黄淮麦区小麦成株期磷高效基因型的鉴定和筛选

2017-03-01 07:59袁园园曹晓慧郑洪蕊
麦类作物学报 2017年1期
关键词:粒重利用效率单株

袁园园,董 贝,曹晓慧,郑洪蕊

(1.济南市农业科学研究院,山东济南 250316; 2.山东农业大学, 山东泰安 271018)

黄淮麦区小麦成株期磷高效基因型的鉴定和筛选

袁园园1,2,董 贝1,曹晓慧2,郑洪蕊2

(1.济南市农业科学研究院,山东济南 250316; 2.山东农业大学, 山东泰安 271018)

为快速筛选磷高效基因型小麦品种,以黄淮麦区112份小麦品种(系)为材料,设置正常磷和低磷2个磷处理,通过大田池栽试验,对小麦成株期19个与产量及磷效率相关性状进行分析,并以济麦22为对照,筛选磷效率和产量均表现优异的磷高效基因型。结果表明,与正常磷处理相比,低磷条件下,小麦的8个产量相关指标(单株穗数、千粒重、株高、穗长、可育小穗数、穗粒数、单株粒重和地上部干重)和3个磷积累量指标(单株籽粒、秸秆和地上部总磷积累量)均显著下降,而3个磷利用效率指标(单株籽粒、秸秆和地上部总磷利用效率)均显著增加,说明低磷胁迫使小麦成株期的产量和磷积累量大大降低,但明显提高磷利用效率。相关性分析发现,株高、可育小穗数和单株粒重与秸秆和地上部单株含磷量、3个磷积累量指标均呈显著正相关,与2个磷利用效率指标(单株秸秆和地上部总磷利用效率)呈显著负相关(P≤0.01),可以作为磷效率的初步快评指标。正常磷处理下,筛选出17个磷高效基因型,其中,旱选H28、2010品4891和周麦28的单株粒重比济麦22分别高36.07%、31.96%和37.44%,地上部总磷利用效率比济麦22分别高出49.34%、49.42%和33.05%;低磷处理下,筛选出10份磷高效基因型,其中,河农826的单株粒重和地上部总磷利用效率分别比济麦22高37.69%和20.42%;旱选H23、旱选H28和徐麦856在正常磷和低磷处理下均被鉴定为磷高效基因型,可能具有较高的育种价值。

小麦;产量;磷效率;成株期;基因型

磷(P)是植物生长必不可少的矿质营养元素,但游离态的磷酸根离子容易与土壤中的钙、镁、铁、锰等金属离子结合,形成植物难以吸收的复合物,致使全球大约30%的土壤严重缺磷,成为农业生产的重要限制因子[1]。目前,施用磷肥以保证植物正常生长,是解决土壤可利用磷元素缺乏的主要手段。但是磷肥的来源—磷矿石是不可再生资源[2],磷矿石的日益枯竭表明目前农业生产的供磷方式不具有可持续性。另外,未被作物吸收利用的磷会随地表水的径流进入江河、湖泊和海洋,使大面积水体富营养化,引起有害藻类大量繁殖[3],对生态环境产生不利影响。小麦是我国主要的粮食作物之一,对肥料的需求量很高;小麦的平均磷肥施用量远高于水稻和玉米,但当季利用率仅有10%左右[4-5]。因此,从改善小麦自身对磷营养的吸收和利用效率角度出发,筛选和培育磷高效品种,是解决上述问题的有效途径。

磷效率是复杂的数量性状,包括两个重要方面:一是吸收效率,即评价作物从土壤中吸收P的能力;二是利用效率,即作物体内利用P以维持正常生物量的能力[6]。现代作物品种大多是通过选择有利于提高磷吸收效率的根系特征选育出来的,但是根系的改良往往需要消耗碳水化合物以满足植株对磷素的需求量,这就不可避免地影响产量,如何在提高磷利用效率的同时,实现高产是改良现代作物磷效率的重要瓶颈[7]。磷利用效率通常用作物含有的单位磷素所形成的二氧化碳固定量或经济产量来评价[8-10]。大量研究表明,小麦的磷利用效率存在显著基因型差异[11-14]。对磷高效基因型的筛选已有相关报道,如栢栋阴等[12]从58份不同的小麦品种中筛选出4个磷高效品种;杨显斌等[13]筛选出CDI158-7和省A3宜03-4为磷高效种质材料;Malhi等[14]通过不同供磷水平下3年的大田试验,发现加拿大现代品种Unity和Goodeve在丰磷或缺磷条件下的籽粒产量和氮、磷吸收量均优于老品种Spelt、Kamut和Red Fife。但是这些研究大多是以磷利用效率为主要筛选指标,很少考虑产量性状的综合表现及其与磷营养性状的深层关系。

