大豆抗逆性育种

大豆抗逆性育种

摘　要:从301份黄淮海和长江中下游地区代表性大豆地方品种和育成品种(系)中按根系类型选取59份,在苗期干旱胁迫和非胁迫条件下对地上部和地下部性状进行2年重复鉴定,发现材料间性状隶属函数值具有丰富遗传变异,以株高、叶龄、根干重和茎叶干重隶属函数的算术平均数为抗旱综合指标从中筛选出汉中八月黄、晋豆14,科丰1号,圆黑豆等强耐旱型(1级)和临河大粉青、宁海晚黄豆等干旱敏感型(5级)材料。比根干重、比总根长、比根体积与耐旱隶属函数平均值均呈极显著正相关,可作为耐旱性的根系性状指标。利用“科丰1号×南农11382”(1级×4级)衍生的RIL群体为材料,对耐旱相关根系性状采用主基因+多基因混合遗传模型分离分析法进行遗传分析并进行QTL定位。结果表明,该两亲本间比根干重、比总根长、比根体积的遗传均为两对主基因加多基因模型,后两者主基因间有连锁(重组率分别为4 30%和1 93%);主基因遗传率为62 26%～91 81%,多基因遗传率为2 99%～24 75%;耐旱相关根系性状各主要由1对主基因控制,另1对效应较小。QTL分析检测到5、3、5个QTLs分别控制比根重、比根总长、比根体积,位于N6 C2、N8 D1b+W、N11 E、N18 K连锁群上。3性状各有1个贡献率大的QTL(Dw1,Rl1,Rv1),而且均位在N6 C2的STAS8_3T STAS8_6T相同距离的区段上,其他QTLs效应均较小。分离分析与QTL定位的结果相对一致。

我国是一个严重缺水的国家,北方大豆产区受旱面积不断增加,虽然我国南方虽然全年雨量充足,但分配不均,也常出现季节性干旱,因而选育大豆耐旱品种已成当务之急。前人从形态、生理、分子等多个角度对大豆耐旱性进行了研究[1～6],鉴定并筛选出了一些耐旱性较强的种质,开展了耐旱性育种。作物对土壤干旱首先感受的器官是根系,根系作为研究和改良作物耐旱性的一个重要组成部分,正引起研究者的重视[7～10]。Hudak[5,8]等曾比较了2个农艺性状相近但抗旱性不同的大豆品种的根系性状,发现抗旱性强的品种的根量、根体积、根表面积远远超过抗旱性差的品种。对大豆耐旱相关根系性状的研究国内还未见报道。本文在耐旱性种质资源鉴定筛选的基础上,探索与耐旱性相关的根系性状,利用耐旱性有差异的材料杂交衍生的RIL群体对耐旱相关的根系性状进行遗传分析和QTL定位,为大豆耐旱根系育种提供材料和依据。

1.1.2　盆钵实验设计与实施分别在2001年6月、2002年7月于国家大豆改良中心江浦实验基地温室内进行。盆播:盆钵规格为25cm×28cm,采用砂-土(85∶15)混合基质(7kg基质/盆)。裂区设计:主区为水分处理(适宜水分与干旱胁迫),副区为材料,每副区为一盆,种子催芽后挑选胚根长度一致的种子播种,每盆留2株,3次重复。待植株对称叶展开时进行水分处理,水分胁迫加水30mL/盆·d,水分适宜加水100mL/盆·d,共处理18d。

水分处理前后测定株高、叶龄各一次,处理18d后收获。以子叶节为界把植株分为地上部分(简称茎)和地下部分(简称根),立即将根浸入FAA固定液,将茎放进烘箱(105℃)杀青30min,然后80℃下烘至恒重,冷却后称重。将根浸泡30min后取出,观察根系形态,测定根系性状,以后处理同茎。

1.1.3　根系形态指标的观察总根长和根体积:将固定后的根取出,剪下基根(basalroot)及主根(taproot),置Epson扫描仪上扫描,采用WinRhizo根系分析软件计算总根长根体积。比根重、比总根长、比根体积为干旱条件下的根干重、总根长、根体积与整株干物重之比。

1.1.4　统计分析将2年耐旱鉴定数据转算成隶属函数值后进行联合方差分析。品种耐旱隶属函数值的计算,可先计算各重复的隶属函数值,再求品种平均耐旱隶属函数值;本文则按先计算得到平均株高、叶龄、茎干重、根干重,并计算各指标胁迫平均值与适宜平均值的比值,其中株高、叶龄分别以每10d平均生长率参与计算。按下式计算耐旱隶属函数值:

