玉米耐旱性的遺傳及耐旱材料創(chuàng)制研究.pdf

1、干旱是影響糧食生產(chǎn)的主要非生物因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1950年至今，全國(guó)平均每年受旱面積達(dá)3.26億畝，成災(zāi)1.34億畝，直接減收糧食200億斤以上，約占各種自然災(zāi)害造成糧食損失的60％。玉米在我國(guó)的栽培面積為2000多萬(wàn)公頃，占作物總面積的1/3，其中2/3是旱作，干旱造成的產(chǎn)量損失平均為15％，僅次于病蟲(chóng)害的危害。而玉米一生需水量大，對(duì)水分脅迫又非常敏感。因此，研究玉米耐旱性的遺傳特性，對(duì)了解玉米耐旱機(jī)理，尋找耐旱基因，進(jìn)而改良玉米自身的

2、耐旱性，以及耐旱品種選育具有重要指導(dǎo)意義。 本試驗(yàn)采用控制灌水措施，在土壤含水量略高于萎蔫系數(shù)的干旱條件下，鑒定了生產(chǎn)上常用的以及新近選育的57個(gè)玉米自交系的耐旱性。篩選強(qiáng)耐系和不耐系，以及與籽粒產(chǎn)量耐旱系數(shù)相關(guān)顯著的耐旱性狀指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)耐旱性的基因效應(yīng)和遺傳模型進(jìn)行了研究，并對(duì)強(qiáng)耐旱自交系在mRNA水平和蛋白質(zhì)水平的表達(dá)差異進(jìn)行了分析鑒定。為了對(duì)優(yōu)良自交系的耐旱性進(jìn)行改良，也為了獲得研究耐旱性遺傳的突變材料，我們結(jié)合物

3、理化學(xué)誘變，對(duì)優(yōu)良自交系愈傷組織進(jìn)行了誘變篩選。主要結(jié)果如下： 1.利用塑料大棚，在土壤含水量略高于萎蔫系數(shù)的干旱強(qiáng)度下(土壤絕對(duì)含水量為10％-12％)，以籽粒產(chǎn)量耐旱系數(shù)為指標(biāo)，鑒定了57個(gè)常用玉米自交系的耐旱性。耐旱系數(shù)變異幅度在0.810-0.048之間，以81565的耐旱性最強(qiáng)，R09和N87-1次之，200B、丹340、9526最弱。對(duì)其中耐旱性強(qiáng)、中等、弱的12個(gè)代表白交系的15個(gè)與耐旱性有關(guān)的生長(zhǎng)發(fā)育和生理生化指

4、標(biāo)進(jìn)行了調(diào)查和測(cè)定，根據(jù)其與正常灌水對(duì)照的差異計(jì)算耐旱系數(shù)，并與籽粒產(chǎn)量耐旱系數(shù)進(jìn)行多元回歸分析。結(jié)果表明，播種出苗期可用出苗率與生物學(xué)產(chǎn)量耐旱系數(shù)的乘積作為自交系耐旱性鑒定指標(biāo)，成株期可用株高、雌雄花期間隔、出葉速度、根重等的耐旱系數(shù)預(yù)測(cè)自交系的耐旱性。對(duì)苗期與成株期耐旱性的相關(guān)分析表明，苗期出苗率與生物學(xué)產(chǎn)量耐旱系數(shù)的乘積與成株期單株籽粒產(chǎn)量耐旱系數(shù)的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)r=0.840**，達(dá)極顯著水平，說(shuō)明苗期耐旱性的強(qiáng)弱與成株期的耐旱性

5、有顯著相關(guān)性，可以通過(guò)苗期耐旱性鑒定來(lái)預(yù)測(cè)成株期的耐旱性。 2.在耐旱性鑒定結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇耐旱性差異較大的親本配成兩對(duì)組合(81565×9526；R09×丹340)，并組配成P1、P2、F1、F2、B1、B2六個(gè)世代群體。又選耐旱性不同的11個(gè)自交系，按Griffing完全雙列雜交方法4，組配55個(gè)雜交組合。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，三次重復(fù)，干旱處理同前。分別調(diào)查與耐旱性相關(guān)顯著的耐旱指標(biāo)株高、ASI、出葉速度、根重和單株籽粒產(chǎn)量，并

6、分析和估計(jì)了這5個(gè)指標(biāo)的基因效應(yīng)、配合力和遺傳力大小。結(jié)果表明：耐旱性的基因效應(yīng)在不同指標(biāo)和不同組合間變化較大。對(duì)于出葉速度，加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)表現(xiàn)相當(dāng)，另外4個(gè)指標(biāo)顯性效應(yīng)明顯大于加性效應(yīng)。就株高、ASI、單株籽粒產(chǎn)量而言，其特殊配合力方差是一般配合力方差的兩倍；而出葉速度、根重兩個(gè)指標(biāo)，特殊配合力方差與一般配合力方差相當(dāng)。這5個(gè)指標(biāo)的狹義遺傳力均較低，分別從12.85％到29.56％，其中單株籽粒產(chǎn)量和ASI的狹義遺傳力相對(duì)較大，分

