摘要
为评价不同玉米材料萌发期对盐胁迫的耐受能力,探讨不同类群杂交模式下玉米杂交种材料萌发期耐盐性,本研究采用160 mmol/L的NaCl溶液对152份玉米自交系和303份杂交种进行盐胁迫处理,同时以蒸馏水培养为对照,通过培养皿纸床培养法进行萌发期耐盐性鉴定。结果显示,盐胁迫处理显著降低了玉米材料的发芽势、发芽率和发芽指数。性状相关性分析发现,不同性状之间存在极显著的正相关。采用萌发期耐盐率,并结合聚类分析结果,将自交系和杂交种材料分别划分5个耐盐级别:I级(高耐,自交系4份、杂交种17份)、II级(耐,自交系19份、杂交种58份)、III级(中耐,自交系47份、杂交种120份)、IV级(敏感,自交系33份、杂交种71份)和V级(高敏,自交系49份、杂交种37份)。根据同源传递片段(IBD,identity-by-descent) 分析结果,将146份自交系材料划分为8个类群,不同类群自交系材料耐盐性表现为欧洲母本群>混合血缘群>自330群>PB群>兰卡斯特群>塘四平头群>PA群>瑞德群。杂交种材料根据父母本材料类群的不同划分为23个杂交模式,其中欧洲母本群×PB群为萌发期对盐胁迫耐受性的最优杂种优势模式。进一步筛选得到4份高耐盐自交系材料和17份高耐盐杂交种材料。
随着全球气候变化和土壤盐渍化问题的加剧,作物耐盐性研究受到广泛关
玉米作为全球产量最高的粮食作物之一,是许多地区的主要食物来源和多种工业产品的主要原
种子萌发期是决定植物早期形态建立和后期生产的关键时期,也是对盐胁迫非常敏感的时
本研究选取152份玉米自交系材料及其杂交组配获得的303份杂交种材料,在萌发期进行耐盐性鉴定。测定萌发期耐盐率,结合聚类分析进行耐盐性评价,筛选耐盐性强的玉米种质;同时根据同源传递片段(IBD,identity-by-descent)分群结果,比较不同类群自交系材料的耐盐性,以及不同杂种优势模式下杂交种材料的耐盐性。为进一步开展玉米耐盐遗传研究和耐盐玉米杂种优势利用提供参考。
152份自交系材料:包括146份来源广泛涵盖玉米主要杂种优势群的玉米自交系,以及作为对照的6份骨干亲本自交系(PH6WC、PH4CV、郑58、B73、昌7-2和综31)。303份杂交种材料:包括以上述146份自交系中的D441、S163和D181三份材料作为父本,与其他143份自交系不完全双列杂交设计组配获得的301份杂交种,以及作为对照的2份杂交种郑单958和先玉335。
参照吉林省地方标准DB22T 2621-2017《玉米耐盐碱性鉴定技术规程
以胚根突破种皮2 mm为发芽标准,从发芽第2天起,每24 h观察发芽情况,记录发芽数量,连续记录8 d,待整体发芽数无新增后,根据种子发芽情况计算各指标。
发芽势(%)=第4天正常发芽种子数/供试种子总数×100%;
发芽率(%)=第7天正常发芽种子数/供试种子总数×100%;
发芽指数=1.00×nd2+0.75×nd4+0.50×nd6+0.25×nd8,其中,nd2、nd4、nd6、nd8分别为第2、4、6和8天的种子发芽率。
性状相对值=XS/XN,式中,XS为盐胁迫下测得的各性状值,XN为对照条件下测得的各性状值。
根据萌发期耐盐率,对材料进行萌发期耐盐性评
与对照条件相比,160 mmol/L NaCl溶液胁迫处理对玉米自交系萌发期不同性状有明显的抑制作用;玉米自交系的平均发芽势、发芽率和发芽指数分别降低64.60%、59.06%和68.16%,差异均达到极显著水平(

