陳朝陽 ,易曉余 ,熊 君,楊 珂 ,許 珂,匡成浩 ,張志鵬 ,丁 麗 ,蒲至恩,陳國躍 ,李 偉 *
(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所,成都 611130;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,成都 611130)
小麥(Triticum aestivum L.)是世界重要的糧食作物之一,其種植面積和產(chǎn)量長期居于栽培谷物的前列。中國小麥常年播種面積約2 400~2 600萬hm2,分布范圍廣,生態(tài)類型多[1-3],而四川由于其獨特的生態(tài)區(qū)域條件,造就了小麥具有大穗、多花多粒等特點[4]。自1950年至今,四川選育和推廣小麥農(nóng)藝性狀優(yōu)良的品種多達130多個,具有優(yōu)良遺傳基礎(chǔ)的骨干親本種質(zhì)資源的育成與利用起到重要的作用。在四川特定生態(tài)環(huán)境條件下,育種家通過對小麥產(chǎn)量性狀的改良來實現(xiàn)最終提高小麥的產(chǎn)量,所選育的小麥新品種多屬于穗重型或穗數(shù)穗重并重型[5-8]。小麥產(chǎn)量受穗數(shù)和穗重的影響較大,在一定程度上協(xié)調(diào)兩種性狀間的關(guān)系,綜合提升小麥的產(chǎn)量是最高效、最優(yōu)化的育種途徑[9-10]。而穗重型只考慮穗重一個性狀,具有操作簡單,利于分析等特點,使其成為提高小麥產(chǎn)量的重要途徑。研究表明[11-13],超高產(chǎn)小麥產(chǎn)量構(gòu)成應(yīng)該在穩(wěn)定穗數(shù)的基礎(chǔ)上,提高穗粒數(shù)和千粒重,只有穗大、穗勻、穗粒數(shù)多才能建立高產(chǎn)群體結(jié)構(gòu)的框架。
冰草(Agropyron cristatum L.)是小麥遺傳改良的重要基因源,具有極強抗寒、抗旱性,對小麥銹病、白粉病表現(xiàn)高度免疫性,以及多小穗、多小花等優(yōu)點[14-15]。通過染色體工程和遠緣雜交,已獲得了一批具有多粒特性的小麥-冰草新種質(zhì),應(yīng)用于小麥育種和研究工作中[16-18]。普冰04-3504是小麥-冰草附加系4844-12的一對6P附加染色體自然丟失的滲入系材料[19],表現(xiàn)突出的多花多粒特性,每小穗粒數(shù)為7~9粒,穗粒數(shù)為90~130粒,并且對千粒重?zé)o顯著的負向影響,對白粉病及銹病表現(xiàn)為抗性[20],具有重要的育種利用價值。
本研究對前期以大穗種質(zhì)普冰04-3504為骨干親本,與其他優(yōu)異小麥品種(系)雜交,經(jīng)多年選育,獲得的遺傳較為穩(wěn)定的118個小麥新品系進行農(nóng)藝性狀評價,并采用特異性分子標記進行鑒定,篩選表現(xiàn)優(yōu)異材料,以期深入了解其利用價值,為本地區(qū)小麥高產(chǎn)育種奠定基礎(chǔ)和提供參考。
供試材料包括親本普冰04-3504、蜀麥375,以及二者衍生的118個小麥新品系(圖1)。普冰04-3504是中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所李立會研究員利用小麥-冰草附加系4844經(jīng)人工選擇創(chuàng)制的攜帶冰草染色質(zhì)、具有多花多粒特性的小麥新種質(zhì)[19-20]。蜀麥375是由綿陽93-7/92R141的F2代與綿陽96-324雜交所培育的品種[21]。利用蜀麥375與大穗種質(zhì)普冰04-3504雜交,F(xiàn)1再與22535雜交,后代選株分別與B39、1601、HC1519和鄭麥9023等品種(系)雜交,然后群體中選株自交,經(jīng)多代自交和選擇,共獲得118個表現(xiàn)穩(wěn)定的小麥新品系。中國春、黑麥 PI105和 PI107、冰草(Ag.cristatum)PI531535和PI439939作為分子標記鑒定時的對照材料。除PI編號材料為美國國家小谷物種質(zhì)庫提供外,其他材料均由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所提供。2016年10月22日在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)溫江惠和村農(nóng)場播種118個小麥新品系及親本,行長2 m,行間距30 cm,株距10 cm,單粒單窩點播,每個品系播種2行,田間管理同大田生產(chǎn)。
