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Analysis of Biological Characteristics of Alkali-tolerant Rice Mutant ACR78

水稻耐碱突变体ACR78的生物学特性解析



全 文 :文章编号 :100028551 (2009) 0120017206
水稻耐碱突变体 ACR78 的生物学特性解析
齐春艳1 ,2 ,3  梁正伟1 ,3
(11 中国科学院东北地理与农业生态研究所 ,吉林 长春 130012 ;21 中国科学院研究生院 ,北京 100039 ;
31 中国大安碱地生态试验站 ,吉林 大安 131317)
摘  要 :通过 5 种 pH盐碱梯度试验 ,研究了水稻耐碱突变体 ACR78 在移栽至成熟阶段的生物学特性 ,并
与野生型进行了比较分析。结果表明 ,在 pH 715、pH 810、pH 815、pH 819 和 pH 916 梯度下 ,ACR78 突变
体株高分别比野生型增加 1315 %、1412 %、914 %、319 %和 1316 % ;单株茎蘖数分别增加 2114 %、2315 %、
4219 %、4515 %和 911 % ;单株产量分别增加 5916 %、5314 %、3511 %、6418 %和 8618 % ,主要是源于每穗总
粒数和结实率的增加。ACR78 抽穗历期 (pH 715~819 约 7d ;pH 916 约 13d)短于野生型 (pH 715~819 为
12 - 13d ;pH 916 约 18d) ,抽穗整齐度高。说明 ACR78 的耐盐碱性高于野生型。
关键词 :水稻 ;耐碱突变体 ;pH ;胁迫 ;生物学特性 ;生长发育 ;产量 ;ACR78
ANALYSIS OF BIOLOGICAL CHARACTERISTICS OF AL KALI2TOLERANT RICE MUTANT ACR78
QI Chun2yan1 ,2 ,3  LIANG Zheng2wei1 ,3
(11 Northeast Institute of Geography and Agricultural Ecology , CAS , Changchun , Jilin  130012 ;
21 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences , Beijing  100039 ; 31 Da′an Sodic Land Experiment Station , Da′an , Jilin  131317)
Abstract :The biological characteristics of alkali2tolerant rice mutant ACR78 were studied in the stage from transplanting to
mature by 5 pH gradients. The results showed that the plant height of ACR78 mutants increased 1315 % , 1412 % , 914 % ,
319 % and 1316 % than the wild type under pH 715 , pH 810 , pH 815 , pH 819 and pH 916 , respectively ; the stem and tiller
per plant increased 2114 % , 2315 % , 4219 % , 4515 % and 911 % , respectively ; and the yield per plant increased 5916 % ,
5314 % , 3511 % , 6418 % and 8618 % , respectively , all of these were resulted from the increase of total grain number and
seed setting rate. ACR78 had the shorter heading stage (which was seven days under pH 715 to pH 819 , and thirteen days
under pH 916) than the wild type (which was twelve to thirteen days under pH 715 to pH 819 , and eighteen days under pH
916) and the higher uniformity of heading. All the results indicated that the alkali2tolerance of ACR78 was higher than the
wild type.