图1 盐胁迫对玉米自交系材料萌发期不同性状的影响
Fig. 1 The impact of salt stress on the germination stage of different traits in maize inbred materials
***代表在P< 0.001水平差异显著,下同
*** represents significant difference at P< 0.001 level,the same as below
不同性状相对值的相关性分析发现,相对发芽指数与相对发芽势、相对发芽率的相关系数分别为0.94和0.95;相对发芽势和相对发芽率之间的相关系数为0.96(

图2 自交系材料萌发期不同性状相对值相关性分析
Fig. 2 Correlation analysis of relative values of different traits during germination of inbred materials
RGP:相对发芽势;RGR:相对发芽率; RGI:相对发芽指数;**代表在P< 0.01水平差异显著;下同
RGP:Relative germination potential; RGR: Relative germination rate; RGI: Relative germination index;** represents significant difference at P< 0.001 level;The same as below
为避免信息重叠,客观准确的评价材料萌发期耐盐性,以萌发期耐盐率为基础数据计算欧氏距离,利用R语言的hclust函数中的ward.D2方法进行萌发期自交系材料耐盐性聚类分析。供试的152份自交系材料萌发期耐盐率变化范围为0~78.33%,萌发期耐盐率均值为25.68,均值以上的材料有70份。聚类分析将152份自交系材料分成5类(

图3 152份玉米自交系萌发期耐盐性聚类分析
Fig. 3 Clustering analysis of salt tolerance during germination of 152 maize inbred lines
外圈为自交系名称
The content in the outer circle indicates the names of inbred lines
耐盐等级 Salt tolerance level | 耐盐评价 Salt tolerance evaluation | 数量 Quantity | 萌发期耐盐率(%) GTI | 百分比(%) Percentage | ||
---|---|---|---|---|---|---|
均值±标准差 Mean±SD | 最小值 Min. | 最大值 Max. | ||||
I | 高耐 | 4 | 74.39±2.96a | 72.00 | 78.33 | 2.60 |
II | 耐 | 19 | 52.09±4.35b | 47.47 | 63.11 | 12.50 |
III | 中耐 | 47 | 35.38±5.27c | 26.95 | 45.19 | 30.90 |
IV | 敏感 | 33 | 20.29±3.03d | 15.69 | 25.68 | 21.70 |
V | 高敏 | 49 | 6.09±5.37e | 0 | 15.38 | 32.20 |
总计Total | 152 | 25.68±18.31 | 0 | 78.33 | 100 |
不同小写字母表示差异显著(P< 0.05),下同
Different lowercase letters indicate significant differences(P< 0.05); GTI:Salt tolerance rate at germination stage; The same as below
IBD分群结果表明在146份自交系材料中,有124份材料分别属于自330群(9份)、塘四平头群(9份)、瑞德群(38份)、PB群(8份)、PA群(28份)、兰卡斯特群(21份)、欧洲母本群(11份);有22份材料血缘关系较为复杂,没有检测出主导的血缘(

图4 自交系材料不同类群耐盐性比较
Fig. 4 Comparison of salt tolerance among different inbred line groups
A:不同IBD分群材料份数; B:不同IBD分群间耐盐性差异比较;ZI330:自330群;SPT:塘四平头群;REID:瑞德群;PB:PB群;PA:PA群;LAN:兰卡斯特群;EUROM:欧洲母本群;Complex:混合血缘群;下同
A: Number of materials in different IBD clusters; B: Comparison of salt tolerance differences between different IBD clusters; ZI330: Inbred line 330; SPT:Tangsipingtou lineage; REID: Rhett bloodline; PB: PB lineage; PA:PA lineage; LAN: Lancaster lineage; EUROM: European maternal lineage; Complex: Complex lineage;The same as below
IBD分群 IBD group | 萌发期耐盐率(%) GTI | 耐盐评价 Salt tolerance evaluation | ||
---|---|---|---|---|
均值 Mean | 最小值 Min. | 最大值 Max. | ||
欧洲母本群 EUROM | 38.28 | 0 | 78.33 | 高耐(2)、耐(4)、中耐(1)、高敏(4) |
混合血缘群 Complex | 30.63 | 0 | 72.00 | 高耐(1)、耐(6)、中耐(5)、敏感(3)、高敏(7) |
自330群 ZI330 | 29.84 | 15.39 | 51.39 | 耐(2)、中耐(3)、敏感(4) |
PB | 28.50 | 0 | 72.22 | 高耐(1)、耐(1)、中耐(2)、高敏(4) |
兰卡斯特群 LAN | 26.22 | 0 | 43.33 | 中耐(10)、敏感(9)、高敏(2) |
塘四平头群 SPT | 25.83 | 0 | 49.53 | 耐(1)、中耐(4)、敏感(2)、高敏(2) |
PA | 23.97 | 0 | 50.00 | 耐(2)、中耐(10)、敏感(9)、高敏(7) |
瑞德群 REID | 19.61 | 0 | 58.81 | 耐(2)、中耐(11)、敏感(5)、高敏(20) |
表中括号内数字代表自交系个数;下同
The numbers of parentheses in the table represent the number of inbred lines;The same as below
与对照条件相比,160 mmol/L NaCl溶液胁迫处理条件下,杂交种材料的平均发芽势、发芽率和发芽指数均出现极显著的下降。其中发芽指数受影响最大,降幅达到47.23%,其次为发芽势,降低35.89%,发芽率的降幅最小,为30.04%(

