張福彥 程仲杰 陳曉杰 王嘉歡 陳 鋒 范家霖 張建偉,* 楊保安,*

黃淮麥區(qū)小麥粒重基因等位變異的分子鑒定及育種應(yīng)用

張福彥1程仲杰1陳曉杰1王嘉歡1陳 鋒2范家霖1張建偉1,*楊保安1,*

1河南省科學(xué)院同位素研究所有限責(zé)任公司 / 河南省核農(nóng)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南鄭州 450015;2河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 省部共建小麥玉米作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南鄭州 450002

采用特異性引物PCR擴(kuò)增方法對183份黃淮海麥區(qū)的小麥品種(系)的粒重基因、和的等位變異進(jìn)行分子鑒定, 并結(jié)合2016—2017和2017—2018年度的千粒重表型數(shù)據(jù), 分析不同等位變異類型對小麥粒重的影響, 從而找出優(yōu)勢基因型組合。結(jié)果表明, 不同年份間參試品種(系)的千粒重差異達(dá)到極顯著水平(<0.01);位點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)和兩種等位變異, 其分布頻率分別為66.7%和33.3%;位點(diǎn)上等位變異分布頻率較高, 為94.5%, 而等位變異分布頻率極低, 僅為5.5%;位點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)和兩種等位變異, 其分布頻率分別為79.8%和20.2%。不同等位變異組合的品種千粒重存在顯著差異(<0.05), 其中具有3個高千粒重等位變異組合品種的平均千粒重最高, 與具有品種的平均千粒重差異不顯著, 但是顯著高于其他組合(<0.05)?；蛐徒M合小麥品種(系)的平均千粒重最低。、和位點(diǎn)上的不同等位變異均會導(dǎo)致小麥千粒重的顯著變化, 其中和位點(diǎn)上的等位變異對小麥粒重的影響更為重要。在參試材料中沒有發(fā)現(xiàn)具有3個低千粒重等位變異組合的品種, 在7種不同等位變異組合中, 具有3個高千粒重等位變異組合品種的平均千粒重最高, 是優(yōu)勢基因型組合。

小麥; 粒重基因; 功能標(biāo)記; 等位變異; 千粒重

小麥?zhǔn)侨蜃顬橹匾募Z食作物之一, 世界上約40%的人口以小麥為主要食糧, 我國小麥的豐歉直接影響到國家乃至世界糧食安全, 因此高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、抗病、優(yōu)質(zhì)、廣適是現(xiàn)階段我國小麥育種中最主要的育種目標(biāo)之一[1]。小麥產(chǎn)量由單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)以及粒重三因素構(gòu)成, 粒重是三要素中遺傳相對穩(wěn)定的性狀, 主要受遺傳因子影響且主要受加性效應(yīng)的基因控制[2]。粒重是影響小麥產(chǎn)量最為重要因素之一, 粒重在我國不同的小麥生態(tài)區(qū)均被不同程度的正向選擇和提高, 是現(xiàn)代小麥育種中遺傳改良最為顯著的產(chǎn)量性狀, 對我國小麥單產(chǎn)水平的提高做出了較大貢獻(xiàn)[3-4], 但目前關(guān)于小麥粒重基因的遺傳基礎(chǔ)解析和粒重相關(guān)的功能標(biāo)記在育種中的應(yīng)用仍不夠深入。

