早熟高產(chǎn)小麥品種川麥1247的灌漿特性和功能基因研究

李式昭,涂 洋,朱華忠,鄭建敏,劉澤厚,王 琴,羅江陶,萬(wàn)洪深,伍 玲

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/糧油作物綠色種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南地區(qū)小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610066)

【研究意義】四川盆地屬亞熱帶多熟種植集約農(nóng)區(qū),光照不足而熱量資源較好。小麥-水稻輪作能分別利用冬、夏光熱資源,實(shí)現(xiàn)一年兩熟,是四川盆地周年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)傳統(tǒng)的耕作制度和重要生產(chǎn)模式之一[1-3]。在“小麥-水稻輪作”種植模式下,小麥在5月上、中旬收獲,而與之輪作的水稻一般在3月底、4月初進(jìn)行育秧,待小麥?zhǔn)斋@后馬上移栽大田。小麥與水稻兩季作物常在5月份爭(zhēng)時(shí)爭(zhēng)地造成農(nóng)時(shí)緊張,且小麥季的遲熟晚收將導(dǎo)致水稻季栽種延遲,進(jìn)而嚴(yán)重影響產(chǎn)量,因此,早熟小麥在四川盆地備受青睞。研究早熟小麥品種川麥1247的灌漿特性和功能基因,可為今后四川盆地早熟高產(chǎn)小麥新品種選育提供參考?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】早熟小麥品種川麥1247(川審麥2015 010)于2015年通過(guò)四川省審定,區(qū)試平均產(chǎn)量5509.5 kg/hm2,較對(duì)照綿麥37增產(chǎn)13.3%。表現(xiàn)早熟(較對(duì)照平均早熟3 d)、抗病(高抗條銹病、中抗赤霉病),且抗倒伏,適應(yīng)機(jī)械化收獲。川麥1247于2018年成為四川省農(nóng)業(yè)主推技術(shù)“早熟小麥-水稻輪作全程機(jī)械化周年高效生產(chǎn)技術(shù)模式”的首選小麥品種,在四川盆地內(nèi)常年表現(xiàn)3月上、中旬抽穗,5月上旬末成熟,較當(dāng)前四川主栽小麥品種平均早熟5～7 d,與水稻機(jī)直播技術(shù)或機(jī)插秧技術(shù)配套,尤其能滿足當(dāng)前種糧大戶和企業(yè)對(duì)水稻早茬前作小麥的需求。小麥開(kāi)花-成熟階段屬籽粒灌漿期,灌漿為小麥花前物質(zhì)積累、花后綠葉持續(xù)、光合特性、蒸騰特性等共同作用的結(jié)果,是影響粒重和小麥產(chǎn)量的重要生理因素[4-7]。早熟品種通常生育期短,導(dǎo)致灌漿期縮短,相比中、晚熟品種產(chǎn)量較低。為避免早熟對(duì)產(chǎn)量的負(fù)面影響,通常要求早熟小麥品種灌漿快,以期用灌漿速度的提高來(lái)補(bǔ)償灌漿期縮短的不利效應(yīng),從而保證較高粒重[8-11]。早熟小麥品種川麥1247在區(qū)試中和生產(chǎn)上均能獲得高產(chǎn),表明該類型小麥品種生育后期具有較好的籽粒灌漿特性。同時(shí),以SNP標(biāo)記為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的小麥基因芯片技術(shù),已成為評(píng)估品種遺傳構(gòu)成、分析遺傳多樣性以及解析小麥功能基因的重要手段。小麥50K SNP基因芯片(Axiom?Wheat Trait Breed 50K SNP Array)[12]能檢測(cè)54 680個(gè)SNP位點(diǎn),包含135個(gè)功能基因標(biāo)記信息,該芯片技術(shù)可為解析川麥1247早熟、高產(chǎn)特性提供便利。【本研究切入點(diǎn)】目前,針對(duì)四川盆地早熟小麥品種的灌漿特性和功能基因研究鮮見(jiàn)報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以四川盆地目前推廣種植的早、中、晚3種熟性的高產(chǎn)小麥品種為材料,從灌漿特性、功能基因等方面研究早熟高產(chǎn)小麥品種川麥1247早熟、高產(chǎn)的發(fā)育與生理學(xué)基礎(chǔ),明確其籽粒灌漿規(guī)律和相應(yīng)優(yōu)異功能基因,以期利用川麥1247優(yōu)良種質(zhì)資源,為四川盆地選育和生產(chǎn)上利用適宜“小麥-水稻輪作”模式的早熟高產(chǎn)小麥品種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2021—2022年在四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院郫縣基地進(jìn)行,隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù)。小區(qū)面積6.67 m2,6行區(qū),行距0.267 m。試驗(yàn)品種為川麥1247、川麥1313、川麥104、川麥42、綿麥367、川農(nóng)32。其中川麥1247、川麥1313為早熟品種,其余品種均屬四川盆地和西南麥區(qū)生產(chǎn)上大面積應(yīng)用品種;且川麥104、川麥42和綿麥367為中熟品種,川農(nóng)32為晚熟品種。以上品種基本可以代表近年來(lái)四川小麥的育種進(jìn)展。

