硬粒小麥ANW16F株高及構(gòu)成因子與部分產(chǎn)量性狀遺傳研究

龔胤書，魏淑紅*，彭正松，楊在君，鐘明志，張家敏

(1.西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，西南野生動植物資源保護教育部重點實驗室，四川 南充 637009；2.西昌學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院，四川 西昌 615013)

【研究意義】Rht(Reduced height) 是小麥矮化育種的關(guān)鍵基因。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)并正式命名編號的Rht基因有 25個[1]。大多數(shù)Rht基因具有較強的抗倒伏性和肥水反應(yīng)，但存在一些缺點，限制了在生產(chǎn)上的利用[2]。如Rht4、Rht5、Rht6、Rht7在降稈同時，大大降低了小麥產(chǎn)量[3]。Rht3、Rht10、Rht12以及Rht21降稈作用太強，導(dǎo)致糧食產(chǎn)量過低[4]。目前推廣小麥品種中被廣泛應(yīng)用的Rht基因主要是Rht-1、Rht-2和Rht8，Rht9亦有局限使用[5-6]，可見小麥育種實踐中矮源十分單一。此外，對矮稈基因的研究主要集中在六倍體小麥，對四倍體小麥矮稈基因研究較少，育種利用也較局限。因此，發(fā)掘新矮源，尋找具有育種潛力的矮稈基因，對小麥高產(chǎn)及抗性育種十分重要。ANW16F 是攜帶顯性矮稈基因Rht16的硬粒小麥(Triticumdurum,2n=4X=28,AABB)[7]。對硬粒小麥ANW16F株高與構(gòu)成因子及產(chǎn)量性狀進行遺傳研究，將為進一步利用Rht16基因奠定基礎(chǔ)?！厩叭搜芯窟M展】大約公元前8000年，中亞地區(qū)祖先在兩河流域的肥沃土地上開始種植小麥等作物[8]。小麥作為中國乃至全世界最重要的糧食作物之一，高產(chǎn)一直是育種學(xué)家追求的首要目標(biāo)。較高、較細的莖稈容易發(fā)生倒伏、發(fā)生病害等，降低小麥產(chǎn)量[9]，因此提高抗倒伏能力是小麥高產(chǎn)的重要途徑[10]。矮稈小麥由于抗倒伏能力強，適宜高度密植，群體光能利用效率高，大大提高了產(chǎn)量。20世紀(jì)60年代中期，利用日本“農(nóng)林10號”(Norn10，含矮稈基因Rht-1和Rht-2)小麥品系育成了30多個矮稈、半矮稈品種，這些品種同時具有抗倒伏、抗銹病、高產(chǎn)的突出優(yōu)點，在發(fā)展中國家迅速推廣，產(chǎn)生了巨大效益，被稱為“綠色革命”[11]。目前發(fā)展中國家種植小麥1億公頃，其中60%都是“綠色革命”的育種成果?！熬G色革命”已經(jīng)證明矮稈基因?qū)μ岣咝←湹漠a(chǎn)量的巨大作用。硬粒小麥?zhǔn)撬谋扼w小麥中唯一仍在種植的物種，具有品質(zhì)好、籽粒蛋白質(zhì)含量高、抗性強的優(yōu)點。硬粒小麥具有與普通小麥(TriticumaestivumL.,3n=6X=42,AABBDD)同源的A、B基因組，易于種間雜交實現(xiàn)染色體配對、易位和重組，達到利用有益基因改良普通小麥的目的[12-13]。前期研究表明，ANW16F 對外源赤霉素反應(yīng)敏感，矮稈性狀穩(wěn)定，降低株高明顯，分蘗多，葉片寬，莖稈粗壯[14-15]。也有報道認為Rht16在高山較陰涼的環(huán)境下不能抽穗[16]。采用 SSR標(biāo)記將Rht16基因初步定位于染色體 6AS上，位于SSR標(biāo)記Xbarc3和Xgwm356之間，距離Xbarc3和Xgwm356均較遠[17]。由上述研究進展可知，目前對Rht16的研究利用非常薄弱。ANW16F株高遺傳特點，株高與構(gòu)成因子及產(chǎn)量性狀的相關(guān)性、株高及構(gòu)成因子的數(shù)量遺傳模型等尚不明確，有待研究?！颈狙芯壳腥朦c】本研究利用矮稈硬粒小麥ANW16F和高稈LD222以及雜交F1代、F2代群體，對株高及其構(gòu)成因素、部分產(chǎn)量性狀等10個農(nóng)藝性狀進行表型特征和相關(guān)性分析，并利用單個分離世代的群體主基因+多基因混合模型方法進行遺傳分析。【擬解決的關(guān)鍵問題】此研究結(jié)果以期為Rht16基因的育種利用及后續(xù)利用分子標(biāo)記定位主效QTL提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以矮稈硬粒小麥材料ANW16F為母本，高稈對照硬粒小麥材料LD222為父本雜交獲得F1代，F(xiàn)1自交得F2代群體共284株。ANW16F和LD222由日本岐阜大學(xué)農(nóng)業(yè)學(xué)院Watanabe提供[15]。試驗在西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實驗田進行，播種前施氮肥、磷肥，田間種植及管理均按當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)模式，播前灌溉以保證出苗。

