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干旱胁迫对不同基因型向日葵萌发的影响研究



全 文 :收稿日期:2015-06-25
基金项目:国家自然科学基金项目(编号:31160288);内蒙古自然科学基金重点项目(编号:2010Zd 06)。
作者简介:王婷婷(1990—),女(蒙古族),内蒙古乌海人;硕士研究生,主要从事向日葵遗传改良研究;E-mail:469505162@qq.com。
通讯作者:侯建华,教授,博士生导师,主要从事作物抗逆等重要性状的遗传改良;E-mail:houjh@163.com。
干旱胁迫对不同基因型向日葵萌发的影响研究
王婷婷1, 侯建华1, 吕 品2, 石玲艳2
(内蒙古农业大学, 呼和浩特010010)
摘 要:以高抗旱油用向日葵自交系K 58与低抗旱油用向日葵自交系K 55为亲本,由其组配的F1 代杂交种和通过单
粒传方法获得的187个F5RILs群体为试验材料,设8组聚乙二醇(PEG-6000)浓度梯度,用亲本及杂交种F1 代进行条
件摸索试验,筛选出干旱临界浓度为20%PEG-6000,用此浓度对其余187个重组自交系材料进行干旱胁迫试验,研究
干旱胁迫对向日葵种子萌发的影响,为向日葵抗旱性研究及后期 QTL定位提供科学理论依据。结果表明,187份向日
葵种子的发芽率、发芽势、发芽指数、胚根长、胚芽长、胚根干鲜重及胚芽干鲜重在干旱胁迫下较正常供水条件呈现不同
程度的下降;在正常供水及模拟干旱2种条件下,各项性状指标在187株系间均呈现出显著或极显著差异,且呈正态分
布,指标间显现为显著或极显著的正相关性。
关键词: 向日葵;种子萌发;抗旱性
DOI编码: 10.16590/j.cnki.1001-4705.2015.10.008
中图分类号: S 565.5   文献标志码: A   文章编号: 1001-4705(2015)10-0008-05
Evaluation of Drought Resistance on Seed Germination of Different Sunflower
WANG Tingting1,HOU Jianhua1,LPin2,SHI Lingyan2
(Colege of Ecology and Environmental Science,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot,
Inner Mongolia Autonomous Region 010018,China)
Abstract:In this study,with two optional inbred lines K 55,K 58as parents,it crossed F1generation,
F1selfing got F2,finaly obtained a F5 RILs populations which contain 187plants by single-seed
descent method as the experimental material.It had 8groups of polyethylene glycol(PEG-6000)con-
centration gradient for parents and hybrid F1generation conditions for experiment,screened drought
critical concentration of 20%PEG-6000was screened to carnied the droaght stress test with the remai-
ning 187recombinant inbred lines material.The aim of this study is to study the effects of drought
stress on sunflower seed germination,to provide a theoretical basis in terms of research on drought re-
sistance of sunflower later and on QTL mapping.The results showed that the germination rate,sprout
potential,germination index,embryonic bud lenth,embryonic root length,embryonic bud and embry-
onic root fresh weight and dry weight decreased.With the increasing of drought concentration,the in-
hibition enhanced gradualy in F5RILs.Every character showed significant or over significant differ-
ences in experimental materials under two different conditions,normal water and drought.Besides,it
presents normal distribution and shows significant or over significant positive correlation between
characters.