本研究以黄淮麦区112份小麦种质材料为试材,设置正常磷和低磷2个营养水平,进行成株期大田试验,调查千粒重、株高、穗长、可育小穗数、穗粒数等10个产量指标及含磷量、磷积累量和磷利用效率等9个磷营养指标,拟阐明低磷对小麦成株期产量和磷营养性状的影响,探索磷利用效率的快速评价指标,并以济麦22为对照品种,筛选产量性状好且磷利用效率高的磷高效基因型,为培育磷高效品种提供原始亲本材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验以黄淮麦区112份小麦种质为材料,其中,山东品种(系)37份,河北33份,河南17份,江苏12份,陕西5份,安徽4份,北京3份,山西1份(表1)。以上材料均由山东农业大学农学院李斯深教授赠送。

表1 供试小麦材料Table 1 Wheat varieties(lines) used in this study

1~37:山东;38~70:河北;71~87:河南;88~99:江苏;100~104:陕西;105~108:安徽;109~111:北京;112:山西。

1-37:Shandong; 38-70:Hebei; 71-87:Henan; 88-99:Jiangsu; 100-104:Shaanxi; 105-108:Anhui; 109-111:Beijing; 112:Shanxi.

1.2 大田试验

1.2.1 试验设计

大田试验在济南市农科院试验基地进行,设置正常磷和低磷 2个处理,2次重复。2014年10月15日播种,2015年6月8日收获。营养池面积为784 m2,各小区之间用1.5 m深的水泥墙隔开,已进行多年匀地力处理,地力条件基本一致。施肥前正常磷营养池土壤的N、P、K含量分别为34.8、12.6和97.9 mg·kg-1,低磷营养池土壤的速效N、P、K含量分别为41.6、10.5和128.2 mg·kg-1。采用目标产量法计算土壤的实际施肥量,正常磷处理的目标产量为8 250 kg·hm-2,低磷处理为6 750 kg·hm-2。

1.2.2 种植方案

每份种质材料种1.5 m行长,株距5 cm,行距25 cm。正常磷处理:播种前一次性施入P2O5120 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2和纯N 126 kg·hm-2,拔节期追施纯N 84 kg·hm-2;低磷处理:播种前一次性施入P2O590 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2、纯N施用同正常磷处理。其他措施同常规田间管理。

1.2.3 测定指标及方法

小麦成熟后,对不同处理的各材料随机取10株调查株高、穗长、株穗数、小穗数、不育小穗数、穗粒数等产量性状。收获后,分别收获各种质材料10株的地上部分至网袋中,及时晾干脱粒,籽粒和秸秆分别称重,测量单株籽粒重(grain weight per plant, GWP)、单株秸秆重(straw weight per plant, StWP)、单株地上部重(above land weight per plant, AWP)等产量性状。各材料取3个500粒样本测千粒重。利用Lambda 25 UV/VIS Spectrometer分光光度计测定籽粒含磷量(grain P concentration, GPCe)和秸秆含磷量(straw P concentration, StPCe),样品消煮采用H2SO4-H2O2快速消煮法[15]。

单株籽粒磷积累量(grain P content per plant, GPC)、单株秸秆磷积累量(straw P content per plant, StPC)和单株地上部磷积累量(above land P content per plant, APC)的计算公式:

GPC=GWP×GPCe×10

StPC=StWP×StPCe×10

APC=GPC+StPC

根据APC和AWP计算单株地上部总含磷量(above land P concentration, APCe):

APCe = APC/AWP×100%

籽粒磷利用效率(grain P utilization efficiency, GPUE)、秸秆磷利用效率(straw P utilization efficiency, StPUE)和地上部磷利用效率(above ground P utilization efficiency, APUE)的计算公式:

