玉米苗期根系性状对氮胁迫反应的遗传分析

玉米苗期根系性状对氮胁迫反应的遗传分析

现在，农业中的氮消耗。在经济发达地区氮肥施用过量,当季利用率低而又污染了地下水;而在经济不发达地区却氮肥施用量不足。作物氮高效育种无疑是解决这一问题的途径之一。人们已经注意到玉米的氮效率具有基因型差异,Moll等把氮效率决定因素分解为氮吸收效率(地上部吸氮量/供氮量)、氮利用效率(产量/吸氮量)。多数研究表明,在低氮下吸收效率的贡献大于利用效率。不同氮效率玉米品种根系性状有较大差异,氮高效玉米在根长、根表面积、根冠比等性状方面具有明显优势,植株吸氮量与根系干重、总根长、轴根长在低氮下呈正相关,而高氮下无相关性。已有研究表明,低氮环境下选育可以得到耐低氮的玉米品种,而了解玉米各性状在低氮下的遗传规律,对于理解氮吸收杂种优势机理和氮高效育种具重要意义。人们已对氮效率性状遗传规律进行了广泛的研究,但研究结果不尽相同。有人认为,不同氮水平下,氮效率性状以加性效应为主;有人则认为高氮下氮吸收效率、利用效率和氮效率以显性效应为主,低氮条件下以加性效应为主。而对于玉米氮吸收效率密切相关的根系数量性状遗传研究还较少,特别是侧根对氮胁迫反应的遗传报道很少。本研究利用在高、低氮下根系具有显著差异的7个玉米自交系,采用NC-Ⅱ设计,在2个氮水平下,对玉米苗期根系性状配合力和其他遗传参数进行了分析,以期为玉米的氮高效育种提供理论依据。1营养液体系及根系测定随机选取4个玉米自交系:东3、鲁14、L种、获唐黄为母本(P1),分别编号为30、42、53、73;3个自交系:获白、陕89-1和W64A为父本(P2),分别编号为184、202、212,按NC-Ⅱ(4×3)设计进行人工杂交授粉,产生其F1代杂交组合(P12)12个,并以7个自交系亲本及其组合为材料,同时在盛有石英砂的塑料盆中种植。砂培于2003年6月在中国农业大学植物营养系网室内进行。首先,挑选一些饱满并且大小一致的玉米种子,在10%的H2O2表面消毒20min后,浸于饱和CaSO4溶液中6h,然后将种子放在饱和CaSO4浸透的纱布上,于25℃下遮光催芽2d,将“露白”后的种子移至塑料盆(盛有4kg石英砂)中,每盆4粒种子,在生长到三叶时每盆留2株。当幼苗长到三叶一心时开始加入营养液,以后每2~3d加1次营养液。第1周营养液浓度开始为全营养液浓度的一半,第2周开始换为全营养液,一直到植株收获。营养液组成(mmol/L):Ca(NO3)22.0、K2SO40.75、MgSO40.65、KCl0.1,KH2PO40.25、H3BO31×10-3、MnSO41×10-3、CuSO41×10-4、ZnSO41×10-3、(NH4)6Mo7O245×10-6、Fe-EDTA0.1。试验设两个氮处理:高氮(HN)为4mmol/LCa(NO3)2;低氮(LN)为0.04mmol/LCa(NO3)2。低氮处理所缺的Ca用CaCl2补齐。营养液pH均为6.0(用1mol/L的NaOH溶液调节)。每个处理重复3次,并经常更换盆的位置。待低氮处理的玉米幼苗出现明显缺氮症状时,即出苗20d(六叶一心)后收获植株样品,洗净后分为茎叶和根系,并进行根系性状的测定,然后将所有样品在75℃下烘干,并称重。测定项目:单株茎叶干重、根干重、总根长、轴根长、轴根数、侧根长。其中,轴根是指所有的胚根(种子根)和不定根(节根);侧根是指所有胚根及不定根上发生的次级分枝(包括一级和二级侧根)。根系测定方法:先用剪刀从轴根基部将轴根剪下,记下轴根数并用直尺量取轴根长度,然后将全部根系用扫描仪扫描后经分析程序(WinRhizoProVision5.0a)处理得到总根长数据。侧根长由总根长与轴根长之差获得。所得数据经过Excel软件处理后,根据刘来福等编制的程序估算遗传参数,用固定模型估算亲本性状的一般配合力(GCA)、亲本间特殊配合力(SCA),用随机模型估算遗传力及其它遗传参数。2结果与分析2.1各性状在模型中的表达两个氮水平下的根系性状的配合力方差分析结果见表1。高氮下,对于亲本P1,在模型Ⅰ中各性状均为显著。