小麦：遗传育种·种质资源·分子遗传学
小麦赤霉病是一种严重危害小麦生产的真菌性病害, 其抗性由多基因控制, 抗性机制复杂。type I (抗侵入)和type II (抗扩展)是小麦抵御赤霉病侵害的2种最主要抗性类型。在抗赤霉病育种中兼顾2种抗性, 对于保证生产上抗性的稳定和持久有着重要意义。在前期研究中, 作者所在课题组从小麦地方品种望水白中克隆了抗赤霉病扩展的主效QTL Fhb1, 精细定位了Fhb4和Fhb5, 获得了功能性/紧密连锁的分子标记。本研究利用这些标记, 以小麦品系NMAS022作为供体亲本, 现代小麦品种百农4199作为受体亲本, 通过分子标记辅助回交育种方法选育成了聚合望水白Fhb1、Fhb4、Fhb5的小麦新品系百农4299。与百农4199相比, 百农4299在2年的田间试验中type I抗性至少增加了73%~74%, type II抗性至少增加了83%~88% (以病小穗数计), 并且产量潜力也得到了提高。上述结果证明了通过分子标记辅助选择聚合不同类型抗赤霉病QTL以提高小麦赤霉病抗性的可行性。抗赤霉病小麦品系百农4299有望成为一个新的抗赤霉病小麦品种。
西农877是西北农林科技大学选育的小麦新品种, 具有一定的广适、高产和稳产特性。本研究旨在解析西农877的高产、适应性和综合抗性的遗传基础, 为小麦新品种选育提供理论依据和方法指导。通过田间试验分析了西农877及部分黄淮麦区创下高产记录的小麦品种的灌浆特征和光合特性, 利用16K SNP背景芯片与0.1K SNP功能芯片相结合的方法, 深入解析西农877的遗传基础, 明确关键染色体区段的遗传效应。结果表明, 西农877在灌浆特征上表现优异, 具有较长的灌浆时间、合理的灌浆各阶段分配和高灌浆速率; 其旗叶叶绿素含量和光合能力较高, 区域试验中平均千粒重48.60 g, 田间试验中千粒重达到50.05 g, 均呈现出高于对照品种周麦36号的趋势且稳定性好, 为实现高产潜力奠定了基础; 在区试多点试验中, 高稳系数平均值89.15, 较周麦36号显著增加。在遗传构成上, 西农805a作为母本对西农877的遗传贡献率为80.23%, 在3个亲本中最高。同时, 西农877聚合了来自亲本的多个优异基因/QTL, 包含抗条锈病位点QYrqin.nwafu-6BS、QYrsn.nwafu-1BL、QYrxn.nwafu-1BL、Yr29及Yr78, 抗赤霉病位点QFhb.caas-5AL、QFhb.hbaas-5AL, 抗叶锈病位点Lr13、Lr68及产量相关性状位点, 粒重基因TaT6P、TaGS5-A1和籽粒大小基因QGl-4A。综上, 西农877在大田生产中展现出较高的增产潜力和广适性。亲本材料对西农877的遗传贡献率存在差异, 其中西农805a的遗传贡献率最大。西农877中聚合了多个重要性状相关优异基因/QTL, 为黄淮麦区高产广适新品种培育提供了重要的遗传资源和理论支撑。
穗部性状和株高是小麦育种的重要指标。以扬麦13 (Yangmai 13, 简称YM13)和CIMMYT引进种质人工合成小麦衍生系C615为亲本构建重组自交系群体为研究材料, 基于小麦90K SNP芯片基因型数据, 结合3个环境下表型结果, 分别检测到1个每穗结实总小穗数、2个穗长、2个结实小穗着生密度和3个株高的位点。其中, 每穗结实总小穗数位点QSN.yaas-3B与株高位点QPH.yaas-3B处于同一位置, 穗长位点QSL.yaas-5A、结实小穗着生密度位点QSC.yaas-5A和株高位点QPH.yaas-5A处于同一位置, 穗长位点QSL.yaas-6A和结实小穗着生密度的位点QSC.yaas-6A处于同一位置。比对结果显示QSN.yaas-3B/QPH.yaas-3B和QSL.yaas-6A/QSC.yaas-6A位点均未见报道。进一步将QSL.yaas-5A/QSC.yaas-5A/ QPH.yaas-5A位点紧密连锁SNP标记转化为KASP标记QC615-5A-KASP, 并在105份小麦品系中初步验证其育种效应。研究结果可为小麦产量相关性状分子育种提供参考。
