綿麥37特異位點在其衍生品種中的遺傳貢獻率分析

任勇,李生榮,羅建明,何中虎,杜小英,周強,何員江,魏育明,鄭有良

1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所,成都 611130;2.綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,國家小麥改良中心綿陽分中心,綿陽 621023;3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所,國家小麥改良中心,北京100081

親本選配是小麥雜交育種成敗的關(guān)鍵因素之一,好的親本應(yīng)該具有配合力高、優(yōu)良性狀遺傳力強等優(yōu)點。在長期育種實踐過程中,一些親本品種(系)在不同時期和不同生態(tài)區(qū)的小麥品種更新?lián)Q代中發(fā)揮了核心作用,衍生出一系列大面積推廣品種,為小麥育種和生產(chǎn)做出了突出貢獻,成為骨干親本[1,2]。通過系譜分析和衍生品種推廣應(yīng)用情況,已明確了碧螞4號[3]、燕大1817[4]、歐柔[5]、矮孟牛[6]、小偃6 號[7]、繁 6[8]、周 8425B[9,10]和魯麥 14[11]等 20 余個小麥骨干親本。這些品種除本身具有突出優(yōu)良性狀外,其重要的農(nóng)藝性狀如豐產(chǎn)性和抗病性等具有較強的傳遞能力,在后代選擇過程中被高頻率保存下來,對后代品種產(chǎn)量潛力提高起到重要作用[11,12]。品種改良過程必須以育種材料整體水平的提高為基礎(chǔ)。一些優(yōu)良的農(nóng)藝性狀只有被轉(zhuǎn)至綜合性狀好的背景中,才易被生產(chǎn)利用或成為優(yōu)秀的雜交親本[13]。每一批大面積推廣品種的形成都與一個或數(shù)個育種骨干親本的出現(xiàn)密不可分,突破性親本的出現(xiàn)是推動品種更新?lián)Q代的內(nèi)在動力[2]。如通過聚斂雜交法育成的繁6,衍生出了綿陽11號、綿陽26號等38個品種[8,14,15]; 周 8425B矮稈、高產(chǎn)、配合力好、抗條銹病和白粉病,用做親本育成矮抗58和周麥16等22個品種[12]; 魯麥14既是好品種,又是好親本,用做親本育成濟麥22和良星99等11個品種[11,12];6VS/6AL 易位系(如92R137等)[16,17]和人工合成小麥[18]作為優(yōu)良親本也育成了一系列品種。綿麥 37是綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院育成的小麥品種,具有豐產(chǎn)性好、抗病性突出、品質(zhì)優(yōu)良、矮稈抗倒等特點,自2004年審定以來在四川大面積推廣,2008年至今作為四川省小麥區(qū)域試驗對照品種[19]。綿麥37高抗條銹病和白粉病,盡管在四川已發(fā)現(xiàn)對Yr24/Yr26具有毒性的條銹菌株 V26,四川部分小麥品種已喪失抗性[20],但綿麥37依然表現(xiàn)高抗,其抗性已持續(xù)14年。目前,綿麥37已成為四川小麥育種的重要親本材料,育成了一系列小麥新品種(系)。這些衍生品種(系)均表現(xiàn)出良好的豐產(chǎn)性和突出的抗病性,出現(xiàn)了綿麥 367等單產(chǎn) 9 000 kg/ha以上的高產(chǎn)典型品種[21]。因此,研究綿麥37特異位點在其衍生品種中的遺傳貢獻,為了解綿麥37對其衍生品種影響機制提供依據(jù),為進一步發(fā)揮這些特異位點在四川小麥育種中的作用奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料及來源

親本品種綿麥 37(96EW37/綿 90-100)及其 4個衍生品種綿麥367、綿麥51、BL227和綿麥228由本課題組育成提供。其中,綿麥367和綿麥51為國審品種,來自于同一組合,系譜為綿麥 37/川麥 43;綿麥228和BL227為四川省審定品種,來自于同一組合,系譜為綿麥 37/內(nèi)麥 8號//川麥 43。川麥 43由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供,感病對照品種銘賢169由本課題組繁殖。

1.2 試驗設(shè)計

2009～2012年連續(xù)3年在綿陽松埡試驗田調(diào)查綿麥37及其衍生品種產(chǎn)量性狀。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計,3次重復(fù),小區(qū)面積12 m2,小區(qū)間走道0.4 m,區(qū)組間走道0.5 m,試驗四周設(shè)置保護行。條溝點播,出苗后通過定苗,確保各小區(qū)基本苗一致。

田間調(diào)查基本苗數(shù)、有效穗數(shù)和每穗粒數(shù),成熟期取樣考種,測定千粒重,收獲整個小區(qū)測定小區(qū)產(chǎn)量。

1.3 抗條銹性鑒定

苗期抗條銹性鑒定在溫室內(nèi)進行,選用小麥條銹菌生理小種CYR29、CYR31、CYR32、CYR33、SUN11-4、SUN11-7和V26(由西北農(nóng)林科技大學(xué)植物保護學(xué)院植物抗病遺傳研究室提供) 接種鑒定。成株期抗條銹鑒定在田間進行,采用混合小種接種鑒定。待感病對照銘賢 169 充分發(fā)病后,調(diào)查各參試材料反應(yīng)型,記載采用0、0、1、2、3、4 的6級標準。