近年來, 隨著小麥全基因組序列信息的公布及現(xiàn)代分子克隆技術(shù)的快速發(fā)展, 關(guān)于小麥粒重基因的克隆和功能標(biāo)記開發(fā)也取得較快發(fā)展。Ma等[5]在普通小麥的2AL染色體上克隆得到細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶基因, 發(fā)現(xiàn)該基因的2種等位變異, 分別命名為和, 并根據(jù)二者序列差異開發(fā)了一對互補(bǔ)的顯性功能標(biāo)記CWI21和CWI22, 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)變異類型與高千粒重的品種相關(guān), 而類型則與低千粒重的品種相關(guān)。之后, Jiang等[6]在普通小麥中克隆出基因, 其中和基因也都發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的單倍型, 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)具有和單倍型的品種千粒重顯著高于具有和單倍型的品種。Zhang等[7]利用同源克隆從普通小麥7DS染色體上克隆得到基因, 發(fā)現(xiàn)其含有和兩種等位變異, 根據(jù)基因序列多態(tài)性開發(fā)的共顯性標(biāo)記GS7D, 能夠準(zhǔn)確檢測和類型, 發(fā)現(xiàn)擁有不同等位變異類型品種的千粒重間存在顯著性差異。Wang等[8]利用同源克隆技術(shù)從普通小麥中克隆了一個控制籽粒大小的基因, 該基因被定位在3AS染色體上, 并發(fā)現(xiàn)其至少存在2種等位變異, 分別命名為和。之后, 又在該基因啟動子上游順式作用元件Sp1內(nèi)發(fā)現(xiàn)單堿基G的插入, 這種變化對小麥的粒寬和粒重具有顯著影響[9]。Hanif等[10]和Hu等[11]利用水稻中的基因在普通小麥進(jìn)行同源克隆, Hanif等[10]克隆得到位于普通小麥3AL染色體上的基因, 并發(fā)現(xiàn)該基因在不同品種中存在單核苷酸多態(tài)性, 分別命名為和, 而Hu等[11]克隆得到基因, 并將其定位在普通小麥4AL染色體上, 且在位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)3種等位變異類型, 分別命名為:、和, 并開發(fā)了共顯性標(biāo)記TG23, 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)和變異類型的品種在粒徑和粒重方面顯著高于類型, 但和變異類型在當(dāng)前品種中分布概率較低。最近, Yang等[12]同源克隆發(fā)現(xiàn)了控制小麥粒長和粒重的基因, 被定位在5AL染色體上, 根據(jù)多單核苷酸多態(tài)性發(fā)現(xiàn)存在2種等位變異, 分別命名為和, 后者是小麥粒長和粒重的優(yōu)勢等位變異, 但在我國小麥中分布頻率較低, 認(rèn)為該類型在我國小麥育種利用上具有較大潛力。Ma等[13]利用同源克隆的方法獲得小麥基因, 并利用瞬時沉默和過表達(dá)技術(shù)揭示表達(dá)水平與小麥粒重呈正相關(guān)。之后, 司文潔等[14]又根據(jù)不同小麥品種啟動子區(qū)序列內(nèi)SNP位點(diǎn)差異開發(fā)啟動子區(qū)功能標(biāo)記CAPS-5Ap, 并對其進(jìn)行了驗(yàn)證。Yan等[15]利用同源克隆的方法獲得控制小麥粒重的基因, 命名為, 位于7BS上。不同籽粒大小的小麥品種基因多態(tài)性分析, 發(fā)現(xiàn)基因存在2種等位變異, 命名為和, 并開發(fā)了功能標(biāo)記TaGW8-7B, 并發(fā)現(xiàn)不同等位變異對小麥粒重有顯著影響。高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)是我國乃至世界小麥育種家永恒的育種目標(biāo), 粒重的增加為推動我國乃至世界小麥單產(chǎn)水平的整體提升做出重要貢獻(xiàn), 而關(guān)于小麥粒重遺傳基礎(chǔ)解析已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。

截至目前, 盡管已有關(guān)于小麥粒重基因等位變異檢測的相關(guān)報道[16-17], 但同時對多個粒重基因進(jìn)行分子鑒定及粒重功能標(biāo)記育種應(yīng)用的研究少之甚少。本研究以183份黃淮海麥區(qū)的小麥品種(系)為材料, 利用功能標(biāo)記CWI21、CWI22、TaGW8-7B以及GS7D分別對2AL、7BS和7DS染色體上的粒重基因等位變異進(jìn)行檢測, 同時結(jié)合2016—2017和2017—2018年度的千粒重表型數(shù)據(jù), 分析不同等位變異類型對小麥粒重的影響, 并找出優(yōu)勢的粒重基因型組合, 旨在為培育出高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的小麥新品種提供一些優(yōu)異親本資源, 也為粒重基因功能標(biāo)記輔助育種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

豫豐11、鄭品麥22、百農(nóng)207、濟(jì)麥22、石4185、西農(nóng)511、西農(nóng)979、周麥27、周麥32、周麥36、豫同194、豫農(nóng)202、魯原502、良星99、豫同843、豐德存麥1號、豐德存麥5號等183份小麥品種(系)來自河南省科學(xué)院同位素研究所小麥育種室收集的種質(zhì)資源圃, 這些材料主要涵蓋了黃淮海麥區(qū)近20年來生產(chǎn)上種植的小麥品種(系)。

1.2 表型測定

2016—2017和2017—2018年度在河南省科學(xué)院新鄭試驗(yàn)基地種植, 每個品種(系)種植2行, 行長2.5 m, 行距0.25 m, 每行播50粒種子, 待出苗后每行定苗至30株左右。田間管理同大田生產(chǎn), 正常成熟后人工收獲, 及時晾曬, 儲藏備用。

千粒重測定, 采用德國福弗(pfeuffer)公司生產(chǎn)的康達(dá)得型(contador)全自動數(shù)粒儀進(jìn)行種子計(jì)數(shù), 每份材料均勻取1000粒, 重復(fù)3次, 同時采用常熟市天量儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的LT1002E型電子天平進(jìn)行稱重。