周8425B是黄淮海麦区应用较广泛的矮秆大穗、抗病抗逆小麦骨干亲本, 解析周8425B衍生品种的条锈病抗性遗传表现及其携带的抗条锈病基因遗传传递信息对新品种选用具有重要价值。本研究以条锈病强毒力生理小种条中34 (CYR34)单一菌种对收集的222份周8425B衍生品种进行苗期条锈病抗性鉴定, 以CYR34为主的混合菌种对衍生品种进行成株期条锈病抗性鉴定, 利用周8425B携带的抗条锈病基因YrZH84、YrZH84.2、Yr30、YrZH22和Yr9紧密连锁的分子标记对衍生品种进行基因型检测。研究结果表明, 周8425B苗期和成株期对目前强毒力优势菌种CYR34均表现高抗条锈病。在222份周8425B的衍生品种中, 2年表现稳定成株期抗病的衍生品种有昌麦9号、济研麦10、百农4199、赛德麦7号和郑麦103等14份, 占比6.3%; 表现稳定全生育期抗病的衍生品种有周麦11、周麦22、周麦26、周麦36、兰天36、存麦16和郑品麦8号等52份, 占比23.4%。周8425B衍生品种主要通过周麦11、周麦12、周麦13、周麦15、周麦16和周麦17等6个子一代再次衍生到子二代。子一代中周麦16和周麦13由于具有较好的农艺性状直接衍生出较多品种, 周麦12与周麦13培育出子二代周麦22衍生出45个子三代, 周麦11培育出矮抗58衍生出54个子三代。周8425B携带的YrZH84、YrZH84.2、YrZH22、Yr30和Yr9在衍生后代中的频率分别为34.7%、14.9%、41.9%、66.2%和67.1%。仅携带其中1个抗病基因的衍生品种以携带YrZH84的平均严重度最低, 为15.4%; 聚合2个抗病基因的衍生品种中, 以携带YrZH84+YrZH22的平均严重度最低, 为20.0%; 聚合3个抗病基因的衍生品种中, 以携带YrZH84+YrZH22+Yr9的平均严重度最低, 为17.2%; 聚合4个抗病基因的衍生品种中, 携带YrZH84+YrZH22+Yr30+Yr9的平均严重度为16.9%, 携带YrZH84.2+YrZH22+Yr30+Yr9的平均严重度为38.4%。苗期以携带全生育期抗性基因YrZH84或含有YrZH84的基因组合的衍生品种的抗病性较好。研究结果为中国小麦骨干种质周8425B的持续改良利用提供了条锈病基因信息, 鉴定出对强毒力生理小种CYR34表现抗病的衍生新种质, 为我国小麦抗条锈病遗传育种提供了参考。
旗叶是小麦主要的光合器官, 叶绿素既是旗叶最主要的光合色素, 也是品种选育中重要的表型指标, 因此挖掘和利用旗叶叶绿素含量有关的主效基因/位点, 对于培育高产稳产小麦新品种意义重大。以旗叶叶绿素含量差异较大双亲构建的双单倍体群体(DH群体)为材料, 利用小麦90K SNP芯片对5个环境旗叶叶绿素含量进行QTL分析, 共定位到20个旗叶叶绿素含量有关的遗传位点, 表型贡献率为4.10%~27.16%; 其中3个QTL (Qchl.saw-2D.1、Qchl.saw-4D.2和Qchl.saw-6A)能在多个环境条件下检测到; Qchl.saw-2D.1的遗传效应最高, 该位点与2D染色体上已报道的其他叶绿素位点不同, 初步确定是1个新的主效QTL。并进一步将Qchl.saw-2D.1紧密连锁的SNP标记开发为KASP标记, 通过在含有共同亲本金麦919的RIL群体中验证其效应, 发现在多个环境条件下具有Qchl.saw-2D.1有利等位基因的家系叶绿素含量显著或极显著高于其他家系。对Qchl.saw-2D.1、Qchl.saw-4D.2和Qchl.saw-6A所在功能区段进行基因注释, 筛选到12个与叶绿素相关的候选基因, 其中3个基因参与镁等金属离子的结合过程, 5个基因参与调控叶绿体结构组成, 4个基因参与调控光合作用过程中相关电子链的传递活性。本文研究结果为叶绿素调控的遗传机制提供了有价值的信息, 并为高光效分子标记辅助育种提供依据与参考。