1.4 DNA提取及SSR標記檢測

采用CTAB 法提取小麥基因組DNA。根據(jù)SSR圖譜[22],選擇分布在 21條染色體上的 292對 SSR引物,根據(jù)http://wheat.pw.usda.gov報道序列合成。PCR擴增體系總體積為 20 μL,包含 1×buffer(100 mmol/L Tris-HCl,pH 8.3,1.5 mmol/L MgCl2),0.2 mmol/L dNTPs,240 nmol/L引物,1 UTaqDNA 聚合酶,50～100 ng模板DNA。PCR 擴增程序為：94℃預(yù)變性5 min; 94℃變性1 min,50～60℃復(fù)性1 min,72℃延伸1 min,共38個循環(huán); 72℃延伸10 min。擴增產(chǎn)物用6%變性聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測,經(jīng)硝酸銀染色后觀察照相。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS19.0軟件對產(chǎn)量性狀進行方差分析。根據(jù)PCR擴增結(jié)果,計算衍生品種中綿麥37特異位點遺傳貢獻率,即后代中擴增出綿麥 37特異位點數(shù)與雙親多態(tài)位點數(shù)的百分比。根據(jù) http://wheat.pw.usda.gov已知 SSR引物位置,用Mapdraw軟件繪制遺傳連鎖圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量構(gòu)成及抗條銹性

綿麥37及其衍生品種產(chǎn)量構(gòu)成見表1。由表1可知,4個衍生品種產(chǎn)量水平顯著高于其親本綿麥37,表明衍生品種豐產(chǎn)性明顯提高,表現(xiàn)出較強的超親遺傳。其中綿麥367表現(xiàn)尤為突出,較綿麥37增產(chǎn)21.4%; 其次是綿麥51、綿麥228和BL227,分別增產(chǎn)16.7%、15.5%和 14.9%; 從產(chǎn)量構(gòu)成要素上看,穗粒數(shù)的顯著提高是衍生品種增產(chǎn)的主要因素。

用當前主要條銹菌流行小種分別鑒定綿麥37、川麥43、內(nèi)麥8號及后代品種的抗條銹性,結(jié)果表明,綿麥37對7個小種及混合小種均表現(xiàn)免疫或近免疫,川麥43和內(nèi)麥8號對V26分別表現(xiàn)中抗和中感; 后代品種中除綿麥 228對 CYR33表現(xiàn)感病外,其余衍生品種對所有鑒定小種均表現(xiàn)抗病,但反應(yīng)型有差異。由此表明,綿麥 37優(yōu)良的抗條銹性,特別是對V26的抗性較好地傳遞給了后代品種(表2)。

2.2 綿麥37特異位點檢測

利用均勻分布在 21條染色體上的 292對 SSR引物篩選綿麥 367雙親多態(tài)性,共 114對引物能在綿麥37與川麥43的基因組DNA中擴增出穩(wěn)定的多態(tài)性片段,多態(tài)性比例達39.0%。用這114對具有穩(wěn)定擴增結(jié)果和清晰條帶的 SSR引物檢測綿麥37及其衍生品種綿麥367,結(jié)果表明,有90對SSR引物在兩者間擴增出穩(wěn)定一致的條帶,表明綿麥 367的這些位點來自于綿麥 37,其遺傳貢獻率達 78.9%。利用部分綿麥37特異位點檢測所有衍生品種,均表明這些位點來自于綿麥37(圖1)。

表1 綿麥37及其衍生品種產(chǎn)量性狀平均值、標準差及差異顯著性

表2 綿麥37及其衍生品種抗條銹鑒定結(jié)果

圖1 SSR引物Barc267-7B(A)和WMC291-3B(B)在不同品種中的擴增結(jié)果

2.3 綿麥37特異位點不同染色體分布及遺傳貢獻

檢測到的90個綿麥37特異位點在綿麥367的A、B、D基因組中分布是不均勻的,分別為21、46和 23,且 B組＞D組＞A組; 遺傳貢獻率為 B組(83.6%)＞A組(75.0%)＞D組(74.2%)(表3)。在綿麥367的大多數(shù)染色體上都檢測到來自綿麥37的遺傳位點,但不同染色體間存在較大差異。其中,遺傳貢獻率大于70%的染色體有5A、1B、2B、3B、5B、6B、2D和5D,部分遺傳位點在染色體上的分布見圖2。由圖2可知,綿麥367與綿麥37相同染色體片段主要為2B的Xgwm374-Xbarc167-Xbarc128-Xgwm129-Xgwm388-Xbarc101,3B的Xwmc446-Xwmc366-Xwmc533-Xbarc164-Xwmc418等區(qū)段。這些區(qū)段包含了許多重要性狀位點如穗粒數(shù)[23]、千粒重[24]和抗病性[25,26]等。表明綿麥37特異位點在育種家定向選擇的作用下,較好地傳遞給了后代品種。