1.3 基因型檢測

每個材料選取3粒有代表性的種子, 粉碎后分別放入3個2 mL離心管中, 根據(jù)Chen等[18]提取籽粒DNA的方法, 采用SLS (十二酰肌氨酸鈉)快速提取小麥籽粒DNA法提取參試材料DNA, 并根據(jù)每個品種(系) 3種功能標(biāo)記檢測判斷該品種(系)的基因型。

利用已開發(fā)功能標(biāo)記CWI21、CWI22、TaGW8- 7B和GS7D對所有參試材料中粒重基因、和的等位變異進(jìn)行分子檢測(表1)。PCR反應(yīng)體系為20 μL, 主要包括buffer緩沖液2.5 μL,DNA 聚合酶(北京天根生化科技有限公司) (2.5 U μL–1) 0.4 μL, dNTP (200 μmol L–1) 1.0 μL, 上下游引物(10 pmol L–1)各0.5 μL, 模板DNA 2.0 μL, ddH2O 13.1 μL。在Tprofessional standard型PCR儀(Biometra)中進(jìn)行擴(kuò)增, PCR反應(yīng)程序?yàn)?4℃預(yù)變性5 min, 94℃變性30 s, 退火溫度具體參照(表1)進(jìn)行, 72℃延伸30 s, 30個循環(huán); 72℃延伸10 min, 反應(yīng)程序結(jié)束后取5 μL PCR擴(kuò)增產(chǎn)物用1.5%瓊脂糖凝膠電泳分離、利用GeneGreen Nucleic Acid DyeGeneGreen核酸染料進(jìn)行染色, Fire Reader凝膠成像系統(tǒng)下進(jìn)行掃描成像, 并保存至計(jì)算機(jī)以備統(tǒng)計(jì)分析。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對具有不同粒重基因型的小麥品種(系)間千粒重表型進(jìn)行差異顯著性分析和方差分析(ANOVA)，并利用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年份間粒重的差異分析

從表2可知，不同年份間供試品種(系)的千粒重差異達(dá)到極顯著水平。兩個年度間供試品種(系)的千粒重平均值分別為44.11 g和46.29 g，變幅分別為34.50～53.35 g和34.20～58.45 g，其變異系數(shù)均較高，分別為8.48%和8.75%?？梢姡S淮海地區(qū)小麥粒重的遺傳變異非常豐富，具有較大的遺傳改良潛力。

2.2 粒重基因不同等位變異分子檢測

利用顯性互補(bǔ)功能標(biāo)記CWI21和CWI22檢測基因在供試材料中的不同等位變異, 發(fā)現(xiàn)CWI21標(biāo)記在石4185、鄭品麥22、鄭育麥16、豫豐11、農(nóng)大2011、輪選166、豫農(nóng)186和淮麥19等61份材料中可擴(kuò)增出404 bp的片段, 屬于類型(圖1-B), 而CWI22標(biāo)記在商麥167、中育1220、渦麥66、泛育麥17、鄭麥103、鄭麥369和周麥36等122個材料中擴(kuò)增出402 bp的片段, 屬于類型(圖1-A)。

表2 不同年份中供試材料的千粒重方差分析

**表示差異達(dá)到< 0.01顯著水平。**Significant at< 0.01.

圖1 標(biāo)記CWI21 (A)和CWI22 (B)在部分小麥品種中擴(kuò)增結(jié)果

M: DL2000; 1: 石4185; 2: 鄭品麥22; 3: 商麥167; 4: 鄭育麥16; 5: 豫豐11; 6: 中育1220; 7: 渦麥66; 8: 泛育麥17; 9: 豫農(nóng)186; 10: 賽德麥1號; 11: 鄭麥369; 12: 淮麥19。

M: DL2000; 1: Shi 4185; 2: Zhengpinmai 22: 3: Shangmai 167; 4: Zhengyumai 16; 5: Yufeng 11; 6: Zhongyu 1220; 7: Guomai 66; 8: Fanyumai 17; 9: Yunong 186; 10: Saidemai 1; 11: Zhengmai 369; 12: Huaimai 19.

