野生等位基因滲入四倍體花生作物中的作用

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(chǎn)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(dǎo)入基因是育種人員很少用于改善商業(yè)作物的實踐，盡管它為豐富遺傳基礎(chǔ)和創(chuàng)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(chǎn)量的一系列結(jié)果，這些系得自于誘導(dǎo)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(cè)重于生理和農(nóng)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(guān)性狀，早熟性和莢果產(chǎn)量，對耐旱的優(yōu)良商業(yè)品種BR1具有更好的表型特征。這些系是創(chuàng)建適合在半干旱環(huán)境中生產(chǎn)的花生品種的良好候選者。

概述：
適應(yīng)干旱環(huán)境的植物栽培種的開發(fā)是改良計劃中的一項有價值的策略，并且由于復(fù)雜的遺傳遺傳而面臨著巨大的挑戰(zhàn)。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(dǎo)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(jù)Kalariya等研究，非光化學(xué)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(xué)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(tài)和植物生長的非常敏感的指標(biāo)。 它們揭示了當(dāng)前光合代謝的狀態(tài)，包括脅迫條件下的損傷和修復(fù)狀態(tài)。
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(shù)為二倍體（2n = 2x = 20），代表了寶貴的遺傳資源，廣泛適應(yīng)熱帶和半干旱環(huán)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(dǎo)染色體復(fù)制以恢復(fù)生育力和四倍體狀態(tài)來克服這一問題。通過結(jié)合A和B基因組來培育合成系，提供了一系列具有幾個優(yōu)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(yīng)熱帶和半干旱環(huán)境。被選為父本，由于即使在缺水的情況下（間歇性和季節(jié)結(jié)束）也能生產(chǎn)成熟的豆莢，產(chǎn)能很高。誘導(dǎo)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(shù)的花生種質(zhì)庫中的野生種質(zhì)生產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(zhì)壤土。發(fā)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(jù)收獲指數(shù)（HI 35％）和耐旱指數(shù)（DTI 0.7）選擇了13個植物。由于所有后代均處于脅迫狀態(tài)，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。
 
1.2 田間初選和生理測定
在2015年雨季結(jié)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(fù)灌溉，在生長周期中保持相當(dāng)于400毫米的澆水量。收獲時，根據(jù)收獲指數(shù)（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(nóng)藝性狀相關(guān)的生理響應(yīng)。在干旱季節(jié)，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(zhì)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(nèi)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(nèi)安裝的蒸發(fā)罐和花生的作物系數(shù)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(qū)組，重復(fù)10次。測量了以下生理特征：氣孔導(dǎo)度（gs），蒸騰速率（E），凈光合速率（Pn）和胞間CO₂濃度（Ci）。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，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(shù)。 使用葉綠素?zé)晒鈨xOS5p+（Opti-Sciences，Hudson，USA）測量葉綠素?zé)晒馓匦浴?使用Kramer模型評估非光化學(xué)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(shù)據(jù)。UPGMA方法被用作非分層模型。為了調(diào)整模型，估計了顯著相關(guān)系數(shù)。

2、光合熒光生理參數(shù)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(dǎo)的異源四倍體與當(dāng)?shù)氐膬?yōu)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(dǎo)度（gs）（圖3A），導(dǎo)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(shù)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(chǎn)生了較重的豆莢，其中3個產(chǎn)生了較重的種子（S1表）。這表明，根據(jù)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。
 

植物在缺水的情況下會調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉，減少蒸騰作用，從而克服脅迫期。這種情況導(dǎo)致CO2吸收減少。 根據(jù)文獻報道，氣孔導(dǎo)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(dǎo)度與凈光合速率呈正相關(guān)（table 1）。 在半干旱環(huán)境中，雨季經(jīng)常發(fā)生間歇性干旱，通常與強太陽輻射有關(guān)。這些可能導(dǎo)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(xué)淬滅（NPQ），它負責(zé)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(shù)據(jù)顯示了他們之間的相關(guān)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(guān)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(chǔ)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(chuàng)建的品系是用于半干旱環(huán)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(shù)方案。
1、OS5p+便攜式葉綠素?zé)晒鈨x采用的是獨特的調(diào)制-飽和-脈沖技術(shù)，可快速、可靠的測量光合作用的各種熒光參數(shù)，Y(II)、ETR、PAR、T、Fv /Fm 、Fv /Fo 、Fo 、Fm、Fv 、Fms、Fs 、RLC、rETR_MAX、Ik、Im； q L 、Y(NPQ)、Y(NO)、NPQ、q N、q P。
  特點：

• 可以分別測量非光化學(xué)淬滅NPQ的四個分量: qM葉綠體遷移、qE葉黃素循環(huán)、qT狀態(tài)轉(zhuǎn)換、qI光抑制，qM葉綠體遷移導(dǎo)致的熒光淬滅變化大約占NPQ非光化學(xué)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。

     基于Loriaux 2013算法的Fm’校正協(xié)議使用多相飽和光閃技術(shù)，利用最小二乘線性回歸分析，推導(dǎo)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(zhǔn)確測量Fm’，這種技術(shù)不會損傷植物，也不需要完全關(guān)閉所有反應(yīng)中心。
 
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(dǎo)度、Ci胞間CO₂濃度，全彩色觸摸屏設(shè)計。
特點：

• 可以控制葉片生長的微環(huán)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(zhì)對植物光合作用的影響；
• 內(nèi)置GPS模塊，可記錄采樣點位置和高程信息；

3、iFL光合熒光復(fù)合測量系統(tǒng)，是一款可以同時測量植物光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪��?shù)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(dǎo)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(nèi)置的Fm’校正協(xié)議，校正Y(II)和ETR的計算。