1.2 性狀測定

于成熟期對親本、F1以及F2代植株進行室內(nèi)考種。測量株高、穗下莖節(jié)長、倒2至倒5莖節(jié)長、穗長、單株穗數(shù)、有效穗數(shù)、小穗數(shù)。有效穗數(shù)為穗粒數(shù)超過5粒的小麥穗數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表，由origin 8.0及Rstudio分析繪圖得到圖表，進行相關(guān)性分析和方差分析。參考王建康、蓋鈞鎰、章元明等提出的主基因+多基因遺傳混合模型利用Rstudio對ANW16F/LD222雜交F2后代共284株植株的性狀，包括株高及各個節(jié)間長進行遺傳分析[18-20]。矮稈基因的相對效應(yīng)計算公式：(矮稈平均株高-高稈平均株高)/高稈平均株高×100 %[21]。顯著性差異：*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001和****P<0.0001。

2 結(jié)果與分析

2.1 株高、穗長、節(jié)間長度表型特征分析

矮稈親本ANW16F平均株高103.61 cm，高稈親本LD222平均株高157.77 cm。ANW16F相較于LD222降低株高約33.9 %(P<0.05)。F1代株高均值為119.97 cm，與矮稈親本較為接近。F2代株高平均值為105.01 cm。F2代有高稈和矮稈分離，暗示矮稈是顯性性狀。F2代呈雙峰且明顯偏矮稈性狀的偏態(tài)性分布，且偏度值和偏度值都小于3，表明ANW16F株高性狀受主基因控制(圖1)。

株高由穗長與各節(jié)間長度共同構(gòu)成。除了穗長外，矮稈ANW16F各節(jié)間長均比高稈對照LD222短(P<0.05)，各個莖節(jié)縮短能力依次PL

2.2 株高、穗長、莖節(jié)長及部分產(chǎn)量性狀相關(guān)性分析

用R語言可視化Corrplot包和Performance Analytics包進行相關(guān)性和顯著性分析。由圖3得知，株高與各莖節(jié)均為極顯著正相關(guān)，其中與倒2節(jié)相關(guān)性最高，其次為穗下節(jié)。株高與小穗數(shù)、穗長與小穗數(shù)為顯著正相關(guān)，且穗長與小穗數(shù)相關(guān)性高于株高與小穗數(shù)的相關(guān)性。穗數(shù)與有效穗數(shù)相關(guān)性最高，達到0.98。

2.3 株高、穗長、節(jié)間長數(shù)量遺傳分析

2.3.1 最適遺傳模型的建立 參考蓋鈞鎰等方法[22]，對ANW16F/LD222 F2代的株高、穗長、莖節(jié)長進行數(shù)量遺傳分析。選擇AIC值最低及與其接近的3個模型為備選模型，獲得極大似然值與AIC值(表1)[23]。

