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辣椒半矮秆突变体E483的表型鉴定和生理分析

2022-07-21肖佳林李丽缘黄湖荣刘周斌欧立军邹学校周书栋杨博智

中国蔬菜 2022年7期
关键词:突变体叶绿素苗期

肖佳林 李丽缘 黄湖荣 刘周斌 欧立军 索 欢 邹学校 周书栋 杨博智*

(1 湖南农业大学园艺学院,湖南长沙 410128;2 园艺作物种质创新与新品种选育教育部工程研究中心,湖南长沙 410128;3 湖南省农业科学院蔬菜研究所,湖南长沙 410125)

辣椒(L.)是我国种植面积最大、消费量最高的蔬菜作物,可鲜食,亦可加工食用,同时也是重要的调味品和食品添加剂。近年来,随着生产力水平的提高,辣椒设施栽培规模发展迅速,目前我国辣椒设施栽培面积已达56.813 3万hm(852.2 万亩),占辣椒总种植面积的26.6%(邹学校 等,2020),因此,选育出高产、优质、多抗且适宜设施栽培的辣椒品种尤为重要。株高是辣椒的重要农艺性状之一,与辣椒植株抗倒伏性和产量性状密切相关(李玉华和闫立英,2003)。辣椒半矮秆品种除了抗倒伏、利于密植以及提高产量的优点之外,还具有低温弱光条件下不易徒长、采收间隔期短、前期产量高等优势,特别适合南方地区春提早和秋延后设施内低矮空间栽培。

不同于水稻和玉米(Khush,2001)、小麦(韩斌 等,2015)等半矮秆品种的广泛应用,多年来我国辣椒的育种方向集中于产量、抗性和育性研究(王立浩 等,2016;袁欣捷 等,2017;吴永红 等,2020),半矮秆育种暂未引起育种家们的高度重视。目前我国辣椒生产上应用的半矮秆品种主要为地方品种,有湖南伏地尖和樟树港辣椒、江西余干椒、南京早椒等。除此之外,前人通过诱变手段也获得了部分辣椒半矮秆突变体。蒋向辉等(2008)采用Coγ 射线辐射处理怀椒6 号种子,获得了1 个株高较矮、侧枝较少的突变体。Jo 等(2016)采用γ 射线和碳束照射Yuwol-cho 种子,获得了一些辣椒半矮秆突变体。Arisha(2015)、周书栋等(2017)采用甲基磺酸乙酯(ethylmethane sulfonate,EMS)处理辣椒种子,均获得了辣椒半矮秆突变体。然而,目前生产上可直接利用的辣椒半矮秆材料并不多,且由于半矮秆性状通常由隐性基因控制,杂交品种少,因此有必要创制辣椒半矮秆新资源,加快辣椒半矮秆品种选育速度,迎合市场需求。

本试验从EMS 诱变辣椒自交系6421 种子构建的突变体库中,筛选到1 个半矮秆突变体,对突变体的表型、生物量、光合特性和生理指标进行测定,并分析其性状遗传规律,以期为该半矮秆突变体的突变分子机理研究和育种应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为辣椒高代自交系6421、半矮秆突变体(已连续自交3 代,突变性状能稳定遗传),均由湖南省农业科学院蔬菜研究所提供。

试验于2020 年3 月至2021 年10 月在湖南农业大学园艺学院基地塑料大棚和人工气候室中进行。2020 年3 月起在塑料大棚进行亲本、F和F群体种植,用于遗传规律分析;2021 年5 月13 日于人工气候室播种6421、种子各100 粒至50孔穴盘中,30 d 后幼苗处于6 叶期,45 d 后植株开始现蕾,55 d 处于开花期,65 d 开始坐果,100 d开始出现红果。植株全生育期保持室内温度(26 ±2)℃/(18 ± 2)℃(光照/黑暗),光照时间为16 h·d,光照强度8 000 lx。

1.2 方法

1.2.1 表型调查 对6421 和进行全生育期表型调查,每份材料随机选取10 株,观察子叶期形态特征,调查苗期(6 叶期)、现蕾期(5~6 个花蕾)、开花期(仅有花朵盛开)、青果期(2~4 个青果)、红果期(果实全为红果)的植株株高、主茎长、主茎粗和总节间数,以及苗期叶片、成株期花器官、成熟果形态特征、现蕾期根系,并统计单果鲜质量和单株坐果数。

1.2.2 茎秆细胞学特征观察 苗期取6421 和幼苗茎秆顶端向下第4 节茎段,采用石蜡切片法(Ji et al.,2006)制片,在Olympus BX43 显微镜下观察并拍照。每份材料观察1 株。

1.2.3 根系活力测定 现蕾期取6421 和幼苗各3 株,清水洗净根系并用纸吸干水分,测量根深(根茎连接处与根最深处的垂直距离)、根宽(根系两侧的最远距离),计算根开展面积(根深与根宽的乘积);准确称取0.50 g 根尖,将其切成1 cm长小段,放入小烧杯中,采用TTC 法测定根系活力(邹琦,2000)。

