糜子矮稈突變體“819”矮稈基因的遺傳學(xué)分析

賈小平，王振山，朱學(xué)海，楊德智，寇淑君，劉星星

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽 471000； 2.張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 黍子研究所，河北 張家口 075000)

由于矮稈材料具有抗倒伏和可實(shí)現(xiàn)密植的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)掘新的矮稈資源成為作物育種改良和高產(chǎn)作物研究的重要工作。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上出現(xiàn)的第一次“綠色革命”便是利用了矮化的小麥植株與墨西哥抗銹病小麥雜交，最后培育出具有抗倒伏高產(chǎn)特性的小麥新品種，大幅度提高了世界糧食的產(chǎn)量，不僅暫時解決了糧食短缺的問題，還帶來了高新技術(shù)的發(fā)展和豐厚的經(jīng)濟(jì)利益[1]。通過對玉米的大量研究表明，赤霉素生物合成代謝的通路與植株的高度有關(guān)，依據(jù)對外源赤霉素反應(yīng)的差異程度，可以將矮稈突變體分為2種類型：赤霉素鈍感型和赤霉素敏感型，由于赤霉素生物合成途徑酶的缺陷所導(dǎo)致的矮稈突變稱為赤霉素敏感型矮稈突變，對外源赤霉素的施加反應(yīng)不明顯的突變體叫赤霉素鈍感型矮稈突變[2]。水稻的有關(guān)研究結(jié)果表明，秈稻的矮稈性狀主要受1個隱性半矮稈基因所控制[3]。粳稻中矮稈基因控制的矮稈性狀可分為2種，一種是由1個矮稈主效基因所控制，一種是由多個矮稈微效基因所控制[4-5]。整體來看，水稻中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的矮稈基因中隱性基因遺傳的占絕大部分，只有極少數(shù)呈部分顯性或顯性遺傳[6]。小麥在我國的種植面積僅次于水稻[7]，目前已發(fā)掘出來的小麥矮稈基因主要分為3種：第1種是叢簇矮生性基因(D)，第2種是單稈矮生基因(Us)，這2種矮生資源在育種實(shí)踐中應(yīng)用不多，而第3種主效降低株高基因(Rht)是生產(chǎn)上應(yīng)用最普遍的基因資源[8]。

糜子是一種古老的C4作物，生育期為60～100 d，由于具有強(qiáng)的耐旱性和高水分利用效率，適合在我國北方干旱和半干旱地區(qū)種植。糜子籽粒又稱為黃米，富含蛋白質(zhì)、維生素和礦質(zhì)元素，具有較高的營養(yǎng)價值，加工的產(chǎn)品稱油糕或年糕，在我國山西、內(nèi)蒙、甘肅、河北等北方地區(qū)深受廣大人民群眾的歡迎，特別是過年、婚慶等喜慶節(jié)日，都會作為一種必不可少的食物接待賓客，消費(fèi)市場廣闊。然而由于糜子抗倒伏能力較弱，在多風(fēng)、干旱丘陵地區(qū)極易發(fā)生大面積倒伏，造成嚴(yán)重減產(chǎn)，創(chuàng)新矮稈資源、發(fā)現(xiàn)矮稈基因、培育矮化糜子新品種是解決這一問題的根本途徑。近些年有關(guān)糜子分子標(biāo)記的研究逐漸增多，如Hu等[9]利用來自水稻、小麥、燕麥和大麥的46個多態(tài)性微衛(wèi)星標(biāo)記對118份來自不同生態(tài)區(qū)的糜子資源進(jìn)行了遺傳多樣性評價，將這些資源聚為5個類群；Hunt等[10]運(yùn)用16個從糜子開發(fā)的微衛(wèi)星標(biāo)記分析了33份中國材料和來源于歐亞大陸的65份材料的遺傳多樣性。但有關(guān)糜子矮稈資源發(fā)掘的研究極少。張博等[11]研究表明，外施赤霉素可以使糜子矮稈突變體778恢復(fù)到原始高稈材料260(石湖千斤糜)的株高，推測導(dǎo)致突變的基因可能是赤霉素合成途徑基因，這是有關(guān)糜子矮稈研究的唯一報(bào)道。