在模型Ⅱ中,只有轴根长达到显著;对于亲本P2,在模型Ⅰ中茎叶干重、根干重、总根长、侧根长和轴根长达到显著,在模型Ⅱ中各性状均没达到显著水平。对于组合,只有轴根长没达到显著水平。低氮下,亲本P1的各性状在模型Ⅰ中均为显著。在模型Ⅱ中,只有轴根数不显著。对于亲本P2,茎叶干重、根干重、总根长和侧根长在模型Ⅰ中达到显著,其他性状未达到显著水平。在模型Ⅱ中,只有总根长和侧根长达到显著水平,其他性状未达到显著水平。对于组合,只有轴根数不显著。两个氮水平下的配合力方差分析说明,各性状在两个氮水平下的GCA和SCA在亲本和组合间存在显著差异,可以进一步进行配合力分析。2.2总根长、侧根长和轴根长gca的水环境响应表2看到,在两个氮水平下,各自交系的根系性状GCA表现出显著差异,且存在正负两种效应。高氮条件下,茎叶干重、根干重、总根长和侧根长的GCA以184、30较高,53、202较低;轴根长GCA以73、30较高,53负向效应最强;轴根数GCA以30、202最高,42负向效应最强。低氮条件下,茎叶干重、根干重GCA以30、73较高,53则表现最强的负效应;总根长和侧根长GCA以30最高,以53和202负效应较强;轴根长、轴根数GCA以73的GCA值最高,53最低。低氮胁迫下,茎叶干重和根系性状GCA变化存在基因型差异。相对于高氮条件,30、53、73、202所有性状的GCA效应变化不显著,184茎叶干重、总根长和侧根长的GCA仍然为正向效应,而且茎叶干重、根干重、总根长、侧根长和轴根长GCA的正效应均减弱;而42茎叶干重、根干重、总根长和侧根长的GCA由高氮下的正效应转变为显著的负向效应;212茎叶干重、根干重、总根长、侧根长和轴根长GCA效应转变为正向效应,并有所增强。自交系GCA在氮水平间的变化说明,氮胁迫可以影响自交系根系性状在杂交组合中的一般表现。两个氮水平下,总根长的GCA效应与侧根长和轴根长的GCA效应有很大关系。高氮下,总根长GCA与侧根长和轴根长的GCA相关系数分别是0.997**和0.506;低氮下分别为0.998**和0.786*。所以,侧根长与总根长的相关性更高,而氮胁迫下轴根长与总根长的相关性增强。2.3各组合在氮胁迫和总根重、侧根长和轴根长sca的变化表3的结果中,高氮水平下,42×184、53×202、73×212茎叶干重、根干重、总根长、侧根长的特殊配合力较高,53×202的轴根数SCA较高;42×202、53×184和73×184则在这些性状上具较大的SCA负向效应,而53×184的根轴数SCA负向效应较强。低氮水平下,42×202、53×202茎叶干重、根干重、总根长、侧根长和轴根长SCA较高;30×202、42×184、53×212、73×202的根干重、总根长、侧根长和轴根长SCA负向效应较强。在低氮胁迫下,各组合茎叶干重和根系性状SCA变化存在基因型差异。42×184和42×202的茎叶干重和根系性状SCA效应方向在氮水平间的变化相反;30×202、73×184和73×212的大部分根系性状SCA的氮水平间变化相反。53×202茎叶干重和根系性状SCA在2个氮水平下表现基本相同,说明受氮胁迫的影响较小。53×212、73×202在氮胁迫下茎叶干重和根系SCA的负向效应在组合间表现有增强的趋势。各组合SCA的氮水平间的不同变化,说明氮胁迫可以影响组合特殊配合力的表现,不同组合所受影响不一定相同。同根系性状GCA表现相似,高氮条件下,总根长SCA与侧根长和轴根长的SCA相关系数分别是0.999**和0.797;低氮条件下分别为0.999**和0.923*。高氮水平下,如42×184、73×212总根长SCA比53×202的高,是因为侧根长的SCA较高;而53×184总根长SCA效应较低,则是轴根长SCA效应较低的缘故,在低氮下同样也存在这种情况。说明不同基因型侧根长和轴根长SCA对总根长SCA的贡献大小不同,而且因环境中氮浓度的变化而反应不同。2.4形态性状及遗传力表4表明,高氮下除轴根长外的根系性状和茎叶干重SCA方差均大于GCA方差,基因互作效应占主导作用,可以推测这些性状以非加性遗传为主。