田間生長期間調(diào)查抽穗期(heading date,HD),成熟后收獲室內(nèi)考種調(diào)查農(nóng)藝性狀,每個品系調(diào)查3株。主要調(diào)查性狀包括株高(plant height,PH)、有效分蘗數(shù)(fertile tillers number,F(xiàn)TN)、穗長(spike length,SL)、芒長(awn length,AL)、總小穗數(shù)(total spikelet per spike,TSS)、穗粒數(shù)(kernel number per spike,KNS)、穗密度(spikelet density,SD)、千粒重(thousand-kernel weight,TKW)和單株產(chǎn)量(grain weight per plant,GWP)。性狀調(diào)查標準參照李立會和李秀全[22]的方法。
小麥幼苗四葉期時,取各系5~10株葉片2 g左右,置于液氮中備用。DNA的提取參照王關(guān)林等[23]的方法提取DNA。黑麥1RS上特異SCAR引物ωsec-p3/p4[24]序列為:前引物(F):5’-CCT TCC TCATCT TTG TCC TC-3’,后引物(R):5’-GCT CTG GTC TCT GGG GTT GT-3’。本試驗中SSR擴增體系為20 μL,體系配制過程所用到試劑dNTP Mixture、Taq Plus 酶、10×Taq Plus Buffer 均由天根(TIANGEN)生化科技(北京)有限公司提供。反應(yīng)體系:10×Taq Plus Buffer 2 μL,dNTP Mixture 1.6 μL;引物 F(10 μmol/L)1 μL,引物 R(10 μmol/L)1 μL,模板 DNA 100~150 ng,Taq Plus 酶(2.5 U/μL)0.3 μL,ddH2O加至終體積 20 μL;PCR反應(yīng)程序:94℃預(yù)變性5min,94℃變性30sec,55℃退火30sec,72 ℃延伸1 min,72℃總延伸 7 min,反應(yīng)35個循環(huán)。PCR反應(yīng)在eppendorf基因擴增儀中進行,然后用1.5%的瓊脂糖凝膠電泳檢測,最后在Molecular Imager Gel DocTMXR+and ChemiDocTMXRS+Systems with Image LabTMSoftware凝膠成像儀進行成像。
圖1 普冰04-3504、蜀麥375及部分新品系穗部及籽粒表現(xiàn)Figure 1 The performance of spikes and grains among Pubing 04-3504,Shumai 375,and the new strains
表型數(shù)據(jù)和分子數(shù)據(jù)的匯總整理使用Microsoft Excel 2013軟件進行處理。對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,包括方差分析、多重比較、簡單相關(guān)分析、回歸分析和聚類分析均采用IBM SPSS Statistics 20.0軟件。
對118份小麥新種質(zhì)的10個農(nóng)藝性狀進行了分析(表1)。結(jié)果表明,供試材料內(nèi)各性狀間差異顯著;其中,抽穗期平均為134.12 d,變異系數(shù)為6.13%,變幅為 103~145 d;株高均值是 94.30 cm,變異系數(shù)為9.93%,其中株高>100 cm的有32個品系,占總數(shù)的21.12%;有效分蘗數(shù)平均值是3.84個,變異系數(shù)為33.12%,其中有效分蘗數(shù)>4個的有51個品系,占總數(shù)的43.22%;穗長平均值為11.62 cm,變異系數(shù)為 11.76%,其中穗長>12 cm 的有43個品系,占總數(shù)的36.44%;芒長變異系數(shù)15.57%,平均值為 5.67 cm,其中芒長>6 cm 的有 41個品系,占總數(shù)的34.75%;小穗數(shù)變異系數(shù)為11.21%,平均值為 19.68 個,其中小穗數(shù)>20 個的有50個品系,占總數(shù)的42.37%;不孕小穗數(shù)平均值1.42 個,變異系數(shù) 40.54%,其中不孕小穗數(shù)<2 個的有105個品系,占總數(shù)的88.98%,普冰04-3504的不孕小穗數(shù)為0個;穗粒數(shù)均值為52.29粒,變異系數(shù)為25.48%,其中穗粒數(shù)>60粒的有33個系,占總數(shù)的27.97%;千粒重平均值為48.56 g,變異系數(shù)11.29%,其中千粒重>50 g的有42個品系,占總數(shù)的35.6%;單株產(chǎn)量平均值為7.72 g,變異系數(shù)是49.70%,其中單株產(chǎn)量>8 g粒的有49個品系,占總數(shù)的41.53%。