图5 盐胁迫对玉米杂交种材料萌发期性状的影响
Fig. 5 The impact of salt stress on germination traits of maize hybrids
杂交种不同性状相对值相关性分析发现,相对发芽指数和相对发芽势、相对发芽率的相关系数分别为0.93和0.94;相对发芽势和相对发芽率之间的相关系数为0.95。各性状相对值间也存在极显著的正相关(

图6 杂交种材料萌发期不同性状相对值相关性分析
Fig. 6 Correlation analysis of relative values of different traits during germination of hybrids
供试303份杂交种材料(包括对照)萌发期耐盐率的变化范围为0~107.06%,萌发期耐盐率均值为50.95%,均值以上的材料有164份。基于萌发期耐盐率进行聚类分析,可将303份材料分为5类,结合萌发期耐盐率对材料进行耐盐性评价(
耐盐等级 Salt tolerance level | 耐盐评价 Salt tolerance evaluation | 数量 Quantity | 萌发期耐盐率(%) GTI | 百分比(%) Percentage | ||
---|---|---|---|---|---|---|
均值±标准差 Mean±SD | 最小值 Min. | 最大值 Max. | ||||
I | 高耐盐 | 17 | 91.52±5.8a | 85.39 | 107.06 | 5.6 |
II | 耐盐 | 58 | 72.99±4.83b | 66.67 | 83.07 | 19.1 |
III | 中耐 | 120 | 55.32±6.19c | 43.75 | 65.91 | 39.6 |
IV | 敏感 | 71 | 35.54±5.02d | 25.86 | 42.86 | 23.4 |
V | 高敏 | 37 | 13.16±8.15e | 0 | 25.00 | 12.2 |
总计Total | 303 | 50.95±21.43 | 0 | 107.06 | 100 |
根据父母本所属IBD分群对301份杂交种材料进行分类,结果显示以D441(兰卡斯特群)为父本组配了113份杂交种;以S163(塘四平头群)为父本组配了114份杂交种;以D181(PB群)为父本仅组配了74份杂交种(