烟农系列小麦品种具有高产、抗病、广适性等特点, 近几年审定的高产多抗品种烟农1212, 曾多次打破全国冬小麦单产纪录, 鲁麦14已衍生出至少214份小麦新品种, 成为重要的骨干亲本。本研究旨在解析烟农系列小麦高产遗传基础, 明确其高产广适关键染色体区段, 为小麦新品种遗传改良提供理论参考。利用小麦55K SNP芯片对38份烟农系列小麦品种、其部分衍生后代品种和244份育成品种(系)组成的自然群体进行基因型扫描, 并进行了多环境表型鉴定。基因型分析结果表明, 自主选育的17份烟农品种之间的遗传相似系数在0.80~0.99之间, 获得了975个高频率共同选择区段, 区段长度变幅为1.00~75.18 Mb, 其中在2D、4D、6D、7B染色体上存在较多的高频率共同选择区段, 其总长度占对应染色体的40%以上。骨干亲本鲁麦14对其23个衍生后代的平均遗传贡献率为71.45%, 在3个(A、B、D)亚基因组的贡献率分别为69.63%、66.04%和79.82%; 共检测到430个在鲁麦14衍生后代中高频率选择遗传区段, 265个区段(61.6%)与烟农系列高频率共同选择区段重叠。基于自然群体表型鉴定及遗传解析结果显示, 骨干亲本鲁麦14和最新选育的高产广适主推品种烟农1212均富集了千粒重和单株产量优异等位基因; 在鲁麦14高频率选择区段上富集了92.3%和84.4%的来自鲁麦14的增加千粒重和单株产量显著关联SNP位点, 主要分布在2A、2B、2D、4A、5B、6A、7A染色体上。烟农系列小麦高频率共同选择基因组区段已富集了丰富的高产基因位点, 是其高产稳产的遗传基础所在。
谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)是植物氮素同化的关键酶, 小麦(Triticum aestivum L.) GS由12个核基因编码, 即TaGS1;1-6A/6B/6D、TaGS1;2-4A/4B/4D、TaGS1;3-4A/4B/4D和TaGS2-2A/2B/2D。利用单分子测序技术获得了TaGS基因的全长转录本, 发现TaGS1;1-6A有1种可变剪接转录本、TaGS1;1-6B有2种可变剪接形式; 与正常转录本编码的TaGS相比, TaGS1;1-6A-1的Gln_synt_N结构域部分缺失, TaGS1;1-6B-3缺少Gln_synth_ gly_rich_site结构域; TaGS1;1-6B-4是新鉴定的转录本, 编码缺少Gln_synth_gly_rich_site和Gln_synth_cat_dom结构域的GS蛋白。进一步研究了氮肥对不同氮效率小麦品种可变剪接转录本表达的影响, 发现氮高效品种YM49叶片TaGS1;1-6A-1表达水平显著高于氮低效品种XN509, 且随着氮肥增加而升高; YM49根系TaGS1;1-6A-1表达随供氮量增加而升高, XN509却呈现相反趋势。TaGS1;1-6B-3在YM49和XN509中有相似的表达趋势, 高浓度NO3-促进TaGS1;1-6B-3在叶片中表达, 却抑制其在根中的表达; 高浓度NH4+抑制TaGS1;1-6B-3在叶片中表达, 但在根中表达影响较小。TaGS1;1-6B-4主要在低氮条件下表达, NH4+浓度不影响其在YM49根中的表达。了解TaGS基因可变剪接有助于阐明TaGS同工酶在小麦氮代谢中的功能。