利用共顯性功能標(biāo)記TaGW8-7B對所有參試材料進(jìn)行分子檢測(圖2), 發(fā)現(xiàn)在商麥167、鑫農(nóng)518、中新16、豫豐11、皖科06725、輪選166、泉麥29、農(nóng)大2011、鄭麥1860等173份材料中擴(kuò)增出1097 bp的片段, 屬于類型, 而在溫麥6號、鄭麥518、豫農(nóng)202、石84-7111、淮麥19等10份材料中擴(kuò)增出1373 bp的片段, 屬于類型。

利用共顯性標(biāo)記GS7D對183份小麥品種(系)進(jìn)行檢測(圖3), 發(fā)現(xiàn)在魯原502、濮興0369、輪選987、周8425B、蘭考906、周麥27、西農(nóng)511、中育1220、豫豐11等146份材料中擴(kuò)增出562 bp的片段, 屬于類型, 而在豫農(nóng)186、賽德麥1號、龍科1221、中育9302等37份材料中可擴(kuò)增出522 bp的片段, 屬于類型。

圖2 TaGW8-7B標(biāo)記在部分小麥品種中擴(kuò)增結(jié)果

1: 鄭品麥22; 2: 商麥167; 3: 溫麥6號; 4: 鄭麥518; 5: 豫農(nóng)202; 6: 中新16; 7: 豫豐11; 8: 皖科06725; 9: 豫麥2號; 10: 冀麥38; 11: 石84-7111; 12: 豐德存麥5號; 13: 良星99; 14: 洛麥28; 15: 淮麥19; 16: 百農(nóng)3217; M: DL2000。

1: Zhengpinmai 22; 2: Shangmai 167; 3: Wenmai 6; 4: Zhengmai 518; 5: Yunong 202; 6: Zhongxin 16; 7: Yufeng 11; 8: Wanke 06725; 9: Yumai 2; 10: Jimai 38; 11: Shi 84-7111; 12: Fengdecunmai 5; 13: Liangxing 99; 14: Luomai 28; 15: Huaimai 19; 16: Bainong 3217; M: DL2000.

圖3 GS7D標(biāo)記檢測部分小麥品種

1: 豫農(nóng)186; 2: 賽德麥1號; 3: 魯原502; 4: 鄭麥366; 5: 中育9302; 6: 龍科1221; 7: 濮興0369; 8: 豫豐11; 9: 農(nóng)大2011; 10: 鄭品麥8號; 11: 高麥6號; 12: 豐德存麥5號; M: DL2000。

1: Yunong 186; 2: Saidemai 1; 3: Luyuan 502; 4: Zhengmai 366; 5: Zhongyu 9302; 6: Longke 1221; 7: Puxing 0369; 8: Yufeng 11; 9: Nongda 2011; 10: Zhengpinmai 8; 11: Gaomai 6; 12: Fengdecunmai 5; M: DL2000.

2.3 粒重基因不同等位變異的分布及其對小麥粒重的影響

在所有參試材料中,、和位點(diǎn)具上均發(fā)現(xiàn)2種等位變異。從表3可知,位點(diǎn)上鑒定發(fā)現(xiàn)183份參試材料中等位變異的分布頻率為66.67%,為33.33%, 同時利用SPSS 18.0軟件對不同等位變異對應(yīng)的千粒重進(jìn)行方差分析, 發(fā)現(xiàn)具有等位變異類型品種的千粒重顯著高于具有等位變異類型品種的千粒重(<0.05),為優(yōu)異等位基因。位點(diǎn)上鑒定所有參試材料中等位變異分布頻率較高,為94.54%, 而等位變異分布頻率極低, 僅為5.46%, 方差分析發(fā)現(xiàn)具有等位變異類型品種的千粒重與具有等位變異類型品種的千粒重, 二者差異達(dá)到極顯著水平(<0.01),為優(yōu)異等位基因。位點(diǎn)上鑒定所有參試材料中等位變異分布頻率為79.78%,為20.22%, 方差分析發(fā)現(xiàn)具有等位變異類型品種的千粒重與具有等位變異類型品種的千粒重, 二者差異也達(dá)到極顯著水平(<0.01),為優(yōu)異等位基因。說明、和位點(diǎn)上不同等位變異均會導(dǎo)致小麥千粒重的顯著變化, 而和位點(diǎn)上的等位變異對粒重具有更為重要的影響。

表3 粒重基因的不同等位變異對小麥千粒重影響

*和**分別表示差異達(dá)到< 0.05和< 0.01顯著水平。

*and**indicate significant difference at< 0.05 and< 0.01, respectively.

2.4 不同基因型組合與小麥粒重的關(guān)系

利用功能標(biāo)記CWI21、CWI22、TaGW8-7B和GS7D對所有參試材料進(jìn)行檢測。在、和位點(diǎn)上共發(fā)現(xiàn)、、、、、和共7種不同的等位變異組合, 分別占參試材料的52.5%、23.5%、7.1%、11.5%、2.7%、1.6%和1.1%。從表4可知, 具有不同等位變異組合品種的千粒重間存在顯著差異。具有3個高千粒重等位變異組合品種的平均千粒重最高, 為44.69 g, 與具有品種的平均千粒重差異不顯著, 但是顯著高于其他組合; 在參試材料中沒有發(fā)現(xiàn)具有3個低千粒重等位變異組合的品種;具有、、和等位變異組合品種(系)間的平均千粒重差異也不顯著; 而基因型組合小麥品種(系)的平均千粒重最低, 僅為41.39 g?？梢?、和位點(diǎn)上不同等位變異組合會引起小麥粒重的顯著變化。