Key wards: sunflower;seed germination;drought resistance
  向日葵(Helianthus annuus L.)是世界上重要油料
作物[1],是我国北方地区种植的主要油料作物之一。内
蒙古地区不仅是我国向日葵的最大优势产区,也是典型
的旱作种植区,种植面积及总产量均居于我国首位[2]。
  干旱是世界范围内影响农作物生长发育和稳产的
重要非生物胁迫因素[3]。种子萌发作为植物生长史的
首要阶段[4],最先受到干旱胁迫。虽然油葵苗期对水
分有较小的需求量,但干旱胁迫会显著降低种子的萌
·8·
第34卷 第10期 2015年10月              种 子 (Seed)           Vol.34 No.10 Oct. 2015
图1 不同浓度干旱胁迫对向日葵种子萌发的影响
发速度和萌发率,同时也会致使幼苗发育及后期的营
养生长和生殖生长受到影响,造成产量、含油量等经济
性状的下降,最终给油用向日葵生产带来重大损失。
人工模拟干旱胁迫在作物抗旱性评价中具有重要意
义。利用聚乙二醇(PEG-6000)高渗溶液模拟干旱胁
迫条件已成为种子萌发期抗旱性研究的重要方法之
一[5-7]。本试验旨在通过预试验确定PEG-6000模拟
干旱浓度的基础上,对向日葵亲本自交系 K 55、K 58
及杂交种F1 代以及通过单粒传方法获得的187个F5
代重组自交系进行萌发期的抗旱评价,为油用向日葵
萌发期耐旱机理的研究及后期QTL定位提供科学理
论依据和实践基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试的油用向日葵材料共计190份,为高抗旱父
本自交系K 58和低抗旱母本自交系 K 55、由亲本杂
交组配的F1 代以及通过单粒传方法获得187份F5 代
材料。本试验所用的向日葵材料均于当年在内蒙古农
牧业科学院试验田种植采收。
1.2 试验方法
1.2.1 PEG干旱胁迫浓度的筛选
利用不同浓度的聚乙二醇(PEG-6000)渗透溶液
模拟干旱胁迫,对亲本K 55、K 58及其组配种F1 代材
料进行条件摸索,旨在从中选出最适的浓度(干旱胁迫
条件下发芽率大约为对照条件下的50%),然后对其
余187份自选自交系F5 代材料进行干旱胁迫发芽试
验。试验共设置了8个PEG-6000浓度梯度,分别为
10%、15%、20%、21%、23%、25%、30%、35%,以蒸馏
水作为对照,每个处理3次重复。
1.2.2 干旱胁迫下的标准发芽试验
  精选大小一致、颗粒饱满且种皮无破损的供试向
日葵种子,先用蒸馏水冲洗2次,用75%的酒精消毒
30~60s,再用0.1%的 HgCl2 消毒6~8min,用蒸馏
水漂洗数次,置于以双层滤纸为发芽床的培养皿中,每
个培养皿中均匀放置50粒种子,分别加入2mL对应
浓度的PEG-6000溶液,对 K 55、K 58以及 K 55×
K 58F1 代种子进行处理,以等量蒸馏水处理作为对
照,盖上培养皿。将培养皿置于25℃恒温光照培养箱
中,光照周期为8h/16h(光照/黑暗),光强为3 000
lx。从中选出最适的浓度对其余187份 K 55×K 58
F5 代材料进行标准发芽试验。
  从种子置床之日起每天定时观察种子萌发数,种
子萌发以胚根突破种皮与种子等长为标准,萌发期为
10d。试验结束后,从每个培养皿中随机选取10株幼
苗,用刻度尺(精度0.1cm)测量其胚根长、胚芽长,用
电子天平(精度0.000 1g)称量幼苗胚根、胚芽的鲜重
和干重。其中干重是在幼苗胚根、胚芽经过烘箱
105℃烘干30min,再用85℃烘干8h后测量的。
1.3 种子萌发相关参数的测定
根据测量数据统计并计算发芽率(GP)、发芽势
(GE)、发芽指数(GI)[8-9]。
1)发芽率(%)=最终正常幼苗数/供试种子总
数×100%;
2)发芽势(%)=第4天时全部萌发的种子粒数/