本研究利用EMS化學(xué)試劑誘導(dǎo)得到了1個新的糜子矮稈突變體“819”，通過將該突變體與高稈材料J12雜交產(chǎn)生F2代分離群體，系統(tǒng)調(diào)查親本“819”、J12及其F2代群體株高、穗部相關(guān)性狀，旨在確定矮稈基因的遺傳特性以及10個性狀間可能存在的連鎖關(guān)系，為后續(xù)定位矮稈突變基因提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用的矮稈突變體“819”由糜子高稈材料“石湖千斤糜”經(jīng)過EMS(甲基磺酸乙酯)誘變處理后獲得，再用“819”與親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的高稈材料J12雜交獲得674個F2代糜子植株個體。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年在河北省張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)站(張家口市沙嶺子鎮(zhèn))開始進(jìn)行試驗(yàn)。觀察土壤濕潤度，在土壤濕潤度適宜(相對濕度80%)的情況下旋耕土地；平整土地后6月17日進(jìn)行材料播種，株距10 cm，行距33 cm；待6月23日糜子出苗后對其進(jìn)行間苗、培土、除草，整個生育期未施肥；糜子抽穗前進(jìn)行灌水1次，中耕除草2次。在試驗(yàn)田四周搭建防護(hù)網(wǎng)實(shí)行鳥害防治，未噴灑農(nóng)藥進(jìn)行病蟲害治理。

1.3 性狀調(diào)查

糜子基本成熟后，對糜子雜交親本及F2代群體的每一株單獨(dú)進(jìn)行田間性狀的測定。測定株高、穗長、穗頸長、分蘗數(shù)、莖節(jié)數(shù)、二級枝梗長度、二級枝梗間距等10個性狀。

株高：挑選每一株糜子中最高的主穗，用測量尺從糜子植株地表以上開始測量直至該糜子主穗穗尖的高度(cm)。通過繪制F2代群體株高分布密度直方圖確定高稈、矮稈判定標(biāo)準(zhǔn)；如果呈現(xiàn)雙峰分布模式，則以2個峰間分布頻次最低的株高作為分界線，低于此株高判定為矮稈植株，高于此株高判定為高稈植株。

穗長：用短測量尺測定穗基部到穗頂?shù)拈L度(cm)。

穗頸長：用短測量尺測定穗基部到最接近莖節(jié)的長度(cm)。

分蘗數(shù)：從糜子植株的根部對糜子的分蘗進(jìn)行計(jì)數(shù)。

莖節(jié)數(shù)：從根部往上對糜子的莖節(jié)進(jìn)行計(jì)數(shù)(節(jié))。

二級枝梗長度1：從穗基部開始測定最近的一個糜子主穗的分支長度(cm)。

二級枝梗長度2：測定距離二級枝梗長度1最近的糜子分支長度(cm)。

二級枝梗長度3：測定距離二級枝梗長度2最近的糜子分支長度(cm)。

二級枝梗間距1：測量二級枝梗長度1與二級枝梗長度2之間的距離(cm)。

二級枝梗間距2：測量二級枝梗長度2與二級枝梗長度3之間的距離(cm)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 矮稈突變體819和J12雙親株型性狀比較

矮稈突變體819和J12的株型性狀比較見圖1。父本J12的株高、穗長、穗頸長、莖節(jié)數(shù)、二級枝梗長度1、二級枝梗長度2、二級枝梗長度3極顯著高于矮稈突變體819(P<0.01)。父本J12和矮稈突變體819的分蘗數(shù)、二級枝梗間距1和二級枝梗間距2無顯著差異(P>0.05)。

2.2 糜子F2群體的農(nóng)藝性狀

糜子F2群體的株高平均值為108.455 cm，變異系數(shù)為22.6%，株高群體變異幅度很大，峰度與偏度都小于1，說明株高性狀在F2群體上呈連續(xù)分布。糜子F2群體的穗長平均值為23.415 cm，穗長的變異系數(shù)是26.7%。糜子F2群體穗頸長介于2～34 cm，平均穗頸長為17.693 cm，變異系數(shù)是26.3%。分蘗數(shù)為0～16，極差值為16，分蘗數(shù)的平均值是6.630，變異系數(shù)是34.0%。莖節(jié)數(shù)變幅是4～13，全距為9節(jié)，平均莖節(jié)數(shù)7.310節(jié)，莖節(jié)數(shù)的變異系數(shù)為15.1%。二級枝梗長度1、二級枝梗長度2、二級枝梗長度3的變化范圍分別是1.0～28.0 cm、4.0～29.0、1.7～29.0 cm，極差值分別為27.0、25.0、27.3 cm，變異系數(shù)分別是29.6%、28.4%、28.8%。糜子F2群體在二級枝梗間距1上的變化范圍是0～7.2 cm，極差值是7.2 cm，變異系數(shù)是58.5%。