3 討 論

建國以來四川的小麥生產(chǎn)大致經(jīng)歷了6次大的品種更替,特別是以繁6及其衍生品種綿陽11號、綿陽26號等的大面積推廣,將四川及長江上游麥區(qū)小麥單產(chǎn)和品質(zhì)都提高到一個新的水平[14,15]。但由于條銹菌新小種的出現(xiàn),這些品種相繼喪失抗性,退出生產(chǎn)。2004年前后,以綿麥37和川麥42為代表的一批高產(chǎn)抗病品種及其衍生品種的育成并迅速推廣,四川小麥產(chǎn)量水平躍上了一個新的臺階,出現(xiàn)了一批單產(chǎn)9 000 kg/ha、個別達10 500 kg/ha以上的高產(chǎn)品種[21,27],為四川的小麥生產(chǎn)做出了突出貢獻。綿麥37不僅作為優(yōu)良品種在生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用,作為重要親本材料已育成一系列新品種(系)[19]。本研究結(jié)果表明,這些衍生品種的豐產(chǎn)性均顯著提高,表現(xiàn)出明顯的超親遺傳。另一方面,由于條銹菌新菌株 V26在四川被首次發(fā)現(xiàn),四川小麥如川麥 42、MR168等品種(系)分別攜帶的抗條銹病基因YrCH42和YrMR168已喪失抗性[20,28,29]; 6VS/6AL易位系和貴農(nóng)號品系所攜帶的主效基因Yr24/Yr26已開始感病,引起了植病學(xué)家和育種家的高度重視[12,30,31]。據(jù)四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所2003～2012年連續(xù)10年鑒定,綿麥37對四川主要條銹菌流行小種均表現(xiàn)免疫至高抗; 2009～2010年田間接種V26,綿麥37成株期表現(xiàn)免疫[19,32],與本研究鑒定結(jié)果一致。綿麥 37對條銹菌新菌株 V26的抗性受一對隱性基因控制,被初步定位在7B染色體上(另文發(fā)表),與其緊密連鎖的SSR標記Barc267

在后代品種中均被檢測到(圖1),表明該抗性基因很好地傳遞給了后代品種。這些新品種的育成將對進一步提高四川小麥單產(chǎn)、減輕條銹病危害發(fā)揮重要作用。

表3 綿麥37特異位點不同染色體的遺傳貢獻率

圖2 綿麥367部分染色體上來自于綿麥37的遺傳位點

利用分子標記追蹤骨干親本特異位點在后代衍生品種中的遺傳軌跡,有利于優(yōu)異基因的挖掘。陳國躍等[8]利用骨干親本繁 6及其衍生品種的條銹病成株期抗性與SSR標記關(guān)聯(lián)分析,發(fā)現(xiàn)了6個與小麥條銹病成株期抗性顯著相關(guān)的遺傳位點; 李小軍等[5]發(fā)現(xiàn)了小麥骨干親本歐柔中Xwmc710、Xbarc235和Xbarc252等3個位點高頻率傳遞給后代并與穗粒數(shù)和產(chǎn)量相關(guān)。廖杰等[33]檢測川麥42遺傳背景中人工合成小麥位點顯著低于理論值,但這些位點可能與選擇目標性狀如抗條銹性密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn),高產(chǎn)品種綿麥367中來自于綿麥37的位點達78.9%,顯著高于理論值50%,部分染色體更是100%來自于綿麥37。這可能是由于人工選擇的結(jié)果,導(dǎo)致綿麥37遺傳位點在后代A、B、D染色體組以及不同染色體上分布不均。那些被高頻率保留的位點,可能與育種目標性狀如穗粒數(shù)、抗病性緊密連鎖,在人工定向選擇壓力下,較好地傳遞給了后代。根據(jù)產(chǎn)量構(gòu)成分析,衍生品種的豐產(chǎn)性提高主要來自于穗粒數(shù)的貢獻,這與育種學(xué)家選擇大穗型品種的育種目標是吻合的。但是,哪些位點與穗粒數(shù)相關(guān)？哪些位點與抗病性相關(guān)？還有待進一步研究。

國內(nèi)外長期育種實踐表明,用于雜交的兩個親本材料,其綜合性狀應(yīng)該盡可能好; 兩親本不能有共同的缺點,互補性要強,產(chǎn)量構(gòu)成因素的一般配合力要好,遺傳關(guān)系應(yīng)相對較遠[1,2]; 這樣后代理想基因型出現(xiàn)的機會更大。本研究發(fā)現(xiàn),綿麥37與川麥43遺傳多樣性達39.0%,這可能是該組合能夠快速育成綿麥367等4個高產(chǎn)品種以及一批新品系的原因之一。值得指出的是,優(yōu)良親本的創(chuàng)制和利用能有效提高育種效率,但應(yīng)避免過分集中使用單一親本,導(dǎo)致遺傳基礎(chǔ)狹窄和抗性過快喪失。

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