不同花生品种抗旱性的叶片形态及生理机制

不同花生品种抗旱性的叶片形态及生理机制

0关于抗旱性品种株的鉴定在全球范围内，2.3个花蜜分布在干燥地区。干旱是改善花蜜产量的主要因素。中国有70%的花生受到不同程度的干旱威胁,干旱引起的花生减产率平均在20%以上。由于这些地区水资源匮乏,限制了以灌溉途径提高产量,因此,提高品种的抗旱性成为花生育种的一个重要目标。缺少种质资源的抗旱性及组织结构、形态、生理生化特性等抗旱性状信息,使花生抗旱育种工作进展缓慢。因此,深入研究不同品种的抗旱性,鉴定抗旱相关性状及不同品种的抗旱机制,成为花生抗旱育种的重要前提。【前人研究进展】叶片萎蔫指数最为直观,且测定方法简单快速,易于进行大规模的品种鉴定,前人主要依据干旱胁迫下叶片的萎蔫指数进行品种的抗旱性鉴定,此法可以初步判定抗旱性的强弱,减少工作量,筛选的耐旱品种可作为抗旱育种的种质资源。由于作物抗旱性是受多基因控制的数量性状,与基因型、农艺性状及生理生化性状密切相关,而叶片萎蔫只是作物的抗旱机制之一,以其评价品种的抗旱性不够全面。产量抗旱系数是整株形态及生理生化性状对干旱综合反应的结果,是品种抗旱性鉴定的准确评价指标,得到国内外学者的一致认可。但不同品种的抗旱机制并不完全相同,仅用抗旱系数鉴定抗旱性不能反映品种间抗旱机制的差异。【本研究切入点】大量研究表明叶片形态结构及光合特性与作物抗旱性密切相关,叶片厚度、面积、比叶重、光合速率和气孔导度等性状是衡量作物抗旱性的重要指标,但没有统一的量化标准,且对具体花生品种的叶片特性还不明确。【拟解决的关键问题】本研究以五大花生类型12个品种为材料,利用产量抗旱系数评价品种的抗旱性,研究叶片形态及光合特性与品种抗旱性的关系,阐述鉴定不同叶片抗旱性状的方法,筛选不同品种抗旱的叶片形态及生理机制,以期为大量品种的抗旱性状鉴定筛选及抗旱亲本选用提供试验方法和理论依据。1材料和方法1.1试验材料选取花生栽培种5个植物学类型中12个有代表性的品种作为试验材料(表1)。1.2干旱胁迫处理试验于2011—2012年在山东农业大学农学实验站进行,苗期干旱采用盆栽种植方式,以聚酯薄膜制作的防雨棚遮雨。挖取0—30cm耕作层土壤自然风干过筛,风干土含水量为1.62%,田间持水量为23.56%。盆规格为内径30cm、深40cm,每盆装风干土18kg,每盆灌等量水自然蒸发失水至适宜含水量时进行播种,选取饱满一致的种子2粒穴播,每盆播3穴。设定土壤相对含水量分别为70%(对照)和40%(干旱胁迫),每处理种植10盆。出苗后10d开始干旱胁迫处理,采用每日称重法控水,于每天早8:00称盆重补水并记录(忽略不同盆间生物量的变化)。于始花期每处理取长势一致的3盆,植株按根茎叶分开烘干称重,用于干物质积累量和抗旱系数的计算。取长势一致的植株测量叶面积、叶片厚度及比叶重等形态指标,测定功能叶(主茎倒数第三展开叶)的光合特性。结荚期干旱试验于花生栽培池内进行,池子上方有电动防雨棚遮雨,栽培池规格为3m×3m,深1.5m,下不封底,池墙由混凝土浇铸。试验材料同苗期干旱试验。土壤基础养分含量为有机质19.8g·kg-1、全氮1.16g·kg-1、碱解氮123.12mg·kg-1、速效磷45.27mg·kg-1、速效钾65.58mg·kg-1。采用平种覆膜种植方式,行距40cm,穴距18cm,密度为13.9万穴/hm2,每穴播2粒。在结荚期进行干旱处理,维持50±5%的土壤相对含水量,持续至饱果期,用CNC503DR型中子水分仪测定0—80cm土层含水量,每20cm一层,4d测定一次,采用测墒补灌法保证在处理水平,以(70±5)%相对含水量作为对照,每处理3次重复。