王黎明， 陳君燚， 姬敬敬， 孔維瑋， 柳志浩， 董普輝

(河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 河南 洛陽 471003)

穗部是小麥最重要的功能器官，是小麥籽粒發(fā)育和成熟的集結(jié)地，其穎殼作為非葉綠色器官也具有實(shí)際或潛在的光合能力[1]；研究發(fā)現(xiàn)，麥穗光合優(yōu)勢明顯且無明顯光合午休現(xiàn)象，對小麥籽粒的貢獻(xiàn)率也大于旗葉和節(jié)鞘[2-4]；小麥穗器官吸收CO2的空間位置優(yōu)越，為籽粒的生長成熟階段提供適宜的溫度、濕度微環(huán)境，是籽粒健康成熟不可或缺的因素[5]。穗型是構(gòu)成小麥穗部的重要性狀，與穗粒數(shù)、有效穗數(shù)、千粒重等產(chǎn)量性狀密切相關(guān)[6]；小麥穗的正常發(fā)育與成型關(guān)系到小麥籽粒的發(fā)育與成熟，直接影響到小麥的品質(zhì)與產(chǎn)量。研究表明，小麥wbh1基因的表達(dá)量與穗型發(fā)育有關(guān)，降低其表達(dá)量，可以改變小麥穗部形態(tài)，提高小穗數(shù)和穗粒數(shù)[7]。因此，開展穗型的遺傳及其發(fā)育研究，對于控制小麥穗型重要功能基因的遺傳解析具有重要理論意義，對其穗部相關(guān)性狀遺傳改良也具有應(yīng)用價(jià)值。

研究證明，運(yùn)用突變體作為材料研究植物的功能基因是有效且簡便的方法[8]。利用創(chuàng)制的突變體，已有開展小麥穗部相關(guān)性狀研究的報(bào)道。如宋全昊[9]報(bào)道了一個(gè)穗短小且畸形的突變體sdal，該突變體因?yàn)橐粋€(gè)基因的突變導(dǎo)致穗型畸形并伴隨小穗數(shù)的減少；也有提出利用一些蛋白對植物穗型進(jìn)行人工調(diào)控的新技術(shù)[10]；Justin 等[11]對野生小麥的緊湊穗基因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)穗長和每穗小穗數(shù)在很大程度上是由不同的基因控制的；Irina 等[12]通過對穗型的遺傳分析也認(rèn)為，穗長和每穗小穗數(shù)由不同基因決定，并建議將比較遺傳研究和分子生物學(xué)研究結(jié)合起來進(jìn)行育種；Liu等[13]和曹杰[14]研究表明，miR 156可以通過負(fù)調(diào)控TaSPL基因的表達(dá)水平調(diào)節(jié)小麥穗部的生長發(fā)育，影響穗部形態(tài)；Katkout 等[15]對中國春和 S-6214 的雜交 F2進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了 8 個(gè)影響小麥穗型的QTL，并定位了其中4個(gè)控制脫粒性狀的QTL；Simonov等[16]則發(fā)現(xiàn)基因C17648對QS和Q基因有部分的上位性作用，其表現(xiàn)為穗長變短、穗頂緊密度降低及莖長較短；張宏娟等[17]研究表明，轉(zhuǎn)錄因子基因TaNAC67參與調(diào)控小麥穗長和每穗小穗數(shù)，可用于改良小麥穗部性狀的分子標(biāo)記輔助選擇育種；徐偉娜[18]研究表明，小麥TaSPL20基因單倍型Hap3-A可以有效提高小麥的每穗小穗數(shù)，對于改變小麥穗型，提高產(chǎn)量有重要影響；Sormacheva等[19]通過雜交實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Q基因控制了小麥的脫粒性、穗軸脆性和穗形性狀，并對變異的Q基因及其控制的3個(gè)性狀的相關(guān)性進(jìn)行了鑒定。劉盼[20]通過轉(zhuǎn)錄表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，Q基因主要在小麥旗葉和穗中表達(dá)，且在穗發(fā)育早期表達(dá)水平最高，隨著穗發(fā)育的進(jìn)程表達(dá)水平逐漸降低。但是穗型突變體創(chuàng)制及其遺傳分析等研究鮮見報(bào)道。

本研究對篩選出的穗型突變體進(jìn)行了綜合農(nóng)藝學(xué)鑒定，并開展了穗型的遺傳分析以及遺傳效應(yīng)的評價(jià)，以期為小麥穗部相關(guān)性狀的遺傳改良提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

小麥新品系KD 527及其EMS誘變處理獲得的各類穗型突變體。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1EMS誘變處理