Key words :rice ; lime2tolerant mutant ; pH ; stress ; biological characteristics ; growth and development ; yield ; ACR78
收稿日期 :2008205225  接受日期 :2008207222
基金项目 :中科院西部行动计划 ( KZCX22XB2213) ,国家科技支撑项目 (2007BAD65B02) ,中科院知识创新工程项目 ( KSCX12YW203)
作者简介 :齐春艳 (19782) ,女 ,吉林省吉林市人 ,博士研究生 ,主要从事植物逆境生理生态与水稻耐盐碱种质资源筛选研究。E2mail :qichunyan @
neigae. ac. cn
通讯作者 :梁正伟 (19622) ,男 ,吉林省长春市人 ,博士 ,研究员 ,博士生导师 ,主要从事植物逆境生理生态与分子生物学研究。E2mail : liangzw @
neigae. ac. cn
  当前所能利用的植物 (包括作物)耐盐碱种质资源
匮乏限制了生物改良盐碱地措施的发展与应用[1 ] 。筛
选植物耐盐碱突变体 ,将这些突变体及克隆到的耐盐
碱基因应用到经济和生态价值较高的植物中去[2~5 ] ,
对培育植物耐盐碱品种、发展盐碱地农业具有重要的
意义。但是 ,目前得到的多为耐盐 (NaCl) 突变体 ,如陈
受宜和朱立煌[6 ] 筛选到的水稻抗盐突变体 ,沈银柱
等[7 ]筛选到的小麦耐盐突变体 ,吕思敏[8 ] 筛选到的拟
南芥 stg2 耐盐突变体 ,刘海学等[9 ] 筛选到的向日葵耐
盐突变体等。相关研究也主要以 NaCl 为主 ,即 Na + 代
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谢[10 ] 、耐 NaCl 相关基因[11 ,12 ] 及 NaCl 胁迫信号传导[13 ]
等。而耐碱 (NaHCO3 、Na2 CO3 ) 突变体的筛选及相关研
究还很少。迄今 ,只有少数学者开展了这方面的探索 ,
如孙振元等[14 ]筛选到毛白杜鹃耐碱 (NaHCO3 ) 突变体 ;
梁正伟等[15 ] 筛选到 4 个水稻耐碱突变体 (ACR76、
ACR78、JCR101 和 JCR128) ,并同时开展了水稻耐碱
QTL 定位研究 ,将水稻耐碱 (Na2 CO3 ) QTL 初步定位在
第 1 (R2329) 、第 6 (R1888) 、第 7 (C451) 、第 10 ( R1629)
和第 12 号 (R2078) 染色体上。研究表明 ,碱性盐对植
物生长发育的抑制作用大于中性盐 ,苏打盐碱环境中
高 Na + 含量和高 pH 是产生这种现象的主要原因[16 ] ,
因此植物对碱性盐胁迫的响应与 NaCl 等中性盐胁迫
具有不同的抗逆机制[17 ,18 ] 。ACR78 是以 Na2 CO3 为选
择压力筛选得到的能在高 pH 苏打盐碱环境下生长的
水稻耐碱突变体[15 ] ,该突变体有助于研究水稻耐碱性
遗传及其生理机制 ,并为培育耐苏打盐碱水稻品种提
供新的基因资源。
生物学特性在植物响应盐碱胁迫的研究中具有重
要的指示意义。其中 ,生物量是植物对盐胁迫的综合
体现 ,是植物耐盐性的直接指标[19 ] ,全株相对生物量
高的植物或品种耐盐性强[20 ] 。种子发芽率、幼苗高和
根长等在盐碱胁迫下也会发生变化[21 ] ,如种子的萌发
能够被高盐胁迫完全抑制[22 ] 。目前 ,对植物盐碱逆境
生物学特性的研究多限于水稻品种 (或品系) ,并集中
在幼苗阶段 ,而利用突变体对其生长发育动态及成熟
期耐盐碱性的研究很少 ,尤其对作物而言 ,其产量和产
量构成因素等农艺性状是耐盐碱性评价的重要指标。
因此 ,本研究以水稻耐碱突变体 ACR78 及其野生型为
研究对象 ,在遗传背景相对一致的条件下比较其生物
学特性及产量性状的变化 ,从而验证突变体生长发育
期耐盐碱能力的大小 ,为进一步研究该突变体的耐盐
碱特性与机理提供基础数据。
1  材料与方法
111  供试材料
本试验采用水稻耐碱突变体 ACR78 及其野生型
农大 10 号为供试材料。农大 10 号来自吉林农业大学
水稻育种研究室。ACR78 是用化学诱变剂 (NaN3 )对农
大 10 号的种子进行诱变处理得到 M2 群体后 ,以
Na2 CO3 耐性为指标 ,经单株选拔得到的能够稳定遗传
的耐碱突变体[15 ] 。
112  供试土壤
试验土壤采用非盐碱土 (河床冲积土 ,pH 715) 与
重度苏打盐碱土 (pH 1015 ,电导率 212 mSΠcm ,有机质
811 gΠkg ,碱解氮 3316mgΠkg ,速效磷 1412mgΠkg ,速效钾
15711mgΠkg ,CO2 -3 136810mgΠkg , HCO -3 453814mgΠkg) 按
不同质量比配制成 5 种 pH 梯度的供试土壤。供试土
壤的基本性质见表 1。
表 1  供试土壤的基本性质
Table 1  The basic properties of experimental soil
处理
treatment
