黃淮麥區(qū)小麥品種和CIMMYT材料的矮稈基因型及其對株高和胚芽鞘的影響

馮 潔，許小宛，李小東，張傳量，崔紫霞，馮 毅，孫道杰

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.漢中市漢臺區(qū)農(nóng)技中心，陜西漢中 723000)

高產(chǎn)抗逆始終是我國小麥遺傳改良的重要目標(biāo)。小麥矮稈基因可通過降低品種的株高增強群體的抗倒伏能力，以保障小麥產(chǎn)量。國外品種與我國小麥主栽品種有較大的親緣差異，引進國外優(yōu)良矮稈品種對拓寬我國小麥遺傳基礎(chǔ)具有重要意義。

在小麥遺傳改良工作中，分子標(biāo)記輔助選擇與常規(guī)育種結(jié)合是小麥育種的主要發(fā)展方向。目前，有關(guān)矮稈基因的分子標(biāo)記已得到鑒定和利用。Ellis等[1-2]開發(fā)了可以鑒定 Rht-B1b、 Rht-D1b和其等位基因 Rht-B1a、 Rht-D1a的STS標(biāo)記； Rht-B1b、 Rht-D1b來自農(nóng)林10號，對赤霉素不敏感[3-5]。Korzun等[6]發(fā)現(xiàn)，SSR分子標(biāo)記 Xgwm261可以有效地鑒定 Rht8基因， Rht8來源于赤小麥，對赤霉素敏感。許多學(xué)者對我國小麥主要矮稈基因進行了研究。唐 娜等[7]利用主要矮稈分子標(biāo)記分析了我國主要麥區(qū)小麥品種中 Rht-B1b、 Rht-D1b和 Rht8的分布；張德強等[8]分析了 Rht-B1b、 Rht-D1b和 Rht8在我國黃淮麥區(qū)的分布及其對主要農(nóng)藝性狀的影響。小麥苗期對外源赤霉素的敏感性可以作為小麥品種的生化標(biāo)記，但需要與相應(yīng)的矮稈分子標(biāo)記結(jié)合[9]。周 陽等[10]利用分子標(biāo)記和系譜分析結(jié)合赤霉素反應(yīng)鑒定了我國主栽小麥品種 Rht8的基因分布。胚芽鞘長度是小麥抗旱性評價的一個重要指標(biāo)[11]。唐 娜等[12]研究發(fā)現(xiàn)，矮稈基因 Rht-B1b和 Rht-D1b會降低小麥胚芽鞘長度，對旱地小麥遺傳改良不利。CIMMYT小麥具有廣適性，豐產(chǎn)性和抗病性好，引進CIMMYT優(yōu)異的小麥材料，可以拓寬我國小麥品種的遺傳基礎(chǔ)。已有學(xué)者對CIMMYT小麥品種的產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病性等性狀進行了深入研究[13-15]，但對CIMMYT材料矮稈基因的鑒定及其對株高和胚芽鞘長度的影響未見報道。

本研究以131份黃淮麥區(qū)主栽小麥品種和31份CIMMYT小麥材料為研究對象，利用主要矮稈基因分子標(biāo)記[16]，對供試材料進行矮稈基因檢測，分析不同矮稈基因組合的降稈作用及對胚芽鞘長度的影響，以期篩選出優(yōu)良的矮稈基因資源，為合理利用小麥資源提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

131份黃淮麥區(qū)小麥品種，其中，河北15份，陜西29份，山東33份，河南54份。31份CIMMYT小麥材料，其中，6份是小黑麥(CM12、CM13、CM51、CM52、CM53、CM54)，以中國春為對照。

1.2 試驗方法

1.2.1 田間試驗

供試材料于2015-2016年種植于西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗點，每個試驗材料種植2行，行長2.0 m，株距6.67 cm，行距20 cm。在小麥成熟期，每個試驗材料隨機選擇10株測定主莖高度。