10個農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)在6.13%~49.70%之間,新品系群體株高和抽穗期的變異系數(shù)最?。ㄗ儺愊禂?shù)均<10%),單株產(chǎn)量的變異系數(shù)最高為49.70%,其次是不孕小穗數(shù)的變異系數(shù)為40.54%。
表1 普冰04-3504、蜀麥375及新品系的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)Table1 The performance of agronomic traits of Pubing 04-3504,Shumai 375 and the new strains
對供試材料的10個農(nóng)藝性狀進行了相關(guān)性分析(表2)。結(jié)果表明,株高與抽穗期達到顯著負相關(guān),與小穗數(shù)、有效分蘗數(shù)、單株產(chǎn)量呈極顯著負相關(guān);穗長與芒長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān),與不孕小穗數(shù)呈顯著負相關(guān);芒長與穗粒數(shù)和千粒重呈極顯著正相關(guān),與有效分蘗數(shù)呈極顯著負相關(guān);抽穗期小穗數(shù)、穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān);小穗數(shù)與有效分蘗數(shù)、穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān),與千粒重呈極顯著負相關(guān);不孕小穗數(shù)與穗粒數(shù)呈極顯著負相關(guān),與千粒重呈顯著正相關(guān);有效分蘗數(shù)與千粒重呈極顯著負相關(guān),與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān);穗粒數(shù)與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。單株產(chǎn)量與除芒長和千粒重之外的農(nóng)藝性狀,都有顯著的相關(guān)性,與抽穗期、穗長、小穗數(shù)、有效分蘗數(shù)和穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān),與株高呈極顯著負相關(guān)。小穗數(shù)與7個性狀達到極顯著相關(guān),而與芒長和不孕小穗數(shù)相關(guān)不顯著,說明適當?shù)脑黾有∷霐?shù),可以增加穗粒數(shù),進而提高小麥的單株產(chǎn)量。
表2 性狀間簡單相關(guān)分析Table 2 Simple correlation coefficients between the investigated traits
對供試材料的農(nóng)藝性狀進行多元回歸分析。以普冰04-3504、蜀麥375以及新品系單株產(chǎn)量(Y)為因變量,所測的抽穗期(X1)、株高(X2)、穗長(X3)、芒長(X4)、小穗數(shù)(X5)、不孕小穗數(shù)(X6)、有效分蘗數(shù)(X7)、穗粒數(shù)(X8)和千粒重(X9)為自變量,舍去與回歸系數(shù)不顯著的自變量(>0.05),得到最優(yōu)化的回歸方程:單株產(chǎn)量 Y=-22.660+0.059X1+0.288X5+1.713X7+0.136X8+0.106X9(決定系數(shù)R2=0.816)?;貧w方程表明,抽穗期、小穗數(shù)、有效分蘗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重是影響單株產(chǎn)量的主要因素,抽穗期、小穗數(shù)、有效分蘗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重每增加一個單位,單株產(chǎn)量分別提高 0.059、0.288、1.713、0.136 和0.106 g。該回歸方程表明抽穗期、小穗數(shù)、有效分蘗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重5個因素所決定的單株產(chǎn)量變異占產(chǎn)量總變異的81.6%。