表4 TaCwi-A1、TaGS-D1和TaGw8-B1位點(diǎn)上不同等位變異組合對小麥千粒重的影響

?H: 高千粒重; M: 中等千粒重; ML: 中低千粒重; L: 低千粒重。?不同小寫字母表示在< 0.05水平顯著差異。

?H: high thousand-grain weight; M: medium thousand-grain weight; ML: medium low thousand-grain weight; L:low thousand-grain weight.?Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05.

3 討論

小麥產(chǎn)量由單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)以及千粒重三因素構(gòu)成, 其中穗粒數(shù)的增加是建立在單位面積穗數(shù)減少的基礎(chǔ)上, 而千粒重的增加則是相對獨(dú)立的, 且受遺傳特性影響最大, 其遺傳力高達(dá)89%[19]。Wu等[20]研究發(fā)現(xiàn)1945年至2010年以來我國不同的小麥主產(chǎn)區(qū)小麥產(chǎn)量平均每年增產(chǎn)幅度都在0.33%～1.42%之間, 而粒重和單穗重的顯著增加對小麥產(chǎn)量的持續(xù)增長起到了舉足輕重的作用。Rasheed等[21]研究表明, 在普通小麥中目前已知的有、、、、和等控制粒長、粒寬、粒重的基因均具有正向遺傳效應(yīng), 且對小麥粒重高低具有極其重要的影響。同時, 除了基因型影響外, 脫落酸、赤霉素等內(nèi)源激素以及光照、溫度、水分、養(yǎng)分等外界環(huán)境等多種因素對小麥粒重也產(chǎn)生重要影響。本文僅對粒重控制基因?qū)π←溋Ｖ氐挠绊懸约袄昧Ｖ毓δ軜?biāo)記進(jìn)行育種應(yīng)用進(jìn)行了研究和討論。

小麥粒重是一個受多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀,與其相關(guān)的大多數(shù)QTL位點(diǎn)的表型貢獻(xiàn)率較小, 重復(fù)性較差, 且較為分散。Gupta等[22]對小麥粒長、粒寬和千粒重的QTL遺傳定位的研究結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié), 發(fā)現(xiàn)受親本遺傳背景差異、QTL作圖方法、標(biāo)記類型等因素的影響, 在不同的作圖群體中小麥千粒重的QTL定位的結(jié)果存在較大的差異, 且遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足分子標(biāo)記輔助選擇育種和粒重相關(guān)基因克隆的需要。隨著圖位克隆、同源克隆等現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)和標(biāo)記開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展, 目前已先后克隆出、、、、、、、和等小麥粒重形成的相關(guān)基因, 并開發(fā)出GS7D、TG23、TaGW8-7B、TaSus2-2Btgw、CWI22、CWI21和TKX3D等相應(yīng)的功能標(biāo)記, 可快速準(zhǔn)確鑒定不同小麥品種中控制粒重的相關(guān)基因及其變異類型的分布情況。相吉山等[23]和劉永偉等[24]利用CWI22、CWI21標(biāo)記分別對新疆小麥品種資源和黃淮麥區(qū)的小麥品種資源的等位變異類型進(jìn)行了分子檢測, 均發(fā)現(xiàn)具有基因型材料的千粒重顯著高于類型, 進(jìn)一步驗(yàn)證了是粒重的優(yōu)異等位變異。Lu等[25]在普通小麥3DS染色體上電子克隆獲得了細(xì)胞分裂素氧化酶基因, 并根據(jù)其序列開發(fā)共顯性功能標(biāo)記TKX3D, 在不同小麥品種能夠分子檢測出和變異類型, 發(fā)現(xiàn)利用該標(biāo)記能區(qū)分小麥粒重的高低, 可滿足小麥粒重高低的分子標(biāo)記輔助選擇需求。之后, 簡大為等[26]利用上述功能標(biāo)記揭示了新疆小麥改良品種與地方品種的遺傳變異, 發(fā)現(xiàn)高千粒重等位變異在新疆改良品種中分布頻率明顯高于地方品種, 而且大部分優(yōu)異等位變異分布頻率隨著育種時期的推進(jìn)呈現(xiàn)不連續(xù)性上升的趨勢。本研究從基因型的角度來分析黃淮地區(qū)小麥品種(系)粒重的變化情況, 結(jié)果在所有參試材料中共發(fā)現(xiàn)7種不同的等位變異組合, 且具有不同等位變異組合的品種千粒重存在顯著差異。此外, 沒有發(fā)現(xiàn)具有3個低千粒重等位變異組合的品種, 這可能在長期的人工選擇過程中低千粒重的劣勢等位變異類型逐漸被淘汰, 也可能是由于本研究所選擇試驗(yàn)材料的代表性存在一定的局限性。