1.2.2 赤霉素反應(yīng)和胚芽鞘長度測定

每個試驗材料取20粒種子，分別播入鋪有濾紙的、兩個直徑約10 cm的培養(yǎng)皿中，其中一個培養(yǎng)皿澆適量5 mg·L-1的赤霉素(GA3)，另一個培養(yǎng)皿澆同樣量的蒸餾水作為對照。24 ℃室溫下發(fā)芽，7～10 d后根據(jù)GA3處理與對照間的幼苗高度差異，確定品種對GA3的反應(yīng)類型，重復(fù)2次。胚芽鞘長度的測定方法參照昝 凱等[9]的方法進行。

1.2.3 主要矮稈基因檢測

在小麥苗期，采用CTAB法提取小麥葉片DNA，并將DNA樣品稀釋至50 ng·μL-1用于后續(xù)分析。 Rht-B1a、 Rht-B1b、 Rht-D1a、 Rht-D1b和 Rht8基因采用Ellis等[1]和Korzun[6]設(shè)計的引物序列，并參考張德強等[8]的方法，在正向引物5′端均加上M13 for 引物序列(5′-CACGAC GTTGTAAAACGAC-3′)，PCR擴增程序參照相應(yīng)的文獻。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試材料矮稈基因的分布

根據(jù)所含矮稈基因?qū)?62份供試材料進行分組，結(jié)果(表1)發(fā)現(xiàn)，17份材料只含有矮稈基因 Rht-B1b(圖1)，代表材料有石新828、小偃22、魯麥23、CM27等；20份材料只含有矮稈基因 Rht-D1b(圖2)，代表材料有煙農(nóng)18、陜94、周麥18、CM27等；23份材料只含有矮稈基因 Rht8(圖3)，代表材料有小偃6號、西農(nóng)1376、石家莊8號、CM13等。中國春也擴增出了 Rht8基因。同時攜帶 Rht-B1b和 Rht8、 Rht-D1b和 Rht8的材料均有40份。同時攜帶以上3種矮稈基因的小麥材料有2份，且均是CIMMYT小麥。有16份材料沒有檢測到矮稈基因?？傮w來說，黃淮麥區(qū)小麥品種大多數(shù)含有矮稈基因 Rht-D1b，CIMMYT小麥材料中大多數(shù)含有矮稈基因 Rht-B1b。

M:DL2000; 1:小偃6號; 2:中國春; 3:CM12; 4:CM27; 5:小偃22; 6:CM51; a: Rht-B1a基因的擴增條帶; b: Rht-B1b基因的擴增條帶

M:DL2000; 1:Xiaoyan 6; 2:Chinese Spring; 3:CM12; 4:CM27; 5:Xiaoyan 22; 6:CM51; a:Band of Rht-B1a; b:Band of Rht-B1b

圖1矮稈基因Rht-B1b的檢測

Fig.1DetectionofdwarfinggeneRht-B1b

2.2 供試材料對赤霉素的敏感性

供試材料的赤霉素敏感性結(jié)果(表2)表明，110份小麥材料對赤霉素不敏感，占供試材料的67.91%，其中，CIMMYT小麥有19份。52份小麥材料對赤霉素敏感，占供試材料的32.09%。綜合分析赤霉素敏感性與小麥矮稈基因攜帶狀況發(fā)現(xiàn)，含有矮稈基因 Rht8且對赤霉素敏感的小麥材料占被測材料的19.13%，含有矮稈基因 Rht-B1b和 Rht-D1b且對赤霉素反應(yīng)不敏感的小麥材料占比分別為33.95%和37.04%。由此可見，絕大多數(shù)含有矮稈基因 Rht-B1b和 Rht-D1b的小麥材料對赤霉素不敏感，含有矮稈基因 Rht8的小麥材料對赤霉素敏感；同時含有 Rht-B1b和 Rht8或 Rht-D1b和 Rht8時，多數(shù)材料對赤霉素不敏感，個別材料表現(xiàn)對赤霉素敏感，推測其含有其他對赤霉素敏感的矮稈基因。