2.3 糜子F2群體的卡方檢驗(yàn)

**表示差異極顯著(P<0.01)。** meant significant difference at the levels of P<0.01.圖1 矮稈突變體819和J12的株型性狀比較Fig.1 Comparison of plant type traits between dwarf mutant 819 and J12

表1 F2群體的描述性統(tǒng)計(jì)分析Table 1 Descriptive statistical analysis of F2 population

圖2 糜子F2群體的株型性狀的頻率分布圖Fig.2 Frequency distribution of plant type characters in F2 population of millet

表2 卡方檢驗(yàn)Table 2 Chi-square test

2.4 糜子性狀間的相關(guān)與回歸分析

糜子F2群體性狀間相關(guān)分析見表3。糜子F2群體的株高與穗長、穗頸長、分蘗數(shù)、莖節(jié)數(shù)、二級枝梗長度1、二級枝梗長度2、二級枝梗長度3、二級枝梗間距1呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，株高與二級枝梗間距2呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，其中株高與穗長(0.753)、二級枝梗長度1(0.705)、二級枝梗長度2(0.723)、二級枝梗長度3(0.725)的相關(guān)系數(shù)均高于0.5，為強(qiáng)正相關(guān)。穗長與穗頸長、莖節(jié)數(shù)、二級枝梗長度1、二級枝梗長度2、二級枝梗長度3、二級枝梗間距1、二級枝梗間距2呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，穗長與分蘗數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，其中，穗長與二級枝梗長度1(0.804)、二級枝梗長度2(0.831)、二級枝梗長度(0.831)的相關(guān)系數(shù)均高于0.5，為強(qiáng)正相關(guān)。穗頸長與二級枝梗長度1、二級枝梗長度2、二級枝梗長度3、二級枝梗間距1、二級枝梗間距2呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。莖節(jié)數(shù)與二級枝梗長度1、二級枝梗長度2、二級枝梗長度3呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與二級枝梗間距1呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。二級枝梗長度1、二級枝梗長度2、二級枝梗長度3這3個性狀兩兩間呈極顯著正相關(guān)。糜子F2群體的株高(Y)對穗長(X1)、穗頸長(X2)、分蘗數(shù)(X3)、莖節(jié)數(shù)(X4)、二級枝梗長度1(X5)、二級枝梗長度2(X6)、二級枝梗長度3(X7)、二級枝梗間距1(X8)、二級枝梗間距2(X9)進(jìn)行逐步回歸分析，獲得株高(Y)對其他農(nóng)藝性狀的回歸方程為Y=-18.446+1.491X1+1.222X2+6.827X4+1.319X7+0.746X8，回歸方程的擬合度為0.811，回歸方程經(jīng)顯著性檢驗(yàn)達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。表明可以利用此回歸方程對糜子株高進(jìn)行預(yù)測。

表3 F2群體的株型性狀相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of plant type traits in F2 population

**表示在0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān)，*表示在0.05水平(雙側(cè))顯著相關(guān)。
** indicated significant correlation at 0.01 level (bilateral); * indicated significant correlation at 0.05 level (bilateral).