進行均勻性檢驗、Smirnov檢測、Kolmogorov檢驗獲得F2性狀最優(yōu)模型和備選模型的5個參數(shù)：U12、U22、U32、nW2、Dn，并進行篩選，最終選擇統(tǒng)計量達到顯著水平個數(shù)較少的模型作為最優(yōu)模型(表2)。株高的3個備選模型的5個統(tǒng)計量的P值均不顯著(P>0.05),模型B-1的AIC值較A-1、B-2最小，因此確定B-1遺傳模型為株高的最優(yōu)模型，表現(xiàn)為由兩對加性-顯性-上位性主基因控制的遺傳模型。穗下莖節(jié)的最優(yōu)遺傳模型為B-2，表現(xiàn)為兩對加性-顯性主基因遺傳模型。倒2、倒3、倒4節(jié)間的最優(yōu)模型為A-1，表現(xiàn)為一對加性-顯性主基因遺傳模型。倒5莖節(jié)和穗長的最優(yōu)模型為A-0，不受主效基因控制的遺傳模型。

2.3.2 遺傳參數(shù)的估計 根據(jù)迭代ECM算法，即IECM算法，利用篩選出的最適遺傳模型，估計F2代株高、穗長、莖節(jié)長的遺傳參數(shù)，包括一階遺傳參數(shù)與二階遺傳參數(shù)[24]。

表3顯示，株高，da、db均為正值，且較為接近，說明2對主基因增效接近，|ha/da|<1，|hb/db|<1，說明2對主基因均為部分顯性，以加性效應(yīng)為主。ha和hb均為負值，且|ha|>|hb|，說明2對主基因都是矮稈對高稈為部分顯性，且第1對主基因的部分顯性效應(yīng)大于第2對主基因的部分顯性效應(yīng)。|jba+jab|>|l|>|i|，說明2對主基因間存在互作效應(yīng)。株高主基因的遺傳率為86.07 %，說明株高受遺傳因素影響較小。

穗下節(jié)，da、db均為正值，且da>db，說明第1對主基因增效大于第2對。|ha/da|>1，|hb/db|=1，說明2對主基因均為完全顯性，且第1對主基因以顯性效應(yīng)為主，第2對主基因顯性效應(yīng)和加性效應(yīng)同等重要。ha為負值，說明第1對主基因短穗下節(jié)對長穗下節(jié)為顯性，hb為正值，說明第2對主基因長穗下節(jié)對短穗下節(jié)為顯性。|ha|>|hb|，說明第1對主基因的顯性效應(yīng)大于第2對主基因的顯性效應(yīng)。主基因的遺傳率為81.52 %，說明穗下節(jié)長受環(huán)境影響較小。

表1 ANW16F/LD222 F2代株高、穗長、莖節(jié)長極大似然值與AIC值

表2 遺傳模型的適合度測驗

倒2、3、4節(jié)均為ha<0，且|da|≈|ha|，說明短莖節(jié)相對于長莖節(jié)為部分顯性，且顯性效應(yīng)和加性效應(yīng)同等重要。倒2節(jié)長遺傳率為78.85 %，倒3、4節(jié)長的遺傳率較低，分別為48 %、49.83 %，說明倒2節(jié)受環(huán)境影響較小，而倒3和4節(jié)受環(huán)境影響相對較大。

3 討 論

小麥株高由穗長和地上部分各節(jié)間伸長構(gòu)成。大量研究發(fā)現(xiàn)，矮稈基因能夠顯著縮短穗長和各節(jié)間長，或者只是顯著縮短節(jié)間長，而穗長變異不大。比如Rht14通過縮短各節(jié)間長度降低株高27 cm，降稈能力約25 %。Rht18由于穗和節(jié)間遠端緩慢生長，導(dǎo)致普通小麥降低株高最高可達35.0 %[25]。王健等[26]研究也發(fā)現(xiàn)，30個冬小麥矮稈品種株高降低是由于各節(jié)間長縮短所致，尤其是倒2、3莖節(jié)。崔淑佳等[27]利用20個高、中、矮稈小麥品種研究同樣證實株高降低與節(jié)間長縮短有關(guān)，其中穗下節(jié)在株高構(gòu)成中貢獻較大，穗長在高、中、矮小麥中變化系數(shù)不大。在本研究中，矮稈小麥ANW16F與對照高稈小麥LD222相比，降稈33.9 %，穗長對株高變異影響不大，各節(jié)長差異均為顯著(P<0.05)，各莖節(jié)縮短程度為PL

