低落粒牧草品种提供分子基础和基因资源。McWilliam的研究表明,禾本科牧草落粒程度受颖片形态结构影响,其变异由多基因调控。Wang等研究发现,荞麦(Fagopyrumtatarium)落粒性受3对显性基因控制,其中两对显性基因互补则表现为落粒性;Pan和Chen的研究结果显示,荞麦落粒由单显性基因控制。植物MADS-box基因家族中的FUL基因对于调控离区的形成具有重要的作用。关于落粒遗传基因的研究,主要分为SHATTERING类基因和MADS-box类基因。SHATTERING类落粒基因的研究主要集中在水稻(Oryzasativa)、高粱(Sorghumvulgare)等粮食作物及模式植物拟南芥中。研究表明,水稻落粒性是由多基因控制的或由少数主效基因与多个微效基因共同控制的数量性状。其中,4个控制落粒性状的基因已被定位在水稻基因组上,分别是sh1,sh2,sh3和sh4;功能分析表明,sh2和sh4基因与离区的形成有关。目前,两个控制水稻落粒的主效QTL(QuantitativeTraitLocus)基因已经被克隆:sh4是从野生稻和籼稻的杂交组合中被鉴定出来的;qSH1是另一个在水稻中被克隆的控制落粒性的主效QTL。Larson和Kellogg在羊草第6条染色体上也检测到了控制落粒性的QTL,表达序列标签序列表明该位点与水稻染色体2具有同源性。Lin等研究表明高粱落粒性状是由sh1单基因控制的,这对于禾本科牧草落粒基因的研究具有指导意义。MADS-box基因家族中的许多转录因子参与植物离区结构的调控。近年来研究表明,MADS-box基因家族中的FUL基因在许多单子叶植物花序中的表达与禾本科植物的离区形成有关,从而对种子的落粒产生影响。拟南芥离区形成与离区细胞的木质化受3个花器官的特性基因及其同源基因调控,即MADS-box中的A家族的FRUIT-FULL(FUL)、C家族中的SHATTERPROOF1(SHP1)和SHATTERPROOF2(SHP2)。FUL基因对离区细胞的木质化有抑制作用,其过表达导致成熟角果离区细胞的木质化受阻,从而导致果荚不开裂。SHP1与SHP2基因共同调节拟南芥角果开裂边缘的离区的形成。禾本科牧草落粒可能受复杂的遗传调控网络控制,同时受许多因素的影响,完全了解其调控机制需要进一步的深入研究。4牧草种子收获技术禾本科牧草种子脱落与种子生产当年的气候、种子的成熟度以及种子收获方式等密切相关。掌握适宜的收获时间及收获方法能够减少种子生产过程中的落粒损失。禾本科牧草随着受精后胚和胚乳的发育,种子要经历乳熟期、腊熟期和完熟期3个时期。在此过程中,种子的干物质含量逐步升高,到达一定水平后即开始下降。同一物种在不同成熟期的落粒率也存在差异。研究表明,蜡熟期及完熟期的种子产量和品质均相对较高,是最适宜收获的时期。不同物种的落粒性不同,其种子最优收获时期的含水量各不相同。王立群等对禾本科牧草种子的落粒性与种子含水量关系的研究表明,牧草种子含水量可以作为种子适宜收获期确定的主要指标。灌溉会增加种子落粒,因此在收获期不宜灌溉。落粒损失在生殖生长后期高低不一,但并不受灌溉或气候变化影响。缘毛雀麦较适宜的采种期的种子含水量为35%~45%,老芒麦和披碱草为35%~40%,冰草和蒙古冰草为20%~30%,而黑麦草为40%~45%。在上述含水量范围内,收获牧草种子能够获得较高的产量、品质以及经济效益。乔安海和韩建国的研究显示,垂穗披碱草种子的适宜收获期为盛花期后第25-30天,种子含水量为36.59%~42.00%。多年生黑麦草种子收获期含水量一般在40%~65%,在花后26~27d小穗干质量最大,种子不易落粒,发芽率也不受影响;超过27d,穗部落粒严重,影响种子产量。垂穗披碱草种子在青藏高原地区适宜收获时间为盛花期后第25~31天,种子含水量为36.59%~42.00%,此时种子产量也接近最高值,种子活力水平较高。使用植物生长调节剂可以调节花期和雌雄花的发生比例从而降低种子的落粒率。多效唑(PP333)能够有效降低落粒损失,提高种子产量。在春季返青期施用PP333能有效地抑制多年生黑麦草的植株高度,增强抗倒伏能力,减少种子败育,提高结实率,增加有效分蘖,缩短叶片长度,改变生长格局;穗长和千粒重降低,落粒率降低10%,种子产量提高20%。在种子收获过程中,人为及机械作用会降低实际种子产量。禾本科牧草种子在收获过程中人为及机械作用造成的损失为18%~42%,自然落粒和种子收获过程产量损失为30%~75%。合理的收获机具的选择也是提高实际种子产量的重要手段。重复往复式割刀收割机收获牧草种子损失为5%,而旋转式割刀收获机种子损失为27%。一般牧草种子收获是用收割机将牧草割倒放成条状,晾晒一段时间后用带拾粒器的脱粒机直接脱离。用联合收割机直接收获可以减少收获过程中的损失,适宜刈割高度为20~40cm。也可采用将收割后带种子的牧草堆积原地,待种子完全落粒后,用吸种器收集地面散落种子。新麦草(Psathytostachysjuncea)和扁穗冰草(Agropyroncristatum)使用联合收割机收获,收获率较人工分段收获分别高25.2%和38.3%。采用联合收割机分两期收获,鸡脚草(Dactylisglomerata)能够获得最高种子产量。采用多次分期收获可以解决种子成熟期不一致且落粒严重的问题。大黍、无芒虎尾草(Chlorisgayana)、纤毛蒺藜草(Cenchrusciliaris)的种子收获可用收割机或拍打搓揉脱粒器收获,未成熟的种子下次收获。5牧草落粒性选育通过选育、杂交育种、分子育种等手段,培育禾本科牧草抗落粒品种,降低种子生产成本,是牧草育种工作者的重要目标。育种学家已选育出喜湿草庐(Phalarisaquatica)、具色大黍、鸭茅(Dactylisglomerata)、高羊茅(Festucaarundinacea)等牧草的抗落粒品种或品系。黑麦草、羊草(Leymuschinensis)和虉草等牧草落粒性选育的研究在国外已有较多报道。研究表明,Avenamagna和A.sativa杂交后再与A.magna回交能够将抗落粒基因导入A.magna,证明抗落粒基因能在A.magna中的A.sativa同源染色体或者染色体片段中定位。McWilliam研究了5个水生虉