本研究利用小麥粒重功能標(biāo)記進(jìn)行分子檢測, 并結(jié)合其粒重表型測定進(jìn)行分析, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)少數(shù)品種基因型與千粒重表型不一致的情況, 如具有2個高千粒重和1個低千粒重等位變異組合品種的千粒重也較低, 這可能是由于粒重除受上述檢測位點(diǎn)控制外, 還存在其他控制小麥粒重基因位點(diǎn)及其相關(guān)基因, 也可能是由于本試驗(yàn)材料該類型品種數(shù)量較少(僅2份), 不具有代表性。從本研究的粒重表型結(jié)果來看, 黃淮麥區(qū)品種(系)的千粒重變異范圍較大, 且變異系數(shù)高, 遺傳變異非常豐富, 具有較大的遺傳改良潛力, 也為篩選較高粒重的優(yōu)異種質(zhì)資源創(chuàng)造了有利條件。

4 結(jié)論

利用功能標(biāo)記分子鑒定的方法對來自于黃淮麥區(qū)的183份小麥品種(系)檢測, 發(fā)現(xiàn)在、和位點(diǎn)上不同等位變異均會導(dǎo)致小麥千粒重的顯著變化, 而和位點(diǎn)上的等位變異則對小麥粒重的影響更為重要。參試材料中發(fā)現(xiàn)共7種不同的等位變異組合, 不同等位變異組合的品種千粒重存在顯著性差異, 沒有發(fā)現(xiàn)具有3個低千粒重等位變異組合的品種, 同時發(fā)現(xiàn)具有3個高千粒重等位變異組合品種的平均千粒重最高, 是優(yōu)勢基因型組合, 所占比例為52.5%, 具有這些優(yōu)勢基因型組合的優(yōu)異材料將為我國小麥高產(chǎn)育種過程中親本的選配提供有效資源。

[1] 劉志勇, 王道文, 張愛民, 梁翰文, 呂慧穎, 鄧向東, 葛毅強(qiáng), 魏珣, 楊維才. 小麥育種行業(yè)創(chuàng)新現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢. 植物遺傳資源學(xué)報, 2018, 19: 430–434.

Liu Z Y, Wang D W, Zhang A M, Liang H W, Lyu H Y, Deng X D, Ge Y Q, Wei X, Yang W C. Current status and perspective of wheat genomics, genetics, and breeding., 2018, 19: 430–434 (in Chinese with English abstract).

[2] Zanke C D, Ling J, Plieske J, Kollers S, Ebmeyer E, Korzun V, Argillier O, Stiewe G, Hinze M, Neumann F, Eichhorn A, Polley A, Jaenecke C, Ganal M W, R?der M S. Analysis of main effect QTL for thousand grain weight in European winter wheat (L.) by genome-wide association mapping., 2015, 6: 644.

[3] 宋健民, 戴雙, 李豪圣, 程敦公, 劉愛峰, 曹新有, 劉建軍, 趙振東. 山東省近年來審定小麥品種農(nóng)藝和品質(zhì)性狀演變分析. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46: 1114–1126.

Song J M, Dai S, Li H S, Cheng D G, Liu A F, Cao X Y, Liu J J, Zhao Z D. Evolution of agronomic and quality traits of wheat cultivars released in Shandong province recently., 2013, 46: 1114–1126 (in Chinese with English abstract).

[4] 曹廷杰, 趙虹, 王西成, 崔黨群, 詹克慧. 河南省半冬性小麥品種主要農(nóng)藝性狀的演變規(guī)律. 麥類作物學(xué)報, 2010, 30: 439–442.

Cao T J, Zhao H, Wang X C, Cui D Q, Zhan K H. Evolution of main agronomic traits for semi winter wheat varieties in Henan province., 2010, 30: 439–442 (in Chinese with English abstract).

[5] Ma D Y, Yan J, He Z H, Wu L, Xia X C. Characterization of a cell wall invertase gene-on common wheat chromosome 2A and development of functional markers., 2012, 29: 43–52.

[6] Jiang Y M, Jiang Q Y, Hao C Y, Hou J, Wang L F, Zhang H N, Zhang S N, Chen X H, Zhang X Y. A yield-associated gene, in wheat: its function, selection and evolution in global breeding revealed by haplotype analysis., 2015, 128: 131–143.

[7] Zhang Y J, Liu J D, Xia X C, He Z H.-, an ortholog of rice, is associated with grain weight and grain length in common wheat., 2014, 34: 1097–1107.