籽粒大小影响小麦粒重, 进而影响产量。目前, 对小麦籽粒大小相关基因的研究已有报道, 但其潜在的分子机制尚不清楚。本研究通过同源克隆的方法从普通小麦中克隆了小麦籽粒大小相关基因TaGS2, 并对其序列进行生物信息学分析。烟草亚细胞定位结果表明, TaGS2定位在细胞核和细胞质内。不同组织材料qRT-PCR分析表明, TaGS2基因在小麦籽粒不同发育时期的表达量最高。构建TaGS2-PLGY-02-RNAi表达载体, 转化小麦。研究结果表明, TaGS2基因在RNAi转基因小麦中表达量显著降低。RNAi转基因小麦的籽粒长度变短, 籽粒宽度变窄, 千粒重也降低。因此推测TaGS2基因可能参与小麦籽粒大小或者千粒重的调控。本研究初步揭示了TaGS2基因功能, 并为小麦高产育种中千粒重的提高提供重要的基因资源。
小麦穗部性状直接与产量相关, 是极重要的农艺性状。WAPO1编码F-box蛋白, 是水稻小穗数发育相关基因APO1在小麦中的直系同源基因。本研究鉴定了WAPO1的优异单倍型, 并对其遗传效应、地理分布和育种利用情况进行了鉴定。通过开发的KASP标记对编码区第140位碱基变异SNP(G/T)进行鉴定, 并使用前人报道的启动子InDel标记对WAPO1启动子115 bp的插入缺失进行鉴定, 在中国地方小麦中进行单倍型鉴定。结果显示, 在前人鉴定到的3种单倍型(H1: 140G+115deletion, H2: 140T+115insertion, H3: 140G+115insertion)基础上, 鉴定到了新的第4种单倍型(H4: 140T+115deletion)并证明H2和H4为优异单倍型, 能显著提高小麦每穗小穗数。将开发的KASP标记对223份世界小麦、144份中国育成小麦和119份四川小麦进行分型, 筛选出优异单倍型并对其在育种中的利用和分布进行了鉴定, 结果表明优异单倍型在中国和世界范围都被广泛选育。
在干旱条件下, 小麦(Triticum aestivum L.)适当深播可提高出苗率, 胚芽鞘长度决定了小麦播种的最大深度, 因此培育长胚芽鞘小麦品种至关重要。为了挖掘控制小麦胚芽鞘长度相关的数量性状位点(quantitative trait loci, QTL), 本研究以275份豆麦/石4185重组自交系(recombinant inbred lines, RIL)群体和186份自然群体为材料, 根据90K SNP芯片的分型结果, 利用3个环境下小麦胚芽鞘长度表型数据进行QTL鉴定。采用完备区间作图法(inclusive composite interval mapping, ICIM)在RIL群体中鉴定到2个稳定的QTL位点, 分别位于4BS (30.17~40.59 Mb)和6BL (700.08~703.53 Mb)染色体上, 解释表型变异率(PVE)分别为26.29%~28.46%和4.16%~4.36%; 全基因组关联分析(GWAS)采用混合线性模型(Mixed linear model, MLM)方法, 共鉴定到36个稳定的QTL位点, 分别位于1A (3)、1B (3)、1D (2)、2A (1)、3A (2)、3B (2)、4B (11)、5A (1)、5B (3)、6B (4)、7A (2)、7B (2)染色体上, 在3个环境中重复检测到的显著关联位点有7个, 其中3个位点与已报道的位点重叠或邻近, 其他4个位点推测为新位点, 分别位于1A (499.03 Mb)、3A (73.06 Mb)、4B (648.74~648.87 Mb)、7A (36.31 Mb)染色体上, 预测了5个候选基因(TraesCS1A03G0748300、Rht1、TraesCS4B03G0110000、TraesCS4B03G0112200和TraesCS7A03G0146600)。在两个群体中均鉴定到位于4BS (30.17~40.59 Mb)染色体上的主效QTL位点, 该位点的候选基因Rht1已被证实能降低小麦胚芽鞘长度。该研究结果为挖掘控制小麦胚芽鞘长度的基因以及胚芽鞘长度相关性状分子标记辅助选择育种奠定了基础。