其他生育期不遮雨,同一般高产田管理。收获时每小区量取4.5m2实收测产,计算抗旱系数。1.3叶面积、比叶重、海绵组织厚度的测定1.3.1抗旱性参照胡标林等方法计算抗旱系数(droughtresistancecoefficient,DC),DC=Yd/Yp(Yd:干旱胁迫下产量或生物量,Yp:非胁迫下产量或生物量),以抗旱系数鉴定品种的抗旱性。1.3.2叶片形态选取生长一致的植株5株,按根、茎、叶分开,随机选取50片单叶,避开主脉用1.2cm的打孔器打取叶圆片,计算所有叶圆片面积(S1),80℃烘干至恒重,称出叶圆片干重(M1)和剩余叶片干重(M2),总叶面积S=S1×(M1+M2)/M1。取50片主茎倒三叶,离体叶面积仪测定叶面积,80℃烘干至恒重,计算比叶重,比叶重=叶片干重/叶片面积。1.3.4显微结构采用石蜡切片法,取主茎倒三叶,在靠近主脉基部的1/3处切取(1cm×0.5cm)小块若干,抽气后固定于FAA(50%酒精﹕冰乙酸﹕甲醛=90﹕5﹕5)溶液中待做石蜡切片用。用酒精和二甲苯系列脱水、番红-固绿双重染色、浸蜡、包埋、切片(厚度为10μm),中性树胶封片,在OLYMPUSBH-2型植物显微成像分析系统下用测微尺测量叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度。每个处理观测15个视野,取均值。1.4dps统计分析采用MicrosoftExcel2003计算试验数据平均值,DPS7.5软件进行统计分析。各性状比值(ratio)=水分胁迫下性状测定值/正常供水性状测定值。文中的产量、抗旱性及各性状指标测定值均为2年的平均值。2结果2.1干旱胁迫对花生品种产量的影响由表2可知,苗期干旱胁迫降低了花生的干物质积累量,而不同品种对干旱胁迫的响应存在显著差异。12个品种的抗旱系数在两年间略有差异,但品种间的大小规律两年基本一致。2011年12个品种的抗旱系数在0.58—0.82,品种间变异系数为11.69%;2012年抗旱系数在0.50—0.79,品种间变异系数为13.85%。不同花生品种产量差异显著,在对照及结荚期干旱胁迫下,山花9号、海花1号、山花11号、农大818的产量均显著高于其他品种,ICG6848、蓬莱一窝猴、如皋西洋生的产量较低。干旱胁迫不同程度地降低了各花生品种的产量,反映了品种抗旱性差异,2年试验表现出相同的规律。以生物量抗旱系数鉴定的苗期抗旱性和以产量抗旱系数鉴定的结荚期抗旱性基本一致。根据2年产量抗旱系数平均值的大小,12个品种抗旱性排序为:如皋西洋生>A596>山花11号>农大818>花育20号>山花9号>海花1号>79266>蓬莱一窝猴>花17>ICG6848>白沙1016。2.2干旱胁迫不同花生品种的叶片结构差异显著,对干旱胁迫的响应也不尽相同(表3),12个品种2年结果表现的规律基本一致。2.2.1叶片厚度表3所示,对照水分条件下12个品种叶片厚度的变化范围为257.6—354.2µm,如皋西洋、山花9号、山花11号的叶片厚度较大。干旱胁迫导致叶片厚度降低,山花11号、79266、花育20优于其它品种;白沙1016、花17、农大818的叶片厚度在对照及干旱胁迫时均较低。干旱胁迫下各品种叶片厚度比值为0.82—1.04,干旱增加了79266的叶片厚度,白沙1016、海花1号、农大818对干旱不敏感,A596、山花9号、如皋西洋生的降幅较大。2.2.2叶片栅栏组织与海绵组织厚度花生品种间叶片栅栏组织厚度与海绵组织厚度有显著差异(表3),表明了不同品种叶片的细胞排列及组织结构明显不同。