供试种子数[10]×100%;
3)发芽指数=∑Gt/Dt(式中,Gt为第t天发芽
种子数,Dt为相对应的发芽试验天数);
4)相对性状指标(%)=渗透胁迫处理下各性状
测定值/对照各性状测定值×100%;
5)耐旱半致死浓度:处理种子发芽率在50%以
下相应的PEG浓度。
1.4 数据分析方法
  所有数据均用Excel统计。用SPSS 17.0统计分
析软件对不同处理下的各相关参数计算均值、方差以
及变异系数等一系列的统计参数,且进行正态分布检
验、差异显著性分析以及相关性分析。
·9·
研究报告  王婷婷 等:干旱胁迫对不同基因型向日葵萌发的影响研究
表3 重组自交系芽期相关性状分析
    均 值         偏 度         峰 度       变异系数(%)  
对照 处理 对照 处理 对照 处理 对照 处理
  发芽率(%) 82.54  17.34 -0.948 -0.023 -0.094 -0.990  0.25  0.90
  发芽势(%) 72.34  10.10 -0.307  0.421 -0.957 -0.423  0.36  0.92
  发芽指数 34.57  4.74  0.140 -0.224 -0.382 -0.299  0.39  0.90
  胚根长 4.03  0.72  0.786  0.079  0.420  0.100  0.57  0.58
  胚芽长 4.14  0.50  0.802  0.927  0.870  0.863  0.38  0.56
  胚根鲜重 0.79  0.02  0.643 -0.166  0.220  0.677  0.64  0.81
  胚根干重 0.13  0.02  0.393 -0.705 -0.125  0.213  0.96  0.74
  胚芽鲜重 4.32  0.09 -0.064 -0.267 -0.788 -0.816  0.43  0.95
  胚芽干重 0.54  0.05  0.253 -0.273  0.623 -0.777  0.45  0.96
2 结果与分析
2.1 模拟干旱临界浓度的选取
从发芽结果(图1)可以得知,轻度干旱胁迫对向
日葵种子发芽率、发芽势、发芽指数的影响不明显,中、
高度干旱胁迫则对其萌发具有不同程度的抑制作用,
并且随着PEG-6000浓度的增加而降低。此外,从图
中还可以看出,在15%、20%、21%模拟干旱胁迫下,
杂交种F1 在发芽率、发芽势、发芽指数上均明显高于
亲本,比亲本更耐旱,表现出杂种优势。在干旱临界浓
度的选取方面,由图1-a可知,PEG浓度为10%对种
子发芽率无明显影响,PEG浓度为15%时K 55、K 58
及F1 的发芽率分别为14%、40%、82%,PEG浓度为
20%时三者的发芽率分别为2%、6%、46%,PEG浓度
为21%时发芽率分别为0%、0%、8%,考虑到重组自
交系为杂交后代,有一定的杂种优势,所以确定干旱胁
迫临界浓度是 F1 发芽率46%时的 PEG 浓度,为
20%。
2.2 性状间的方差分析
种子的发芽率、发芽势、发芽指数及胚根、胚芽的
相关生长情况是衡量种子发芽能力的重要指标,也是
反映种子发芽后对逆境抵抗能力的重要指标。方差分
析结果表明,干旱胁迫处理下,各株系间的发芽率、发
芽势、发芽指数、胚芽长、胚芽鲜重、胚芽干重性状上均
呈现出极显著差异(p<0.01),胚根鲜重表现出显著差
异(p<0.05),在胚根长和胚根干重的性状上无显著差
异。而在蒸馏水对照处理下,各株系在各性状指标间
均呈现出极显著差异。说明不同株系间对干旱胁迫的
敏感程度不同。
2.3 萌发期相关性状表现
从表3看出,PEG处理下与种子萌发相关性状
(发芽率、发芽势、发芽指数、胚根长、胚芽长、胚根鲜
重、胚根干重、胚芽鲜重和胚芽干重)的极大值和均值
显著低于对照,表明种子萌发受到水分胁迫的明显抑