图7 杂交种材料不同杂种优势模式耐盐性比较
Fig. 7 Comparison of salt tolerance among different hybrid modes of maize hybrids
A~C:分别为以兰卡斯特、PB、塘四平头为父本的不同杂种优势模式材料份数; D~F:分别为以兰卡斯特、PB、塘四平头为父本的不同杂种优势模式耐盐性差异比较
A-C: Represent the number of materials for different heterosis patterns with Lancaster, PB, and Tangsipingtou as male parents, respectively; D-F: Compare the differences in salt tolerance among different heterosis patterns with Lancaster, PB, and Tangsipingtou as male parents, respectively
父本分群 Paternal group | 杂种优势模式 Heterosis model | 萌发期耐盐率(%)GTI | 耐盐评价 Salt tolerance evaluation | ||
---|---|---|---|---|---|
均值 Mean | 最小值 Min. | 最大值 Max. | |||
兰卡斯特 LAN | EUROM×LAN | 57.05 | 41.15 | 74.16 | 耐(2)、中耐(6)、敏感(1)、高敏(1) |
ZI330×LAN | 52.21 | 32.73 | 70.11 | 耐(1)、中耐(4)、敏感(1) | |
REID×LAN | 50.92 | 17.65 | 80.00 | 耐(6)、中耐(16)、敏感(8)、高敏(3) | |
Complex×LAN | 50.47 | 0 | 86.81 | 高耐(1)、耐(3)、中耐(6)、敏感(3)、高敏(3) | |
PA×LAN | 46.86 | 8.11 | 80.00 | 耐(4)、中耐(9)、敏感(5)、高敏(4) | |
LAN×LAN | 44.78 | 28.38 | 53.33 | 耐(1)、中耐(6)、敏感(4)、高敏(1) | |
PB×LAN | 42.49 | 16.41 | 75.86 | 耐(1)、中耐(2)、敏感(2)、高敏(2) | |
SPT×LAN | 38.73 | 0 | 61.91 | 高耐(1)、中耐(2)、敏感(1)、高敏(3) | |
LAN总计 | 48.75 | 0 | 86.81 | 高耐(2)、耐(18)、中耐(51)、敏感(25)、高敏(17) | |
PB | EUROM×PB | 78.29 | 75.00 | 81.58 | 耐(2) |
PA×PB | 57.44 | 28.45 | 94.74 | 高耐(2)、耐(6)、中耐(9)、敏感(5) | |
Complex×PB | 56.29 | 33.89 | 68.99 | 耐(3)、中耐(5)、敏感(1) | |
REID×PB | 55.97 | 25.00 | 88.64 | 高耐(1)、耐(8)、中耐(10)、敏感(7)、高敏(1) | |
SPT×PB | 45.70 | 14.68 | 61.31 | 中耐(4)、高敏(1) | |
PB×PB | 43.56 | 13.33 | 69.77 | 耐(1)、中耐(1)、敏感(1)、高敏(1) | |
ZI330×PB | 38.38 | 0 | 59.09 | 中耐(2)、敏感(2)、高敏(1) | |
PB总计 | 54.50 | 0 | 94.74 | 高耐(3)、耐(20)、中耐(31)、敏感(16)、高敏(4) | |
塘四平头 SPT | EUROM×SPT | 65.75 | 36.79 | 87.93 | 高耐(2)、耐(2)、中耐(5)、敏感(1) |
ZI330×SPT | 58.80 | 38.00 | 80.00 | 耐(4)、中耐(2)、敏感(2) | |
Complex×SPT | 56.08 | 9.09 | 97.06 | 高耐(2)、耐(3)、中耐(8)、敏感(1)、高敏(2) | |
REID×SPT | 55.25 | 13.04 | 107.06 | 高耐(6)、耐(4)、中耐(13)、敏感(7)、高敏(4) | |
PA×SPT | 48.00 | 0 | 91.18 | 高耐(2)、耐(4)、中耐(6)、敏感(6)、高敏(4) | |
LAN×SPT | 45.36 | 19.44 | 78.00 | 耐(2)、中耐(2)、敏感(5)、高敏(2) | |
PB×SPT | 30.92 | 11.54 | 46.32 | 中耐(1)、敏感(3)、高敏(2) | |
SPT×SPT | 29.45 | 0 | 56.76 | 中耐(1)、敏感(4)、高敏(2) | |
SPT总计 | 51.32 | 0 | 107.06 | 高耐(12)、耐(19)、中耐(38)、敏感(29)、高敏(16) |
适宜的盐溶液浓度是保证有效区分不同玉米自交系萌发期耐盐能力的基础。对于玉米在盐溶液中的耐受性,谷思玉
对玉米种质资源进行合理的耐盐鉴定,筛选耐盐种质是耐盐育种的重要环节,而种子萌发期作为植物生命历程的起点,对其耐盐性进行鉴定具有重要意
玉米自交系杂种优势群的划分是构建杂种优势模式的重要依据和提高育种效率的基
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