株高與其構(gòu)成因素、產(chǎn)量性狀相關(guān)性研究較多。多數(shù)學(xué)者認為株高與其構(gòu)成因素以及產(chǎn)量性狀正相關(guān)[28-30]。但朱新開等研究表明，在一定株高范圍內(nèi)，株高及莖節(jié)長(除穗下節(jié))與產(chǎn)量性狀呈負相關(guān)[31]。本研究中，株高與其構(gòu)成因素、產(chǎn)量性狀均呈極顯著或顯著正相關(guān)，其中與穗下節(jié)、倒2節(jié)長相關(guān)性較高，且株高與各節(jié)長的相關(guān)性高于株高與穗長的相關(guān)性，相鄰節(jié)間長的相關(guān)性也較高。

表3 F2代株高、莖節(jié)長及部分產(chǎn)量性狀遺傳參數(shù)估計值

蓋鈞鎰等優(yōu)化傳統(tǒng)數(shù)量性狀多基因遺傳模型，并初步建立植物數(shù)量性狀遺傳體系分離分析方法，依據(jù)7類模型，即A-1對主基因、B-2對主基因、C-多基因、D-1對主基因加多對主基因、E-2對主基因加多基因、F-3對主基因、G-3對主基因加多基因，與主基因加多基因的顯性、上位性、加性效應(yīng)組合構(gòu)成多種模型，針對不同世代的性狀表型進行遺傳模型評估[32]。在P1、P2、F1群體、F2群體、回交世代等不同群體均可進行此數(shù)量性狀分離分析方法[19-20,33]。目前廣泛用于多種植物，如水稻[34-35]、油菜[36]、棉花[37]、玉米[38]、小麥[39]等。小麥株高及其構(gòu)成因素等主基因+多基因混合遺傳模型研究較多，或為一對主基因+多基因控制模型[40-41]，或為兩對主基因+多基因混合模型[42-43]，或為無主基因而是多基因控制模型[39-44]。在遺傳效應(yīng)方面，主要是加性效應(yīng)+顯性效應(yīng)，且以加性效應(yīng)為主，上位性效應(yīng)較少[40-41,43,45-46]。本研究中，株高表現(xiàn)為由兩對加性-顯性-上位性主基因控制的遺傳模型，且兩對主基因均以加性效應(yīng)為主，穗下節(jié)長由兩對加性-顯性且以顯性效應(yīng)為主的主基因控制，倒2、3、4節(jié)長均為由一對顯性效應(yīng)和加性效應(yīng)同等重要的主基因的控制。倒5節(jié)長和穗長不受主基因控制。株高與株高構(gòu)成因素遺傳模型與前人研究略有不同，這與研究材料遺傳背景和所處的環(huán)境不同有關(guān)。株高、穗下節(jié)長、倒2節(jié)長主基因的遺傳率較高，依次為86.07 % 、81.52 %和78.85 %，說明受環(huán)境影響較小，倒3、4節(jié)長的遺傳率較低，僅為48 %和49.83 %，受環(huán)境影響相對較大。

4 結(jié) 論

綜合考慮株高構(gòu)成比例、相關(guān)性分析，以及遺傳率的大小，今后在利用Rht16基因進行矮化高產(chǎn)育種時，穗下節(jié)和倒2節(jié)可作為重要的育種篩選指標(biāo)，且可在較早期選擇。本研究也為后續(xù)利用分子標(biāo)記定位主效QTL提供了參考。