倒春寒是造成小麦减产的重要因素, 培育抗倒春寒品种是重要育种目标。为了明确小麦倒春寒抗性鉴定的适宜处理条件, 建立倒春寒抗性评价方法, 本研究选用倒春寒抗性差异明显的6个品种进行不同发育时期和不同温度处理, 以死茎率作为评价指标, 筛选小麦倒春寒抗性鉴定最适处理条件, 并用120份小麦品种(系)对该方法进行验证。结果表明, 死茎率随温度降低和发育进程推进总体呈升高趋势。药隔期-6℃下处理6 h, 品种间死茎率差异最明显, 是进行倒春寒抗性鉴定的最适处理条件。验证试验表明该处理条件能有效区分120份小麦品种(系)的倒春寒抗性, 聚类分析将120份小麦品种分成极强、强、中等、弱、极弱5类, 根据分类结果建立了小麦倒春寒抗性评价标准。本研究为开展小麦倒春寒抗性鉴定和抗性品种培育提供了技术支撑。
生长调控因子(growth-regulating factor, GRF)在植物的生长发育、逆境响应和激素信号转导中起着重要的调控作用。系统分析小麦及其祖先物种GRF转录因子家族成员在基因组上的分布、结构、进化以及表达特性, 对于深入研究GRF家族的生物学功能和小麦的进化具有重要的意义。本研究利用生物信息学方法, 对乌拉尔图小麦、拟斯卑尔脱山羊草、粗山羊草、栽培二粒小麦和普通小麦5个物种的GRF成员进行全基因组鉴定, 并对其理化性质、系统发育关系、基因结构、启动子顺式作用元件以及表达特性进行了分析。结果表明, 乌拉尔图小麦、拟斯卑尔脱山羊草、粗山羊草、栽培二粒小麦和普通小麦中分别有15、12、19、29和53个GRF成员, 通过种间共线性分析发现, TtGRFs分别有18个和29个成员与TuGRFs和AesGRFs具有共线性, TaGRFs分别有36个和37个成员与TtGRFs和AetGRFs具有共线性。启动子顺式作用元件预测发现GRF基因具有基本的转录元件以及一些与生长发育和逆境响应的结合元件。RT-qPCR分析表明, 多数GRF基因在外源IAA、GA和干旱胁迫条件下呈上调表达趋势, 而在高温胁迫条件下呈下调表达趋势, 表明GRF家族成员在响应激素和逆境胁迫中有重要作用。系统进化分析表明, 小麦与其祖先物种之间的GRF成员存在保守且复杂的进化关系。上述结果为GRF转录因子家族的进化及其功能研究提供了理论基础。
野生二粒小麦(Triticum turgidum ssp. dicoccoides)是普通小麦的四倍体祖先种, 具有广泛的基因型变异, 是改良普通小麦的重要种质资源。本研究对不同年份和地点四个环境下的161份野生二粒小麦渗入系材料的株高、分蘖数、小穗数、抽穗期、开花期和千粒重进行表型鉴定, 并利用覆盖全基因组的13,116个DArT标记对各农艺性状进行全基因组关联分析, 以期发掘性状显著关联标记及相关候选基因。本研究共检测到147个与6个农艺性状相关的稳定标记。其中, 一些关联标记与抽穗期和开花期同时相关, 并且在2B染色体上聚集成簇。在野生二粒小麦渗入系群体中共推定了21个与农艺性状相关的候选基因, 其中位于7A染色体与千粒重显著相关的候选基因与细胞周期蛋白有关。这些标记和候选基因可为克隆优异农艺性状相关基因提供重要信息, 从而为野生二粒小麦在普通小麦背景中的遗传改良综合利用提供依据与指导。