对照水分条件下,12个花生品种叶片栅栏组织厚度与海绵组织厚度的变异系数分别为12.92%和8.16%,不同品种的栅栏组织较海绵组织差异更明显,A596、如皋西洋、山花9号、山花11号的叶片栅栏组织较厚,而79266、花育20、山花9号的海绵组织较发达。干旱胁迫下,山花11号的叶片栅栏组织厚度最大,显著高于其它品种,海绵组织发达的品种有79266、ICG6848、白沙1016、花育20。对照及干旱胁迫下,白沙1016、花17、农大818、蓬莱一窝猴的叶片栅栏组织均不发达。干旱胁迫降低了12个品种中11个品种的叶片栅栏组织厚度,各品种比值为0.78—1.04,花育20、海花1号、山花11号的降幅较小。不同品种海绵组织对干旱胁迫响应有显著差异,各品种比值为0.79—1.33,ICG6848与白沙1016海绵组织显著增加,A596、如皋西洋生、山花9号显著降低。2.2.3栅/海比值由表3可知,在对照水分下12个品种栅/海比的大小顺序为山花11号>海花1号>ICG6848>如皋西洋生>A596>山花9号>白沙1016>花育20>农大818>79266>花17>蓬莱一窝猴。干旱胁迫降低了叶片的栅/海比值,但品种间的大小趋势与对照基本一致,A596、如皋西洋生、山花9号、山花11号显著高于其它品种;ICG6848、白沙1016、蓬莱一窝猴、农大818的栅/海比较低。12个品种栅/海比的旱水比值为0.60—1.02,79266、A596、花育20、如皋西洋生、山花9号受干旱影响较小,ICG6848与白沙1016降幅最大。2.3干旱胁迫对叶片叶面积的影响干旱胁迫导致花生功能叶面积及单株叶面积降低,比叶重增加,不同品种对干旱胁迫的响应程度有显著差异(表4),能表现品种抗旱性的强弱。两年结果的趋势基本一致。2.3.1单株叶面积如表4所示,12个花生品种单株叶面积的变异系数为9.42%,较大的品种有山花9号、花育20、花17。干旱胁迫降低了各品种的单株叶面积,不同品种的降幅有显著差异,各品种比值在0.77—0.97,A596、如皋西洋生、山花11、79266的比值显著大于其他品种,说明在干旱胁迫时这些品种仍能保证有较高的光合同化面积,这可能是它们抗旱的机制之一。干旱胁迫下,ICG6848、白沙1016、花17、蓬莱一窝猴的单株叶面积较小,且ICG6848与花17的比值较低,干旱严重抑制了这两个品种的叶片生长。2.3.2功能叶面积由表4可知,ICG6848、花育20、白沙1016,蓬莱一窝猴在对照及干旱胁迫下的功能叶面积均较大,干旱胁迫降低了功能叶面积,各品种干旱比值为0.71—0.93,79266、花育20、农大818、蓬莱一窝猴的比值较小,花17、如皋西洋生、山花9号基本维持在对照水平,说明不同品种的功能叶面积对干旱胁迫的响应有显著差异,这可能与品种的抗旱性有关。2.3.3比叶重不同花生品种叶片的比叶重有显著差异,12个品种在对照水分与干旱胁迫下比叶重大小趋势基本一致(表4)。对照水分下山花11号与海花1号的比叶重显著高于其他品种,干旱胁迫下山花11号与农大818表现最突出,ICG6848、白沙1016、蓬莱一窝猴、A596的比叶重在对照及干旱胁迫下均处在较低的水平。各品种比叶重的旱水比值在0.87—1.23,干旱胁迫下的基本趋势是比叶重增加,不同品种表现存在差异。2.4干旱胁迫对花生光合速率及蒸腾速率的影响花生叶片气体交换参数在正常灌水条件下差异较小,但对干旱胁迫较敏感,干旱导致不同抗旱性品种光合速率、蒸腾速率和气孔导度的降幅有显著差异(表5)。2年结果的趋势基本一致。