小麥芒長近等基因系的表型及遺傳分析

陳真真，周國勤，陳金平，石守設(shè)，謝旭東，申冠宇

（信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南信陽 464000）

在結(jié)構(gòu)和功能上芒與葉片有許多相似之處，芒是葉的變態(tài)，是小花外稃的延伸。芒是小麥重要的形態(tài)標(biāo)記和穗部重要的光合器官。小麥（Triticum aestivumL.）芒中的綠色細(xì)胞富含葉綠體與線粒體，麥芒中的葉綠體具有光合作用的結(jié)構(gòu)和光化學(xué)活性［1］。由此可知，芒在光合作用和碳同化的過程中也具有非常重要的作用。大麥栽培品種Morex 的內(nèi)外稃、種子和芒的基因表達(dá)表明，與光合作用、葉綠素生物合成和活性氧清除有關(guān)的基因在麥芒中優(yōu)先表達(dá)；在外稃中防御相關(guān)的基因優(yōu)先表達(dá)。小穗器官對(duì)于子粒灌漿期的貢獻(xiàn)還沒有完全闡明，而在大麥中芒的光合作用占穗部光合作用的90%，內(nèi)外稃是大麥穗部第二重要的光合器官［2］。芒與干旱有關(guān)的基因多于內(nèi)外稃［3］，與旗葉相比由于芒表面有硅質(zhì)和角質(zhì)層從而可以保持較高的電子運(yùn)輸速率和相對(duì)含水量［4］。對(duì)鄭引1 號(hào)、豐產(chǎn)3 號(hào)和矮豐3 號(hào)3 個(gè)小麥品種進(jìn)行剪芒處理結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)品種千粒重分別比對(duì)照減少了8.7%、2.2%和5.3%，穗粒數(shù)分別減少了0.8%、0.5%和2.2%。楊兆生等［5］、王瑞清等［6］、馮朝章等［7］的試驗(yàn)結(jié)果與之類似，且粒重與芒的有無、功能期的長短有密切的關(guān)系，不同品種間存在顯著差異。

小麥芒的性狀分為芒長、芒抑制、鉤芒等幾種情況。芒的發(fā)育由A、B1、B2、B3和Hd共5 個(gè)主效基因和一些微效基因共同決定。其中，A基因具有促進(jìn)作用；B1、B2、B3基因具有抑制作用，B1具有較強(qiáng)的抑制作用，B2的抑制作用居中，B3具有最弱的抑制作用；Hd基因調(diào)控鉤芒的產(chǎn)生。早期的研究表明，芒性狀是由一對(duì)等位基因控制的，無芒表現(xiàn)為顯性，有芒表現(xiàn)為隱性。黃瑾等［8］采用常規(guī)雜交方法，王彥梅等［9］應(yīng)用單體分析法，鄭建敏等［10］利用常規(guī)雜交法對(duì)芒性狀進(jìn)行遺傳分析，結(jié)果表明性狀分離符合孟德爾規(guī)律，無芒對(duì)有芒為顯性，且受一對(duì)顯性基因控制。Shin 等［11］用雜交的98 個(gè)F2代植株對(duì)短芒基因lks2進(jìn)行分子定位，Takahisa 等［12］完成了大麥芒基因lks2的精細(xì)定位，然而目前對(duì)于麥芒的遺傳與發(fā)育還缺乏系統(tǒng)的研究。

作者在前期的雜交育種工作中從CSAM 的F8代單株分離后代中獲得一對(duì)芒長度存在差異、遺傳背景一致的近等基因系CSAM1（長芒）與CSAM2（短芒）。本研究通過對(duì)其性狀的調(diào)查以及對(duì)穗部光合作用和千粒重的比較，進(jìn)一步證明了芒在小麥生育過程的重要作用。同時(shí)利用CSAM1（長芒）與CSAM2（短芒）雜交獲得分離群體，并對(duì)控制二者芒長度差異的基因進(jìn)行初步遺傳分析，以期為芒性狀相關(guān)基因的后續(xù)研究和小麥的遺傳改良研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