[8] Wang S S, Zhang X F, Chen F, Cui D Q. A single-nucleotide polymorphism ofgene revealed its association with kernel weight in Chinese bread wheat., 2015, 6: 1166.

[9] Wang S S, Yan X F, Wang Y Y, Liu H M, Cui D Q, Chen F. Haplotypes of thegene are its association with high thousand-kernel weight in Chinese bread wheat., 2016, 7: 783.

[10] Hanif M, Gao F M, Liu J D, Wen W E, Zhang Y J, Rasheed A, Xia X C, He Z H, Cao S H., an ortholog of rice, is associated with grain weight and yield in bread wheat., 2016, 36: 1?8.

[11] Hu M J, Zhang H P, Cao J J, Zhu X P, Wang S X, Jiang H, Wu Z Y, Lu J, Chang C, Sun G L, Ma C X. Characterization of an IAA-glucose hydrolase geneassociated with grain weight in common wheat (L.)., 2016, 36: 1–11.

[12] Yang J, Zhou Y J, Wu Q H, Chen Y X, Zhang P P, Zhang Y, Hu W G, Wang X C, Zhao H, Dong L L, Han J, Liu Z Y, Cao T J. Molecular characterization of a novelallele and its association with grain length in wheat (L.)., 2019, 132: 1799–1814.

[13] Ma M, Zhao H X, Li Z J, Hu S W, Song W N, Liu X L.regulates seed size in wheat ()., 2015, 67: 1397–1410.

[14] 司文潔, 吳林楠, 郭利建, 周夢蝶, 劉香利, 馬猛, 趙惠賢. 小麥粒重相關(guān)基因功能標(biāo)記開發(fā)及驗(yàn)證. 作物學(xué)報, 2019, 45: 1905–1911.

Si W J, Wu L N, Guo L J, Zhou M D, Liu X L, Ma M, Zhao H X. Development and validation of the functional marker of grain weight-related genein wheat (L.)., 2019, 45: 1905–1911 (in Chinese with English abstract).

[15] Yan X F, Zhao L, Ren Y, Dong Z D, Cui D Q, Chen F. Genome-wide association study revealed that thegene was associated with kernel size in Chinese bread wheat., 2019, 9: 2702.

[16] 寇程, 高欣, 李立群, 李揚(yáng), 王中華, 李學(xué)軍. 小麥粒重基因等位變異的組成分析及育種選擇. 作物學(xué)報, 2015, 41: 1640–1647.

Kou C, Gao X, Li L Q, Li Y, Wang Z H, Li X J. Composition and selection ofalleles for wheat kernel weight., 2015, 41: 1640–1647 (in Chinese with English abstract).

[17] 時佳, 白璐, 任毅, 穆培源, 梁曉東, 瑪依拉, 耿洪偉. 新疆小麥、、等位變異對粒重的影響及應(yīng)用. 分子植物育種, 2018, 16: 848–858.

Shi J, Bai L, Ren Y, Mu P Y, Liang X D, Ma Y L, Geng H W. Effects and application of allelic variation of,andon grain weight of Xinjiang wheat., 2018, 16: 848–858 (in Chinese with English abstract).

[18] Chen F, Zhang F Y, Xia X C, Dong Z D, Cui D Q. Distribution of puroindoline alleles in bread wheat cultivars of the Yellow and Huai valley of China and discovery of a novel puroindoline a allele without PINA protein., 2012, 29: 371–378.

[19] Cui F, Ding A M, Li J, Zhao C H, Li X F, Feng D S, Wang X Q, Wang L, Gao J R, Wang H G. Wheat kernel dimensions: how do they contribute to kernel weight at an individual QTL level., 2011, 90: 409–425.

[20] Wu W, Li C J, Ma B L, Shah F, Liu Y, Liao Y C. Genetic progress in wheat yield and associated traits in China since 1945 and future prospects., 2014, 196: 155–168.

[21] Rasheed A, Xia X C, Ogbonnaya F, Mahmood T, Zhang Z W, Mujeeb-Kazi A, He Z H. Genome-wide association for grain morphology in synthetic hexaploid wheats using digital imaging analysis., 2014, 14: 128.

[22] Gupta P K, Rustgi S, Kumar N. Genetic and molecular basis of grain size and grain number and its relevance to grain productivity in higher plants., 2006, 49: 565–571

[23] 相吉山, 穆培源, 桑偉, 聶迎彬, 徐紅軍, 莊麗, 崔鳳娟, 韓新年, 鄒波. 小麥粒重基因功能標(biāo)記CWI22、CWI21的驗(yàn)證及應(yīng)用. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47: 2671–2679.

