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野生等位基因滲入四倍體花生作物中的作用
點擊次數:459 發布日期:2020-9-3  來源:本站 僅供參考,謝絕轉載,否則責任自負
將野生等位基因滲入四倍體花生作物中以提高水分利用效率,早熟和產量
文獻信息:
Wellison F. Dutra, Yrlaˆnia L. Guerra, Jean P. C. Ramos, Pedro D. Fernandes, Carliane
R. C. Silva, David J. Bertioli, Soraya C. M. Leal-Bertioli, Roseane C. Santos (2018)
Introgression of wild alleles into the tetraploidpeanut crop to improve water use efficiency,earliness and yield
PLOS ONE | June 11, 2018   https://doi.org/10.1371/journal.pone.0198776

摘要:
從野生物種中導入基因是育種人員很少用于改善商業作物的實踐,盡管它為豐富遺傳基礎和創造新品種提供了極好的機會。在花生中,這種做法正在被越來越多地采用。 在這項研究中,我們介紹了來自野生種Arachis duranensis和A. batizocoi的野生等位基因滲入改善了光合特性和產量的一系列結果,這些系得自于誘導的異源四倍體和栽培花生在水分脅迫下的選擇雜交。該測定法是在溫室和田間進行的,側重于生理和農藝性狀。為了對耐旱品系進行分類,采用了多元模型(UPGMA)。 幾條品系顯示出更高的耐受水平,其值與耐受對照相似或更高。突出顯示了兩個BC 1 F 6系(53 P4和96 P9),具有良好的干旱相關性狀,早熟性和莢果產量,對耐旱的優良商業品種BR1具有更好的表型特征。這些系是創建適合在半干旱環境中生產的花生品種的良好候選者。

概述:
適應干旱環境的植物栽培種的開發是改良計劃中的一項有價值的策略,并且由于復雜的遺傳遺傳而面臨著巨大的挑戰。為了簡化選擇過程,育種者可以使用替代性狀來幫助鑒定耐旱植物。
水分脅迫下的植物由于CO2的擴散限制而降低了氣體交換,降低了羧化效率,或者由于光抑制導致了葉綠體活性的限制。
植物自身有幾種保護機制,以平衡吸收的光能與光合作用。根據Kalariya等研究,非光化學淬滅(NPQ)是一個非常重要的特性,它是指通過葉綠體以非光化學方式釋放多余的能量,從而保護光合器官。在多種情況下,氣體交換和葉綠素a熒光是葉片生理狀態和植物生長的非常敏感的指標。 它們揭示了當前光合代謝的狀態,包括脅迫條件下的損傷和修復狀態。
花生(Arachis hypogaea L.)是許多國家種植的重要油料種子,可用于糧食和石油市場。 花生屬有80多種,多數為二倍體(2n = 2x = 20),代表了寶貴的遺傳資源,廣泛適應熱帶和半干旱環境。
花生野生種在改良計劃中的使用受到限制,這主要是由于物種之間的倍性差異和染色體障礙。 可以通過人工雜交A和B基因組野生物種,然后誘導染色體復制以恢復生育力和四倍體狀態來克服這一問題。通過結合A和B基因組來培育合成系,提供了一系列具有幾個優良特性的四倍體,例如對疾病和害蟲的抵抗力,并為花生改良開辟了新的機遇。

1、材料和方法:

1.1 植物材料
BR1是一種早熟的直立品種,廣泛適應熱帶和半干旱環境。被選為父本,由于即使在缺水的情況下(間歇性和季節結束)也能生產成熟的豆莢,產能很高。誘導的異源四倍體[A. batizocoi K9484 x A. duranensis SeSn2848] 4x(在這里稱為BatDur),是使用EMBRAPA遺傳資源和生物技術的花生種質庫中的野生種質生產的。將BR1和BatDur雜交,并將來自該雜種的F 2后代與BR1回交。 BC 1 F 1 s自交,產生281種子。 BC 1 F 2植物在溫室中生長((Recife, 8˚03’14”S 34˚52’51”W, 7m), 將種子播種在20升的花盆中,該花盆中裝有事先經過石灰處理和施肥(NPK,20:60:30,硫酸銨,單過磷酸鈣和氯化鉀)的砂質壤土。發芽后的第25天,將植物停水15天。只有87個植物達到完整周期,并根據收獲指數(HI 35%)和耐旱指數(DTI 0.7)選擇了13個植物。由于所有后代均處于脅迫狀態,因此將BR1的平均值用作對照。 從13種選擇的植物中的每一種中選擇十個BC1F3種子用于進一步的田間測定。
 