CSAM1 和CSAM2 是信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院利用美國軟紅和中國春雜交的后代，為F8代中選育出的2個(gè)株系，連續(xù)多年種植性狀表現(xiàn)穩(wěn)定。利用CSAM1（長芒）與CSAM2（短芒）雜交獲得F1，自交獲得F2分離群體和F2∶3家系。

1.2 田間種植和性狀調(diào)查

2個(gè)材料均種植于信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地，每種材料種植2 行，行長為5.00 m，行距為0.33 m，3 次重復(fù)。F2群體按單粒播種的方式種植，行長為2.00 m，行間距為0.33 m，株距為0.15 m；F2∶3家系群體按單粒播種種植成株行，行長為2.00 m，行間距為0.33 m，株距為0.15 m，田間管理按大田常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。用LI-6400 型光合儀進(jìn)行旗葉葉片光合速率的測(cè)定。測(cè)定時(shí)間為2020 年5 月6 日，每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定3 次。 灌漿速率測(cè)定于材料花后10 d（2020 年4 月26 日）開始，每5 d 取1 次樣直至小麥?zhǔn)斋@。每個(gè)材料隨機(jī)取穗，脫粒烘干稱量干重。

1.3 田間芒長表型評(píng)估

將小麥穗部平均分成上、中、下3 個(gè)部分，蠟熟期后取10 株植株，每株在主莖穗部上、中、下部分別選取3 根芒用直尺測(cè)量，取平均值，記錄每一部分的數(shù)據(jù)用作表型及遺傳分析。

1.4 遺傳分析

利用CSAM1（長芒）與CSAM2（短芒）雜交獲得F1，觀察F1代芒性狀的表現(xiàn)，F(xiàn)1代自交獲得F2分離群體和F2∶3家系，統(tǒng)計(jì)F2代出現(xiàn)的芒類型，經(jīng)過卡方檢驗(yàn)看其是否遵循1∶2∶1 或3∶1 的孟德爾遺傳定律分離比。

2 結(jié)果與分析

2.1 CSAM1 和CSAM2 植株性狀表現(xiàn)

對(duì)CSAM1（長芒）和CSAM2（短芒）2 個(gè)材料的性狀進(jìn)行調(diào)查，考察的農(nóng)藝性狀包括株高、穗長、殼色、粒色、每株穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、芒類型以及抽穗期和開花期。結(jié)果（表1、圖1）表明，2 個(gè)材料芒長差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01），而生育期、株高、穗長、殼色、粒色、每株穗數(shù)、小穗數(shù)和穗粒數(shù)等性狀差異不明顯，基本一致。這說明CSAM1（長芒）和CSAM2（短芒）可作為一對(duì)良好的近等基因系用于芒長性狀的研究。

表1 CSAM1（長芒）和CSAM2（短芒）的性狀特點(diǎn)

圖1 CSAM1（長芒）和CSAM2（短芒）的穗部

2.2 CSAM1（長芒）和CSAM2（短芒）旗葉光合速率及灌漿速率差異

花后20 d 時(shí)，分別測(cè)定了CSAM1（長芒）和CSAM2（短芒）旗葉的光合速率，結(jié)果見表2。其中，長芒材料CSAM1 旗葉的凈光合速率明顯高于短芒材料CSAM2 旗葉的凈光合速率，且部分時(shí)間點(diǎn)差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），說明芒的存在顯著增加了旗葉的光合能力。從花后10 d 開始每隔5 d 取材，分別測(cè)定比較2 個(gè)材料的灌漿速率，可以看出，開花后15 d 左右子粒千粒重增長迅速，2 個(gè)材料的千粒重差異不明顯，但從花后25 d 開始，長芒材料CSAM1 千粒重高于短芒材料CSAM2，至收獲CSAM1 的平均千粒重為34.3 g，CSAM2 的平均千粒重為33.0 g（表2）。這證明芒在子粒灌漿后期同化產(chǎn)物的積累中起到了重要作用，從而造成二者千粒重的差異。