2.4.1光合速率对照水分条件下,不同花生品种叶片的光合速率差异不明显,干旱胁迫降低了叶片光合速率,不同花生品种对干旱的响应有显著差异(表5)。12个品种的光合速率旱水比值为0.35—0.80,A596、如皋西洋生、山花11号在干旱胁迫下的光合速率及其比值显著高于其他品种,干旱胁迫严重抑制了79266、ICG6848、花17、农大818的光合速率。说明干旱胁迫下花生叶片的光合速率及比值与品种抗旱性密切相关。2.4.2气孔导度由表5可知,干旱胁迫导致叶片气孔导度降低,不同品种的降幅有显著差异,各品种比值在0.55—0.81,A596、如皋西洋生、山花11号的气孔导度及比值较高,这与光合速率的变化相一致,说明干旱胁迫下叶片能通过气孔调节来保证较高的光合速率,维持植株生长,这可能与品种的抗旱性相关。79266、ICG6848、农大818、蓬莱一窝猴的气孔导度对干旱胁迫较敏感,这可能是它们光合速率受抑严重的主要原因。2.4.3蒸腾速率表5显示,对照水分下,A596、农大818、山花11的叶片蒸腾速率较低,ICG6848、白沙1016、海花1号、蓬莱一窝猴的蒸腾速率较高,但12个品种间差异不显著。干旱对各花生品种叶片蒸腾速率的抑制程度有显著差异,各品种比值在0.39—0.64,不同品种间蒸腾速率对干旱胁迫的响应与气孔导度表现一致。干旱胁迫下,与光合速率相比,A596、如皋西洋生、山花11号的蒸腾速率受到更强烈的抑制,有利于提高叶片水分利用率;ICG6848、白沙1016、花17光合速率的降幅大于蒸腾速率,降低了叶片水分利用效率。2.5年干旱胁迫下,2年生表现为干旱胁迫下,2年生根单、生长性状基因型二因素方差分析,发生不同旱变的相关性表1对花生叶片形态及光合特性与品种产量抗旱系数进行相关分析如表6所示。对照水分条件下,2年间仅比叶重与品种的抗旱性呈极显著相关(P<0.01)。干旱胁迫下,2年间栅/海比、单株叶面积、比叶重和光合速率与品种抗旱系数的相关性分别达显著(P<0.05)或极显著水平(P<0.01)。干旱胁迫下,2年间叶片厚度、栅栏组织厚度、栅/海比、单株叶面积、功能叶面积、比叶重与正常灌水条件下对应各性状的相关性达显著或极显著水平(表7),说明这些性状对干旱胁迫的敏感度与对照处理下的指标大小密切相关。3讨论3.1抗旱性分析抗旱系数和抗旱指数是干旱胁迫对作物影响的最终结果,反映了品种对干旱胁迫的敏感性,是品种抗旱性鉴定的可靠依据,前人利用抗旱系数筛选了部分抗旱性较强的水稻、小麦、玉米品种。不同花生品种在抗旱性方面存在遗传上的差异,这是许多研究者得出的一致结论。本研究分别以花生苗期生物量抗旱系数和结荚期产量抗旱系数评价了12个花生品种的抗旱性,发现不同品种的苗期与结荚期抗旱性基本一致,2年的产量抗旱系数分别在0.73—0.97和0.76—0.99,试验结果基本一致,说明了品种间抗旱性存在明显的遗传差异。根据封海胜等的划分标准,把12个花生品种的抗旱性划分为强、中、弱3级。本研究条件下,以2年结果的平均值进行分析,抗旱系数大于0.95为抗旱性强的品种,0.85—0.95为中度抗旱品种,小于0.85为抗旱性弱的品种。张智猛等研究认为抗旱系数大于0.98的花生品种为抗旱性强的品种,与本文研究结果基本一致。3.2抗旱性与生物量Fukai等认为,不同作物或同一作物不同品种具有不同的抗旱机制,同一作物或品种往往存在几种机制共同决定抗旱性。叶片是植物进化过程中对干旱较敏感且可塑性较大的器官,叶片形态结构的变化必然影响到生理生化特性的改变,因而,叶片形态性状对干旱的响应是植株重要的抗旱机制。一般认为叶片小而厚是植物抗旱的特征,细小的叶型可以减少水分蒸发的面积,叶片越厚储水能力相对越强,叶片厚度、栅栏组织与海绵组织的分化程度与品种抗旱性密切相关。