配土比例 (冲积土Π盐碱土)
ratio of mixed soil
(alluvial soilΠsaline soil) 电导率conductivity(mSΠcm) 有机质organic material(gΠkg) 碱解氮dehydrated2N(mgΠkg) 速效磷available2P2O5(mgΠkg) 速效钾available2K2O(mgΠkg)
pH 715 10∶0 01800 5615 25210 1911 21318
pH 810 8∶2 01801 5519 22910 1818 20318
pH 815 6∶4 01897 5212 21010 1718 19818
pH 819 4∶6 11263 3312 15514 1618 17718
pH 916 3∶7 11489 2913 15112 1519 17418
113  研究方法
试验于 2005 年 5 —10 月在中国大安碱地生态试
验站玻璃温室内进行。设置 70 cm(l) ×73 cm(w) ×60
cm(h)的水泥池 ,将 5 种 pH 的土壤装入池内压实。4
月 3 日将 ACR78 及其野生型浸种催芽后育苗 ,5 月 25
日选取叶龄一致、大小均等的秧苗 ,单株移栽池内 ,移
栽密度为 69 穴Πm2 。常规方法进行水肥管理 ,灌溉水
取自 80 m 地下水。跟踪调查主茎株高和单株茎蘖数
(主茎 + 分蘖)动态变化 ,测量主茎各节间长度 (自穗颈
节向下依次定义为第 1、2、3、4、5 和 6 节间) ,记录始穗
期、终穗期、移栽 - 始穗天数、单株抽穗历期 (始穗期 -
终穗期的天数) ,调查单株实测产量和产量构成要素 ,
并计算单株理论产量。
单株理论产量 = 单株穗数 ×每穗总粒数 ×结实率
×(千粒重Π1000) 。
114  数据统计与分析
试验数据采用 SPSS1310 统计软件进行标准差及
显著性比较分析 ,采用 Excel 软件绘图。
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2  结果与分析
211  ACR78 突变体的生长发育特性
21111  株高  从图 1 可以看出 ,ACR78 成熟期的株高
显著大于野生型 ,在 pH 715、pH 810、pH 815、pH 819 和
pH 916 下 ,分别比野生型增加 1315 % ( p < 0101) 、
1412 %( p < 0101) 、914 %( p < 0105) 、319 %和 1316 %( p
< 0101) 。此外 ,在 pH 810~916 的盐碱胁迫下 ,野生型
的株高呈直线下降趋势 ,但 ACR78 下降趋势平缓。
从主茎各节间长度来看 ,pH 810 下 ,ACR78 第 1、5
和 6 节间长度的增加最显著 ,分别是野生型的 113、210
和 317 倍。pH 815 下 ,ACR78 第 4 和 5 节间长度极显
著大于野生型。pH上升到 819 时 ,表现为第 3 和 4 节
间长度极显著增加 (1814 %和 1318 %) ,而其他节间的
长度与野生型无显著性差异。pH 达到 916 时 ,ACR78
节间长度增加最显著的是第 4 (3215 %) 、第 5 (4010 %) 图 1  不同盐碱胁迫下 ACR78 突变体与野生型的株高Fig. 1  The plant height of mutant ACR78 andwild type under different saline2alkaline stress和第 6 (6413 %)节间 (表 2) 。  从株高增长动态可以看出 ,无论是盐碱胁迫
表 2  不同盐碱胁迫下 ACR78 突变体与野生型主茎各节间长度
Table 2  The main stem internode length of mutant ACR78 and wild type under different saline2alkaline stress cm
项目
item
pH 715 pH 810 pH 815 pH 819 pH 916
野生型 ACR78 野生型 ACR78 野生型 ACR78 野生型 ACR78 野生型 ACR78
第 1 节间 3713 ±013 4116 ±216 3 3216 ±110 4111 ±01733 3319 ±017 3417 ±014ns 3110 ±015 3019 ±015ns 3019 ±312 3611 ±018ns
第 2 节间 2319 ±013 2811 ±01833 2413 ±015 2417 ±013ns 2511 ±212 2413 ±110ns 1818 ±015 1911 ±013ns 1811 ±015 1913 ±110ns
第 3 节间 2313 ±210 2116 ±018ns 2412 ±213 2110 ±016ns 1813 ±110 1719 ±014 ns 1719 ±014 2112 ±01333 1314 ±011 1410 ±013ns