M:DL2000; 1:周麥8425B; 2:中國春; 3:CM27; 4:周麥18; 5:CM4; 6:CM51; a: Rht-D1a基因的擴增條帶; b: Rht-D1b基因的擴增條帶

M:DL2000; 1:Zhoumai 8425B; 2:Chinese Spring; 3:CM27; 4:Zhoumai 18; 5:CM4; 6:CM51; a:Band of Rht-D1a; b:Band of Rht-D1b

圖2矮稈基因Rht-D1b的檢測

Fig.2DetectionofdwarfinggeneRht-D1b

M:DL500; 1:小偃6號; 2:中國春; 3:CM13; 4:CM53; 5:CM4; 6:中麥895; 7:CM27; 8:西農(nóng)979; 9:CM14; 10:CM20。

M:DL500; 1:Xiaoyan 6; 2:Chinese Spring; 3:CM13; 4:CM53; 5:CM4; 6:Zhongmai 895; 7:CM27; 8:Xinong 979; 9:CM14; 10:CM20.

圖3矮稈基因Rht8的檢測

Fig.3DetectionofdwarfinggeneRht8

2.3 矮稈基因組合及其降稈作用

由表3可知，不同矮稈基因組合對小麥的降稈作用不同，其中，不含所檢測矮稈基因的小麥株高顯著高于含矮稈基因組合， Rht-D1b和 Rht8的降稈效應(yīng)較大， Rht-B1b和 Rht-D1b的降稈效應(yīng)分別是14.69%和17.74%，兩者間差異不顯著。同時攜帶矮稈基因 Rht-B1b和 Rht8、 Rht-D1b和 Rht8的小麥材料降稈效應(yīng)分別是14.80%和21.33%。各基因組合的降稈效應(yīng)表現(xiàn)為 Rht-D1b+ Rht8> Rht-D1b> Rht-B1b+ Rht8> Rht-B1b> Rht8。由此可見，對赤霉素不敏感的矮稈基因 Rht-B1b和 Rht-D1b降稈效應(yīng)大于對赤霉素敏感的矮稈基因 Rht8。此外，本研究中，同時含有矮稈基因 Rht-B1b和 Rht-D1b的降稈效應(yīng)并不明顯，其原因可能是供試小麥材料本身株高不是很高。

表1 供試材料中矮稈基因 Rht-B1b、 Rht-D1b和 Rht8的分布Table 1 Materials of dwarfing genes Rht-B1b, Rht-D1b and Rht8 in different regions

表2 供試材料對赤霉素敏感性Table 2 Result of response to GA3 in the tested materials

2.4 矮稈基因組合對胚芽鞘長度的影響

由表3可知，同時含有矮稈基因 Rht-B1b和 Rht-D1b的材料胚芽鞘長度最短，顯著低于其他組合，胚芽鞘長度的縮短效應(yīng)為26.20%。 Rht-B1b)和 Rht-D1b縮短胚芽鞘長度的效應(yīng)分別是9.27%和10.86%，兩者之間沒有顯著差異。被測矮稈基因縮短胚芽鞘長度的效應(yīng)表現(xiàn)為 Rht-B1b+ Rht-D1b> Rht-B1b+ Rht-D1b+ Rht8> Rht-D1b> Rht-D1b+ Rht8> Rht-B1b> Rht-B1b+ Rht8> Rht8。由此可見，對赤霉素不敏感的矮稈基因 Rht-B1b和 Rht-D1b對供試小麥材料縮短胚芽鞘長度的效應(yīng)較強，而對赤霉素敏感的矮稈基因 Rht8對小麥胚芽鞘長度沒有顯著影響。

表3 不同矮稈基因組合對小麥株高和胚芽鞘的影響Table 3 Effect of dwarfing genes on plant height and coleoptile length of wheat

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示不同基因型在0.05水平差異顯著。

Different letters following data in same column mean significant difference among different dwarfing gene groups at 0.05 level.