制。相关性状的频率分布和偏度、峰度的结果表明,
PEG和对照处理下的各相关性状在187个株系间均
处于正态分布范围,说明这些性状属多基因控制的性
状。由变异系数可知,模拟干旱和对照2种水分处理
条件下的各指标均为中等变异(0.1<变异系数<1),
但模拟干旱胁迫下,除胚根鲜重外,变异系数均表现
增加。
表1 重组自交系群体在干旱胁迫处理下各指标的方差分析
指标 F值 F0.05 F0.01
发芽率 5.54** 1.48  1.73
发芽势 6.6** 1.48  1.73
发芽指数 7.02** 1.48  1.73
胚根长 1.32  1.48  1.73
胚芽长 6.4** 1.48  1.73
胚根鲜重 1.5* 1.48  1.73
胚根干重 1.18  1.48  1.73
胚芽鲜重 6.84** 1.48  1.73
胚芽干重 4.57** 1.48  1.73
表2 重组自交系群体在对照处理下各指标的方差分析
指标 F值 F0.05 F0.01
发芽率 7.9** 1.48  1.73
发芽势 9.6** 1.48  1.73
发芽指数 9.05** 1.48  1.73
胚根长 10.94** 1.48  1.73
胚芽长 6.4** 1.48  1.73
胚根鲜重 12.49** 1.48  1.73
胚根干重 3.26** 1.48  1.73
胚芽鲜重 7.61** 1.48  1.73
胚芽干重 6.83** 1.48  1.73
2.4 种子萌发各相关性状对干旱胁迫的响应分析
  各性状指标的相对值反映PEG模拟干旱胁迫对
种子萌发的抑制程度,相对值越低,表示该性状指标受
·01·
第34卷 第10期 2015年10月              种 子 (Seed)           Vol.34 No.10 Oct. 2015
表5 2种处理下各性状指标相关性
PEG处理
对  照
发芽率 发芽势 发芽指数 胚根长 胚芽长 胚根鲜重 胚根干重 胚芽鲜重 胚芽干重
发芽率 0.904** 0.892** 0.426** 0.334** 0.591** 0.276** 0.219** 0.499**
发芽势 0.863** 0.945** 0.404** 0.296** 0.635** 0.312** 0.201** 0.481**
发芽指数 0.938** 0.966** 0.430** 0.313** 0.628** 0.318** 0.217** 0.502**
胚根长 0.645** 0.598** 0.635** 0.626** 0.703** 0.057  0.228** 0.149**
胚芽长 0.545** 0.501** 0.519** 0.754** 0.553** 0.157** 0.222** 0.124*
胚根鲜重 0.474** 0.396** 0.447** 0.377** 0.313** 0.243** 0.197** 0.378**
胚根干重 0.663** 0.534** 0.588** 0.588** 0.537** 0.594** 0.131* 0.419**
胚芽鲜重 0.703** 0.673** 0.686** 0.553** 0.519** 0.400** 0.627** 0.150*
胚芽干重 0.670** 0.588** 0.624** 0.511** 0.531** 0.356** 0.623** 0.878**
  注:“**”在0.01水平下,“*”在0.05水平下。
(下转第16页)
抑制程度越高,即对干旱胁迫敏感性越强。从表4可
看出,各相对性状指标的极小值与极大值之间的全距
在18.01~95.74之间,说明该重组自交系种子发芽性
状在模拟干旱胁迫处理下存在十分丰富的遗传多样
性。各性状相对值的均值变化为1.38~13.92,表明
与种子萌发相关的9个性状间受抑制程度存在着显著
差异,受抑程度顺序依次为:胚根长<发芽率<发芽势