為區(qū)分不同材料的農(nóng)藝性狀特性,對各農(nóng)藝性狀進行標準化轉(zhuǎn)換,計算卡方距離,采用類平均法進行聚類分析。結(jié)果表明,118個新品系大致可以分為 6類(圖 2)。I類包含 T2、T18、T172等 60份材料,該類又可以分為2個亞類Ia(55個)和Ib(5個),其千粒重最高,表現(xiàn)為千粒重與單株產(chǎn)量呈負相關(guān);II類包含 T54、T236、T116等 49份材料,又包含3個亞類IIa(24個)、IIb(24個)和IIc(1個),其小穗數(shù)和穗粒數(shù)在3類中最高,相應(yīng)的單株產(chǎn)量也最高,表明小穗數(shù)和穗粒數(shù)對單株產(chǎn)量呈正相關(guān)的趨勢;III類包含 3份材料(T88、T244和 T206),其性狀表現(xiàn)基本介于I類和II類材料之間,單株產(chǎn)量也是高于I類材料,而低于II類材料。IV類包含2份材料(T118和 T208);V類包含 2份材料(T138和T140);VI類包含 2份材料(T58和 T100)(表 3)。
圖2 118個小麥新品系系統(tǒng)聚類圖Figure 2 Systemic clustering tree of 118 new wheat strains
表3 各類群新品系農(nóng)藝性狀表現(xiàn)Table 3 The performance of agronomic traits between the groups based on cluster analysis
不同類群材料間農(nóng)藝性狀T檢驗表明,Ia和Ib類材料,在抽穗期、穗粒數(shù)、千粒重和單株產(chǎn)量上有極顯著差異,在芒長上有顯著差異,表現(xiàn)為Ib類材料有較低的單株產(chǎn)量;IIa和IIb類材料,在抽穗期、株高、穗長、芒長、有效分蘗數(shù)和千粒重上有極顯著差異,在單株產(chǎn)量上有顯著差異,IIa類材料有較明顯的千粒重差異;I和II類材料,在除芒長之外的9個性狀上,均有極顯著差異,II類材料有較高的穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量差異;I/II和III類材料,在芒長和不孕小穗數(shù)上有極顯著性差異,在株高、穗長、有效分蘗數(shù)和千粒重上有顯著差異,I/II類材料有較高的穗粒數(shù)差異。
利用來自黑麥1RS上的SCAR標記對供試材料進行了分子鑒定,結(jié)果表明,普冰04-3504、蜀麥375和所有新品系均檢測出黑麥1RS上的特征條帶(圖3),對照中國春中沒有擴增條帶,而在冰草PI531535和PI439939中均擴增出了一條比黑麥特征條帶小的片段,明顯區(qū)別于其他材料。因此,普冰04-3504、蜀麥375和所有118個新品系均具有黑麥1RS血緣。
圖3 普冰04-3504、蜀麥375及部分小麥新品系電泳檢測Figure 3 The agarose electrophoresis detection of Pubing 04-3504,Shumai 375 and the new wheat strains
西南麥區(qū)是我國第三大小麥產(chǎn)區(qū),四川小麥面積和產(chǎn)量位列西部第一、全國第六。四川地區(qū)大部分為丘陵、氣候冬暖春早、分蘗期短及灌漿期長、濕度大導(dǎo)致病蟲害和穗發(fā)芽嚴重,因此,選育適應(yīng)該地區(qū)的高產(chǎn)、抗病、抗逆的小麥新品種(系)對于提高小麥產(chǎn)量具有重要的意義[25]。不同生態(tài)區(qū)域小麥產(chǎn)量性狀一般具有明顯的地域特征,如四川小麥具有多花多粒大穗,青海小麥則有較高的千粒重,河南等北方地區(qū)則有較高的單位面積穗數(shù)[26-27]。前人研究表明,四川小麥育成品種的穗數(shù)是影響產(chǎn)量的首要因素,收獲指數(shù)范圍為 0.36~0.48,通過收獲指數(shù)的改良能明顯提高產(chǎn)量潛力[25],并且育成品種的灌漿快增期持續(xù)時間長,干物質(zhì)累計量可占總干物質(zhì)量80%左右,粒重與灌漿快增期速率呈極顯著正相關(guān)[28]。