Fij为第i个材料第j个性状的隶属值,Xij为第i个材料第j个性状胁迫对非胁迫的比值,Xmax、Xmin分别为该性状中最大、最小比值。最后按材料将各性状的隶属值进行平均,得平均隶属函数值Fi。各供试材料按照下列标准进行耐旱性分级:

1级:平均隶属值在0.8以上———强耐旱型;2级:平均隶属值在0.6～0.8之间———较强耐旱型;3级:平均隶属值在0.4～0.6之间———中间型;4级:平均隶属值在0.2～0.4之间———干旱较敏感型;5级:平均隶属值在0.2以下———干旱敏感型。对隶属函数值和根系性状进行了相关分析。以上统计分析均在SAS8.2version下完成。

1.2耐旱相关根系性状遗传的分离分析

供试材料为科丰1号(1级)和南农1138 2(4级)杂交得到并经过调整[11]的184个RIL家系。将各家系连同2亲本盆播,盆钵规格和水分胁迫处理同1 1,随机排列,3次重复。种子催芽后挑选胚根长度一致的种子播种,出苗后每盆留1株,V4期收获。处理结束后扫描根系,计算总根长、根体积并测定根干重,应用盖钧镒等[12]的数量性状主基因+多基因混合遗传模型进行遗传分析。

1.3　耐旱相关根系性状的QTL分析

利用上述群体构建的分子标记连锁图谱[11],用QTLCartographerV2.0分析软件进行复合区间作图和QTL分析[13],LOD值大于3 0作为QTL存在的阈值。

3.1大豆品种耐旱性鉴定指标

以往研究表明,采用生长性状做指标鉴定抗旱性以“平均隶属函数值”方法较可行[1,14]。本研究在苗期采用株高、叶龄、茎干重、根干重4个生长性状较易测量,其隶属函数值的群体平均数和变异系数都相近,故采取其算术平均数为抗旱综合指标两年重复鉴定结果趋势相同(r=0 83),表明该指标适用,品种耐旱分级结果较为稳定可信。

3.2　大豆耐旱相关的根系性状

大豆品种之间存在相当大的生态、发育差异,直接比较品种间的根系性状未发现与耐旱性有关的指标,而采用相对值法便找到了比根重、比总根长、比根体积等3个相关的根系性状。Hudak和Patterson[8]比较两个农艺性状相近的耐、感干旱品种,发现其根量、根体积、根表面积等直接根系性状在抗、感之间有明显差异。该文所用直接根系性状虽与本实验相近,但与本实验耐旱根系性状为相对值的结果有所不同。从本文的结果看,相对值法在根系研究中,可能有特殊意义。

3.3　大豆耐旱相关根系性状的遗传分析和QTL定位

本文采用盖钧镒等[12]的数量性状主基因+多基因混合遗传模型分离分析方法对与耐旱相关的根系性状进行遗传分析,结果表明科丰1号与南农1138 2两亲本间3个耐旱相关根系性状均有2对主基因的差异。但南农1138 2的耐旱性仅为较敏感(4级),进一步的实验应采用更多、差别更大的材料为亲本,更全面地探究耐旱相关根系性状的遗传体系。比较遗传分析和QTL分析的结果,两者相对一致。分离分析法受最多可检测3对主基因的模型,能测出的基因数较少,QTL作图则不受此。但在本研究中两者都检测到各性状最主要的一对主基因,都发现其他位点效应较小。两者在检测到的一对主基因加性效应、次要基因加性效应方面比根干重和比根体积的均甚相近;但比总根长的则第一对主基因加性效应相差较大。比根总长和比根体积在分离分析中均检测到两对主基因间有连锁联系QTL分析结果,很可能就是QTL分析中的Rl与Rl2和Rv1与Rv3。所以,综合比较两种方法进行遗传分析的结果相似,可相互验证,分离分析方法由于费用较低,在目前特别是当遗传图谱未饱和时具有广泛的应用价值。