1.2 方法

1.2.1 播種方法及田間管理 根據(jù)各品種的千粒重、發(fā)芽率確定實(shí)際播種量。隨后對(duì)基地土壤進(jìn)行肥力測(cè)試分析,再確定肥料配比,底肥施45%養(yǎng)分含量的復(fù)合肥[m(N)∶m(P)∶m(K)=15∶15∶15]300 kg/hm2,小麥拔節(jié)期追施尿素75 kg/hm2。播期2021年10月30日,采用手推播種器人工條播,待各品種出苗后及時(shí)勻苗、定苗,保證每小區(qū)基本苗1.88×106株/hm2。全生育期適時(shí)澆水、施藥、除草,灌漿后期及時(shí)鋪設(shè)防鳥(niǎo)網(wǎng)防止鳥(niǎo)害,其他田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)一致。

1.2.2 籽粒灌漿過(guò)程測(cè)定 在開(kāi)花期當(dāng)天每小區(qū)掛牌標(biāo)記有代表性、花期一致的單莖80穗。從開(kāi)花后第5天開(kāi)始取樣,之后每隔5 d取樣1次,共取樣8次。每次隨機(jī)取掛牌標(biāo)記的單莖10穗,置于烘箱內(nèi)105 ℃殺青30 min,然后80 ℃烘至恒重,手工剝出籽粒,統(tǒng)計(jì)粒數(shù)并秤取干重。灌漿速率用每粒每天增長(zhǎng)量表示。成熟時(shí)每品種收獲50單穗,脫粒曬干,測(cè)定品種千粒重。

1.2.4 川麥1247功能基因分析 對(duì)川麥1247取3株幼苗葉片,采用改良CTAB法[14]提取基因組DNA,并用UV-9000型紫外分光光度計(jì)檢測(cè)DNA樣品濃度。隨后利用小麥50K SNP基因芯片對(duì)川麥1247的功能基因進(jìn)行分析,芯片檢測(cè)由北京博奧晶典生物技術(shù)有限公司完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同熟性小麥品種的生育期比較

從表1可知,早熟品種川麥1247、川麥1313的成熟期分別為4月28日、4月26日;中熟小麥品種川麥42、川麥104和綿麥367的成熟期為5月2—3日;晚熟品種川農(nóng)32的成熟期為5月5日(圖1)。

圖1 不同熟性小麥品種的成熟期

圖2 各小麥品種開(kāi)花后的籽粒灌漿動(dòng)態(tài)

川麥1247全生育期較四川大面積推廣中熟品種提早4～5 d,較晚熟品種提早7 d。從整個(gè)小麥生育進(jìn)程來(lái)看,川麥1247的抽穗期、開(kāi)花期也均早于中熟和晚熟品種,具有前端快速發(fā)育的特征,為其早熟早收打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2 不同熟性小麥品種的籽粒灌漿模型及參數(shù)

針對(duì)不同熟性小麥品種的籽粒灌漿動(dòng)態(tài)及時(shí)取樣(圖2),各小麥品種的籽粒灌漿過(guò)程均符合“慢—快—慢”的生長(zhǎng)規(guī)律,符合Logistic生長(zhǎng)曲線方程(圖3)。擬合后決定系數(shù)R2=0.992-0.999,達(dá)極顯著水平,適合度好,說(shuō)明Logistic方程描述的曲線(表2)可反映不同熟性品種的籽粒灌漿進(jìn)程,并由Logistic方程和灌漿速率方程推導(dǎo)出相應(yīng)籽粒的灌漿參數(shù)(表3)。根據(jù)Logistic方程的2個(gè)突變點(diǎn),可將各小麥品種的籽粒灌漿進(jìn)程劃分為漸增期、快增期和緩增期3個(gè)階段。

表2 不同熟性小麥品種籽粒灌漿的Logistic方程參數(shù)

表3 不同熟性小麥品種的籽粒灌漿參數(shù)

