龐建周,王雪征,茜曉哲,王晨陽,陳淑萍

(河北省農(nóng)林科學院 旱作農(nóng)業(yè)研究所,河北省農(nóng)作物抗旱研究重點實驗室,河北 衡水　053000)

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小麥×玉米雜交雙單倍體后代的HMW-GS組成和易位分析

龐建周,王雪征,茜曉哲,王晨陽,陳淑萍

(河北省農(nóng)林科學院 旱作農(nóng)業(yè)研究所,河北省農(nóng)作物抗旱研究重點實驗室,河北 衡水053000)

為了提高優(yōu)質(zhì)小麥的育種效率，在早代明確高分子量谷蛋白亞基和醇溶蛋白的組成，增加育種的針對性，以1個小麥雜交組合的296個DH株系群體為試材，采用半粒SDS-PAGE法檢測麥谷蛋白，且用A-PAGE檢測了醇溶蛋白。結果表明：母本衡09-6324的HMW-GS構成為null、7+9、2+12，是有Sec-1特征帶的1BL/1RS易位系品種，父本師欒02-1亞基組成1、7+9、5+10，是非1BL/1RS易位系品種。296個DH株系共鑒定出6種不同的HMW-GS類型，均為父母本表達亞基類型的再分配，無變異類型。與面包加工品質(zhì)呈正相關的5+10亞基出現(xiàn)頻率為35.13%。DH株系材料中1BL/1RS易位系類型的占54.05%，1、5+10優(yōu)質(zhì)亞基同時出現(xiàn)，且沒有Sec-1表達的占15.20%，這些株系可作為新的面包小麥種質(zhì)資源使用。采用半粒SDS-PAGE和A-PAGE法對育種早代的優(yōu)異單株進行有效鑒定和選擇，可以提高優(yōu)質(zhì)小麥育種效率。

小麥;玉米;雙單倍體;半粒電泳法;HMW-GS;黑麥堿

小麥和玉米雜交,利用玉米染色體消失誘導小麥雙單倍體(DH,Double haploid)材料是一種高效率的小麥育種途徑,縮短了育種年限,加快了育種進程[1]。由小麥×玉米雜交產(chǎn)生的是純合的DH株系,因此DH群體可以穩(wěn)定繁殖、長期使用,是一種永久性群體。DH材料的遺傳結構能直接反映F1配子中基因的分離和重組,能在較短時間內(nèi)構建一個理想的遺傳作圖群體,因而能有效地進行小麥遺傳圖譜的構建、QTL的定位以及多基因聚合等研究[2]。

20世紀70年代國外Barclay就利用“遠緣雜交法”使得父本染色體消失從而誘導小麥單倍體的相關報道[3]。80年代中后期以英國、德國、法國、加拿大、CIMMYT為代表的學者在利用小麥×玉米雜交法誘導小麥單倍體領域的進展較快[4-6],應用此項技術在法國、加拿大等已經(jīng)育成一批高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小麥品種[7]。我國單倍體育種起步較晚,中國農(nóng)科院從20世紀90年代初就開展了利用小麥和玉米(或摩擦禾)雜交誘導小麥產(chǎn)生單倍體的研究,逐步完善了該技術過程,直到2011年才首次出現(xiàn)了應用此項技術育成小麥品種中麥533的報道[8]。

常規(guī)育種中品質(zhì)性狀不能夠在田間通過性狀表達和產(chǎn)量篩選,應用雙單倍體育種與常規(guī)育種相結合的方法以及生化及分子標記輔助選擇技術,實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)育種從傳統(tǒng)的經(jīng)驗到高效的精準育種的轉(zhuǎn)化,是快速培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)面包麥的有效途徑。目前,關于地方常規(guī)品種的HMW-GS和1BL/1RS易位的遺傳規(guī)律研究居多[9],但對于小麥×玉米雜交DH群體的研究鮮有報道。本試驗將本地綜合性狀好的高產(chǎn)母本衡09-6324與強筋優(yōu)質(zhì)父本師欒02-1雜交,在F1授玉米粉誘導生成雙單倍體植株,通過生化標記篩選含優(yōu)質(zhì)基因,但不表達黑麥堿(sec-1)的材料,作為小麥改良的新種質(zhì)資源。利用染色體消失法獲得的DH系在品種培育、材料創(chuàng)造、遺傳研究等方面都有著重要意義。

1　材料和方法

1.1供試材料

所用小麥母本為衡09-6324,是本地綜合性狀好的高產(chǎn)優(yōu)良品系,父本為師欒02-1,含1、5+10優(yōu)質(zhì)亞基,中國春為對照,均來自本單位小麥育種課題,玉米品種農(nóng)大958系市售品種。雜種F1授玉米粉誘導DH小麥單倍胚,經(jīng)0.75‰秋水仙素加倍處理后得到296個株系。雙單倍體生產(chǎn)試驗在河北省農(nóng)林科學院旱作農(nóng)業(yè)研究所旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗站溫室進行,生化檢測試驗在河北省農(nóng)作物抗旱研究重點實驗室進行。