根系活力=C/(W × T)

式中C 表示TTC 还原量(mg),W 表示根质量(g),T 表示处理时间(h)。

1.2.4 生物量测定 取6421 和幼苗各3 株,清水洗净植株根部,擦干水分,分别称量地上部(植株根以上所有部分)和地下部(植株根)鲜质量,再将地上部和地下部放入烘箱中105 ℃杀青30 min,75 ℃烘干至恒重,称量地上部和地下部干质量,计算鲜质量根冠比和干质量根冠比。

鲜质量根冠比=地下部鲜质量/地上部鲜质量

干质量根冠比=地下部干质量/地上部干质量

1.2.5 叶绿素和类胡萝卜素含量测定 采用叶绿素与类胡萝卜素含量测定试剂盒(北京索莱宝科技有限公司)分别测定叶片叶绿素和类胡萝卜素含量并略作修改。青果期时,随机选取长势一致的6421和植株各3 株,取植株顶端生长点向下第4片完全展开叶,蒸馏水洗净叶片,吸干表面水分,去中脉,用直径为1.5 cm 打孔器在叶中间位置打2个圆孔,将圆叶剪碎放入研钵中,加入少量石英砂、CaCO和1 mL 蒸馏水,弱光条件下充分研磨,转入刻度试管,用提取液(无水乙醇∶丙酮=1∶2)冲洗研钵,并定容至10 mL,黑暗条件下浸提3 h,4 000 r·min离心5 min,测定上清液在663、646 nm 和470 nm 处吸光度,分别记为△A、△A和△A。

式中Chl a 表示叶绿素a 含量,Chl b 表示叶绿素b 含量,C表示叶绿素a 浓度,C表示叶绿素b浓度,Chl 表示总叶绿素含量;Car 表示类胡萝卜素含量;V 为提取液体积,10 mL;S 为取样面积,3.53 × 10dm。

1.2.6 光合参数测定 使用Li-6400XT 型便携式光合仪测定光合气体交换参数。青果期时,随机选取长势一致的6421 和植株各3 株,测定顶端生长点向下第4~8 片功能叶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。光合气体交换参数测定条件为光强1 000 μmol·m·s、CO含量400 μmol·mol、叶室温度(25 ± 1)℃,相对湿度70%~80%。

1.2.7 生理指标测定 取6421 和幼苗各3株,采用可溶性糖(SS)、脯氨酸(Pro)和丙二醛(MDA)含量测定试剂盒,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽还原酶(GR)活性及羟自由基清除率(SA)测定试剂盒(北京索莱宝科技有限公司)分别测定苗期植株顶端生长点向下第4 片完全展开叶中的SS、Pro 和MDA 含量,SOD、POD、CAT、GR 活性及SA。

1.2.8 遗传规律分析 以半矮秆突变体为母本与6421 杂交,获得F种子,种植50 株F植株;混收F种子,植株开花后自交获得F种子,种植F群体787 株,测量株高并调查株高性状分离比,利用卡平方检测分析其遗传规律。

1.2.9 数据分析 除遗传规律分析试验外,其余所有测定项目均进行3 次重复,采用SPSS 17.0 软件对数据进行方差分析,最小显著差数法(LSD 法)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 6421 和E483 表型特征分析

突变体植株表现出半矮化、叶片变小、叶色深绿,花朵变小,果实变短变宽,单株坐果数变少等特征(图1)。

图1 6421 和E483 不同发育时期植株表型

2.1.1 茎形态苗期、现蕾期、开花期、青果期、红果期的植株株高、主茎长、主茎粗均极显著低于6421。5 个时期中,株高与6421 相比降低了43.50%~56.82%,主茎长降低了49.40%~59.73%,但其总节间数与6421 无显著差异(表1)。取苗期第4 节茎段观察,发现茎秆变短变细(图2-a),细胞学观察发现与6421 相比,茎秆细胞纵向、横向长度均缩短(图2-b、c),表明植株变矮是由其茎秆节间细胞缩短所致。

图2 6421 和E483 苗期第4 节茎段及其显微观察(100×)

表1 6421 和E483 株高、主茎长、主茎粗和总节间数比较

2.1.2 叶形态 与6421 相比,叶片变小变厚,叶色变深(图3-a)。叶长、叶宽及叶面积均极显著低于6421,叶片厚度极显著高于6421(表2)。

表2 6421 和E483 苗期叶片长、宽、厚度和叶面积比较

2.1.3 花形态 6421 和花朵都有6 个花瓣,但与6421 相比,花朵变小,花药变短变窄,柱头长和花丝长变短(图3-b、c)。花瓣长、花药长、柱头长、花丝长均极显著低于6421,花瓣宽、花药宽均显著低于6421(表3)。

