将野生等位基因渗入四倍体花生作物中以提高水分利用效率，早熟和产量
导读：将野生等位基因渗入四倍体花生作物中以提高水分利用效率，早熟和产量
将野生等位基因渗入四倍体花生作物中以提高水分利用效率，早熟和产量
文献信息：
Wellison F. Dutra, Yrla?nia 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:
从野生物种中导入基因是育种人员很少用于改善商业作物的实践，尽管它为丰富遗传基础和创造新品种提供了极好的机会。在花生中，这种做法正在被越来越多地采用。 在这项研究中，我们介绍了来自野生种Arachis duranensis和A. batizocoi的野生等位基因渗入改善了光合特性和产量的一系列结果，这些系得自于诱导的异源四倍体和栽培花生在水分胁迫下的选择杂交。该测定法是在温室和田间进行的，侧重于生理和农艺性状。为了对耐旱品系进行分类，采用了多元模型（UPGMA）。 几条品系显示出更高的耐受水平，其值与耐受对照相似或更高。突出显示了两个BC 1 F 6系（53 P4和96 P9），具有良好的干旱相关性状，早熟性和荚果产量，对耐旱的优良商业品种BR1具有更好的表型特征。这些系是创建适合在半干旱环境中生产的花生品种的良好候选者。
概述：
适应干旱环境的植物栽培种的开发是改良计划中的一项有价值的策略，并且由于复杂的遗传遗传而面临着巨大的挑战。为了简化选择过程，育种者可以使用替代性状来帮助鉴定耐旱植物。
水分胁迫下的植物由于CO2的扩散限制而降低了气体交换，降低了羧化效率，或者由于光抑制导致了叶绿体活性的限制。
植物自身有几种保护机制，以平衡吸收的光能与光合作用。根据Kalariya等研究，非光化学淬灭（NPQ）是一个非常重要的特性，它是指通过叶绿体以非光化学方式释放多余的能量，从而保护光合器官。在多种情况下，气体交换和叶绿素a荧光是叶片生理状态和植物生长的非常敏感的指标。 它们揭示了当前光合代谢的状态，包括胁迫条件下的损伤和修复状态。
花生（Arachis hypogaea L.）是许多国家种植的重要油料种子，可用于粮食和石油市场。 花生属有80多种，多数为二倍体（2n = 2x = 20），代表了宝贵的遗传资源，广泛适应热带和半干旱环境。
花生野生种在改良计划中的使用受到限制，这主要是由于物种之间的倍性差异和染色体障碍。 可以通过人工杂交A和B基因组野生物种，然后诱导染色体复制以恢复生育力和四倍体状态来克服这一问题。通过结合A和B基因组来培育合成系，提供了一系列具有几个优良特性的四倍体，例如对疾病和害虫的抵抗力，并为花生改良开辟了新的机遇。
1、材料和方法:
1.1 植物材料
BR1是一种早熟的直立品种，广泛适应热带和半干旱环境。被选为父本，由于即使在缺水的情况下（间歇性和季节结束）也能生产成熟的豆荚，产能很高。诱导的异源四倍体[A. batizocoi K9484 x A. duranensis SeSn2848] 4x（在这里称为BatDur），是使用EMBRAPA遗传资源和生物技术的花生种质库中的野生种质生产的。将BR1和BatDur杂交，并将来自该杂种的F 2后代与BR1回交。 BC 1 F 1 s自交，产生281种子。 BC 1 F 2植物在温室中生长（(Recife, 8?03’14”S 34?52’51”W, 7m）, 将种子播种在20升的花盆中，该花盆中装有事先经过石灰处理和施肥（NPK，20：60：30，硫酸铵，单过磷酸钙和氯化钾）的砂质壤土。发芽后的第25天，将植物停水15天。只有87个植物达到完整周期，并根据收获指数（HI 35％）和耐旱指数（DTI 0.7）选择了13个植物。由于所有后代均处于胁迫状态，因此将BR1的平均值用作对照。 从13种选择的植物中的每一种中选择十个BC1F3种子用于进一步的田间测定。
图1. 诱导的异源四倍体BatDur近交采用的选择步骤。
1.2 田间初选和生理测定
在2015年雨季结束时，在田间试验中种植了130粒BC1F3种子（Campina Grande，PB，7?13'50” S，35?52'52” W，551 m，半干旱气候）（ 7月-10月）。将植物播种成5m行，间隔30厘米，出苗25天后要停水21天，然后恢复灌溉，在生长周期中保持相当于400毫米的浇水量。收获时，根据收获指数（HI 30％）从最初的130株植物中选择64株。评估了64 BC 1 F 3植物的后代与干旱抗性和农艺性状相关的生理响应。在干旱季节，植物生长在PB的Campina Grande的温室中（十月/ 2015-Feb / 2016）。将BC1F 4植物种子播种在30L盆中，该盆中装有事先用石灰和肥料施肥的沙壤土质地的土壤。 测定中添加了三种栽培基因型：BR1（瓦伦西亚直立，耐旱），塞内加尔55-437（西班牙直立，耐旱）和LViPE-06（弗吉尼亚州流浪者，对干旱敏感）。每天给植物浇水，保持田间容量