GPUE = GWP/GPC

StPUE= StWP/StPC

APUE = AWP/APC

1.3 数据处理

利用Excel 2010和SPSS 19.0进行数据统计与分析、差异显著性(LSD)分析、性状之间的相关系数和表型变异分析。

2 结果与分析

2.1 不同磷处理对小麦产量及磷效率相关性状的影响

由表2可知,除不育小穗数和单株秸秆重以外,其他17个被测定指标在不同磷处理间均存在显著差异(P≤0.05)。与正常磷处理相比,低磷处理下,小麦8个产量指标(单株穗数、千粒重、株高、穗长、可育小穗数、穗粒数、单株粒重和单株地上部重)、3个含磷量指标(籽粒、秸秆和地上部含磷量)和3个磷积累量指标(单株籽粒、秸秆和地上部磷积累量)均显著下降(P≤0.05),而3个磷利用效率指标(籽粒、秸秆和地上部磷利用效率)均显著增加,说明低磷会导致小麦产量及磷吸收量明显下降,但会促进磷利用效率提高。19个被测指标的变异系数为9.41%~52.25%,正常磷处理的株高的变异系数最小,低磷处理下的秸秆磷利用效率的变异系数最大。

2.2 表型变异和广义遗传力

对112份种质材料的19个测定指标进行方差分析,发现除单株秸秆重和地上部重在基因型间和处理间的差异不显著外,其他17个被测定指标在基因型和处理间的差异均达到显著或极显著水平(表3)。

19个测定指标的广义遗传力在40.18%~80.14%之间,其中单株秸秆重的广义遗传力最小,籽粒磷利用效率的广义遗传力最大。10个产量相关指标的平均遗传力为60.85%,9个磷效率相关指标的平均遗传力为69.42%,说明产量性状的广义遗传力比磷营养相关性状的略低。

表2 不同磷处理对小麦产量和磷效率相关指标的影响Table 2 Influence of different P treatments on yield and P efficiency of wheat

同列数据后不同字母表示相同指标不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。

SD:Standard deviation; CV:Variable coefficient; SN:Spike number per plant; TGW:Thousand kernel weight; PH:Plant height; SL:Spike length; FSS:Fertile spikelet number per spike; SSS:Sterile spikelet number per spike; GN:Grain number per spike; GWP:Grain weight per plant; StWP:Straw weight per plant; AWP:Above ground weight per plant; GPCe:Grain P concentration; StPCe:Straw P concentration; APCe:Above ground P concentration; GPC:Grain P content per plant; StPC:Straw P content per plant; APC:Above ground P content per plant; GPUE:Grain P utilization efficiency; StPUE:Straw P utilization efficiency; APUE:Above ground P utilization efficiency. Different letters following dates mean significant difference between normal with low P to the same index(P<0.05).The same below.

表3 被测性状的方差及广义遗传力Table 3 Analysis of variance(ANOVA) and the heritability for the investigated traits

*:P≤0.05; **:P≤0.01; ***:P≤0.001.

2.3 被测指标间的相关性

对不同磷处理下19个被测指标进行相关性分析发现,指标之间的相关性达到显著水平(P≤0.05)的占到77.78%(133/171 × 100%)(表4)。产量性状10个被测指标之间的相关性稍差,有71.11%(33/45×100%)的相关系数达到显著相关水平。磷营养相关性状9个被测指标之间的相关性较好,有88.89%(32/36 ×100%)的相关系数达到显著相关水平,其中,3个含磷量指标(籽粒、秸秆和地上部含磷量)与3个磷积累量性状(单株籽粒、秸秆和地上部磷积累量)之间呈极显著正相关(P≤0.01),而3个磷利用效率指标(籽粒、秸秆和地上部磷利用效率)与3个含磷量和3个磷积累量指标之间呈极显著负相关(P≤0.01)。