第 4 节间 1414 ±216 1815 ±110ns 1615 ±013 1814 ±312ns 1213 ±016 1615 ±01333 1117 ±014 1313 ±01333 813 ±014 1110 ±01933
第 5 节间 515 ±114 912 ±112 3 512 ±013 1014 ±210 3 211 ±012 915 ±01633 517 ±119 316 ±016ns 410 ±017 516 ±015 3
第 6 节间 019 ±015 213 ±11533 113 ±011 418 ±01433 110 ±011 017 ±012ns 219 ±017 310 ±012ns 114 ±012 213 ±011 33 ,33 :分别代表 ACR78 在相同 pH胁迫下与野生型在 0105 和 0101 水平上的差异显著性。ns :无显著差异。下同。3 : p < 0105 ; 33 p < 0101 ; ns : p > 0105 between wild type and ACR78 at the same pH treatment . The same as following tables.
(pH 916)还是非盐碱胁迫 (pH 715) ,ACR78 株高均在 8
月 17 日左右趋于稳定 ,而野生型在 8 月 10 日前后已
停止增长 (图 2) 。6 月 15 日 - 7 月 13 日 (拔节孕穗
期) ,ACR78 在 pH 715 下的株高与野生型相近 ,而在
pH 916 下 ,其株高大于野生型。以上说明 ,ACR78 的
生长较野生型旺盛 ,在拔节孕穗期耐盐碱胁迫能力较
强。
21112  单株茎蘖数的动态变化  从图 3 可以看出 ,在
5 种 pH梯度下 ,ACR78 和野生型的分蘖高峰均出现在
7 月 6 日前后 ,但 ACR78 的最终单株茎蘖数均高于野
生型 , 分别比野生型增加 2114 %、2315 %、4219 %、
4515 %和 911 %。pH 715~815 的盐碱胁迫对 ACR78
分蘖的发生有促进作用。在 pH 916 的重度盐碱胁迫
下 ,分蘖高峰前期 ,ACR78 的茎蘖数显著高于野生型 ,
表现出旺盛的分蘖状态 ,但最终单株茎蘖数差异不大。
图 2  在盐碱 (pH 916)及非盐碱 (pH 715)下 ACR78
突变体与野生型的株高生长动态
Fig. 2  The growth dynamics of mutant ACR78 and wild
type under the control (pH 715) and saline2
alkaline stress (pH 916)
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图 3  不同盐碱胁迫下 ACR78 突变体与野生型单株茎蘖数动态变化
Fig. 3  The dynamic changes of the tiller numbers per plant of mutant ACR78 and
wild type under different saline2alkaline stress
21113  抽穗期 在 pH 810 的轻度盐碱胁迫下 ,ACR78
和野生型的移栽 - 始穗天数分别为 76d 和 63d ,在 pH
916 的重度盐碱胁迫下 ,分别延迟为 79d 和 70d。从图
4 可以看出 ,无论有无盐碱胁迫 ,ACR78 的抽穗历期均
比野生型短。pH 715~819 下 ,ACR78 仅需 7 d 左右即
可完成抽穗 ,抽穗整齐度较高 ,而野生型需要 12 -
13d ,抽穗历期较长。pH 916 下 ,ACR78 抽穗历期增加
到 13d ,野生型约为 18d。说明 ACR78 抽穗期耐盐碱性
仍高于野生型。
图 4  不同盐碱胁迫下 ACR78 突变体与野生型的抽穗期特性
Fig. 4  The heading date characteristics of mutant ACR78
and wild type under different saline2alkaline stress 212  ACR78 突变体的产量及产量构成要素变化21211  单株实测产量与理论产量  总体来看 ,ACR78及其野生型单株产量随着盐碱胁迫的增强呈下降趋势 ,在 pH 916 的重度盐碱胁迫下 ,分别比对照减产6719 %和 7216 % ,ACR78 减产幅度小于野生型。由表3 可知 ,在相同 pH 下 ,ACR78 的产量均显著或极显著高于野生型 ,较野生型分别增加 5916 % (pH 715) 、5314 %(pH 810) 、3511 % (pH 815) 、6418 % (pH 819) 和8618 %(pH 916) (表 3) 。并且 ,单株实测产量与理论产量呈极显著正相关 (图 5) 。