表2 CSAM1（長芒）和CSAM2（短芒）旗葉的光合速率和灌漿速率

2.3 群體芒長表型評(píng)估鑒定

2 個(gè)親本中，CSAM2（短芒）表現(xiàn)為短芒，CSAM1（長芒）表現(xiàn)為有芒（穗部平均芒長大于4.2 cm）。由于芒的長度不同以及在穗部著生的位置不同，于是對(duì)親本和F1群體穗部各個(gè)部位芒長進(jìn)行評(píng)估鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無芒親本芒長不超過0.5 cm，中部芒長不超過0.25 cm，下部沒有芒；有芒親本上部和中部芒長都大于4.2 cm，下部平均芒長超過2.8 cm。將無芒親本與有芒親本雜交，雜交F1代個(gè)體全部表現(xiàn)為有芒，但都為短芒，且各部位芒長介于雙親之間。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，2 個(gè)親本和雜交后代F1群體穗部下部芒長最短，中部芒長最長，上部芒長居于二者之間。但通過性狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然親本中國春是無芒小麥品種，但其穗上部存在少量很短的芒，因此用上部芒長小于0.6 cm 作為劃分小麥群體無芒的標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 群體芒長遺傳分析

CSAM1（長芒）與CSAM2（短芒）的雜種F1代全部表現(xiàn)為短芒，其F2代共調(diào)查983 株，其中長芒246株，短芒737 株。對(duì)F3代調(diào)查發(fā)現(xiàn)，737 個(gè)短芒F2植株的后代中，有529 個(gè)短芒F2植株的后代發(fā)生了芒長性狀的分離，208 個(gè)短芒F2植株的后代未發(fā)生分離。246 株長芒F2的后代植株全部表現(xiàn)為長芒。χ2檢驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)2代短芒植株和長芒植株的分離比例符合3∶1 的分離比例（表3）。以上結(jié)果說明，本試驗(yàn)所研究材料CSAM1 與CSAM2 的芒長性狀受單基因控制，其中短芒對(duì)長芒為顯性。

表3 F2群體的遺傳分析以及卡方檢驗(yàn)

3 討論

芒作為小麥穗部器官的組成之一，具有促進(jìn)小麥光合作用、推動(dòng)種子傳播、防御食草動(dòng)物、干旱條件下增加產(chǎn)量等作用［13］。在植物長期進(jìn)化過程中，任何組織器官的存在都是適應(yīng)自然界和自然選擇的結(jié)果。芒作為小麥穗器官的組成，是小麥長期馴化和適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果［14］。芒作為穗部外稃和護(hù)穎的針狀延伸結(jié)構(gòu)，著生有硅質(zhì)倒刺，因此芒對(duì)防止鳥蟲害和種子傳播是有利的［1，4］。從芒的超顯微結(jié)構(gòu)來看，小麥的芒中富含葉綠體和線粒體，具有同葉片中相同的結(jié)構(gòu)和光化學(xué)特性，能極大地增加穗部光合面積［1］。小麥的芒對(duì)光合作用及蒸騰作用有積極影響，并對(duì)干旱具有適應(yīng)性屬性［1，8］。芒具有提高光合面積、光合效率和提高小麥產(chǎn)量的作用［10］。因此，芒的有無也對(duì)產(chǎn)量有直接影響。小麥的芒是葉的變態(tài)，是由小花外稃的末端延伸形成的針狀物，在內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能上與葉片有許多共同之處［15］。在對(duì)小麥光合效率和產(chǎn)量研究方面，除葉片以外，芒也起重要作用［8］。從結(jié)構(gòu)上講，芒具有對(duì)小麥生長和繁殖有利的結(jié)構(gòu)特征。還有研究表明，在逆境條件下，無芒小麥比有芒小麥產(chǎn)量降低的幅度要大［13］。因此，探究小麥芒的形成發(fā)育及其背后的遺傳分子機(jī)理，不僅有助于小麥抗逆性和產(chǎn)量的提升，而且為小麥的遺傳改良提供了新的思路。

Duwayri［16］研究了在干旱條件下旗葉和芒的去除對(duì)小麥子粒產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，只去除旗葉、只去除芒和同時(shí)去除旗葉+芒的組合產(chǎn)量分別降低了10.7%、15.9% 和21.2%，單株粒數(shù)分別減少了11.1%、11.3%和11.2%。研究還表明，適應(yīng)干旱地區(qū)條件品種的芒對(duì)產(chǎn)量的的貢獻(xiàn)要大于旗葉對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)［17］。Khaliq 等［18］的研究則表明，去除旗葉和去除芒相比，去除芒對(duì)產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響較小，去除旗葉對(duì)產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響較大，而與單獨(dú)去除相比，二者共同去除均具有更顯著的作用。這表明在選擇具有良好的光合活性和高產(chǎn)小麥品種時(shí)，旗葉+芒可以用作形態(tài)標(biāo)記。