7、別為29.56％和23.39％。以上結(jié)果進(jìn)一步表明耐旱性遺傳的復(fù)雜性。因此，在玉米耐旱育種中，除考慮基因互作，充分利用雜種優(yōu)勢(shì)外，還要注意親本選配。 3.用16％聚乙二醇(PEG-6000)對(duì)長(zhǎng)至7-8葉期的強(qiáng)耐旱自交系“81565”進(jìn)行模擬干旱(滲透勢(shì)為-0.5MPa)處理17h、24h和48h，取芯下第一位葉提取總RNA。用DD-PCR技術(shù)展示、分析其在干旱與對(duì)照條件下的mRNA差異表達(dá)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)MD1、MD2和MD3三個(gè)在

8、干旱條件下特異表達(dá)片段，其中MD1和MD2在干旱條件下減量表達(dá)，MD3為干旱誘導(dǎo)表達(dá)片段。序列分析和同源性比對(duì)表明，MD1與玉米葉綠體基因組中編碼參與RNA轉(zhuǎn)錄本Ⅱ型內(nèi)含子剪切的成熟酶matK基因有93％的相似性，MD2與極端耐旱的鼠尾栗屬Sporobolusstapfianus的絲氨酸/蘇氨酸2C型蛋白磷酸酶基因PP2C的相似性達(dá)88％，MD3與天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶類(lèi)的水稻metacaspase基因有81％的相似性，North

9、ern雜交陽(yáng)性。根據(jù)各自序列相似同源基因的功能推測(cè)，MD1、MD2和MD3這三個(gè)基因片段在干旱和對(duì)照下的表達(dá)差異可能與“81565”的耐旱機(jī)制有關(guān)。 4.以強(qiáng)耐旱自交系81565和敏感系200B為材料，播于花盆中，長(zhǎng)至7-8葉時(shí)用16％PEG模擬干旱處理(-0.5Mpa)17h、24h、48h后，取芯下第一位葉提取蛋白質(zhì)，正常澆水為對(duì)照。雙向電泳分離、分析干旱脅迫下蛋白質(zhì)表達(dá)譜的變化，再用MALDI-TOF-MS方法分析干旱誘導(dǎo)

10、蛋白的肽質(zhì)量指紋圖譜，并在Matrixscience網(wǎng)站對(duì)其進(jìn)行檢索。結(jié)果表明，從這兩個(gè)自交系500多個(gè)蛋白點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)有58個(gè)蛋白的表達(dá)在干旱脅迫下發(fā)生了變化。其中2506、3507和4506號(hào)蛋白的表達(dá)受干旱脅迫誘導(dǎo)，最高表達(dá)量都在干旱脅迫24h出現(xiàn)。對(duì)3個(gè)蛋白質(zhì)的肽指紋圖譜檢索結(jié)果表明，2506、3507和4506號(hào)蛋白的功能分別相當(dāng)于肉桂醇脫氫酶(CAD)、細(xì)胞色素96A8和S-腺苷-L-蛋氨酸合成酶(SAMS)。因?yàn)檫@3個(gè)酶的功能

11、都直接關(guān)系木質(zhì)素的生物合成，所以認(rèn)為細(xì)胞木質(zhì)化是玉米對(duì)干旱的一種主動(dòng)反應(yīng)，是玉米適應(yīng)缺水脅迫的機(jī)制之一。 5.用60Coγ射線(xiàn)和疊氮化鈉(NaN3)處理玉米“三高”自交系18-599的愈傷組織，1.0％NaCl篩選耐旱突變體。大棚內(nèi)對(duì)再生植株株系進(jìn)行耐旱性鑒定。結(jié)果表明，20Gy的輻射和1mmol/LNaN3，是較為適合玉米愈傷組織誘變的處理劑量。22個(gè)再生植株株系中，有5個(gè)誘變株系的耐旱性顯著高于未誘變對(duì)照。以株高、雌雄花期間

12、隔和籽粒產(chǎn)量為指標(biāo)對(duì)其中1個(gè)最強(qiáng)的耐旱株系M11(命名為18-599M)與未誘變對(duì)照18-599進(jìn)行同田配對(duì)耐旱性比較鑒定，結(jié)果誘變株系18-599M的耐缺水能力顯著優(yōu)于對(duì)照。對(duì)18-599M的綜合農(nóng)藝性狀觀察結(jié)果表明，該誘變株系與未誘變對(duì)照無(wú)顯著差異。 綜上所述，本研究從玉米耐旱性的鑒定方法和指標(biāo)、耐旱性的基因效應(yīng)和遺傳模型、耐旱性的差異表達(dá)、以及耐旱材料創(chuàng)制等方面較為系統(tǒng)地研究了玉米耐旱性的遺傳特性。概括而言，玉米耐旱性的遺