表 3  不同盐碱胁迫下 ACR78 突变体与野生型的单株实测产量Table 3  The measured yield per plant of mutantACR78 and wild type under different saline2alkaline stress处理treatment 野生型产量yield of wild type (g) ACR78 产量yield of ACR78 (g)pH 715 15103 ±013 23198 ±111 (5916) 33pH 810 15175 ±117 24116 ±114 (5314) 33pH 815 10195 ±113 14179 ±017 (3511) 3pH 819 8151 ±014 14102 ±214 (6418) 3pH 916 4112 ±016 7169 ±012 (8618) 33  注 :括号中数值为 ACR78 比野生型增产的百分率 ( %) 。Note :The values in brackets represent the increased percentage of ACR78than wild type.
02 核 农 学 报 23 卷
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图 5  理论产量与实测产量的关系
Fig. 5  The relations between theoretical
yield and measured yield
21212  产量构成要素分析  从表 4 的产量构成要素
(单株穗数 ×每穗总粒数 ×千粒重 ×结实率) 可以看
出 ,在盐碱胁迫下 ,ACR78 的单株穗数和千粒重与野生
型均无显著性差异 ,而在 pH 810 和 pH 916 下 ,其每穗
总粒数和结实率则显著或极显著高于野生型。以上结
果表明 ,ACR78 产量的增加是由上述 4 个产量构成要
素共同累加作用的结果 ,但主要是源于每穗总粒数和
结实率的增加。
3  讨论
以往研究[23 ] 表明 ,苏打盐碱胁迫下 ,水稻株高降
低 ,秆长缩短 ,且盐碱胁迫越强 ,降低幅度越大 ,单株分
表 4  不同盐碱胁迫下 ACR78 突变体与野生型的产量构成要素及其穗部性状
Table 4  The yield components and the ear characters of mutant ACR78 and wild type under different saline2alkaline stress
品种
variety
处理
treatment
穗数
No. of panicle
每穗总粒数
grain number
per panicle
千粒重
10002grain
weight (g)
结实率
seed setting
rate ( %)
穗长
panicle length
(cm)
单穗重
dry weight
per panicle (g)
pH 715 417 ±112 13218 ±2416 2218 ±111 9111 ±118 1818 ±111 216 ±016
pH 810 517 ±115 9816 ±115 2219 ±019 9118 ±118 1717 ±011 213 ±012
野生型 pH 815 417 ±112 8017 ±1417 2316 ±017 9315 ±314 1612 ±111 210 ±014
wide2type pH 819 317 ±016 8013 ±1012 2319 ±015 9516 ±016 1515 ±116 212 ±012
pH 916 317 ±115 6119 ±1815 2116 ±118 6211 ±112 1519 ±013 117 ±012
pH 715 517 ±016 (121) ns 14817 ±614 (112) ns 2317 ±014 (104) ns 9511 ±014 (104) 3 2210 ±014 (117) 33 316 ±013 (138) 3
pH 810 710 ±110 (123) ns 10917 ±313 (111) 33 2318 ±011 (104) ns 9612 ±013 (105) 3 1914 ±111 (110) ns 217 ±012 (117) ns
ACR78 pH 815 617 ±115 (143) ns 10119 ±518 (126) ns 2315 ±014 (100) ns 9515 ±110 (102) ns 1811 ±016 (112) ns 214 ±011 (120) ns
pH 819 513 ±115 (143) ns 9010 ±819 (112) ns 2316 ±113 (99) ns 9514 ±015 (99) ns 1713 ±013 (112) ns 213 ±011 (105) ns
pH 916 410 ±110 (108) ns 10714 ±1715 (173) 3 2313 ±011 (108) ns 9310 ±118 (150) 33 1814 ±113 (116) 3 215 ±015 (147) ns
  注 :括号内数字为突变体占野生型的百分比。
Note : The number in parenthesis is percentage of mutant to that of wild type.