10个产量性状与9个磷营养性状被测指标之间的相关系数达到显著相关水平(P≤0.05)的占到76.67%(87/90×100%),不育小穗数与9个磷营养性状被测指标之间的相关性不显著,但是株高、可育小穗数和单株粒重与2个含磷量指标(秸秆和地上部含磷量)和3个磷积累量指标(单株籽粒、秸秆和地上部磷积累量)之间呈显著正相关(P≤0.01),与2个磷利用效率指标(秸秆和地上总磷利用效率)之间呈极显著负相关(P≤0.01),这表明在不考虑处理和品种因素的前提下,株高、可育小穗数和株粒重在一定程度上能够反映小麦成株期磷吸收效率和利用效率,可以作为磷效率的初步评价指标。

2.4 磷高效基因型的筛选结果

以大面积推广品种济麦22为对照,将地上部磷利用效率高于对照品种10%,且单株粒重高于对照品种5%的品种或品系命名为磷高效基因型。

2.4.1 正常磷条件下的磷高效基因型

由表5可知,自112份材料中筛选到17份磷高效基因型材料,其单株粒重在11.50~15.20 g之间,平均值比济麦22高出20.01%;地上部磷利用效率在314.83~418.00之间,平均值比济麦22高出29.14%。其中,旱选H28、品4891和周麦28的单株粒重比济麦22分别高出36.07%、31.96%和37.44%,地上总磷利用效率比济麦22分别高出49.34%、49.42%和33.05%,可能对磷高效育种具有较大利用价值。

2.4.2 低磷条件下的磷高效基因型

低磷条件下自112份种质材料中筛选得到10份磷高效基因型(表6),单株粒重在11.70~18.45 g之间,平均值比济麦22高出25.74%;地上总磷利用效率在413.68~479.64之间,平均值比济麦22高出23.40%。其中,河农826的单株粒重比济麦22高出37.69%,地上总磷利用效率比济麦22高出20.42%,可能是较好的磷高效育种亲本材料。

表5 正常磷条件下的磷高效基因型Table 5 Genotypes with high phosphorus use efficiency under NP conditions

同列数据后不同字母表示不同品种间差异显著(P<0.05)。与对照比较=(品种-对照)/对照×100%。下同。

Different letters following dates at the same column mean significant difference among cullivars(P<0.05).Comparison=(cultivar-CK)/CK×100%.The same in table 6.

表6 低磷条件下的磷高效基因型Table 6 Genotypes with high phosphorus use efficiency under LP conditions

3 讨论

3.1 低磷对产量性状和磷营养性状的影响

磷是核酸、植素和卵磷脂的组成成分,在能量代谢、糖分代谢、酶促反应和光合作用等过程中起重要作用,很大程度上决定了作物的产量和品质[15-16]。杨瑞吉等[17]和吴照辉等[18]研究发现,在磷胁迫条件下,小麦的根干重、地上部分干重、增产潜力均受到不同程度的影响。本研究结果表明,单株穗数、千粒重、株高、穗长、可育小穗数、穗粒数、单株粒重和单株地上部干重等产量指标在低磷条件下,比在正常磷条件下有明显下降,而磷利用效率指标(籽粒、秸秆和地上部磷利用效率)却显著增加,且各产量和磷利用效率指标在处理之间的差异极显著(P≤0.001),表明低磷会限制小麦生长发育,严重影响经济产量。

3.2 磷效率评价指标的筛选

磷利用效率是复杂的数量性状,如果能找到与之直接相关、容易检测和评估、且具有较高遗传力的指标,将会大大提高作物磷高效育种的效率。作物常通过提高根冠比、改善根部构型等途径来应对磷缺乏的环境。根际范围的扩大有助于作物从土壤中捕获有限的磷元素。增加侧根数量、抑制主根的生长与高磷吸收效率直接相关[19-20]。作物可以通过抑制次生根的生长和减少根系皮层通气组织等途径,最大限度地减少产生这些侧根对碳的消耗[21]。作物还可以通过消耗较低的碳成本,增加根毛的密度和长度,以提高根系对磷的吸收能力[22-23]。但是测定根系特征需要耗费很大的人力和物力,不适合作为磷高效筛选的快速评价指标。邱化蛟等[24]研究发现,小麦成株期籽粒单位磷的籽粒产量越高或籽粒磷积累量越低则小麦的磷利用效率越高,可作为小麦磷高效基因型的筛选指标。本研究发现,株高、可育小穗数和单株粒重与2个含磷量指标(秸秆和地上部含磷量)和3个磷积累量指标(单株籽粒、秸秆和地上部磷积累量)呈显著正相关关系,与2个磷利用效率指标(秸秆和地上总磷利用效率)呈显著负相关关系,可以在一定程度上反映磷利用效率水平,具有直观、省时和易操作的优点,使大规模鉴定小麦种质材料的磷利用效率成为可能。