为了明确突变体颖壳蜡质含量显著变化的分子机制, 本研究对源自济麦22颖壳蜡质缺失突变体glossy1与野生型进行了转录组分析。结果表明, 在glossy1突变体中, 共筛选到12,230个差异表达基因, 其中5811个基因在突变体中上调表达, 6419个下调表达。GO (gene ontology)功能富集分析发现, 差异基因主要富集在蜡质合成和转运途径, 具体分布在酰基转移酶活性、脂质结合和水解酶活性等条目, 由此推测这些途径与小麦穗部蜡质缺失性状是紧密相关的。我们还利用RT-qPCR检测了参与蜡质代谢途径部分基因的表达, 结果与转录组结果是一致的。本研究为今后探究小麦蜡质代谢的分子机制和基因调控网络提供了数据支持, 同时也为抗逆小麦育种奠定了理论基础。
4-香豆酸辅酶A连接酶(4CL; EC 6.2.1.12)位于苯丙烷途径分支点的上游, 是苯丙烷代谢途径的核心酶, 可产生木质素、黄酮类等化合物, 这些化合物对植物的生长发育及环境适应性均具有重要作用。在双子叶植物中, 有关4CL的研究较多, 而在单子叶植物尤其是作物中的研究相对较少。本研究利用RACE技术从普通小麦中克隆了一个4CL基因Ta4CL1。系统发育分析表明, Ta4CL1与水稻、玉米和高粱等植物中在木质素合成中具有重要作用的4CLs聚成一类; 利用Ta4CL1过表达、拟南芥4CLs突变体at4cl1、at4cl3和at4cl14cl3及其功能回复株系进行的分析表明, Ta4CL1与At4CL1功能相似, 在植物木质素合成中具有重要作用, 但未参与黄酮类化合物生物合成的调控过程; Ta4CL1是转基因拟南芥中4CL酶活性的主要贡献者。过表达Ta4CL1的转基因拟南芥叶片增大、茎更粗; Ta4CL1的表达还受茉莉酸甲酯(Methyl jasmonic acid, MeJA)、赤霉素(Gibberellin, GA)和生长素(Indoleacetic acid, IAA)等激素处理的影响。本研究为利用基因工程将Ta4CL1应用于改善小麦秸秆的利用效率提供了理论依据。
PHR基因是磷信号调控体系的核心转录因子, 负责启动下游部分应对磷饥饿的适应性反应。本课题前期获得了磷高效转OsPHR2小麦纯系, 但OsPHR2提高小麦磷吸收利用效率的分子机制尚不清楚。为揭示该机制, 本研究以前期获得的磷高效转OsPHR2小麦纯系为研究材料, 采用水培试验, 小麦长至四叶一心时进行低磷胁迫处理, 分别在低磷胁迫0、6、24和72 h, 利用RNA-Seq进行转录组测定, 分析转基因小麦与对照之间根部和叶片的差异表达基因(differentially expression gene, DEG), 并分别对根部和叶片DEG进行GO和KEGG功能富集分析。结果显示: 低磷胁迫处理0、6、24和72 h转基因系与对照根部有22个共同的DEG, 叶片有9个共同的DEG。转基因小麦与对照根部DEG数量在低磷胁迫处理0 h最多, 其次为6 h。GO和KEGG富集分析显示, 低磷胁迫0 h和6 h, 根部DEG主要富集在糖代谢、苯丙素生物合成等生物学过程, 以及养分贮存器活性、ATP酶活性等分子功能。转基因小麦与对照叶片DEG数量在低磷胁迫72 h最多, 主要富集在糖代谢、有机酸生物合成等生物学过程, 以及与糖基转移酶活性、纤维素合酶活性等有关的分子功能。与对照相比, 转基因系OsT5-28根部血红素过氧化物酶、谷胱甘肽S-转移酶等防御系统关键酶基因, 以及叶片磷酸丙糖转运体家族基因在低磷胁迫前后均上调表达。转OsPHR2小麦与对照对低磷胁迫的响应程度具有一定的差异性, 低磷胁迫下转基因小麦较对照具有较强的磷素吸收利用能力, 主要是OsPHR2调控了小麦中相关基因表达。