本研究中控制耐旱相关根系性状的主要基因Dw1、Rl1、Rv1定位在第N6 C2连锁群上,可见该连锁群在根系和耐逆性上的重要性。3个位点还都在同一STAS8_3T STAS8_6T区域同一离两侧标记1.7～0.7cM距离上,是否是同一基因有待进一步研究。本研究中部分基因定位在N8 D1b+W连锁群上,与大豆5个抗花叶病毒基因位于同一条连锁群[15]且遗传距离较近,启示在对大豆耐生物和非生物逆境的种质资源筛选时有可能筛选到同时具备抗病和耐旱特性的优异种质资源。大豆起源于我国,品种资源极为丰富,充分利用现有资源,从整体水平提高大豆的抗旱性对我国大豆生产的发展有着重大的意义。

――刘　莹,盖钧镒,吕慧能等，大豆耐旱种质鉴定和相关根系性状的遗传与QTL定位，遗传学报，2005，32（8）：856-8

摘要　选取黄淮海和长江中下游地区代表性材料51份,在苗期以株高、叶龄、根干重和茎叶干重隶属函数的平均值为指标进行耐铝毒性鉴定,从中筛选出惠民铁竹杆、齐黄1号、长垣范屯小天鹅蛋、汝南平顶豆、油91-11、上海大青豆(选)和新昌六月豆等强耐性材料(1级)和5-5、大乌豆、南农1138-2×86-53等强敏感性(5级)材料。相关分析表明,一级侧根数、主根长、总根长、根体积和根干重的相对值与耐铝毒隶属函数值均呈极显著相关,可作为耐铝毒性的根系性状指标。利用”波高×ＮＧ94-156”衍生的重组自交家系群体为材料,采用主基因+多基因混合遗传模型分离分析方法对耐铝毒相关根系性状进行遗传分析。结果表明,该两亲本间(4级与2级间)一级侧根数比、主根长比、总根长比和根干重比的遗传为3对主基因加多基因模型,主基因遗传率为80.22%-91.81%,多基因遗传率为3.52%-11.39%;根体积比的遗传为3对主基因模型,主基因遗传率为93.44%。耐铝毒相关根系性状主要由主基因控制。

全世界用于大豆生产的酸性土壤面积占大豆总面积的35%,仅次于玉米,远远高于其它作物(Ｖｏｎ,1995)。铝不仅是酸性土壤上土壤酸度主要来源,同时由于其交换量占土壤阳离子交换总量的20%-80%,导致土壤中阳离子易于淋失,使磷、钾、钙、镁、硼、钼等营养元素缺乏(李庆逵,1983)。因此作物耐酸性与耐铝毒性具有一致性,作物生长障碍直接与铝毒害相关,铝毒害是酸性土壤上最主要的问题。

我国南方广大红壤存在土壤酸性及相应的铝毒害问题,增强大豆的耐铝毒能力对红壤地区的开发具有重要意义。关于大豆耐铝毒的遗传研究报道极少,目前只明确大豆耐铝毒性受基因控制(Ｗｒｉｇｈｔ,19),而对其遗传机制还缺乏深入研究。大豆根系受铝毒害影响明显,根系形态指标亦常被用于耐铝毒的种质鉴定筛选。本研究在筛选鉴定耐铝毒性大豆种质的基础上,发掘耐铝毒的相关根系性状并进一步探索这些根系性状的遗传机制。

1.1　铝胁迫浓度的确定

采用1/5Ｓｔｅｔｅｉｎｂｕｒｇ(Ｆｏｙ,1967)营养液,砂培。设铝浓度分别为0、7ｐｐｍ、14ｐｐｍ、21ｐｐｍ、28ｐｐｍ、35ｐｐｍ,营养液ｐＨ调至4.1。盆钵规格为Φ25×ｈ28ｃｍ,每盆留2株,随机排列,3次重复。供试材料为ＰＩ416937。将种子催芽萌发后,选取主根长度一致的播入盆中,立即加配置好的营养液800ｍｌ/盆,以后每4天浇灌相应营养液400ｍｌ/盆,2周后收获。考察株高、叶令、根干重、茎叶干重。

1.2　供试材料及耐铝毒鉴定试验

从各生态区选取301份材料,于根系形态稳定的结荚鼓粒期大田挖根观察根系形态。根据根系形态的不同从中选取黄淮海和长江中下游地区的代表性材料51份为供试材料,其中陕西3份、山西3份、河北5份、山东5份、河南5份、安徽3份、湖北2份、江苏16份、江西3份、浙江5份,另外以美国品种1份(ＰＩ416937)为对照。