圖1. 誘導的異源四倍體BatDur近交采用的選擇步驟。

1.2 田間初選和生理測定
在2015年雨季結束時,在田間試驗中種植了130粒BC1F3種子(Campina Grande,PB,7˚13'50” S,35˚52'52” W,551 m,半干旱氣候)( 7月-10月)。將植物播種成5m行,間隔30厘米,出苗25天后要停水21天,然后恢復灌溉,在生長周期中保持相當于400毫米的澆水量。收獲時,根據收獲指數(HI 30%)從最初的130株植物中選擇64株。評估了64 BC 1 F 3植物的后代與干旱抗性和農藝性狀相關的生理響應。在干旱季節,植物生長在PB的Campina Grande的溫室中(十月/ 2015-Feb / 2016)。將BC1F 4植物種子播種在30L盆中,該盆中裝有事先用石灰和肥料施肥的沙壤土質地的土壤。 測定中添加了三種栽培基因型:BR1(瓦倫西亞直立,耐旱),塞內加爾55-437(西班牙直立,耐旱)和LViPE-06(弗吉尼亞州流浪者,對干旱敏感)。每天給植物澆水,保持田間容量。
在花期(直立品種為24–25天,亞種LViPE-06為34–35天),植物需忍受15天的水分限制。水分替代基于作物的蒸散量(ETC),通過溫室內安裝的蒸發罐和花生的作物系數來估算。 分析期間記錄的溫度范圍為18˚C至44˚C。 空氣的相對濕度平均為68%。
采用不完全隨機區組,重復10次。測量了以下生理特征:氣孔導度(gs),蒸騰速率(E),凈光合速率(Pn)和胞間CO2濃度(Ci)。根據這些數據,估算了瞬時羧化效率效率(Pn / Ci)和瞬時水分利用效率(WUE),以比率Pn / E表示。使用紅外氣體分析儀(IRGA,ACD,LCPro SD,UK)和1600μmolm-2s-1的光源,在上午9:00和11:00 AM之間測量光合作用參數。 使用葉綠素熒光儀OS5p+(Opti-Sciences,Hudson,USA)測量葉綠素熒光特性。 使用Kramer模型評估非光化學淬滅(NPQ)。
使用軟件GENES 2013.5.1通過單變量和多元(非分層模型)方法分析數據。UPGMA方法被用作非分層模型。為了調整模型,估計了顯著相關系數。

2、光合熒光生理參數分析
在這項研究中,我們旨在育種高級品系,將來自杜鵑花和蠟梅的野生等位基因滲入以提高花生的耐旱性。 將一種由巴西曲霉x杜蘭曲霉誘導的異源四倍體與當地的優良耐旱品種BR1雜交。從該雜交獲得的F 2代與BR1回交,并且從BC 1 F 2開始,在溫室和田間進行測定,以鑒定耐干旱的植物。 使用這種方法的合理性主要基于被確定為抗旱等位基因的潛在良好供體的花生。
總體而言,這些基因型保持了較高的氣孔導度(gs)(圖3A),導致蒸騰速率提高(E,圖3B)。 這種組合有利于在水分限制期間維持這些植物的凈光合速率(Pn,圖3C),降低細胞間CO 2濃度(Ci,圖3D)。如圖3E所示,大多數基因型的瞬時羧化效率(Pn / Ci)與BR1相似或更高。這表明在水分利用率低的情況下CO 2固定效率。 11個基因型的水分利用效率要比對照親本BR1高(圖3F)。 此外,在64個BC 1 F 4植物中,有8個產生了較重的豆莢,其中3個產生了較重的種子(S1表)。這表明,根據此處采用的實驗條件,這些基因型對水分脅迫的耐受性更高。
 
圖3:花生品系的氣體交換。 A-氣孔導度(gs),B-蒸騰速率(E),C-凈光合速率(Pn),D-胞間CO 2濃度(Ci),E-瞬時羧化效率(Pn/ Ci),F-瞬時水分利用效率(WUE)。 虛線是64個品系的估計平均值。BR1和55-437(對照)。
 