穗粒数是小麦产量三要素建成的关键因子, 深入挖掘穗部发育调控基因有助于培育高产小麦品种。以小麦品种京411为野生型, 经EMS诱变获得了表型稳定的小穗退化突变体asd1 (apical spikelet degeneration 1)。该突变体表现顶端小穗明显退化, 穗长缩短了约40%, 结实小穗数减少了约35%, 穗粒数显著减少了54%, 同时株高也明显降低。利用京411×asd1遗传群体的F2和F3代表型数据分析表明, 顶端小穗退化性状受1对主效隐性基因控制。采用混合群体分离分析法(BSA), 结合测序所得SNP位点, 在7A染色体上开发了7个KASP标记, 将目标突变基因定位在7A染色体短臂9.91 Mb物理区间内, 遗传距离为17.62 cM, 推断该区段存在一个新的控制小麦花器官发育及穗部形态发育的重要基因。本研究所鉴定的小麦穗发育控制区段有助于深入解析小麦小穗形成的遗传基础, 为进一步揭示小麦产量形成的分子机理提供突变基因。
倒伏易引发小麦严重减产, 发掘和利用优异矮秆基因是培育高产抗倒伏小麦新品种的关键。本研究以京411 (WT)及其经EMS诱变获得的产量相关性状优良的矮秆突变体je0098为试验材料, 对其株高进行遗传分析, 结合外显子捕获测序和遗传连锁分析定位矮秆基因。3年田间株高数据统计分析表明, je0098与WT相比株高降低15 cm, 组织细胞学观察结果显示, je0098与WT相比节间细胞长度缩短18%, 暗示je0098的矮化是由于节间细胞长度变短所致; 赤霉素敏感性分析表明, je0098为赤霉素敏感型矮秆突变体。利用WT和je0098杂交构建的由344个单株组成的F2分离群体, 结合F2:3家系表型数据, 选取矮秆纯合和高秆单株构建混池, 对两亲本和子代混池分别进行外显子捕获测序, 在2D染色体上定位到一个具有降秆效应的数量性状位点(QTL)。结合全基因组重测序所得SNP位点, 在2D染色体开发了6个KASP分子标记, 对F2单株进行基因分型。利用QTL IciMapping作图软件构建遗传连锁图谱, 结合3年田间表型数据, 将矮秆基因定位在20.77~28.84 Mb区间内, 遗传距离为11.48 cM。本研究结果为突变体je0098矮秆基因的功能研究以及育种利用奠定了基础。
包含SPX、SPX-EXS、SPX-MFS和SPX-RING四个亚族的植物SPX基因家族在磷信号应答中发挥重要功能, 但迄今对小麦的该家族基因成员功能了解尚少。本研究前期从小麦(Triticum aestivum)中鉴定得到一个SPX亚族成员基因TaSPX1 (GenBank No. Ak332300), 亚细胞定位分析发现其定位于细胞核。对TaSPX1和来自小麦、拟南芥和水稻SPX家族的同源蛋白进行系统进化分析, 结果表明, 其与水稻SPX亚族的OsSPX1亲缘关系较近。应用RT-qPCR技术研究发现, TaSPX1的表达量在低氮胁迫下显著增加。构建烟草(Nicotiana tabacum)过表达转基因系(overexpression lines, OE), 应用MS营养液培养对野生型(WT)和OE株系OE3和OE4植株表型进行鉴定。发现在低氮胁迫下, OE3和OE4较WT表现明显的生长优势, 植株鲜重、根重和叶面积显著增加; 包括光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率在内的光合参数, 以及氮含量、可溶性糖、可溶性蛋白和叶绿素含量也都较WT显著增加。对氮吸收和同化相关基因的表达和酶活性测定结果表明, 上述基因的部分成员在OE植株中的表达量和氮同化酶活性升高。此外, 对包括SOD、POD和CAT在内的植株活性氧清除相关酶活力和MDA含量测定表明, 与WT相比, OE植株中保护酶的活性均明显提高, MDA含量降低。同时发现OE植株中部分保护酶基因成员的表达水平也较WT明显升高。这些结果初步证实了TaSPX1通过改善光合参数、增强氮吸收和转运以及加强保护酶系统等在介导植株抵御低氮胁迫中发挥重要作用。本项研究对小麦SPX家族成员抵御非生物逆境功能增加了新认识, 为作物抗低氮营养逆境的遗传改良提供了理论依据。
