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【必发官网】西北地理所研究开发高效持续巩固羊草生物量的GA3种子引发手艺

种子引发(Seed priming)是提高植物种子发芽率和幼苗整齐度的重要技术,在农作物和一年生植物中被广泛应用,但对多年生牧草影响研究尚未得到广泛关注,对克隆子株跨代效应鲜有报道。羊草是禾本科多年生根茎型植物,具有耐旱、耐寒、耐盐碱等特性,生态适应性广,广泛分布于欧亚草原带。同时,羊草叶片粗蛋白含量高,具有重要的营养价值,是优良的牧草。在人类活动和全球变化的双重影响下,松嫩平原90%的天然羊草草地发生了不同程度的退化,羊草植株高度和生物量也均大幅度降低。植物生物量低下已经成为制约松嫩平原羊草草地牧业发展的重要因子。

羊草(Leymus chinensis)又名碱草,原产于我国的东北、俄罗斯的外贝加尔和蒙古。在我国羊草集中分布于东北平原、内蒙古草原、华北平原和山区以及黄土高原等地,属于多年生禾本科根茎型草本植物。羊草具有产量高、品质好、耐盐碱、抗干旱和抗寒冷等优点,是我国唯一出口创汇的禾本科牧草,曾被国家牧草产业技术体系列为“十二五”长期规划的重要牧草品种。

羊草( I.eymu.s chinensis)为禾本科赖草属优质牧草,其适口性好、营养价值高、适应性广、抗旱、耐盐碱、抗逆性强,具有重要的经济和生态价值。因此,研究开发利用羊草对发展我国草牧业、治理退化及荒漠化草地具有十分重要作用。羊草人工种植的历史较短,一些长期进化形成的野生性状还没有得到有效的改良,如成穗率低、结实率及发芽率低等现象。羊草种子发芽率低的主要原因是种子休眠期长,休眠程度深,并且不易打破,因而能否显著提高羊草种子发芽率,简单有效地打破羊草种子休眠,是扩大羊草人工种植面积所面临的技术难题。

中国科学院东北地理与农业生态研究所盐渍土生态与改良学科组副研究员马红媛等通过室内控制、田间实验相结合的方法,系统开展了GA3引发对羊草种子萌发以及其克隆子代的多年生长特性的影响研究。研究表明,5~200μM GA3引发羊草种子,不仅能不同程度地促进羊草种子的萌发,而且对羊草克隆子株的株高、分蘖、生物量等都具有长期促进作用,其中以50μM GA3促进作用最为显著。2016年50μM GA3处理的羊草生物量比对照提高108.9%,2017年比对照提高126.2%。该研究首次报道了GA3种子引发技术对羊草克隆子代的生长存在着跨代效应,对提高天然或人工草地多年生优质牧草生产力提供了重要的理论依据,且具有重要的实践意义。

近年来随着国家大力发展草牧业的倡导,牧草市场需求量与日俱增。然而我国牧草产能不足,且品质不佳,对国外市场的依存度逐年增加,严重制约了我国畜牧业发展。因此亟需发展先进育种技术,加速新型品种资源培育,从而提升我国本土牧草的产能与品质,用以弥补我国牧草生产所面临的困境。羊草作为禾本科牧草的重要代表,历来享有“牲口细粮”的美誉,在草产业中占有举足轻重的地位。羊草可以作为优质高产的牧草资源,用于人工草地建成和退化草原改良,从而推动草原畜牧业发展。同时,羊草还可有效治理风蚀沙化、水土流失,对改善我国北方草原生态环境和盐渍化土地治理具有重要意义。然而羊草属于自交不亲和植物,遗传背景复杂、种子萌发率低且难于遗传转化,从而严重制约了先进生物工程技术在羊草资源开发与利用中的应用。

1 试验材料与方法

该论文“A Multi-year Beneficial Effect of Seed Priming with Gibberellic Acid-3 on Plant Growth and Production in a Perennial Grass, Leymus chinensis”由马红媛为第一作者,海外特聘研究员姜昌杰、东北地理所研究员梁正伟为通讯作者,成果发布于《科学报告》(Scientific Reports)。