在氮胁迫下,除轴根数以外的根系性状配合力方差SCA均小于GCA,基因的累加起主导作用,可以推测这些性状以加性遗传为主。在遗传力方面,2个氮水平下,茎叶干重、根干重、总根长和侧根长的广义遗传力均较高。相对于高氮,氮胁迫下根系性状的广义遗传力均有下降的趋势,同时茎叶干重、根干重、总根长和侧根长的狭义遗传力均有上升的趋势。3自交系的遗传效应苗期是植物生长发育的重要阶段,玉米的基因型差异可以在苗期得到体现。本次试验中,茎叶干重在2个氮水平下的遗传参数和根干重、总根长等性状类似(表1—表4),并同样具有基因型差异。而试验中根干重、总根长与茎叶干重的GCA、SCA相关性在2个氮水平下均达到极显著水平(相关系数分别大于等于0.946和0.890),表明地上部和地下根系对氮胁迫反应的遗传具有密切的联系。禾本科作物根系为须根系,由大量的轴根和侧根构成。轴根是整个根系的主体构架,而侧根在养分吸收过程中起到决定性的作用。所以,将根系分解来研究,可以得出更为准确的结论。根系的各次级性状遗传参数对氮胁迫的反应不同,是因为各性状在两个氮水平下具显著的表型差异。总根长可以分解为侧根长和轴根长,而侧根长远高于轴根长。Drew研究得出,轴根的生长速度受外界营养的浓度影响很小,这表明总根长的变化以侧根长的变化为主。在本研究中也得出,根系性状的配合力中,侧根长的配合力与总根长的配合力相关性较高。根系是吸收养分的重要器官,已有研究表明,根系构型对养分的吸收具重要意义。但是,目前对于以根系为目标进行育种实践的报道不多。不同自交系GCA及自交系间的SCA在两个氮水平下具显著差异(表2、表3)。说明可以通过自交系根系性状的选择,利用具有不同的根系次级性状的基因型,组配出根系性状好,特别是在低氮水平下具有理想根系构型的杂交组合。双亲性状的配合力总效应(TCA)与组合的性状表型值相关程度很高。本研究中,同一亲本与不同的自交系组配,对性状TCA的氮水平间变化可以产生非常大的影响。有的性状TCA下降,如在高氮水平下,42×184的侧根长TCA为313.9+693.7+1243.2=2250.8;氮胁迫下的侧根长TCA为-562.7+200.1-391.0=-753.6,是因为GCA和SCA在氮胁迫下降低。而有的TCA则上升,如73×184高氮下的侧根长TCA为247.6+693.7-626.2=315.1,低氮下侧根长TCA则为415.9+200.1+290=906.0。这是由于73的GCA以及与184间的SCA在低氮下升高的原因。因此,组配低氮下根系强大的组合应该在筛选时兼顾根系性状的GCA和SCA。亲子代间根系基因差异表达与根系杂种优势密切相关,硝酸盐的局部供应可以直接影响侧根的生长。在拟南芥中,受硝酸盐诱导表达,并控制侧根生长的基因已被克隆。本研究的结果说明,环境中的硝酸盐浓度变化引起了基因表达的改变,而不同基因型对氮胁迫的反应又存在基因型差异,因而导致根系性状杂种优势的遗传效应发生不同形式的变化。高氮水平下,根系性状SCA方差除轴根长以外均大于GCA方差(表4),表明根干重、总根长和侧根长等性状遗传以非加性效应为主,而轴根长的遗传以加性效应为主。王秀全等人通过对田间玉米腊熟期根系遗传表现的研究,得出根系性状中气生根条数、根鲜重、根干重、根总长、根总条数的遗传以加性效应为主。研究结果有差异的原因可能是玉米的生育期不同,根系性状的遗传表现可能不会完全相同;另外,植株的培养方法的不同,生长介质的不同以及生长介质中的养分浓度的差异会对根系的生长具有不同的影响。在Eghball和Maranville的研究中,田间和温室内生长的Mo17等玉米品系的根干重和根长等性状的表形值在两叶期明显不同,说明生长环境对同样的玉米品种的根系性状有显著的影响。在氮胁迫下,根系性状的广义遗传力表现为下降的趋势(表4),说明亲本根系各性状的控制基因在子代中的表达受到氮胁迫的影响,所以基因型方差减小,环境方差增加。而总根长和侧根长的狭义遗传力有所上升,说明氮素胁迫使这些根系次级性状中遗传变异的可固定部分的比例增加。已有研究表明,低氮环境下选育可以得到耐低氮