1.2試驗方法

麥谷蛋白的提取和SDS-PAGE電泳參考封德順[10]和趙慶瑋等[11]的方法。采用SDS不連續(xù)緩沖系統(tǒng),用北京六一公司的小型電泳槽進行凝膠電泳分析,分離膠濃度為10.5%(pH值8.8),交聯(lián)度2.0%,濃縮膠濃度為3.7%(pH值6.8),交聯(lián)度2.7%,穩(wěn)壓電泳,直至溴酚蘭離開凝膠。

醇溶蛋白(Gliadin)的提取參考劉麗等[12]的方法,略有改動。采用酸性聚丙烯酰胺凝膠電泳法(A-PAGE)分析Gliadin,參考ISTA于1986年頒布的A-PAGE(pH值3.2,T=10%,C=3.5%)標準程序進行[13],檢測Sec-1特征譜帶,確定后代材料是否屬于1BL/1RS易位系。

2　結果與分析

2.1親本材料HMW-GS組成和1BL/1RS易位分析

衡09-6324是本單位小麥育種課題選育的抗旱、高產(chǎn)、早熟、抗病好的優(yōu)良品系,SDS-PAGE分析表明,HMW-GS構成為null、7+9、2+12,A-PAGE分析表明有明顯的Sec-1特征帶,是典型的1BL/1RS易位系品種。師欒02-1是2007年國審的優(yōu)質(zhì)強筋小麥,產(chǎn)量中等,亞基組成1、7+9、5+10,是非1BL/1RS易位系品種,其電泳譜帶的1、5+10屬優(yōu)質(zhì)亞基,尤其是5+10亞基是當前世界公認的最優(yōu)亞基[14],對小麥面粉烘烤品質(zhì)有著重要的影響。本試驗是通過雙單倍體快速育種技術把優(yōu)質(zhì)的1和5+10亞基引入本地高產(chǎn)親本衡09-6324,同時在早代進行生化標記Sec-1的鑒定,淘汰表達Sec-1的易位株系,選擇的后代材料既繼承父本的優(yōu)質(zhì)強筋特性,又具有母本的產(chǎn)量優(yōu)勢。中國春(null、7+8、2+12,非1BL/1RS易位)為對照材料。2.2DH后代群體中HMW-GS的類型和頻率分布

以中國春和師欒02-1為對照,以衡09-6324/師欒02-1雜交F1種子為親本,通過小麥×玉米雜交的雙單倍體技術,誘導得到的296個DH純合株系為試驗材料,對籽粒的HMW-GS和Gliadin進行鑒定分析,亞基命名和分類參照魏益民等[15]方法。籽粒麥谷蛋白的SDS-PAGE分析表明,對應于小麥HMW-GS區(qū)域,所有DH籽粒都能檢測到3～6條帶,統(tǒng)計結果分別列于表1。圖1為部分株系的HMW-GS組成類型。

由表1可以看出,296個株系在3個位點上共鑒定出6種不同的HMW-GS類型,均為父母本表達亞基類型的再分配,無變異類型。Glu-D1位點上與面包加工品質(zhì)呈正相關的5+10亞基出現(xiàn)頻率為35.13%(15.87+19.26,表1加下劃線部分),與2+12亞基出現(xiàn)頻率的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析比較,χ2分析P值為0.033 5,分離達到顯著水平。分析原因:1.可能是DH群體偏小;2.沒有進行重復試驗;3.胚誘導、加倍以及移栽過程中的死亡都可能導致結果出現(xiàn)偏差,有待進一步的試驗驗證。

1、36.中國春;2、35.師欒02-1;3～34.F1(衡09-6324/02-1)誘導的部分DH株系。

表1　部分DH株系的HMW-GS及1BL/1RS易位的組成類型

2.3DH后代群體中1BL/1RS易位的頻率分布

以師欒02-1為對照,對DH株系的Gliadin進行A-PAGE分析,圖2為部分株系Gliadin的類型,ω區(qū)Sec-1特征帶被看作是黑麥1RS染色體臂的標記,是1BL/1RS易位的標志[16]。表1的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,表達1和5+10亞基、且沒有Sec-1的類型占15.20%(5.07+10.14,表1斜體加粗部分),這是我們育種需要的。這些材料可作為優(yōu)質(zhì)面包小麥新品種或育種材料使用,是栽培小麥改良的新種質(zhì)資源。由圖2可以看出,ω區(qū)Sec-1是4條特征譜帶,而師欒02-1在此區(qū)域是3條不同的譜帶,而由衡09-6324/師欒02-1誘導的DH材料中卻出現(xiàn)了Sec-1特征譜帶減弱和消失的情況,經(jīng)重復驗證,排除了試驗錯誤。分析可能是玉米染色體作用的結果,此結果能否在其他育種試驗中也能出現(xiàn),以及玉米染色體在DH中是否完全消失,有待進一步試驗研究。