Painawadee等认为比叶重大小能反映花生品种的抗旱性差异,抗旱性强的品种有较大的比叶重,田梦雨等认为单株叶面积可作为小麦品种苗期抗旱性鉴定的直接指标。虽然前人一致认为叶片形态指标与品种抗旱性密切相关,但只停留在定性水平上,无法定量描述各性状的抗旱级别,亦没有研究具体品种的叶片特性。本研究发现,抗旱性越强的花生品种功能叶片厚度、栅栏组织厚度、栅/海比、比叶重、单株叶面积越大,这与前人的研究结果一致。山花11号的叶片厚度、栅/海比、比叶重均有显著优势;山花9号与如皋西洋生的优势性状为较大栅/海比值、单株叶面积;海花1号的比叶重及花育20号的单株叶面积表现突出,这是它们抗旱的叶片机制。A596是强抗旱性花生品种,但叶片厚度、比叶重、单株叶面积均未有显著优势,可能是其他抗旱机制起主导作用。前人主要以叶片形态及生理性状的比值作为抗旱性鉴定的指标,进行作物的抗旱性鉴定评价。本研究认为,叶片性状是作物抗旱的机制,并不是整株对干旱胁迫的综合响应,不能全面反映品种的抗旱性。相关分析表明,2年间对照水分下的比叶重及干旱胁迫下的栅/海比、单株叶面积与花生品种的抗旱性呈显著或极显著正相关,它们在对照与干旱处理下的相关性达极显著水平,说明正常水分时叶片形态指标能反映干旱胁迫下的趋势。因此,可用40%相对含水量胁迫下的叶片栅/海比、比叶重、单株叶面积鉴定花生种质的叶片抗旱能力。若鉴定种质规模较大,控水较困难,正常灌水时的比叶重、栅/海比、单株叶面积也能反映品种抗旱性的差异,Songsri等也得出相似的结论。光合作用是植株生长的生理基础,干旱胁迫下叶片主要通过气孔因素影响光合作用,Shardendu等发现叶片气孔相关的生理生化性状与品种抗旱性密切相关。大量研究认为,抗旱性强的品种能维持较高的叶片光合速率及较低的蒸腾速率与气孔导度。王士强等认为,可以选用气孔导度、光合速率和蒸腾速率等生理性状鉴定品种的抗旱性。但这些性状还无统一的衡量标准,难以准确进行大规模的品种鉴定。本研究发现,干旱胁迫抑制了花生叶片气孔导度,导致光合速率及蒸腾速率下降,A596、如皋西洋生、山花11号的蒸腾速率较光合速率受抑更敏感,保证了较高的叶片光合速率及水分利用效率,这是它们抗旱的光合作用机制。气孔关闭对ICG6848、白沙1016、花17的光合速率抑制较蒸腾速率更强烈,导致叶片光合速率与水分利用效率显著降低,这可能是它们抗旱性弱的主要原因。相关分析表明,2年间干旱胁迫下的叶片光合速率与品种的抗旱性呈极显著正相关,正常水分与干旱胁迫下的气体交换参数未有显著的相关性,说明花生品种在正常水分时光合特性指标大小与干旱胁迫下的表现并不一致。因此,必须在干旱胁迫下鉴定品种的光合速率。3.3关于抗旱性品种的筛选作物的抗旱评价包括抗旱性评价与抗旱性状评价。花生品种的抗旱性鉴定主要依据干旱胁迫下叶片的萎蔫指数,而品种抗旱性与植株形态、结构及生理生化性状密切相关,叶片萎蔫只是抗旱的水分生理机制。不同品种的优势抗旱性状不尽相同,仅用萎蔫指数难以明确不同品种的抗旱机制。抗旱能力受干旱时期、干旱程度及持续时间等的影响,难以确定统一准确的品种抗旱性及抗旱性状划分标准。盖钧镒等提出了大豆品种生育期组鉴定的标准品种,依据标准品种作为参考来划分品种的生育期可以排除环境因素的影响。陈加敏在研究大豆品种抗旱性时,根据抗旱性强弱分别筛选出了抗旱标准品种与干旱敏感标准品种。本研究认为,山花11号抗旱性强,且在主产区多年均具有稳定的强耐旱能力,可作为花生强抗旱性鉴定的标准品种,结合本文及前人的研究,79266是稳定的抗旱性较弱的品种,可作为花生弱抗旱性鉴