1) 種子預(yù)處理：將種子(袋)移入蒸餾水(去離子水)燒杯中，20～22 ℃室溫下浸種16～20 h，使種子完全吸脹。

2) 種子誘變處理：0.3% EMS(pH=7.0磷酸緩沖液)室溫(20～22 ℃)處理預(yù)浸過的種子4～6 h。

3) 后清洗：EMS處理后的種子在自來水下沖洗(0～15 ℃)12 h，沖洗后，經(jīng)短時(shí)間(30 min)干燥，立即播于田間。

1.2.2穗型突變體的篩選及其鑒定

將經(jīng)過EMS處理的KD 527種子進(jìn)行播種，行距20 cm，株距5 cm，其他管理同大田。從突變當(dāng)代(M0)群體中篩選出具有穗型扭曲的單株，收獲M1代。翌年，大田種植成株行，生育期間進(jìn)行農(nóng)藝性狀的觀察，成熟后按單株穗型收獲M2代。M3代進(jìn)行株系種植，在田間生長期間對突變性狀的穩(wěn)定性、分離狀況等進(jìn)行觀察，每隔7 d進(jìn)行田間調(diào)查一次，并在多個(gè)典型變異的突變系中分別隨機(jī)選取10株進(jìn)行農(nóng)藝學(xué)性狀調(diào)查，并記錄穗型、株高、株穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)等性狀，以期篩選各種穗型突變體。

1.2.3穗型突變體自交后代穗型遺傳分析

對上年的穗型突變體以單株(嚴(yán)格套袋自交)為單位進(jìn)行單獨(dú)收獲，下年種植成株行，同時(shí)對每個(gè)突變體株行的單株按照正常穗型、扭曲穗型、極端扭曲穗型等三種類型進(jìn)行調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)株行穗型的分離情況進(jìn)行X2檢驗(yàn)。

1.2.4穗型遺傳效應(yīng)評價(jià)

在對上年單獨(dú)收獲并種植的穗型突變體株行進(jìn)行穗型分離情況統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，對其后代穗型分離單株的平均株高、穗長、穗粒數(shù)、千粒重等性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，明確穗型對相關(guān)農(nóng)藝性狀的影響。

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過Microsoft Excel 2017軟件對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析與顯著性水平檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥穗型突變體的篩選及其鑒定

從野生型KD 527 (圖1 a)EMS突變體庫中篩選出一系列穗型扭曲突變體(圖1)，同時(shí)對篩選的突變體穗部(圖2 a)及其穗部分解(圖2 b)進(jìn)行觀察，從圖1、圖2可看出，與正常穗型相比，各突變體的穗型與KD 527具有明顯差異，常表現(xiàn)為穗長變短、小穗密度增大、麥芒扭曲、芒長變短甚至無芒等，多數(shù)突變體伴隨有株高降低、旗葉變短、變圓、穗下節(jié)間扭曲等現(xiàn)象。將突變體收獲后，于當(dāng)年10月種植成株行。

注： a為KD 527；b～h為不同穗型突變體。

圖2 KD 527(A)及其穗型突變體(B)的穗部(圖2 a)及其穗部分解(圖2 b)觀察(Bar：5 cm)

對上年保存的不同穗型突變體的株行進(jìn)行農(nóng)藝學(xué)綜合鑒定，發(fā)現(xiàn)每個(gè)穗型突變體的株行中，均出現(xiàn)有穗型正常和穗型扭曲的分離，許多株行中還出現(xiàn)了極端扭曲單株。圖3是扭曲穗型突變體在孕穗期(圖3-Ⅰ)、抽穗期(圖3-Ⅱ)、蠟熟期(圖3-Ⅲ)觀察到的正常單株(a)、扭曲單株(b)、極端扭曲單株(c)的分離情況，其中極端扭曲單株不能正常抽穗、最終不結(jié)實(shí)。成熟后對扭曲穗型突變體后代單株分正常、扭曲兩種類型進(jìn)行籽粒相關(guān)性狀的觀察。相比正常穗型單株，扭曲穗型單株籽粒明顯變小，千粒重降低，粒形扭曲、近似三角形。

注： a為正常穗型；b為扭曲穗型；c為極端扭曲穗型。

2.2 小麥穗型突變體的穗型遺傳分析

分別統(tǒng)計(jì)不同穗型突變體株行的穗型分離情況(表1)，所有穗型突變體當(dāng)代均表現(xiàn)為穗型扭曲，種植后的株行出現(xiàn)正常單株與扭曲單株的分離(圖4)，常出現(xiàn)有極端扭曲單株。

圖4 野生型KD 527(A)及其穗型突變體后代株行分離的正常穗型(B)與扭曲穗型(C)(Bar：5 cm)

表1 穗型突變體后代株行的穗型分離的統(tǒng)計(jì)分析及卡方測驗(yàn)

