杂交油菜及其亲本对不同胁迫的响应

何佳平, 张从合, 陈金节, 梅加法, 陈献生, 曹树青

(1.合肥工业大学生物与食品工程学院,安徽合肥 230009;2.安徽荃银高科种业股份有限公司,安徽合肥 230088)

油菜是草本十字花科作物,是我国主要油料作物和蜜源作物之一,其籽粒是制浸油脂原料主要品种之一。目前,随着经济的发展,重金属污染越来越严重,所以探明油菜在低温及重金属污染环境下的生命活动规律并加以人为调控,对于夺取农业高产稳产具有重要意义。

杂种优势[1](heterosis,或又称为hybrid vigor)是生物界的普遍现象,它是指杂合体在1种或多种性状上表现优于2个亲本的现象。例如不同品系、不同品种、甚至不同种属间进行杂交所得到的杂种一代往往比它的双亲表现出更强大的生长速率和代谢功能,从而导致器官发达、体型增大、产量提高,或者表现在抗病、抗虫、抗逆力、成活力、生殖力及生存力等的提高,因此杂种优势是杂交育种的一个重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

实验所用材料为安徽荃银高科种业股份有限公司与合肥工业大学合作研究选育的杂油719油菜籽及其亲本油菜籽,杂油123及其亲本油菜籽。

1.2 低温处理

将温室中生长状况相差不多的3组油菜幼苗分别放置在-4、-6、-8℃条件下,培养10 h后待测。各项实验重复测定3次。

称各品种幼苗0.12 g左右,放入50 mL注射器中,加去离子水10 mL,堵住注射器的口,抽真空处理20 min;将样品静置2 h后,加去离子水定容至30 mL,然后转移到100 mL三角瓶中,用保鲜膜封住瓶口,放入22℃水浴摇床中180 r/min振荡24 h;取出,定容至50 mL,先用去离子水矫正电导仪,得到电导率C0,然后测电导率C1,测完后,高压灭菌20 min,取出,定容至50 mL,冷却至室温,检测C2。相对电导率为：

按文献[2]方法测定可溶性糖质量分数,按文献[3,4]方法测定脯氨酸质量分数。

1.3 重金属胁迫处理

选取大小均匀的培养皿洗净烘干,每12个为1组,共3组。培养皿的底部垫2层滤纸,将每个培养皿划分为3个区域,分别点上杂交种及其2个亲本种子各10粒。用去离子水配制不同浓度的重金属溶液作为培养液,使用 CdCl2提供Cd2+,Pb(NO3)2提供 Pb2+,H 2 O2提供氧化胁迫。Cd2+的浓度分别为 0、250、500 μmol/L;Pb2+的浓度分别为0、2、4 mmol/L;H 2O2的浓度分别为0、50、100 mmol/L。用保鲜膜封闭置于4℃下低温春化72 h。春化后转移到22℃温室光照培养。

春化3 d后将种子移至温室中培养一段时间后,待幼苗长到适当的大小时,从中选取长势均匀的幼苗植株进行根长和鲜重的测定[5]。测量根长时,从每种中选取5株长势良好的幼苗分别用尺子量取长度并记录,求取平均值;测量鲜重时,从每种中挑选5株幼苗在分析天平上称量总重,求平均值得每株幼苗鲜重。

分别计算在Cd、Pb和氧化胁迫条件下幼苗根长和鲜重的相对抑制率[6-8],然后使用相对抑制率计算杂种优势,反映对逆境的抗性大小。计算公式为：

相对根长抑制率=(对照根长-胁迫下根长)/对照根长×100%;

相对鲜重抑制率=(对照鲜重-胁迫下鲜重)/对照鲜重×100%;

双亲平均抑制率=(母本相对抑制率+父本相对抑制率)/2;

平均杂种优势=(双亲平均抑制率-杂种相对抑制率)/双亲平均抑制率×100%。

2 结果与分析

2.1 油菜对低温胁迫的响应

2.1.1 低温胁迫下电导率的变化

油菜在低温胁迫下的相对电导率如图1所示,在图1中,123和719代表油菜品系;♂表示父本;♀表示母本;F1表示杂交子一代,下同。

图1 油菜在低温胁迫下的相对电导率

2.1.2 低温胁迫下可溶性糖相对增量的变化

低温胁迫下可溶性糖相对增量如图2所示,从图2可看出,低温对油菜幼苗的可溶性糖相对增量的影响非常大。123型杂交油菜和719型杂交油菜经低温处理后,可溶性糖的相对增量均介于其双亲之间,说明它们均未表现出杂种优势。