1～35.衡09-6324/02-1誘導的部分DH材料;36.衡09-6324;37.師欒02-1。

3　討論

有關常規(guī)育種后代HMW-GS組成與1BL/1RS易位系的分離及組合規(guī)律研究較多[12,17-18],但利用染色體消失法選育DH過程中未見報道,本試驗中盡管出現(xiàn)了5+10亞基的偏分離現(xiàn)象,在SDS-PAGE和A-PAGE電泳技術的協(xié)助下,也可選育出表達1和5+10亞基,不表達Sec-1的DH株系,這些可作為面包小麥新的種質(zhì)資源或育種材料使用。

Zhou等[16]認為在選育強筋小麥品種時,不宜采用1BL/1RS易位品種(系)作親本,基于本試驗結果筆者認為采用小麥×玉米雜交技術可以選用單一親本是1BL/1RS易位的材料,研究表明蛋白質(zhì)含量與產(chǎn)量呈負相關[12,14],一般優(yōu)質(zhì)強筋小麥品種不高產(chǎn)。在DH生產(chǎn)過程中利用玉米染色體對Sec-1的抑制作用,通過生化標記在早代淘汰表達Sec-1的材料,若有幸能保留易位系增產(chǎn)抗病的優(yōu)越性,使后代既繼承親本的強筋特點,又具有產(chǎn)量優(yōu)勢,這將進一步加快我國優(yōu)質(zhì)小麥育種的進程。在歐洲已經(jīng)產(chǎn)生了Disponent、Branka等大量具有較好烘烤品質(zhì)的易位系變種[7,19]。

國內(nèi)外大量研究及實際育種實踐表明,HMW-GS及1BL/1RS易位系是影響小麥烘烤品質(zhì)的2個重要因素[15,20-21],本試驗對小麥×玉米雜交誘導的296個DH株系的HMW-GS和1BL/1RS易位情況進行研究,出現(xiàn)一個值得關注的現(xiàn)象,母本衡09-6324是標準的易位系,有較好的高、低分子量谷蛋白亞基的遺傳背景,父本師欒02-1是非易位系,其ω區(qū)也有醇溶蛋白的表達,但其雜交后代的DH株系卻出現(xiàn)了ω區(qū)無蛋白表達的情況,類似結果未見報道。筆者認為此現(xiàn)象是DH誘導過程中玉米染色體作用的結果,雖然DH材料沒有出現(xiàn)玉米染色體[1,22],但并不能否認雜交過程中玉米基因誘導DH的作用。本試驗只是初步篩選了一個雜交組合,結果是否有普遍性值得進一步研究證實。假如DH株系能有效抑制Sec-1的表達,同時又能保留易位系的增產(chǎn)、抗病特性,那將為小麥品質(zhì)改良開辟一條新的途徑。

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Analysis of HMW-GS and Translocation Line in Progenies of Doubled Haploid from Wheat×Maize Cross

PANG Jianzhou,WANG Xuezheng,QIAN Xiaozhe,WANG Chenyang,CHEN Shuping

(Dry Land Farming Institute,Hebei Academy of Agriculture and Foresty Sciences,Key Lab of Crop Drought Tolerance Research of Hebei Province,Hengshui053000,China)

To improve the efficiency of high quality wheat breeding program,clarify the composition of HMW-GS and Gliadin in the early generation,296 lines from the wheat maize cross were analyzed useing SDS-PAGE method in this experiment,along with this Gliadin were analyzed useing A-PAGE method.A statistics showed that female parent Heng 09-6324 carried null,7+9,2+12 subunits,and were 1BL/1RS translocation lines with Sec-1 characteristic band.Male parent Shiluan 02-1 carried 1,7+9,5+10 subunits,and were non 1BL/1RS translocation.Six types of HMW-GS all originated from parents were identified from 296 DH lines.The frequency of subunits 5+10 which positively related to bread baking quality was 35.13%.A statistics showed that in the A-PAGE the type of translocation of the DH lines accounted for 54.05%,and the percent of lines with subunits 1 and 5+10,but non Sec-1 translocation were 15.20%,these lines could be used as new germplasm for quality breeding.The paper indicated that that the method of half-seed SDS-PAGE and A-PAGE which could be used to identify and select excellent plants in early generation breeding effectively.

Wheat;Maize;Doubled haploid;Half-seed electrophoresis;HMW-GS;Secalin

2016-03-26

河北省農(nóng)林科學院前期預備項目(A2015040301);河北省農(nóng)林科學院旱作農(nóng)業(yè)研究所青年基金項目

龐建周(1983-),男,河北邯鄲人,助理研究員,碩士,主要從事小麥×玉米雜交雙單倍體育種研究。

S512.03;S513.03

A

1000-7091(2016)04-0126-04

10.7668/hbnxb.2016.04.021