<胚芽长<发芽指数<胚根干重<胚芽干重<胚根鲜
重<胚芽鲜重。干旱胁迫对向日葵胚芽鲜重的影响最
大(为1.38%),其次是胚根鲜重(为2.50%),说明胚
芽鲜重与胚根鲜重对干旱胁迫较为敏感。
表4 PEG胁迫下各株系萌发特性
全距(%) 均值(%) 位次
相对发芽率 95.74  13.66  8
相对发芽势 86.36  9.11  7
相对发芽指数 90.36  9.06  5
相对胚根长 75.35  13.92  9
相对胚芽长 82.23  9.09  6
相对胚根鲜重 57.25  2.5  2
相对胚根干重 84.77  8.3  4
相对胚芽鲜重 18.01  1.38  1
相对胚芽干重 68.53  6.71  3
2.5 种子萌发期各性状间的相关性
相关性分析是用来衡量两个变量因素之间相关密
切程度的分析方法。相关分析结果(表5)表明,在模
拟干旱胁迫条件下,9个性状指标间均呈极显著的正
相关性(p<0.01)。在正常水分条件下,胚芽干重与胚
芽鲜重、胚根干重与胚芽鲜重、胚芽长与胚芽干重呈显
著正相关外(p<0.05),其余指标间均呈极显著的正相
关性,2种水分条件下各指标间相关性差异不大。
3 讨 论
关于研究作物抗旱性的方法有很多,其中大多数
方法是在人工控制干旱条件和人工模拟干旱胁迫下进
行的[11-12]。Bouslamam等的研究结果显示,用高渗溶
液模拟干旱胁迫可以替代土壤水分胁迫[12]。由于聚
乙二醇溶于水后会产生强大的渗透压,不会被植物吸
收利用,且没有毒害作用,是目前普遍使用的水分胁迫
剂[13-15]。
在干旱条件下,种子是否保持活力及幼苗是否能
继续生长是植物能否存活的关键[16],而计算种子的发
芽率、发芽势和发芽指数在作物种子发芽出苗期抗旱
性鉴定中具有重要的意义。试验表明,PEG-6000模
拟干旱胁迫,在低浓度时对种子萌发的影响不明显,在
中、高浓度下则明显抑制了向日葵种子的发芽率、发芽
势、发芽指数以及胚根与胚芽的生长,说明向日葵对轻
度干旱胁迫有一定的适应性。并且由条件摸索试验结
果可以看出,杂交种F1 与其双亲相比,在种子发芽出
苗期耐旱性中表现出一定的杂种优势。重组自交系
F5 代的187个株系萌发期抗旱性表现具有较大的遗
传变异,且基本符合正态分布,表明该向日葵株系资源
中可能存在与抗旱直接或间接的相关功能基因,该群
体可进一步用来进行芽期抗旱相关性状的基因定位和
图位克隆研究。
  作物抗逆性鉴定过程中,利用逆境胁迫与正常生
长条件下测定性状指标值的比值(相对值)作为抗性评
价指标,可减少不同株(品)系各自的遗传背景差异,使
结果更具有代表性[17]。本试验结果说明,干旱胁迫对
向日葵萌发相关的各性状均表现显著抑制作用,而且
对胚芽鲜干重与胚根鲜干重的抑制作用最为明显,说
明胚芽与胚根是对干旱胁迫较为敏感的部位。
·11·
研究报告  王婷婷 等:干旱胁迫对不同基因型向日葵萌发的影响研究
和种子质量较好。
试验结果显示,烟草花粉短、中、长期贮藏技术包
含以下几个要点:1)短时间干燥处理对花粉活力无
显著影响,干燥12h内均可获得高活力的烟草花粉;
2)花粉含水量控制在5.17%~6.48%,在5,-4℃
和-18℃条件下可贮藏6~9个月,放置液氮中
(-196℃)贮藏12个月后,花粉活力仍保持较高水
平;3)花粉采集后干燥12h,控制含水量5%~7%,
长期贮藏可在液氮中封存(-196℃),短、中期贮藏可
根据需要在5,-4℃和-18℃冰箱封存。
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(上接第11页)
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第34卷 第10期 2015年10月              种 子 (Seed)           Vol.34 No.10 Oct. 2015