目前人們多是通過采用剪芒的方法研究芒對(duì)產(chǎn)量形成的影響，芒對(duì)子粒灌漿的影響通過剪芒和未剪芒材料的千粒重和產(chǎn)量差異來說明［16，19］。但是這種研究方法無法避免剪芒造成的機(jī)械傷害的影響，同時(shí)也難以進(jìn)行較大面積的試驗(yàn)。而利用近等基因系研究芒在子粒形成過程中的貢獻(xiàn)則不會(huì)存在以上這種影響，同時(shí)可以解決利用不同小麥品種進(jìn)行研究所存在的遺傳背景差異問題。 也有一些獲得不同芒長性狀近等基因系的報(bào)道，Weyhrich 等［20］利用3 個(gè)有芒硬粒小麥TAM107、Mustang、Century 與無芒軟紅冬小麥品系McNair1003 雜交，雜交后代獲得了以這3 個(gè)硬粒小麥品種為背景的無芒、有芒近等基因系，并在光合作用和水分利用效率的試驗(yàn)中比較了近等基因系之間的差異，同時(shí)試驗(yàn)也證明在供水充足的條件下，有芒穗部的光合效率明顯高于無芒小麥的穗部光合能力。Tsunewaki 等［21］獲得了小麥品種S-615 遺傳背景的芒B1基因的近等基因系，發(fā)現(xiàn)2 個(gè)近等基因系不僅芒長存在差異，其第一節(jié)間長度、花藥長度、收獲指數(shù)、穗軸密度、小穗密度等性狀也存在明顯差異。這可能是由于回交代數(shù)比較少，所獲近等基因系除了B1位點(diǎn)存在差異外，控制其他性狀的基因位點(diǎn)也存在較大差異。

研究者對(duì)小麥芒長基因進(jìn)行了初步定位。宮希等［22］利用長芒的普通小麥鄭麥9023 與無芒的西藏半野生小麥Q(jìng)1028 構(gòu)建了一個(gè)重組自交系群體（186個(gè)株系），采用SSR 和DArT 分子標(biāo)記構(gòu)建了覆蓋小麥全基因組的遺傳圖譜（2 597 cM），基于重組自交系群體2 年芒長表型數(shù)據(jù)，采用ICIM 作圖法對(duì)小麥芒長性狀進(jìn)行QTL 定位分析，將麥芒抑制基因Hooded定位在4A 染色體短臂的標(biāo)記Xgpw4448 和wPt-1038 之間，遺傳距離為9 cM。金迪等［23］利用短芒材料六柱頭與長芒材料石矮1 號(hào)構(gòu)建的F2群體（SL-F2）研究了芒的遺傳與發(fā)育，將B2精細(xì)定位到了6B 染色體dCAPS18 和dCAPS3 標(biāo)記之間，遺傳距離為0.29 cM，對(duì)應(yīng)著中國春參考基因組（IWGSC.Ref. V 1.0）4.84 Mb 的物理區(qū)間。在B2定位區(qū)間共有61 個(gè)基因，其中5 個(gè)在中國春穗部特異表達(dá)，TraesCS6B02G264400 在中國春和Azhurnaya 幼穗表達(dá)差異顯著。

本研究表明，CSAM1（長芒）和CSAM2（短芒）材料的農(nóng)藝性狀如穗型、株高、殼色、粒色、穗長、小穗數(shù)和穗粒數(shù)均一致，僅芒長和千粒重存在差異。目前，小麥芒的發(fā)育及其遺傳調(diào)控機(jī)制尚不明確，充分了解芒的遺傳基礎(chǔ)，發(fā)揮其光合潛能，對(duì)小麥的遺傳改良和分子輔助育種具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。這套優(yōu)良的試驗(yàn)材料為研究芒的作用、小麥芒抑制基因的克隆和相關(guān)功能研究提供了重要的參考價(jià)值。