從籽粒灌漿參數(shù)(表3)來(lái)看,不同熟性小麥品種的灌漿持續(xù)時(shí)間(T)為60.21～64.02 d,平均灌漿速率(R)為0.55～0.96 mg/(粒·d),最大灌漿速率(Rmax)為1.05～1.99 mg/(?！),灌漿速率達(dá)最大值的時(shí)間(TRmax)為24.09～28.53 d。從階段灌漿參數(shù)來(lái)看,不同熟性小麥品種的灌漿漸增期持續(xù)時(shí)間(T1)為13.57～18.74 d,灌漿速率(R1)為0.52～0.71 mg/(?！),籽粒粒重增量(W1)為7.08～12.22 g,相對(duì)粒重增量(W1%)為18.43～23.50;快增期持續(xù)時(shí)間(T2)為19.10～21.26 d,灌漿速率(R2)為0.92～1.75 mg/(粒·d),籽粒粒重增量(W2)為19.34～33.39 g,相對(duì)粒重增量(W2%)為50.35～64.21;緩增期持續(xù)時(shí)間(T3)為23.77～26.46 d,灌漿速率(R3)為0.26～0.49 mg/(?！),籽粒粒重增量(W3)為6.74～11.64 g,相對(duì)粒重增量(W3%)為17.56～22.39。

與其他品種相比,川麥1247的總體灌漿持續(xù)時(shí)間較短,為60.57 d,且平均灌漿速率較高,達(dá)到0.90 mg/(粒·d)。從川麥1247灌漿的3個(gè)階段來(lái)看,其灌漿持續(xù)時(shí)間短,具體表現(xiàn)在灌漿快增期和灌漿緩增期(第2、3階段),而灌漿速率高則表現(xiàn)在灌漿漸增期和灌漿緩增期(第1、3階段),其中灌漿緩增期(第3階段)同時(shí)表現(xiàn)出持續(xù)時(shí)間短和灌漿速率高的特點(diǎn),表明川麥1247還具有后端快速發(fā)育的特征。

早熟品種(川麥1247、川麥1313)整體灌漿持續(xù)時(shí)間短,分別較中熟(川麥104、川麥42、綿麥367)、晚熟品種(川農(nóng)32)短1.8和2.3 d,但灌漿速率一直處于較高水平,平均灌漿速率較中熟、晚熟品種大0.29和0.05 mg/(?！),且灌漿高峰的峰值高,最大灌漿速率較中熟、晚熟品種大0.66和0.07 mg/(?！),明顯表現(xiàn)出“T短、R高、Rmax高”的特點(diǎn)。從灌漿3個(gè)階段來(lái)看,則具體體現(xiàn)在“T2、T3短,R1、R2、R3高”,保證了早熟品種能在較短的灌漿持續(xù)時(shí)間內(nèi)以較高的速率完成整個(gè)灌漿進(jìn)程,且早熟品種的粒重增量和相對(duì)粒重增量也表現(xiàn)較高。

2.3 不同熟性小麥品種粒重形成的灌漿參數(shù)與最終粒重的相關(guān)分析

籽粒灌漿參數(shù)與粒重的相關(guān)分析(表4)表明,除灌漿持續(xù)時(shí)間(T)外,其余灌漿參數(shù)都與粒重呈正相關(guān),其中與最終千粒重呈顯著正相關(guān)的參數(shù)有平均灌漿速率(R)和最大灌漿速率(Rmax),其余參數(shù)未達(dá)到顯著水平。

階段籽粒灌漿參數(shù)與粒重的相關(guān)分析(表5)表明,與最終千粒重呈顯著正相關(guān)的參數(shù)包含漸增期持續(xù)時(shí)間(T1)和漸增期、快增期和緩增期灌漿速率(R1、R2和R3)。又以快增期灌漿速率(R2)作用最大,其它階段灌漿參數(shù)未達(dá)顯著水平。提高快增期灌漿速率(R2)對(duì)最終千粒重的形成具有重要影響。

表4 灌漿參數(shù)與千粒重的相關(guān)關(guān)系

表5 階段灌漿參數(shù)與千粒重的相關(guān)關(guān)系

圖4 不同熟性小麥品種籽粒灌漿速率的變化動(dòng)態(tài)

2.4 不同熟性小麥品種籽粒灌漿速率變化

從圖4和表3可以看出,川麥1247初期灌漿速率較快,明顯高于中熟和晚熟類型小麥品種,并在花后26.51 d達(dá)到最大灌漿速率,到達(dá)峰值后灌漿速率快速下降,但仍高于中熟類型小麥品種。