表3 6421 和E483 花瓣长宽、花药长宽、柱头长和花丝长比较 mm

2.1.4 果实形态和单株坐果数 与6421 相比,果实变短变宽,果柄变短变窄(图3-d)。果长、果柄长、果柄宽、单果鲜质量、单株坐果数均极显著低于6421,果宽极显著高于6421(表4)。

表4 6421 和E483 果实长宽、果柄长宽、单果鲜质量和单株坐果数比较

图3 6421 和E483 叶片、花、果实及根系特征

2.1.5 根形态和根系活力 与6421 相比,侧根减少、根长变短、根颜色变浅、白根居多(图3-e)。根深、根宽、根开展面积均极显著低于6421,根系活力极显著高于6421(表5)。

表5 6421 和E483 现蕾期根深、根宽、根开展面积和根系活力比较

2.2 6421 和E483 苗期植株生物量比较

幼苗地上部、地下部鲜质量及干质量均极显著低于6421,两者鲜质量根冠比差异显著,而干质量根冠比差异不显著(表6)。

表6 6421 和E483 幼苗生物量及根冠比比较

2.3 6421 和E483 叶片光合特性比较

叶色较6421 更深,叶片中Chl a、Chl 和Car 含量均极显著高于6421,且Chl b 含量和Chl/Car 显著高于6421;叶片光合参数Pn、Gs、Ci 和Tr 均极显著高于6421(表7)。

表7 6421 和E483 叶绿素、类胡萝卜素含量和光合参数比较

2.4 6421 和E483 叶片生理指标比较

苗期叶片中的SS 含量显著高于6421,Pro 含量和SOD、POD、CAT、GR 活性均极显著高于6421,SA 同样极显著高于6421,而MDA含量则极显著低于6421,只有6421 的50%左右(表8)。

表8 6421 和E483 抗性生理指标比较

2.5 突变体性状遗传分析

以和6421 为亲本构建的F群体性状不分离,表型和6421 较接近;F群体中正常植株、半矮秆植株数分别为587、200 株,符合3∶1 的分离比,表明突变性状由隐性单基因控制(表9)。

表9 E483 × 6421 F2 群体株高的分离情况

3 结论与讨论

本试验所用辣椒半矮秆突变体来源于EMS 诱变辣椒自交系6421 构建的突变体库。与野生型6421 相比,全生育期表现出植株半矮化,半矮化性状由隐性单基因调控,株高约为6421 的一半,但总节间数与6421 无显著差异,表明植株变矮与节间数无关,而是由于茎秆节间距的缩短导致的。细胞学观察发现茎秆节间距缩短与节间细胞长度变短有关。此特征与前人已报道的花生半矮秆突变体(李欢倪 等,2017)、黄瓜矮秆突变体(刘梦迎 等,2019)和玉米矮秆突变体(杨睿 等,2020)相似。除节间距缩短外,叶片变小,叶色深绿,花朵变小,果实变短变宽,根系开展度降低等特征,表现出“一因多效”的遗传效应。

植物叶片呈色与叶片细胞内色素的种类、含量、分布密切相关(张亚平 等,2017)。突变体的叶绿素、类胡萝卜素含量极显著增加,叶绿素与类胡萝卜素的比值增大,且其光合参数优于野生型6421,这与周万祥(2020)在油菜深绿突变体上发现的叶片叶绿素含量显著升高的同时,Pn、Gs、Ci 和Tr 也显著升高的结果相似,由此推测叶色深绿的主要原因是叶绿素含量升高所致,叶片光合参数数值与叶绿素含量呈正相关。

作物对非生物胁迫的应激反应包括调节渗透压、启动保护酶系统、改变膜结构与功能等(何凌仙子 等,2018)。SS、Pro 为重要的渗透调节物质,而MDA 属于膜脂过氧化物,它能与膜蛋白结合,加重对膜结构的破坏,使细胞膜透性增加,导致电解质外渗,因而MDA 含量的高低可以代表细胞膜的受损伤程度(张健 等,2021)。叶片中SS含量显著高于6421,Pro 含量极显著高于6421,MDA 含量极显著低于6421,说明其较6421 渗透调节能力和减少有害物质产生的能力更强;SOD、POD、CAT、GR 活性与清除活性氧的保护酶系统相关(杨舒贻 等,2016;韩健 等,2020),中4 种酶活性均极显著高于6421,使得其清除羟自由基(SA)的能力也强于6421。由检测到的叶片中抗性生理指标,结合其具备的高光合能力、高根系活力可推测较6421 对逆境的抵抗能力更强。南方地区早春设施栽培大棚内温度低、光照不足,辣椒植株长期处于低温、弱光逆境,与野生型6421 相比,植株应该更适应南方地区早春设施栽培。

株高的突变一般与植株内源激素调控发生变异有关,本试验仅对其表型、生理特征和遗传规律进行研究,后续试验中将探明突变性状与哪种激素调控相关,并克隆与突变性状相关的基因,为进一步解析辣椒半矮秆突变机理奠定基础。

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