小麥新品種春化和光周期基因組成以及春化基因與產(chǎn)量性狀的關(guān)系

付 亮， 李 洋， 蔣志凱， 范永勝， 馬華平， 郭戰(zhàn)備， 胡衛(wèi)國(guó)， 李曉航

(1.河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 河南 新鄉(xiāng)453000； 2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所， 鄭州 450002)

河南省是我國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)，是冬性小麥向春性小麥的過渡地帶，生產(chǎn)上以種植半冬性小麥為主，部分地區(qū)兼種弱春性小麥。春化特性是小麥由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)為生殖生長(zhǎng)過程中的一個(gè)重要習(xí)性，直接影響著小麥的種植范圍和栽培方式?，F(xiàn)有研究證明，小麥春化作用主要受到Vrn-1,Vrn-2,Vrn-3和Vrn-4等春化基因的控制[1-2]，其中Vrn-1基因效應(yīng)最為重要[3-4]，它含有3個(gè)等位基因(Vrn-A1、Vrn-B1和Vrn-D1)，分別位于小麥5 A、5 B和5 D染色體的長(zhǎng)臂上[5-8]。Vrn-3基因主要受春化和長(zhǎng)日照的調(diào)節(jié)進(jìn)而對(duì)促進(jìn)小麥開花起重要調(diào)控作用，Vrn-B3為Vrn-3的部分同源基因，已被定位于小麥7 B染色體上。光周期反應(yīng)也是小麥的重要生理特性，其與春化作用共同影響著小麥的生態(tài)適應(yīng)性。研究表明，小麥光周期反應(yīng)主要受Ppd-A1、Ppd-B1和Ppd-D1等光周期基因的影響[9-12]，當(dāng)基因位點(diǎn)表現(xiàn)為顯性時(shí)(Ppd-Ala、Ppd-B1a和Ppd-D1a)，則小麥對(duì)光周期反應(yīng)不敏感，而隱性等位變異(Ppd-Alb、Ppd-B1b和Ppd-D1b)則敏感。3個(gè)等位基因?qū)庵芷诘姆磻?yīng)有差異，其中Ppd-D1a基因?qū)庵芷诘牟幻舾谐潭茸顝?qiáng)，Ppd-Bla次之，Ppd-Ala最弱。目前，小麥的4個(gè)主要春化基因Vrn-A1、Vrn-B1、Vrn-D1和Vrn-B3和光周期基因Ppd-D1位點(diǎn)均已被克隆，并開發(fā)了相應(yīng)的功能標(biāo)記，可利用分子標(biāo)記對(duì)小麥材料的相關(guān)功能基因進(jìn)行檢測(cè)分析[2,4,13]。

我國(guó)小麥分布廣泛，不同生態(tài)區(qū)均有種植。通過分析不同麥區(qū)小麥品種的春化基因和光周期基因的構(gòu)成，了解不同麥區(qū)小麥品種的春化和光周期特性，進(jìn)而可以研究不同麥區(qū)小麥春化的變化發(fā)展趨勢(shì)，從而為生產(chǎn)提供參考。河南省是我國(guó)小麥產(chǎn)量大省，目前關(guān)于該省小麥品種中春化基因和光周期基因的分布特點(diǎn)的報(bào)道還較少，為此，本實(shí)驗(yàn)以近年來(lái)河南省小麥品種區(qū)域試驗(yàn)的118份小麥品種(系)(主要為弱春性和半冬性類型)為材料，通過對(duì)其春化基因和光周期基因的檢測(cè)，了解其春化基因和光周期基因的顯隱性組成，并通過分析其與產(chǎn)量性狀的相關(guān)性，以期為河南省小麥遺傳育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

選用2015、2016年度河南省水地區(qū)域試驗(yàn)118份小麥新品系。

1.2 農(nóng)藝性狀的調(diào)查

所有試驗(yàn)品種于2017年和2018年秋播在河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)地(輝縣)，每品種2行區(qū)，行長(zhǎng)2 m，3次重復(fù)。同時(shí)調(diào)查品種苗穗期、成熟期、產(chǎn)量三要素等性狀。

1.3 供試材料DNA提取

采用CTAB法[16]提取各重復(fù)試驗(yàn)材料苗期葉片DNA，分別用于檢測(cè)其春化基因和光周期基因。

1.4 春化和光周期基因分子標(biāo)記檢測(cè)