Xiang J S, Mu P Y, Sang W, Nie Y B, Xu H J, Zhuang L, Cui F J, Han X N, Zou B. Validation and application of function markers CWI22 and CWI21 ofgene related to wheat kernel weight., 2014, 47: 2671–2679 (in Chinese with English abstract).

[24] 劉永偉, 周碩, 王雪征, 孫果忠, 朱金永, 韓秋芬, 李春杰, 趙和, 王海波. 粒重基因等位變異在黃淮麥區(qū)小麥品種(系)中的分布及功能分析. 華北農(nóng)學(xué)報, 2017, 32: 131–137.

Liu Y W, Zhou S, Wang X Z, Sun G Z, Zhu J Y, Han Q F, Li C J, Zhao H, Wang H B. Functional analysis and distribution of allelic variations ofgene related to kernel weight in Yellow and Huai River Valleys facultative wheat zone., 2017, 32: 131–137 (in Chinese with English abstract).

[25] Lu J, Chang C, Zhang H P, Wang S X, Sun G L, Xiao S H, Ma C X. Identification of a novel allele ofassociated with grain size, filling rate and weight of common wheat., 2015, 10: e0144765.

[26] 簡大為, 周陽, 劉宏偉, 楊麗, 買春艷, 于立強(qiáng), 韓新年, 張宏軍, 李洪杰. 利用功能標(biāo)記揭示新疆小麥改良品種與地方品種的遺傳變異. 作物學(xué)報, 2018, 44: 657–671.

Jian D W, Zhou Y, Liu H W, Yang L, Mai C Y, Yu L Q, Han X N, Zhang H J, Li H J. Functional markers reveal genetic variations in wheat improved cultivars and landraces from Xinjiang., 2018, 44: 657–671 (in Chinese with English abstract).

Molecular identification and breeding application of allelic variation of grain weight gene in wheat from the Yellow-Huai-River Valley

ZHANG Fu-Yan1, CHENG Zhong-Jie1, CHEN Xiao-Jie1, WANG Jia-Huan1, CHEN Feng2, FAN Jia-Lin1, ZHANG Jian-Wei1,*, and YANG Bao-An1,*

1Isotope Institute Co., Ltd, Henan Academy of Sciences / Henan Key Laboratory of Nuclear Agricultural Sciences, Zhengzhou, 450015, Henan, China;2Agronomy College, Henan Agricultural University / National Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science in Henan Province, Zhengzhou, 450002, Henan, China

Grain weight is one of the most important yield traits in wheat. To accelerate the application process of dominant allelic variation of grain weight gene in wheat breeding, the allelic variation of grain weight gene was identified by using functional markers and the combinations of dominant grain weight genotypes were investigated the allelic variations of grain weight genes,, andin 183 wheat varieties (lines) from the Yellow-Huai-River Valley were identified by PCR amplification with specific primers. To identify the dominant genotype combinations, the effects of different allelic variation genotypes on wheat grain weight were studied by combining the phenotypic data of the 1000-grain weight (TGW) from 2016–2017 and 2017–2018. The results showed that the difference of TGW between different years was highly significant at< 0.01. Two alleles,and, were detected atlocus, with the frequencies of 66.7% and 33.3%, res-pectively. The frequency ofallele onlocus was up to 94.5%, while the frequency ofallele was only 5.5%. In addition, two alleles,and, were found inlocus, and their frequencies were 79.8% and 20.2%, respectively. Further results indicated that there were significant differences in TGW among different allelic variation combinations at< 0.05. Among them, the average TGW of varieties withgenotype was the highest. There was not significant difference in TGW betweenandgenotype, but it was significantly higher than other genotypes at< 0.05. The average TGW ofgenotype was the lowest. The allelic variations at the loci of,,andall led to significant changes in TGW, and the allelic variations ofandloci were more important to TGW in wheat. There were no varieties with three low TGW allelic variation combinationsin the tested materials. Among the seven different allele combinations, the average TGW of three high TGW allelic variation combinationswas the highest, which was the dominant genotype combination.

wheat; grain weight gene; functional marker; allelic variation; TGW

10.3724/SP.J.1006.2021.01083

本研究由河南省小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(Z2010-01-04), 河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)(科技攻關(guān))(202102110028), 河南省科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(190604015)和省部共建小麥玉米作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(30500884)資助。

This study was supported by the Henan Wheat Research System (Z2010-01-04), the Key Research and Development and Promotion Program of Henan Province (202102110028), the Basic Scientific Research Project of Henan Academy of Sciences (190604015), and the National Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science (30500884).

張建偉, E-mail: zjw10308@163.com; 楊保安, E-mail: yangcorn@163.com

E-mail: zhangfuyan704@163.com

2020-11-03;

2021-03-19;

(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2021-04-14.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210414.1555.006.html