3 討 論

在小麥遺傳改良中，主要矮稈基因的應(yīng)用在小麥矮化育種中起著重要作用，株高的降低提高了小麥的抗倒性和收獲指數(shù)。然而，在小麥育種實踐中，核心骨干親本的反復(fù)利用增加了新育成品系的遺傳相似性，造成遺傳基礎(chǔ)狹窄，育成突破性品種難度增大[17]，因此，有必要從國內(nèi)外引進優(yōu)異種質(zhì)材料，拓寬遺傳基礎(chǔ)。CIMMYT小麥品種在株高上與我國冬、春麥區(qū)的品種相當(dāng)[18]，因此，了解CIMMYT小麥材料的株高及所含主要矮稈基因類型有助于我國小麥品種株高的遺傳改良。本試驗中，31份CIMMYT小麥材料含 Rht-B1b基因的頻率較高，與梁 丹等[19]的研究結(jié)果一致。 Rht-B1b+ Rht-D1b+ Rht8的降稈作用大于 Rht-B1b+ Rht-D1b，與許 琦等[16]的研究結(jié)論一致， Rht-B1b+ Rht8降稈作用大于 Rht-D1b+ Rht8，可能與其載體小黑麥株高較高，使其組合中平均株高略高，從而導(dǎo)致降稈作用較小。在CIMMYT材料中，一些材料具有良好的株型(葉片窄小上挺)，耗時的春化需求減少，具有光周期不敏感性，如CM4、CM5、CM9等[13]，這些材料與國內(nèi)的主推品種進行組配有助于拓寬國內(nèi)小麥品種的遺傳基礎(chǔ)，培育具有廣適性的小麥育種中間材料。

小黑麥?zhǔn)窍蛐←溵D(zhuǎn)移黑麥優(yōu)異基因的橋梁，也是糧飼兩用作物，在小麥育種和生產(chǎn)中起重要作用。小麥與黑麥的易位系、代換系中具有許多優(yōu)良特性，如抗白粉病、銹病，適應(yīng)性廣等[20-21]。六倍體小黑麥具有穗大、小穗數(shù)多、抗逆性、適應(yīng)性強、抗病性強，尤其是對白粉病近乎免疫和賴氨酸含量高等優(yōu)點，是創(chuàng)制優(yōu)異小麥材料的優(yōu)質(zhì)親本。本試驗中，6個CIMMYT小黑麥品系具有高抗條銹病和白粉病、且具備較好的產(chǎn)量性狀，但在CM51、CM52和CM54中沒有檢測到矮稈基因，通過與黃淮麥區(qū)小麥品種的株高比較，這些小黑麥株高較高，但其他農(nóng)藝性狀較好，可以將其與主推品種進行組合，選育抗逆、廣適性的品系。

胚芽鞘長度是小麥抗旱性的一個重要評價指標(biāo)。矮稈基因 Rht-B1b和 Rht-D1b在降低小麥株高的同時也引起胚芽鞘長度的縮短[22]，不利于小麥品種抵御干旱脅迫，而赤霉素敏感基因 Rht8能夠在降低小麥品種株高的同時不影響胚芽鞘長度，是旱地小麥育種理想的矮稈基因類型。162份供試材料中，有42份只攜帶矮稈基因 Rht8的材料降低株高的效應(yīng)為12.02%，但縮短胚芽鞘長度的效應(yīng)為0，說明這些小麥材料有改良旱地矮稈小麥品種的潛力。其中，CM5僅含有矮稈基因 Rht8，耐熱耐旱，株高較中國春降低20%以上，胚芽鞘長度較中國春增加20%以上。CM7雖然不含所檢測的3個矮稈基因，但是株高適中，胚芽鞘較長，且抗Ug99，可以適時地加以利用。C3品種廣適性好，CM4早熟且配合力好，CM9株型好、高產(chǎn)、耐熱耐旱且抗Ug99，人工合成的CM27品種熟相好且抗赤霉病，均同時攜帶 Rht-B1b和 Rht-D1b矮稈基因，其降稈作用明顯，考慮到其對胚芽鞘長度的影響，可通過遺傳改良以后作為組配親本，用于育種實踐。

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