根據(jù)Fu等[13]、Beales等[14]和Yan等[16]設(shè)計(jì)的Vrn-1、Vrn-3、Ppd-D1三個(gè)基因位點(diǎn)的引物序列進(jìn)行春化基因檢測(cè)。田間試驗(yàn)方法參照趙虹等主持的國(guó)家區(qū)試種植和調(diào)查方法進(jìn)行。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Office Excel 2003軟件對(duì)田間調(diào)查的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，用SPSS 18.0軟件對(duì)小麥春化基因、光周期基因顯隱性組成與抽穗期和產(chǎn)量性狀進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥供試材料春化基因和光周期基因檢測(cè)

118份供試品種(系)進(jìn)行冬春性鑒定，其中半冬性品種(系)有75份，弱春性品種(系)有43份。在4個(gè)春化基因位點(diǎn)中，顯性基因Vrn-D1，Vrn-B1，Vrn-A1和Vrn-B3的頻率分別為34.7%、7.62%、0和0(表1)。且Vrn-B1基因全部在弱春性品種(系)被檢測(cè)出，半冬性品種(系)未被檢出。通過STS分子標(biāo)記檢測(cè)，118份品種(系)均含有光周期非敏感型等位變異Ppd-D1a(表2)。在4個(gè)春化基因位點(diǎn)全部為隱性的品種數(shù)最多，其分布頻率為58.5%，這些品種大多數(shù)表現(xiàn)為半冬性。這和田芳慧等[2]對(duì)黃淮麥區(qū)小麥春化基因的分析一致。同時(shí)對(duì)比前人研究，從未檢測(cè)出Vrn-B3和Vrn-A1春化基因這一現(xiàn)象可以看出，河南省小麥新品種遺傳基礎(chǔ)相對(duì)狹窄，春化基因單一。從基因組合看，共有4個(gè)春化基因型被檢出，其中Vrn-A1+Vrn-B1+Vrn-D1+Vrn-B3+Ppd-D1a出現(xiàn)較多，Vrn-A1+Vrn-B1+Vrn-D1+Vrn-B3+Ppd-D1a基因組合型的有8份，Vrn-A1+Vrn-B1+Vrn-D1+Vrn-B3+Ppd-D1a基因型的僅有1份，而Vrn-A1+Vrn-B1+Vrn-D1+Vrn-B3+Ppd-D1a品種(系)出現(xiàn)最多，為69份(表2)。

表1 供試品種(系)中顯性春化基因的出現(xiàn)頻率

2.2 供試品系田間冬春性鑒定與基因檢測(cè)對(duì)比結(jié)果

由表3可知，供試品系中幼苗表現(xiàn)弱春性的有43份品種(系)，經(jīng)冬春性鑒定確定為半冬性的有11份。含顯性Vrn-D1春化基因的品種，田間鑒定為半冬性的有5份，占全部含有顯性春化基因品種數(shù)的17.8%。而含有Vrn-B春化基因的品種(系)田間冬春鑒定均表現(xiàn)為弱春性，因此借助Vrn-B1春化基因進(jìn)行河南省小麥品種冬春性鑒定的方法是可行的；另一方面，春化基因鑒定全部為隱性的品種(系)，鑒定為弱春性的有8份，占全部隱性基因型品種(系)的21.6%。綜上說(shuō)明，河南省弱春性小麥的春化發(fā)育過程受多個(gè)基因控制，不能單純依據(jù)是否含有顯性春化基因?qū)ζ贩N的冬春性進(jìn)行判斷。這與前人研究一致。

2.3 弱春性品種春化基因顯隱性組成與田間冬春鑒定性狀及產(chǎn)量性狀相關(guān)分析

由于43份品種(系)中沒有含Vrn-A1和Vrn-B3基因的品種(系)，而所有品種(系)均含有Ppd-D1a，故以下主要分析春化基因Vrn-D1和Vrn-B1與苗穗期、抽穗率及產(chǎn)量性狀之間的相關(guān)性(表4)。結(jié)果表明，Vrn-D1與苗穗期呈極顯著負(fù)相關(guān)，Vrn-D1和Vrn-B1分別與抽穗率正相關(guān)，但未達(dá)顯著水平。Vrn-B1與產(chǎn)量性狀中的成穗數(shù)和穗粒數(shù)呈負(fù)相關(guān)但不顯著，Vrn-D1與產(chǎn)量性狀中的成穗數(shù)和穗粒數(shù)呈正相關(guān)但不顯著。2個(gè)春化基因均與產(chǎn)量性狀中的千粒重呈正相關(guān)但不顯著(表5)。由表5可知，在河南省區(qū)試材料中，同時(shí)具有Vrn-D1與Vrn-B1兩個(gè)春化基因的品種出現(xiàn)幾率很低，可以嘗試通過檢測(cè)春化基因間接判定供試品種的抽穗率。此外，Vrn-B1與產(chǎn)量性狀中的成穗數(shù)和穗粒數(shù)呈負(fù)相關(guān)但不顯著，Vrn-D1與產(chǎn)量性狀中的成穗數(shù)和穗粒數(shù)呈正相關(guān)但不顯著。2個(gè)春化基因均與產(chǎn)量性狀中的千粒重呈正相關(guān)但不顯著。這說(shuō)明，具有春化基因Vrn-D1的品種在產(chǎn)量上更具優(yōu)勢(shì)。這也間接說(shuō)明春化基因Vrn-D1在供試材料半冬性品系中存在更多的原因。