在突變體后代株行共鑒定了238個(gè)單株，正常單株與扭曲單株比例為69∶169(表2)，經(jīng)X2檢驗(yàn)，符合1∶3分離規(guī)律，正常穗型為隱性(基因型示為aa)，但是不符合1∶2∶1，究其原因，極端扭曲穗型可能帶有“顯性致死”基因(基因型示為AA)，常表現(xiàn)生長發(fā)育畸形，不抽穗、不結(jié)實(shí)；能正常結(jié)實(shí)的扭曲穗型為雜合基因型Aa，種植后會(huì)出現(xiàn)正常與扭曲穗型的分離。

2.3 小麥穗型遺傳效應(yīng)評價(jià)

統(tǒng)計(jì)突變體后代單株的相關(guān)農(nóng)藝學(xué)性狀發(fā)現(xiàn)(表2)，除個(gè)別突變體中分離的正常穗型與扭曲穗型的株高差異不顯著外，其他穗型突變體中分離的正常穗型與扭曲穗型的穗長、千粒重等性狀指標(biāo)均表現(xiàn)極顯著差異，與分離出的正常穗型相比，扭曲穗型的平均千粒重、株高、穗長等性狀分別降低37.03%、18.83%、26.19%，說明穗型是影響小麥千粒重、穗長等產(chǎn)量相關(guān)性狀的重要因素，扭曲穗型可能嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量。

表2 穗型突變體株行分離單株相關(guān)農(nóng)藝學(xué)性狀統(tǒng)計(jì)

3 討 論

小麥突變體可以有效用作育種材料[21]，還可用于小麥功能基因等生物學(xué)研究[22-23]，豐富小麥突變體庫，可增加小麥分子育種資源，為提升小麥產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。通過小麥穗型突變體來研究穗部發(fā)育相關(guān)基因，有利于更深入地挖掘穗部發(fā)育的遺傳機(jī)制。汪俊君等[24]發(fā)現(xiàn)，大粒突變體8008的籽粒性狀可能與光合作用、物質(zhì)代謝等相關(guān)基因有一定的聯(lián)系。王佳佳等[25]以EMS誘變獲得的突變體 M 7652 的雜交后代為材料，將控制穗粒數(shù)、不育小穗數(shù)、可育小穗數(shù)、穗長、株高的 QTL定位在 4 B 染色體的短臂上。李曉等[26]利用EMS構(gòu)建了京411突變?nèi)后w，并獲得了3個(gè)新的WX-A1等位變異。王金彥[27]利用 EMS 及快中子 FN 處理小麥望水白，獲得F 04964等5個(gè)突變體表現(xiàn)為穗扭曲，并對突變體庫中的一個(gè)葉形-穗形突變體進(jìn)行遺傳分析，發(fā)現(xiàn)其受一個(gè)less隱性基因控制。周麗敏[28]利用穗發(fā)育畸形突變體(SDA 1)對小麥穗發(fā)育異常相關(guān)基因TaSDA1進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，基因TaSDA1位于小麥6 B染色體分子標(biāo)記barc 136和SWES 181之間，并通過雙向電泳技術(shù)證明了TaSDA1基因具有多效性。本研究從高代小麥新品系KD 527的EMS誘變后代中篩選到多個(gè)小麥穗型突變體，并對突變體在農(nóng)藝學(xué)鑒定與分型基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展了穗型遺傳分析，明確了小麥穗型的遺傳特點(diǎn)，其選育的穗型突變體為小麥穗型遺傳發(fā)育及其穗型基因的精細(xì)定位與克隆等研究提供良好的種質(zhì)基礎(chǔ)；與此同時(shí)，還對穗型遺傳效應(yīng)進(jìn)行了初步分析，結(jié)果表明，扭曲穗型在株高、穗長、千粒重等農(nóng)藝性狀較正常穗型一般表現(xiàn)為降低，因此穗型是影響小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一，篩選合適的穗型，是小麥產(chǎn)量遺傳改良與新品種選育的重要研究內(nèi)容。

4 結(jié) 論

本研究對篩選出的穗型突變體進(jìn)行鑒定與遺傳分析，獲得以下結(jié)論：

1) 農(nóng)藝學(xué)鑒定結(jié)果表明，扭曲穗型突變體能正常結(jié)實(shí)，種植后代出現(xiàn)正常穗型與扭曲穗型的分離，極端扭曲穗型單株不能正常結(jié)實(shí)；

2) 穗型遺傳分析表明，正常穗型∶扭曲穗型符合1∶3分離規(guī)律，突變穗型由單顯性基因遺傳控制；

3) 穗型遺傳效應(yīng)評價(jià)說明，穗型是影響小麥產(chǎn)量的重要性狀，扭曲穗型嚴(yán)重降低小麥產(chǎn)量。