對(duì)早熟品種(川麥1247、川麥1313)來(lái)講,灌漿速率整體一直處于較高水平,且灌漿高峰的峰值高。到達(dá)灌漿高峰后,早熟品種的灌漿速率快速下降,在花后35 d左右被晚熟品種超過(guò),但仍高于中熟類型品種,充分保證了早熟品種在灌漿后期灌漿速度快速下降的情況下仍能形成較高的粒重。

2.5 川麥1247的功能基因檢測(cè)

Wheat 50K SNP基因芯片含有常見(jiàn)小麥功能基因(農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性等)的SNP標(biāo)記,可對(duì)上述性狀進(jìn)行快速檢測(cè)。

從對(duì)早熟性狀影響最大的光周期基因和春化基因的檢測(cè)結(jié)果(表6)來(lái)看,川麥1247含有光周期基因Ppd-D1a、春化基因vrn-A1和Vrn-D1a,而在VRN-B1位點(diǎn)則檢測(cè)到vrn-B1和Vrn-B1c2種類型,還需要進(jìn)一步確定。川麥1247含有效應(yīng)最強(qiáng)的光周期不敏感型等位基因Ppd-D1a,能加速小麥開(kāi)花并促進(jìn)小穗發(fā)育。同時(shí),川麥1247含有的春化基因Vrn-D1a表現(xiàn)春性,可以部分減少對(duì)低溫春化作用的需求。在其他類型基因方面,川麥1247具有正向控制千粒重的基因(TaSus2-2A、TaGASR-7A、TaGW2-6B、TaSus1-7B、TaGS1a和TaGS-D1a)、抗穗發(fā)芽基因(TaSdr-A1a、Vp1Bb)、抗旱基因(TaDreb-B1a),抗病基因(Sr36、Sr2、Tsn1、Lr67)、優(yōu)質(zhì)基因(Ppo-A1b、Psy-A1b),以上基因的聚合效應(yīng)可能是川麥1247在早熟、高產(chǎn)及抗病性狀上表現(xiàn)優(yōu)良的重要原因。

3 討 論

3.1 川麥1247的灌漿特性與利用價(jià)值

本研究表明,川麥1247全生育期較四川大面積推廣中熟品種提早4～5 d,較晚熟品種提早7 d。從灌漿參數(shù)來(lái)看,川麥1247灌漿持續(xù)時(shí)間較短,而平均灌漿速率較高;從灌漿3個(gè)階段來(lái)看,川麥1247的灌漿快增期、緩增期持續(xù)時(shí)間較短,而灌漿漸增期、緩增期的灌漿速率較高。川麥1247抽穗期較早,且在灌漿第3階段(緩增期)灌漿強(qiáng)度大,這種前后兩端快速發(fā)育的特征保證了川麥1247的早熟性得到充分發(fā)揮,且能以較高的灌漿速率完成整個(gè)灌漿進(jìn)程,相對(duì)避免了早熟對(duì)產(chǎn)量的負(fù)面影響。在四川盆地“小麥-水稻輪作”種植模式下,培育和種植早熟小麥品種是解決當(dāng)前生產(chǎn)上小麥與水稻兩季作物之間農(nóng)時(shí)緊張乃至影響水稻季產(chǎn)量的重要手段,而生產(chǎn)中曾采用的一些早熟小麥品種,因?yàn)楣酀{持續(xù)時(shí)間短,造成粒重減少、產(chǎn)量降低;或?qū)υ绱旱蜏乩浜γ舾?、結(jié)實(shí)率下降、產(chǎn)量不穩(wěn)定,應(yīng)用效果并不理想。川麥1247灌漿速率高,可以彌補(bǔ)灌漿期縮短的不利影響,且能避開(kāi)后期高溫危害風(fēng)險(xiǎn),保持粒重高而穩(wěn)定。同時(shí),多年試驗(yàn)表明川麥1247比一般小麥品種耐春寒性強(qiáng)、冷害不實(shí)率低、安全穩(wěn)產(chǎn)性好。因此,川麥1247在當(dāng)前生產(chǎn)上和早熟小麥育種中均具有較高利用價(jià)值。