实验设计为裂区,盆播砂培。主区为对照和铝毒胁迫,副区为品种,每副区为一盆,盆钵规格同上,每盆留2株,3次重复。种子催芽后,同一品种挑选胚根长度一致的种子种于盆钵。根据预备实验结果,采用铝浓度为28ｐｐｍ的营养液处理材料,两周后收获。测定株高、叶龄、根干重和茎叶干重。以耐铝毒隶属函数值为指标进行耐铝毒性分级。

Ｆｉ=（Ｘｉｊ-Ｘｍｉｎ）/（Ｘｍａｘ-Ｘｍｉｎ）

Ｘｉｊ为第ｉ个材料第ｊ个性状胁迫对非胁迫的比值,Ｘｍａｘ、Ｘｍｉｎ分别为该性状中最大、最小值。Ｆｉ为第ｉ个品种该性状的隶属值。最后按材料将各性状的隶属值进行平均,得平均隶属函数值。各供试材料按照下列标准进行耐铝毒性分级。1级:平均隶属值在0.8以上--耐铝毒2级:平均隶属值在0.6-0.8之间--较耐铝毒3级:平均隶属值在0.4-0.6之间--中间型4级:平均隶属值在0.2-0.4之间--铝毒较敏感型5级:平均隶属值在0.2以下--铝毒敏感型

1.3　根系性状的测定及其与耐铝毒性的相关分析

对供试材料除测定以上4个性状外,还测定了以下4个性状,并求得胁迫/非胁迫的相对值。总根长和根体积:将根系浸入ＦＡＡ固定液固定半小时,剪下基根(ｂａｓａｌｒｏｏｔ)及主根(ｔａｐｒｏｏｔ),置Ｅｐｓｏｎ扫描仪上扫描,采用ＷｉｎＲｈｉｚｏ根系分析软件计算总根长、根体积。一级侧根数:人工计数长度大于1ｃｍ的主根上的一级分枝根数。主根长:人工计量主根长度。

1.4　耐铝毒相关根系性状遗传的分离分析

将波高(不耐)和ＮＧ94-156(耐)衍生的ＲＩＬ群体盆钵砂培,试验设计同1.2。出苗后每盆留1株,每隔5天浇灌一次铝胁迫营养液,待Ｖ4期收获,测定根干重和上述4个根系性状并求得相对值(方法同上),应用盖钧镒等[5]的数量性状主基因+多基因混合遗传模型进行ＲＩＬ遗传分析。

本实验将28ｐｐｍ的铝浓度作为大豆苗期的铝毒害临界浓度。

3.1　大豆耐铝毒和相关根系性状的鉴定

前人从侧根数、总根长、主根长、根体积、根干重几个方面分别验证了铝毒对作物根系的伤害[6],尝试了多种人工胁迫方式包括营养液栽培[6]、温室土壤盆栽[7]、水培[8]等筛选方法。本研究表明,上述根系性状的胁迫/非胁迫比值均与耐铝毒平均隶属函数值极显著相关,可以作为耐铝毒的相关根系性状指标。

3.2　耐铝毒相关根系性状的遗传分析

本文采用盖钧镒等[5]的数量性状主基因+多基因混合遗传模型分离分析方法对与耐铝毒相关的根系性状进行遗传分析,结果表明波高与ＮＧ94-156两亲本间5个耐铝毒相关根系性状均有3对主基因的差异。但这两个亲本的耐铝毒性分别仅为较敏感(4级)和较耐(2级),进一步的试验应采用更多、差别更大的材料为亲本全面探究耐铝毒相关根系性状的遗传体系。

——刘　莹　盖钧镒，大豆耐铝毒的鉴定和相关根系性状的遗传分析，大　豆　科　学，2004，23（3）：1-168

摘　要　采用抗旱隶属函数值法在苗期对品种的抗旱性进行重复鉴定分级,利用扫描成像技术结合ＷｉｎＲｉｚｏ根系分析软件分析根系形成指标,并对根系构型、形态指标与抗旱性之间的关系进行了研究。结果表明,大田和盆栽条件下的根系构型与大豆的抗旱性无明显相关;干旱胁迫条件下的根重、总根长、根体积的相对值在抗感品种之间达极显著差异,三者与平均隶属函数值亦成极显著正相关。采用根重、总根长、根体积的相对值作为抗旱品种根系形态的指标是合理的,可作为大豆品种抗旱性改良的根系形态育种指标。

作物对土壤干旱首先作出反应的是根系,因此,根系是研究和改良作物抗旱性的一个重要组成部分。根系形态和生根方式直接影响作物对水分的吸收,研究认为,