。 在花期（直立品种为24–25天，亚种LViPE-06为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），通过温室内安装的蒸发罐和花生的作物系数来估算。 分析期间记录的温度范围为18?C至44?C。 空气的相对湿度平均为68％。
采用不完全随机区组，重复10次。测量了以下生理特征：气孔导度（gs），蒸腾速率（E），净光合速率（Pn）和胞间CO2浓度（Ci）。根据这些数据，估算了瞬时羧化效率效率（Pn / Ci）和瞬时水分利用效率（WUE），以比率Pn / E表示。使用红外气体分析仪（IRGA，ACD，LCPro SD，UK）和1600μmolm-2s-1的光源，在上午9:00和11:00 AM之间测量光合作用参数。 使用叶绿素荧光仪OS5p+（Opti-Sciences，Hudson，USA）测量叶绿素荧光特性。 使用Kramer模型评估非光化学淬灭（NPQ）。
使用软件GENES 2013.5.1通过单变量和多元（非分层模型）方法分析数据。UPGMA方法被用作非分层模型。为了调整模型，估计了显着相关系数。
2、光合荧光生理参数分析
在这项研究中，我们旨在育种高级品系，将来自杜鹃花和蜡梅的野生等位基因渗入以提高花生的耐旱性。 将一种由巴西曲霉x杜兰曲霉诱导的异源四倍体与当地的优良耐旱品种BR1杂交。从该杂交获得的F 2代与BR1回交，并且从BC 1 F 2开始，在温室和田间进行测定，以鉴定耐干旱的植物。 使用这种方法的合理性主要基于被确定为抗旱等位基因的潜在良好供体的花生。
总体而言，这些基因型保持了较高的气孔导度（gs）（图3A），导致蒸腾速率提高（E，图3B）。 这种组合有利于在水分限制期间维持这些植物的净光合速率（Pn，图3C），降低细胞间CO 2浓度（Ci，图3D）。如图3E所示，大多数基因型的瞬时羧化效率（Pn / Ci）与BR1相似或更高。这表明在水分利用率低的情况下CO 2固定效率。 11个基因型的水分利用效率要比对照亲本BR1高（图3F）。 此外，在64个BC 1 F 4植物中，有8个产生了较重的豆荚，其中3个产生了较重的种子（S1表）。这表明，根据此处采用的实验条件，这些基因型对水分胁迫的耐受性更高。
图3：花生品系的气体交换。 A-气孔导度（gs），B-蒸腾速率（E），C-净光合速率（Pn），D-胞间CO 2浓度（Ci），E-瞬时羧化效率（Pn/ Ci），F-瞬时水分利用效率（WUE）。 虚线是64个品系的估计平均值。BR1和55-437（对照）。
图4. 花生品系的非光化学淬灭（NPQ）。 虚线是64个品系的估计平均值。 BR1和55–437（对照）。
植物在缺水的情况下会调节气孔关闭，减少蒸腾作用，从而克服胁迫期。这种情况导致CO2吸收减少。 根据文献报道，气孔导度（gs）是限制水分胁迫下植物光合作用的主要因素之一。气孔导度与净光合速率呈正相关（table 1）。 在半干旱环境中，雨季经常发生间歇性干旱，通常与强太阳辐射有关。这些可能导致对光合作用器官的严重损害，因此，大大降低植物中CO 2的固定。为了避免这种损害，植物形成了多种保护机制，例如非光化学淬灭（NPQ），它负责光合作用和光能的平衡。在这项研究中，有15种基因型的NPQ值超过了一般平均值（图4），其中10种与BR1相似或更高，表明这些基因型即使在水分胁迫下也能消耗多余的能量，从而改善了光合器官的功能。
表1中数据显示了他们之间的相关性，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），相关性很高。 表明它们可以用作花生抗旱性近亲繁殖选择程序的替代性状。
这些新育种系的采用为扩大未来品种的遗传基础提供了机会，也为在野生育种计划中利用野生遗传资源提供了机会。 此处创建的品系是用于半干旱环境的花生育种进步的非常有前景的材料。
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qM叶绿素体迁移的示意图及测量结果图示
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iFL光合荧光复合测量系统
Cc羧化位点CO2浓度和gm叶肉导度测量结果
来源于：北京澳作生态仪器有限公司
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