表6 川麥1247的功能基因分型

3.2 四川小麥品種灌漿特性與豐產(chǎn)性的關(guān)系

相關(guān)研究表明,在四川盆地生態(tài)條件下,選育生育期適中、花期相對(duì)較早、漸增期長(zhǎng)、灌漿速率高的品種有利于小麥籽粒灌漿及高產(chǎn)的形成[15]。本研究結(jié)果與此一致,6份四川小麥品種最終千粒重與平均灌漿速率、最大灌漿速率、漸增期持續(xù)時(shí)間和漸增期、快增期、緩增期的灌漿速率呈顯著正相關(guān)。從灌漿3個(gè)階段來(lái)看,6份四川小麥品種的灌漿持續(xù)時(shí)間由長(zhǎng)至短依次為緩增期(25.11 d)、快增期(20.17 d)和漸增期(16.40 d),而粒重增量則分別約占最終千粒重的19.29%、55.31%和20.25%,進(jìn)一步表明灌漿快增期是決定最終粒重的關(guān)鍵時(shí)期。本研究還表明,早熟小麥品種(川麥1247、川麥1313)的整體灌漿速率在灌漿3個(gè)階段一直處于較高水平,且灌漿高峰的峰值高,可以保持粒重穩(wěn)定,說(shuō)明在整個(gè)灌漿期內(nèi),早熟小麥品種能夠充分利用花前貯備的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),且對(duì)花前同化產(chǎn)物的利用相對(duì)穩(wěn)定協(xié)調(diào),由此保證灌漿后期籽粒干物質(zhì)的積累能夠達(dá)到較高水平。特別是川麥1247還具有前后兩端快速發(fā)育的特性,能夠較好地結(jié)合小麥的早熟性與豐產(chǎn)性。鑒于灌漿速率對(duì)粒重的重要性,可以針對(duì)小麥籽粒灌漿速率相關(guān)參數(shù)的QTL[16-19]來(lái)輔助選育早熟小麥品種。

3.3 川麥1247的功能基因研究

小麥的早熟性是基因型和光溫互作的結(jié)果,與光周期及春化基因密切相關(guān)。小麥光周期反應(yīng)主要由定位于染色體2D、2B和2A短臂上的3個(gè)部分同源基因控制,即Ppd-D1、Ppd-B1和Ppd-A1,其中起主導(dǎo)地位的是Ppd-D1位點(diǎn)[20]。Ppd-D1能使冬小麥整個(gè)生育期明顯縮短,特別是拔節(jié)以后,各時(shí)期明顯提前,促進(jìn)小麥開(kāi)花和成熟[21-22]。川麥1247含有光周期不敏感型基因Ppd-D1a,可以促進(jìn)提早開(kāi)花,且不育小穗數(shù)低,能最大限度保證產(chǎn)量不受影響。小麥的春化特性則受多個(gè)春化基因位點(diǎn)控制,其中Vrn1占據(jù)主導(dǎo)地位。春化基因Vrn1存在3個(gè)部分同源基因VRN-A1、VRN-B1和VRN-D1,分別位于小麥5A、5B 和5D 染色體長(zhǎng)臂上。VRN-A1位點(diǎn)攜帶顯性基因的小麥品種幾乎不需要低溫春化的過(guò)程即可完成由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變,而VRN-B1和VRN-D1位點(diǎn)上的顯性基因只能導(dǎo)致部分春化性狀消失[23]。川麥1247含有春化基因vrn-A1和Vrn-D1a,其中Vrn-D1a使品種春性特性增強(qiáng),生育期縮短,抽穗期和開(kāi)花期提前[24-25],表現(xiàn)早熟性。同時(shí),川麥1247還含有與小麥千粒重相關(guān)的優(yōu)異等位變異TaSus2-2A[26]、TaGASR-7A[27]、TaGW2-6B[28]、TaSus1-7B[29]、TaGS1a[30]和TaGS-D1a[31],這些基因可能有利于川麥1247的籽粒灌漿,特別是提高其灌漿強(qiáng)度,在較短灌漿時(shí)間內(nèi)能轉(zhuǎn)運(yùn)較多的光合產(chǎn)物而提高粒重[19]。目前,籽粒灌漿特性與上述粒重基因之間的關(guān)系尚不明確,若能揭示某些粒重基因(或相關(guān)QTL)與灌漿速率的關(guān)系,將有助于在育種中有效利用這些基因,進(jìn)一步改良四川盆地小麥品種的籽粒灌漿特性。

4 結(jié) 論

川麥1247早熟性明顯,適合當(dāng)前四川盆地“小麥-水稻輪作”種植模式,且抽穗期早,灌漿速率高,具有良好的籽粒灌漿特性,同時(shí)還聚合早熟、高產(chǎn)相關(guān)優(yōu)異功能基因資源。因此,川麥1247在當(dāng)前生產(chǎn)上和早熟小麥育種中均具有較高利用價(jià)值。