Маніпуляція та прогнозування морфологічних ознак колоса для поліпшення врожайності зерна в пшениці
Предмети
Анотація
У пшениці (Triticum spp.) Модифікуючи морфологію суцвіття (колосся), можна збільшити кількість і розмір зерна і, таким чином, поліпшити урожай. Тут ми продемонстрували потенціал для маніпулювання та прогнозування морфології спайків, виходячи з 44 ознак. У 12 сортах пшениці ми спостерігали, що дестилювання (видалення гілок), яке змінює розподіл фотосинфату, змінило морфологію колоса. Наше дослідження геномних асоціацій виявило тісну взаємозв'язок між розподілом вуглецю (наприклад, число румпеля, суха маса головного пагона) та морфологією колоса (наприклад, довжина колоска, щільність колоска) у 210 сортів. Більшість ознак розподілу вуглецю (наприклад, суха маса рушника, індекс врожаю) продемонстрували високі здібності прогнозування (> 0,5). Що стосується морфології колосків, деякі ознаки (наприклад, загальне та плодове число колосків, довжина колоска) виявляли високі здібності прогнозування (0,3–0,5), а інші (наприклад, родючість колосків, щільність колосків) виявляли низькі здібності прогнозування (
Вступ
Морфологія суцвіття (що називається колосом) дрібнозернистих злаків є вирішальним для визначення врожайності зерна. Компоненти колоска (наприклад, колоски, які є основними одиницями суцвіття і містять квіточки, жабки та лему), також впливають один на одного. Кількість та розташування цих компонентів колоса впливає на довжину колоса, масу колоса, колосу соломи (тобто незернову біомасу в колосі), кількість зерен на колосок, масу зерна на колосок та кількість колосків на колосок, що все сприяє урожай зерна на колос 1,2,3. Щоб виробляти сорти з найбільш ефективним виробництвом зерна в різних середовищах, ми повинні знати, як передбачити та маніпулювати морфологією колоса в пшениці.
Формування гілок, які називаються ґрунтообробниками, впливає на кількість зерна та масу зерна, і тому тісно пов’язане з урожайністю 4,5,6,7. Дональд (1968) припустив, що однокультурна пшениця, яка не утворює культиваторів, має потенціал для отримання більшого врожаю порівняно з пшеницею з грунтофрезами 8. Детилерінг може бути використаний для вивчення взаємозв'язку між кущінням та факторами морфології колоса, розглянутими вище. Повідомлялося, що збільшення врожаю зерна після видалення румпеля відбулося головним чином за рахунок збільшення кількості зерна на колосок пшениці 9 .
На додаток до видалення румпеля, в інших дослідженнях були вилучені такі колосові компоненти, як колоски, квіточки, жабки та леми, щоб оцінити їх взаємодію між собою. Наприклад, Pinthus and Millet (1978) виявили незначне збільшення кількості зерна та помітне збільшення маси зерна в інших колосках після видалення колосків у пшениці 10. Вони також показали, що вага зерна визначається факторами, що впливають на обсяг зерна 11. Так само і Ван та ін. (1998) виявили, що видалення колосків значно збільшило кількість зерна та масу зерна на колосок 12. Видалення моркви та лем з колосків пшениці протягом періоду наливу зерна призвело до меншого зростання, ніж у цілих квітках 13 .
Окрім вимірювання ознак морфології колосків, ми розглянули деякі важливі показники, які пов’язані з відомими відмінностями в морфології колоска та розподілі асимілятів. Наприклад, індекс родючості колосків (визначається як кількість зерен на грам колосової соломи), щільність колосків (число колосків на сантиметр довжини колоска), родючість колосків (відношення родючості до загальної кількості колосків) і родючість квіток (співвідношення між максимальна кількість зачатків квіток і кінцева кількість зерен в межах окремого колоска) виявляють взаємозв'язок між компонентами колоса, про які йшлося вище, а також демонструють загальний вплив на ріст та розвиток колоса. Ми висунули гіпотезу про те, що колос пшениці адаптується до стресу та умов навколишнього середовища, балансуючи взаємозв'язки між різними компонентами колоса. Тому ми можемо спробувати максимізувати урожай зерна, маніпулюючи та прогнозуючи морфологічні ознаки колосків у пшениці.
У цьому звіті ми вперше продемонстрували потенціал для маніпулювання морфологією колосків за допомогою експерименту дестиляції. Більше того, ми провели дослідження асоціацій по всьому геному (GWAS) та відбір по всьому геному (GS), продемонструвавши потенціал для генетичної маніпуляції та прогнозування морфології колосків у пшениці. Крім того, кореляційний та поетапний аналіз виявив взаємозв'язок між тепличними та польовими даними, а також критичними морфометричними ознаками колоска для визначення врожайності зерна.
Матеріали і методи
Рослинний матеріал та умови зростання
Фенотипування для 210 приєднань озимої пшениці проводили в теплиці. Умови росту всіх сортів, включаючи 210 приєднань озимої пшениці для GWAS та 12 приєднань озимої пшениці для експерименту переробки, можна знайти в попередній роботі 3. Коротше кажучи, для кожного сорту було висаджено сорок рослин. Зерна висівали в ту ж дату в 96-лункові лотки і пророщували в тепличних умовах (фотоперіод і температура, 16: 8 год, 20:16 ° С, світло: темно) протягом 14 днів. Саджанці на стадії від двох до трьох листків переносили на 4 ° C для яровизації протягом 63 днів. Яровизовані саджанці переносили на стадію загартовування (фотоперіод та температура, 12:12 год, 15:15 ° C, світло: темно) протягом 7 днів для поступової акліматизації. Нарешті, всі рослини пересадили у горщики об’ємом 0,5 л (по одній рослині на горщик) у контрольованих тепличних умовах (фотоперіод та температура, 16: 8 год., 20: 6 ° С, світло: темно). Додаткове світло (близько 250 лмоль м −2 с −1 фотосинтетично активного випромінювання) забезпечувалось лампою розжарювання низької інтенсивності, а рослини зрошували за потреби.