3.3 磷高效基因型的筛选

大量研究表明,小麦的磷利用效率存在显著基因型差异,前人利用不同的评价标准进行了磷高效基因型的筛选,例如,栢栋阴等[12]以58份不同的小麦品种为材料,考虑了耐磷力以及品种适应性两个指标,筛选出4个磷高效品种;阳显斌等[13]以生物量和籽粒生产能力为筛选指标,在低磷条件下,从47份小麦品种中筛选出2份磷高效种质材料(CDI158-7和省A3宜03-4)。本试验综合考虑磷利用效率和单株产量2个重要指标,以济麦22为对照,正常磷处理下,筛选得到17份磷高效基因型,低磷处理下,筛选得到10份磷高效基因型。正常磷处理下筛选出的旱选H28、品4891和周麦28以及低磷处理下筛选出的洛旱7号,在两个指标上都大幅超过济麦22,推测这4个基因型对磷高效育种具有利用价值。另外,旱选H23、旱选H28和徐麦856在正常磷和低磷处理下均表现为磷高效的基因型,说明这3个基因型的磷利用效率和单株产量性状表现稳定,受磷营养环境的影响较小,是较好的育种亲本材料。

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Identification and Screening of High Phosphorus Use Efficiency Genotypes of Wheat at Adult Stage in Huang-Huai Wheat Area

YUAN Yuanyuan1,2, DONG Bei1, CAO Xiaohui2, ZHENG Hongrui2

(1.Jinan Academy of Agricultural Sciences,Jinan,Shandong 250316,China; 2.Shandong Agricultural University,Tai’an,Shandong 271018,China)

In order to screen genotypes with high phosphorus efficiency and grain yield, nineteen phosphorus use efficiency and yield related traits of 112 wheat germplasm materials were analyzed in field test under the normal(NP) and low phosphorus(LP) conditions, with Jimai 22 as control. Results showed that eight wheat yield-related traits, such as spike number per plant(SN), thousand grains weight(TGW), plant height(PH), spike length(SL), fertile spikelet number per spike(FSS), grain number per spike(GN), grain weight(GWP) and above ground weight(AWP) per plant, and three phosphorus content traits, such as grain number(GPC), straw(StPC) and above ground(APC) P content per plant decreased significantly under LP condition compared with those under NP condition(P≤0.05). However, the phosphorus utilization efficiency index, grain(GPUE), straw(StPUE) and above ground(APUE) P utilization efficiency increased obviously. Three yield-related traits, PH, FSS, and GWP could be used as the preliminary evaluation indices of phosphorus efficiency at adult stage of wheat because of the positively significant correlation with two P concentration traits(straw and above ground P concentration) and three P content traits(GPC, StPC and APC) and the negatively significant correlation with two P utilization efficiency traits(StPUE and APUE) atP≤0.01 level. Seventeen and ten high phosphorus efficiency genotypes were screened under NP and LP conditions, respectively. The GWP of Hanxuan H28, Pin 4891 and Zhoumai 28 were 36.07%, 31.96% and 37.44% more than those of Jimai 22 under NP condition, respectively, and the APUE of them were 49.34%, 49.42% and 33.05% more than that of Jimai 22, respectively. Similarly, the GWP and the APUE of Henong 826 were 37.69% and 20.42% higher than those of Jimai 22 under LP condition. Among them, Hanxuan H23, Hanxuan H28 and Xumai 856 were identified as high phosphorus use efficiency genotypes under both LP and NP conditions, indicating the three cultivars would be used as parents in phosphorus-efficiency wheat breeding programs.

Wheat; Yield; Phosphorus use efficiency; Adult stage; Genotype

时间:2017-01-03

2016-05-30

2016-06-20

济南市农业科技创新项目(201313,201404);济南市科技计划项目(201401103)

E-mail:happyxinhai20047@163.com

S512.1;S332

A

1009-1041(2017)01-0056-10

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170103.1626.016.html

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