表4 田間苗穗性狀、產(chǎn)量性狀與春化基因的基本參數(shù)分析

表5 春化基因與田間苗穗性狀、產(chǎn)量性狀相關(guān)分析

3 討 論

本研究對(duì)河南省118份小麥新品種的春化基因和光周期基因進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)春化基因均為隱性類型，在河南小麥品種中占據(jù)主要地位，而這種基因類型是(半)冬性小麥品種的主要基因型，正好反映目前河南小麥品種以半冬性為主的生產(chǎn)現(xiàn)狀。曹雯梅等[17]利用STS標(biāo)記對(duì)42份河南歷史主栽小麥品種的春化光周期基因進(jìn)行檢測(cè)，張江花等[18]用相同的方法也分析了50份河南新培育小麥品種(系)中春化光周期基因的分布情況。同兩者相比，盡管研究材料不盡相同，但河南小麥材料中的春化基因均表現(xiàn)出相一致的分布趨勢(shì)，即Vrn-A1、Vrn-B3基因位點(diǎn)均表現(xiàn)為隱性，Vrn-D1顯性基因分布頻率遠(yuǎn)高于Vrn-B1顯性基因頻率，這種趨勢(shì)也是河南小麥品種對(duì)本地區(qū)生態(tài)環(huán)境(溫、光)相適應(yīng)的一種體現(xiàn)。

姜瑩等[19]利用春化基因標(biāo)記研究了中國(guó)地方品種春化基因的分布及與冬春性的關(guān)系，認(rèn)為不同麥區(qū)所檢測(cè)的基因型與冬春性表型一致性不同，春麥區(qū)一致性較高，而冬麥區(qū)尤其是黃淮冬麥區(qū)一致性較差。本研究也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，如含顯性Vrn-D1春化基因的半冬性和弱春性品種數(shù)相當(dāng)，春化基因位點(diǎn)均為隱性的品種中仍然包含有11.6%的弱春性品種。姜瑩等[19]研究認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要與Vrn-D1位點(diǎn)的顯性變異有關(guān)。除上述原因之外，可能還含有其他影響小麥春化需求的遺傳因素在起作用，如Vrn-A2、Vrn-B2、Vrn-D2、Vrn-A3、Vrn-D3和Vrn-D4等，而這些基因位點(diǎn)的作用機(jī)制尚不清楚，因此要進(jìn)一步了解小麥春化發(fā)育特性的分子調(diào)控機(jī)理，需要更多地挖掘調(diào)控小麥春化發(fā)育的新基因。

田芳慧等[2]研究了春化光周期基因型與產(chǎn)量性狀的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)Vrn-B1與抽穗期呈顯著正相關(guān)，與每穗小穗數(shù)和產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)；Vrn-D1與抽穗期呈極顯著正相關(guān)。本研究中，Vrn-B1位點(diǎn)與產(chǎn)量構(gòu)成要素中的成穗數(shù)和穗粒數(shù)負(fù)相關(guān)，而與千粒重正相關(guān)，但均未達(dá)顯著水平；Vrn-D1位點(diǎn)與苗穗期顯著負(fù)相關(guān)，該結(jié)果與田芳慧等的研究不同，所研究品種的類型和數(shù)量差異較大可能是造成的兩者結(jié)果差異的主要原因，而Vrn-D1位點(diǎn)對(duì)產(chǎn)量性狀的作用機(jī)制也有待更深入研究。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，春化基因Vrn-D1與產(chǎn)量構(gòu)成各性狀正相關(guān)。凡具有Vrn-D1春化基因的品種，在品種群體、穗部性狀等方面更具優(yōu)勢(shì)，最終更容易取得高產(chǎn)，因此可以利用本結(jié)論進(jìn)行高產(chǎn)品種的篩選鑒定。