圖4. 花生品系的非光化學淬滅(NPQ)。 虛線是64個品系的估計平均值。 BR1和55–437(對照)。

植物在缺水的情況下會調節氣孔關閉,減少蒸騰作用,從而克服脅迫期。這種情況導致CO2吸收減少。 根據文獻報道,氣孔導度(gs)是限制水分脅迫下植物光合作用的主要因素之一。氣孔導度與凈光合速率呈正相關(table 1)。 在半干旱環境中,雨季經常發生間歇性干旱,通常與強太陽輻射有關。這些可能導致對光合作用器官的嚴重損害,因此,大大降低植物中CO 2的固定。為了避免這種損害,植物形成了多種保護機制,例如非光化學淬滅(NPQ),它負責光合作用和光能的平衡。在這項研究中,有15種基因型的NPQ值超過了一般平均值(圖4),其中10種與BR1相似或更高,表明這些基因型即使在水分脅迫下也能消耗多余的能量,從而改善了光合器官的功能。         
表1中數據顯示了他們之間的相關性,gs x Pn(0.57),gs x NPQ(-0.52),gs x Ci(0.76),Pn x Ci(0.62)和NPQ x Ci(-0.75),相關性很高。 表明它們可以用作花生抗旱性近親繁殖選擇程序的替代性狀。
這些新育種系的采用為擴大未來品種的遺傳基礎提供了機會,也為在野生育種計劃中利用野生遺傳資源提供了機會。 此處創建的品系是用于半干旱環境的花生育種進步的非常有前景的材料。

可提供完備的植物光合熒光測量技術方案。
1、OS5p+便攜式葉綠素熒光儀采用的是獨特的調制-飽和-脈沖技術,可快速、可靠的測量光合作用的各種熒光參數,Y(II)、ETR、PAR、T、Fv /Fm 、Fv /Fo 、Fo 、Fm、Fv 、Fms、Fs 、RLC、rETRMAX、Ik、Im; q L 、Y(NPQ)、Y(NO)、NPQ、q N、q P。
 
OS5p+便攜式葉綠素熒光儀
特點:
  • 可以分別測量非光化學淬滅NPQ的四個分量: qM葉綠體遷移、qE葉黃素循環、qT狀態轉換、qI光抑制,qM葉綠體遷移導致的熒光淬滅變化大約占NPQ非光化學淬滅的30%, OS5p+是市面上唯一可測量葉綠體遷移引起的熒光淬滅的儀器。
    
qM葉綠素體遷移的示意圖及測量結果圖示

Fm’校正技術
基于Loriaux 2013算法的Fm’校正協議使用多相飽和光閃技術,利用最小二乘線性回歸分析,推導出無限強的飽和光閃條件下的Fm’值,用于校正Y(II)和ETR的計算。 使用較低強度的飽和光閃,準確測量Fm’,這種技術不會損傷植物,也不需要完全關閉所有反應中心。
 
多相飽和光閃校正Fm’原理圖

2、LCproT全自動便攜式光合儀可以測量Pn凈光合速率、E蒸騰速率、gs氣孔導度、Ci胞間CO2濃度,全彩色觸摸屏設計。
特點:
  • 可以控制葉片生長的微環境(光照、溫度、CO2濃度和相對濕度)。
  • 配置紅綠藍LED光源,測量不同光質對植物光合作用的影響;
  • 內置GPS模塊,可記錄采樣點位置和高程信息;
LCproT全自動便攜式光合儀
GPS位置和高程數據

3、iFL光合熒光復合測量系統,是一款可以同時測量植物光合參數和葉綠素熒光參數的儀器。特點:
  • 可以精確測量葉片的實際光吸收率;
  • 直接得出gm葉肉導度、Cc羧化位點CO2濃度、Rd光下呼吸;
  • 在白光化光源下測量qM葉綠素體遷移;
  • 內置的Fm’校正協議,校正Y(II)和ETR的計算。
iFL光合熒光復合測量系統
 
Cc羧化位點CO2濃度和gm葉肉導度測量結果
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來源:北京澳作生態儀器有限公司
聯系電話:010-82675321
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