因此,四川小麥超高產(chǎn)育種可以選擇分蘗性較強、具有較高穗數(shù)的類型,同時注意具有灌漿快增期長和收獲指數(shù)高[29]。也有育種者認為,四川超高產(chǎn)小麥下一步方向應(yīng)該是保持現(xiàn)有穗數(shù)基礎(chǔ)上,提高千粒重或增加小穗數(shù)以顯著增加穗粒重來實現(xiàn)高產(chǎn)[28-30]。本研究中的普冰04-3504具有高穗粒數(shù),蜀麥375具有較高千粒重,對利用二者創(chuàng)制選育的小麥新品系進行評價,對四川小麥主要產(chǎn)量性狀在新的水平上達到新的平衡,實現(xiàn)產(chǎn)量再上臺階具有重要的意義。
小麥新品系的性狀分析結(jié)果表明,供試材料在株高、有效分蘗、千粒重和單株產(chǎn)量上較普冰04-3504有所改良,而在穗粒數(shù)上,大部分材料保留了普冰04-3504多粒特性,其中穗粒數(shù)>60粒的有33個品系,占總數(shù)的27.97%,千粒重>50 g的有42個品系,占總數(shù)的35.6%。供試小麥新品系中千粒重和單株產(chǎn)量高于均值的有14個品系,可為穗數(shù)型小麥品種選育提供基礎(chǔ);穗粒數(shù)、千粒重和單株產(chǎn)量高于均值的有5個品系,可為穗重型小麥品種選育提供基礎(chǔ)。方差分析表明,新品系中各農(nóng)藝性狀均存在極顯著差異,表明所選育的小麥新品系性狀類型豐富。供試材料的單株產(chǎn)量變異系數(shù)最大,不孕小穗數(shù)其次,而抽穗期變異系數(shù)最小,株高其次。這與姚盟等[31]對黃淮麥區(qū)小麥新品系主要農(nóng)藝性狀變異分析得到不孕小穗變異系數(shù)較大的結(jié)果較一致。與杜麗媛等[32]通過對小麥-冰草新種質(zhì)普冰2011姊妹系的育種效應(yīng)分析得到結(jié)果也基本一致。
徐翠蓮等[33]報道了冬小麥單株產(chǎn)量與單株穗數(shù),單株粒重與單株穗數(shù)、單株粒數(shù)間呈極顯著正相關(guān);單株粒數(shù)與單株穗數(shù)在0.1水平上達到極顯著偏相關(guān)。謝成俊等[34]指出收獲指數(shù)與株高、穗莖長、穗長、小穗數(shù)、單穗產(chǎn)量、主莖生物產(chǎn)量、千粒重和和單株產(chǎn)量都有顯著關(guān)系。陳華萍等[35]在對四川小麥地方品種農(nóng)藝性狀分析時注意到,當小麥有效穗數(shù)、穗粒重和千粒重增加時,單株產(chǎn)量有顯著增加的趨勢。本研究的相關(guān)分析和多元逐步回歸分析表明,抽穗期(X1)、小穗數(shù)(X5)、有效分蘗數(shù)(X7)、穗粒數(shù)(X8)和千粒重(X9)均顯著或極顯著影響單株產(chǎn)量,其中有效分蘗數(shù)起到主要作用,其次是小穗數(shù)和穗粒數(shù),表明不同群體間主要是對產(chǎn)量構(gòu)成各性狀偏重點不同。
俞世蓉等[36]對小麥聚類分析結(jié)果表明,由于遺傳分離以及對不同株系不同方向的選擇,使同一組合的不同后代產(chǎn)生了比較大的遺傳差異,在聚類上成為不同的類。張芬等[37]對冬小麥品種作的聚類分析也有類似結(jié)果。本研究聚類結(jié)果表明,118份衍生材料主要為I類和II類(共109份),在除芒長之外的9個性狀上都有極顯著差異。II類材料有較高的穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量,這部分材料在千粒重基本不變的基礎(chǔ)上,保留了普冰04-3504多粒的優(yōu)點,使得產(chǎn)量得到顯著的提升,如 T54、T56、T116、T130 和T132等,均達到穗粒數(shù)60粒以上,單株產(chǎn)量8.5 g以上。因此,II類材料是今后工作的關(guān)注重點。
SCAR引物ω-sec-p3/p4來源于黑麥1RS上的ω-secalin序列,通過瓊脂糖凝膠電泳分析表明,雙親及新品系均含有黑麥1RS特征條帶。普冰04-3504檢測中含有特征條帶,推測其創(chuàng)制過程中與冰草Z559雜交的日本普通小麥Fukoho中可能含有黑麥血緣而導(dǎo)致的[38]。因此,后續(xù)還需對創(chuàng)制親本和后代品系材料所含的黑麥1RS血緣做進一步的鑒定確認;同時注意到2份冰草材料也擴增出與特征帶型有差異的帶紋,值得進一步的研究。