蘖力下降 ,分蘖高峰推迟或不出现分蘖高峰 ,抽穗期延
迟。并且水稻单株分蘖力 (茎蘖数)和抽穗期存在明显
的基因型差异[23 ] 。另外 ,对某些植物而言 ,轻度盐碱
胁迫可能会促进植物的生长[24 ] 。本研究中 ,在 pH 715
~916 下 ,ACR78 成熟期的株高大于野生型 ,主要与基
部节间 (第 4、5、6 节间)的显著伸长有关。在 pH 810~
916 的盐碱胁迫下 ,野生型的株高呈直线下降趋势 ,但
ACR78 下降趋势平缓 ,并且具有较强的分蘖能力。这
些优于野生型的生物学特性 ,可促进 ACR78 生物量的
提高 ,有利于植株内部对高 Na + 、高 pH 的稀释与缓
解 ,减轻盐碱胁迫对植物体的伤害 ,增强自身的耐盐碱
性。整齐度是作物群体的重要特性之一 ,单株茎蘖数
多 ,抽穗整齐度下降[25 ] 。而本研究中 ,ACR78 的单株
茎蘖数虽然较多 ,但抽穗整齐度却较高 (抽穗历期短于
野生型) ,这可能有利于 ACR78 在较短的时间内完成
  
其生殖周期 ,表现为一种盐碱适应的生存策略。
盐碱胁迫导致产量及产量构成要素下降 ,如小麦
在盐分胁迫下 ,穗长、分蘖数、千粒重和穗粒数都有不
同程度的降低[26 ] 、水稻在盐碱胁迫下籽粒的总库容量
减小[27 ]等。水稻耐盐碱能力的提高可减轻其在盐碱
胁迫下各农艺性状的降低程度。本研究表明 ,在 pH
715~916 下 ,ACR78 的单株实测产量分别比野生型增
产 5916 %(pH 715) 、5314 %(pH 810) 、3511 %(pH 815) 、
6418 %(pH 819)和 8618 % (pH 916) 。其产量的增加是
单株穗数、总粒数、千粒重和结实率等产量构成要素共
同累加作用的结果 ,但主要是源于每穗总粒数和结实
率的增加。因此认为 ,本突变体不仅可作为抗盐碱育
种素材直接加以利用 ,也是耐碱性遗传和耐盐碱生理
机制研究的宝贵材料。目前 ,笔者正在深入开展相关
方面的研究工作。
12 1 期 水稻耐碱突变体 ACR78 的生物学特性解析
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《核农学报》入编 2008 年《中文核心期刊要目总览》
由北京大学图书馆编制的《中文核心期刊要目总览》(第五版) 已于 2008 年 12 月出版 ,《核农学报》已连续四
年入编该书“农学 农作物”类的核心期刊。
《中文核心期刊要目总览》,采用被索量、被摘量、被引量、他引量、被摘率、影响因子、获国家奖或被国内外重
要检索工具收录、基金论文比、Web 下载量等 9 个评价指标进行定量评价 ,统计文献量达 32400 余万篇次 (2003 至
2005 年) ,涉及期刊 12400 余种 ,5500 多位学科专家参加了核心期刊评审工作。入编的 1980 余种核心期刊 ,分属
七大编 73 个学科类目。
22 Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2009 ,23 (1) :17~22
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