Manipularea și predicția trăsăturilor morfologice de vârf pentru îmbunătățirea randamentului de cereale la grâu
Subiecte
Abstract
La grâu (Triticum spp.), Modificarea morfologiei inflorescenței (vârfului) poate crește numărul și mărimea boabelor și astfel poate îmbunătăți randamentul. Aici, am demonstrat potențialul de manipulare și prezicere a morfologiei vârfurilor, pe baza a 44 de trăsături. În 12 soiuri de grâu, am observat că detilarea (îndepărtarea ramurilor), care modifică distribuția fotosintatului, a schimbat morfologia vârfurilor. Studiul nostru de asociere la nivelul întregului genom a detectat asocieri strânse între împărțirea carbonului (de exemplu, numărul cleiului, greutatea principală a lăstarilor) și morfologia vârfului (de exemplu, lungimea vârfului, densitatea spiculetelor) în 210 soiuri. Majoritatea trăsăturilor de împărțire a carbonului (de exemplu, greutatea uscată a timonului, indicele recoltei) au demonstrat capacități ridicate de predicție (> 0,5). Pentru morfologia vârfurilor, unele trăsături (de exemplu, numărul total și fertil al spiculelor, lungimea vârfului) au prezentat abilități mari de predicție (0,3-0,5), dar altele (de exemplu, fertilitatea spiculelor, densitatea spiculelor) au prezentat abilități de predicție scăzute
Introducere
Morfologia inflorescenței (denumită vârf) a cerealelor cu cereale mici este crucială în determinarea randamentului cerealelor. Componentele vârfului (de exemplu, spiculețele, care sunt unitățile de bază ale inflorescenței și conțin flori, glume și lemme), de asemenea, se influențează reciproc. Numărul și dispunerea acestor componente ale vârfului afectează lungimea vârfului, greutatea vârfului, pleava vârfului (adică biomasa fără cereale din vârf), numărul boabelor pe vârf, greutatea boabelor pe vârf și numărul de vârfuri pe vârf, care contribuie la final randament de cereale pe vârf 1,2,3. Pentru a produce soiuri cu cea mai eficientă producție de cereale în diferite medii, trebuie să știm cum să prezicem și să manipulăm morfologia vârfurilor din grâu.
Formarea ramurilor, numite motocultoare, afectează numărul și greutatea bobului și, prin urmare, este strâns legată de randamentul 4,5,6,7. Donald (1968) a propus că grâul uniculm, care nu formează prelucrători, are potențialul de a obține un randament mai mare în comparație cu grâul cu prelucrători 8. Detilarea poate fi utilizată pentru a studia relația dintre cultivare și factorii morfologici vârf discutați mai sus. S-a raportat că creșterea randamentului de cereale după îndepărtarea lantului s-a datorat în principal creșterii numărului de cereale pe spiculet în grâu 9 .
În plus față de îndepărtarea lantului, alte studii au îndepărtat componentele vârfurilor, cum ar fi spiculete, flori, glume și leme, pentru a evalua interacțiunile lor între ele. De exemplu, Pinthus și Millet (1978) au constatat o creștere mică a numărului de cereale și o creștere semnificativă a greutății cerealelor în spiculele rămase după îndepărtarea spiculetelor din grâu 10. De asemenea, au arătat că greutatea cerealelor a fost determinată de factori care afectează volumul de cereale 11. În mod similar, Wang și colab. (1998) au descoperit că îndepărtarea spiculetelor a crescut semnificativ numărul de grâne și greutatea cerealelor pe spiculet 12. Îndepărtarea glumelor și lemelor din spiculețele de grâu în timpul perioadei de umplere a boabelor a dus la o creștere mai mică decât la floretele intacte 13 .
În plus față de măsurarea trăsăturilor morfologice ale vârfurilor, am examinat câțiva indicatori importanți care sunt legați de diferențele cunoscute în morfologia vârfurilor și distribuția asimilată. De exemplu, indicele de fertilitate al vârfului (determinat ca număr de granule pe gram de paie), densitatea spiculetelor (numărul de spiculă pe centimetru lungimea vârfului), fertilitatea spiculetelor (raportul dintre numărul fertil și numărul total de spiculete) și fertilitatea floretului (raportul dintre numărul maxim de primordii de flori și numărul de grâne finale în spiculele individuale) relevă relațiile dintre componentele vârfurilor discutate mai sus și demonstrează, de asemenea, efectele generale asupra creșterii și dezvoltării vârfurilor. Am emis ipoteza că vârful grâului se adaptează la stres și condițiile de mediu prin echilibrarea relațiilor dintre diferitele componente ale vârfului. Prin urmare, putem încerca să maximizăm randamentul cerealelor prin manipularea și prezicerea trăsăturilor morfologice ale vârfurilor din grâu.
În acest raport, am demonstrat mai întâi potențialul de manipulare a morfologiei vârfurilor printr-un experiment detilant. Mai mult, am realizat un studiu de asociere la nivel de genom (GWAS) și o selecție la nivel de genom (GS), demonstrând potențialul de manipulare genetică și de predicție a morfologiei vârfurilor la grâu. Mai mult, corelația și analizele treptate au relevat relația dintre datele cu efect de seră și cele din câmp, precum și trăsăturile morfometrice critice pentru determinarea randamentului de cereale.
Materiale și metode
Materialul vegetal și condițiile de creștere
Fenotipul pentru cele 210 aderări de grâu de iarnă a fost efectuat în seră. Condițiile de creștere pentru toate soiurile, inclusiv cele 210 accesorii de grâu de iarnă pentru GWAS și cele 12 accesorii de grâu de primăvară pentru experimentul de detilare, pot fi găsite într-o lucrare anterioară 3. Pe scurt, patruzeci de plante au fost plantate pentru fiecare soi. Boabele au fost semănate în tăvi cu 96 de godeuri la aceeași dată și au germinat în condiții de seră (fotoperioadă și temperatură, 16: 8 h, 20:16 ° C, lumină: întuneric) timp de 14 zile. Răsadurile din stadiul de două până la trei frunze au fost transferate la 4 ° C pentru a se vernaliza timp de 63 de zile. Răsadurile vernalizate au fost transferate într-o etapă de întărire (fotoperioadă și temperatură, 12:12 h, 15:15 ° C, lumină: întuneric) timp de 7 zile pentru a se aclimatiza treptat. În cele din urmă, toate plantele au fost trans-plantate în ghivece de 0,5 l (o plantă pe ghiveci) în condiții de seră controlate (fotoperioadă și temperatură, 16: 8 h, 20: 6 ° C, lumină: întuneric). Lumina suplimentară (c. 250 lmol m −2 s −1 radiație fotosintetic activă) a fost alimentată cu lumină incandescentă de intensitate redusă, iar plantele au fost irigate când a fost necesar.