黑龙江省农科院草业研究所长期从事羊草育种与资源化利用研究,现有科研用地230亩,羊草良种繁育基地100亩,审定羊草新品种3个(农菁4号、农菁11号和菁牧3号)。通过与草业所合作,中国科学院青岛生物能源与过程研究所将先进的牧草组织培养与分子生物学技术引入羊草种质资源创制和品种培育过程中。先后建立了羊草种子高效萌发体系和高效遗传转化体系,将羊草种子的萌发率从当前的13.5%提高到了70.3%,同时将羊草遗传转化效率提高到20%以上。上述研究工作不但能够解决羊草种子萌发率低的生产难题,而且还为今后通过基因工程技术创制高生物量高品质羊草种质新资源提供了稳定可靠的研发平台。另外,通过解析羊草不同生育期茎秆的形态、分子与细胞壁特征,全面掌握了羊草细胞壁品质形成的特点,从而为今后羊草新型种质资源选育与评估、田间栽培与管理以及收获期精准确定提供了依据和指导。该研究契合《中科院东北振兴科技引领行动计划》的指导思想,通过将两所在资源与技术方面的优势进行有机融合,不但有望促进中科院科技成果的转移转化,还能够有效实现对区域经济的服务。同时也为今后山东省黄河三角洲及青岛周边区域盐碱地的治理和环境修复工程储备了优良的牧草品种资源。

1.1 试验材料

该研究受到国家重点研究基础发展计划(2015CB150802)、国家自然科学基金面上项目(41771058, 41371260, 41001027)、国家重点研发计划(2016YFC0501200)以及科技基础资源调查专项(2015FY110500)的共同资助。

黑龙江省农科院草业所助理研究员王建丽与中科院青岛能源所博士马利超为论文的共同第一作者,青岛能源所作物分子育种团队研究员付春祥为该论文的通讯作者。上述研究工作得到了中科院“百人计划”和黑龙江省农科院重大项目“黑龙江寒带农作物种质资源更新”等项目的支持。

本研究选取了两种在我国东北地区分布与利用较为广泛的禾本科牧草进行发芽试验。这两种禾草分别为东北羊草和吉生l号羊草,均具有较强的抗旱性和耐寒性,饲用品质亦优良。

论文信息: Hong-Yuan Ma, Dan-Dan Zhao, Qiu-Rui Ning, Ji-Ping Wei, Yang Li, Ming-Ming Wang, Xiao-Long Liu, Chang-Jie Jiang, Zheng-Wei Liang. A Multi-year Beneficial Effect of Seed Priming with Gibberellic Acid-3 on Plant Growth and Production in a Perennial Grass, Leymus chinensis. Scientific Reports, 2018, 8: 13214. DOI:10.1038/s41598-018-31471-w.

相关专利与成果发表:

1.2 试验方法

论文链接

1、付春祥、王建丽、张海玲等,一种羊草遗传转化的方法,中国,专利号:CN 201710144623.X。

1.2.1 两种羊草种子萌发试验

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2、王建丽,付春祥,申忠宝等,一种羊草种子高效萌发的方法,中国,专利号:CN 201611099887.X。

种子萌发试验选取均匀一致、成熟饱满的供试种子100粒,经粒选种子用0.1%的升汞消毒20 min后,用清水冲洗4-5次,置于铺有双层滤纸直径9cm培养皿中,分别加入5 ml.蒸馏水,3次重复。每日1 6:00~17:00用称量法根据水分蒸发量加入蒸馏水,在光照培养箱中培养,温度为变温,高温30℃光照和低温20℃黑暗,各12h,湿度80%,第2天开始观察并记录种子萌发情况,第11天统计发芽率。

图1 实验设计流程图

3、Wang J, Ma L, Shen Z, Sun D, Zhong P, Bai Z, Zhang H, Cao Y, Bao Y, Fu C. Lignification of sheepgrass internodes at different developmental stages and associated alteration of cell wall saccharification efficiency. Front Plant Sci. 8:414.

发芽率:每天统计发芽种子数(发芽以胚根突破种皮2 mm为标准)。

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1.2.2 两种羊草出苗试验

图2 不同浓度GA3处理对羊草第一年株高的影响

青岛能源所合作开发牧草遗传改良体系

本试验用花土和过2mm目土壤筛的干土,以1:1的比。例混合,装入内径12cm,高9cm的塑料花盆,每盆装土lkg.种子100粒撒播,浇清水使土壤含水量达到饱和,3次重复。在光照培养箱中培养,温度为变温,高温30℃光照和低温20℃黑暗,各12h,湿度80%,光照间隔12h,第24天统计出苗率。

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出苗率:每天统汁出苗种子数(出苗以幼苗突破2cm土层为标准)。

图3 不同浓度GA3处理对羊草第二年株高的影响

1.3 统计分析