图2 低温胁迫下可溶性糖相对增量

2.1.3 低温胁迫下脯氨酸相对增量的变化

低温胁迫下脯氨酸相对增量如图3所示。

图3 低温胁迫下脯氨酸相对增量

由图3可看出,123型杂交油菜经低温处理24 h和48 h后,脯氨酸的相对增量均小于其亲本,说明其对低温的抗性比亲本强,具有杂种优势。719型杂交油菜经低温处理24 h和48 h后,脯氨酸的相对增量介于其双亲之间,不具有杂种优势。

2.2 油菜对重金属胁迫和氧化胁迫的响应

2.2.1 Cd、Pb和H 2 O2胁迫下幼苗表型特征

选取生长适中的幼苗进行拍摄,如图4所示。图4中123和719代表油菜品系;♂代表父本;♀代表母本;F代表杂交子代。

从图4可以看出,在Cd胁迫作用下,123型和719型杂交油菜及其亲本的生长均受到了显著的抑制。与对照比较,幼苗根、茎生长迟缓,叶片卷曲,叶色失绿呈现黄色;并且随着Cd处理浓度的升高,毒害作用更加显著。在Pb胁迫和氧化胁迫下,123型杂交油菜和719型杂交油菜及其亲本的生长同样也受到了类似的抑制。

图4 Cd、Pb和 H2O2胁迫下油菜幼苗的表型特征

2.2.2 Cd、Pb和H 2 O2胁迫对根长的影响

杂交油菜根长的平均杂种优势如图5所示,由图5可看出,123型杂交油菜的平均杂种优势均大于零,说明其在受到Cd、Pb和H2O2胁迫时,在根长上具有杂种优势。而719型杂交油菜的平均杂种优势数值很小甚至出现负值,说明其在受到Cd、Pb和H 2O2胁迫时,在根长上没有明显的杂种优势。

2.2.3 Cd、Pb和H2O2胁迫对鲜重的影响

杂交油菜鲜重的平均杂种优势如图6所示。

图5 杂交油菜根长的平均杂种优势

图6 杂交油菜鲜重的平均杂种优势

从图6中可以看出,123型杂交油菜在Pb胁迫和H 2O2胁迫下的平均杂种优势大于零,而在Cd胁迫下的平均杂种优势小于零,说明其在受到Pb和H2O2胁迫时,在鲜重上具有杂种优势,而在受到Cd胁迫时在该指标上无杂种优势。719型杂交油菜在Cd、Pb和H2O2胁迫下的平均杂种优势数值为较低值或负值,说明其在受到Cd、Pb和H 2O2胁迫时,在鲜重上没有杂种优势,甚至可能具有杂种劣势。

3 结 论

低温会破坏植物组织细胞,电解质外渗导致电导率增大[9],因此低温处理后,相对电导率的大小能体现植物受低温破坏的程度,相对电导率小说明植物抗寒能力强。可溶性糖和脯氨酸是植物在应对逆境时大量合成的2种物质,它们的变化也能体现植物对低温的耐受性。综合这3个指标发现,123型杂交油菜对低温的抗性比其2个亲本强,而719型杂交油菜对低温的抗性介于它的2个亲本之间。

植物受到重金属胁迫时通常会产生活性氧[10],因此重金属胁迫与氧化胁迫是相关的。重金属及H 2 O2对植物的毒害,在形态上主要表现为根、茎生长迟缓和叶片失绿、卷曲[11],因此在受到重金属和氧化胁迫时,植物根长和鲜重的变化能反映植物受毒害的程度。综合根长和鲜重2个指标,发现 123型杂交油菜对Cd、Pb和H2O2胁迫的抗性要强于它的2个亲本,表现出杂种优势;而719型杂种油菜在抗Cd、Pb和H 2 O2胁迫上均无明显的杂种优势。

作为杂交育种获得的2个油菜新品种,在抗低温和重金属胁迫上,123型杂交油菜是一个较优良品种,可能更适合在寒冷或受重金属污染地区进行推广种植。而719型杂交油菜在这些特性上没有突出表现。然而对于受到胁迫时油菜产量和含油量等指标的变化有待进一步的研究。另外,作为后续工作,在重金属污染环境下油菜的食用安全研究也具有重要意义。

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