2.5 糜子株型性狀的主成分分析

糜子F2群體10個性狀的主成分分析和主成分的因子得分結(jié)果見表4。由表4可以看出，特征值大于1的有3個主成分，這3個主成分的累積貢獻(xiàn)率高達(dá)72.656%，即這3個主成分所涵蓋的信息量可以反映出原來10個性狀72.656%的信息特征。在第1主成分上，株高、穗長、二級枝梗長度1、二級枝梗長度2、二級枝梗長度3的因子得分比較高，分別為0.171、0.185、0.185、0.187、0.182，結(jié)合前面的相關(guān)分析可知這幾個性狀具有極顯著正相關(guān)，因此第1主成分可以命名為長度因子。在第2主成分上，分蘗數(shù)、莖節(jié)數(shù)、穗頸長、二級枝梗間距1的因子得分比較高，分別為0.381、0.574、-0.281、-0.447，考慮到莖節(jié)數(shù)的因子得分比較高，因此第2主成分可以命名為莖節(jié)數(shù)因子。在第3主成分上，二級枝梗間距2的因子得分最高，為0.899，因此第3主成分可以命名為枝梗間距因子(表5)。

表4 糜子F2群體的株型性狀的主成分分析Table 4 Principal component analysis of plant type characters in millet F2 population

表5 糜子F2群體株型性狀主成分的因子得分Table 5 Factor score of plant type characters in principal component analysis of millet F2 population

3 討論

作物的高矮直接影響到植株的生長狀態(tài)、光合作用、種植密度、養(yǎng)分的吸收利用，最終影響到產(chǎn)量[12]。獲得矮稈資源、培育矮化作物品種是增強(qiáng)抗倒伏性、增加種植密度從而提高產(chǎn)量的重要途徑。通過一定條件篩選和特殊手段處理后可以得到比作物野生型對照株高明顯降低的矮稈個體[13]。這些處理方法包括物理誘變、化學(xué)誘變和生物誘變3種，其中化學(xué)誘變廣泛用于作物矮稈材料的創(chuàng)制[14]。目前，水稻、小麥、大麥、玉米等農(nóng)作物已經(jīng)通過化學(xué)誘變獲得了大量矮稈突變體，已經(jīng)運(yùn)用到育種當(dāng)中，對提高糧食產(chǎn)量做出了重要貢獻(xiàn)。糜子是我國西北地區(qū)重要的雜糧作物，雖然利用傳統(tǒng)雜交育種技術(shù)獲得了一些優(yōu)良品種[15]，但是倒伏一直是影響糜子產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。發(fā)掘糜子矮稈資源是選育抗倒伏、高產(chǎn)糜子新品種的前提。

本研究利用EMS化學(xué)誘變方法獲得了1個糜子矮稈突變體“819”，遺傳分析表明突變體矮稈基因受隱性單基因控制。同時，在小麥、水稻、大豆、玉米矮稈突變體研究中均發(fā)現(xiàn)矮稈性狀由隱性單基因控制[16-19]，推測隱性遺傳是矮稈性狀較為普遍的一種遺傳方式。事實(shí)上多數(shù)純合矮稈材料由于植株過于矮小、穗小等原因都不能直接應(yīng)用于育種實(shí)踐，因此，本研究獲得的矮稈突變體“819”還需要與合適的高稈材料進(jìn)行雜交，改善穗部性狀，適度增加株高，才能用于生產(chǎn)實(shí)踐。本研究還發(fā)現(xiàn)，糜子分蘗數(shù)與株高呈極顯著相關(guān)，而分蘗數(shù)會對糜子空間分布和種植密度產(chǎn)生直接影響，分蘗數(shù)的多少直接決定了是密植型還是稀植型；糜子穗長與產(chǎn)量有著密切關(guān)系，長穗一般籽粒較稀疏，產(chǎn)量潛能反而不高，同時長穗會導(dǎo)致植株易倒伏。黃英杰等[20]的研究結(jié)果表明，株高對產(chǎn)量影響達(dá)到極顯著水平，而穗長對產(chǎn)量的總效應(yīng)和直接效應(yīng)均為負(fù)值，因此，品種選育時穗過長不可取。隨著糜子株高的增長，糜子穗頸長、莖節(jié)數(shù)、二級枝梗長度、二級枝梗間距增加，穗長和分蘗數(shù)也隨之增加，理論上糜子產(chǎn)量也會增加。但是實(shí)際上由于糜子株高過高時會導(dǎo)致糜子植株的倒伏，且植株的增長對土壤肥力也是一種消耗，所以適當(dāng)降低糜子的株高，使其抗倒伏性和分蘗數(shù)、穗籽粒密度達(dá)到理想的平衡，可能會實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。