小麦旗叶是进行光合作用的主要功能叶, 对产量有着重要贡献。为了解小麦旗叶形态的遗传机制, 挖掘旗叶形态相关性状的候选基因, 本研究采用300份小麦品种(系), 结合90K SNP基因芯片对5种环境下正常灌溉(NI)和干旱胁迫(DS)条件下的旗叶长、宽、面积进行全基因组关联分析。结果表明, 旗叶长、宽、面积在2种水分处理下表现出显著差异(P<0.05), 在不同的环境下表现出丰富的表型变异, 变异系数为0.07~0.23。全基因组关联分析(genome- wide association study, GWAS)结果显示, 共检测到37个与旗叶长、宽、面积显著相关的稳定遗传位点, 分布于1D、2A、2B、3A、3D、4A、5A、5B、6A、6B、7A、7B染色体上, 单个SNP位点可解释遗传变异为3.70%~9.05%, 其中正常灌溉下检测到22个稳定遗传位点, 干旱胁迫下检测到15个稳定遗传位点。2种处理下共同检测到的稳定遗传位点有8个, 位于2B、3A、5A、6A、7A、7B染色体上。在2B、3A、6A、7A染色体上检测到5个同时与多个性状相关联的稳定遗传位点。对稳定遗传且贡献率较大的标记处进行单倍型分析, 发现与旗叶长显著相关的Kukri_ c1406_275 (R2=9.05%)标记存在FLL-Hap1、FLL-Hap2和FLL-Hap3三种单倍型, 与旗叶面积显著相关的wsnp_ bq170165A_Ta_1_1 (R2=7.88%)标记同样存在FLA-Hap1、FLA-Hap2和FLA-Hap3三种单倍型。结合表型分析, 在300份冬小麦品种(系)中含有FLL-Hap1 (出现频率为77.78%)或FLL-Hap2 (18.89%)单倍型品种(系)的旗叶长显著高于含有FLL-Hap3 (3.33%)单倍型品种(系)的旗叶长, 含有FLA-Hap1 (48.19%)单倍型品种(系)的旗叶面积显著高于含有FLA-Hap2 (30.80%)或FLA-Hap3 (21.01%)单倍型品种(系)的旗叶面积(P<0.05)。不同单倍型在不同冬小麦品种(系)中分布不同, 单倍型FLL-Hap1在国外品种(系)占比较大, 单倍型FLL-Hap2、FLL-Hap3分别在北部冬麦区和西南冬麦区占比较大。单倍型FLA-Hap1和FLA-Hap2分别在西南冬麦区和北部冬麦区出现频率较高, 单倍型FLA-Hap3在所有冬麦区无较高出现频率。对多环境下检测到的稳定遗传位点进行候选基因挖掘, 筛选出5个与旗叶形态相关的候选基因, 这些候选基因可作为旗叶相关性状重要基因。
氮素是小麦生长发育的必需元素之一, NO3--N是小麦从土壤中获取氮的主要形式。NRT/NPF家族基因编码膜转运蛋白, 主要参与植物NO3--N吸收、运输及分配。为了解小麦NRT/NPF家族基因与氮素利用的关系, 选用氮高效小麦品种周麦27 (ZM27)和氮低效品种矮抗58 (AK58), 利用二代测序技术, 研究了不同氮水平(N120、N225、N330)开花期TaNRT/TaNPF家族基因在旗叶中的表达特点。结果表明, 二代测序鉴定到386个TaNRT/TaNPF家族基因; 与AK58相比, ZM27在氮减量(N120)、正常(N225)、过量(N330)条件下差异表达基因分别为27、16和23个, 上调表达基因分别为16 (59.26%)、12 (75%)和19 (82.61%)个; 减氮条件下ZM27有7个特异下调表达基因, 氮过量条件下TaNPF8.1表达量最高, 且显著上调1.5倍。可见, TaNRT/TaNPF家族基因表达水平受施氮量及品种调控。利用小麦网络数据库分析发现TaNRT/TaNPF家族基因表达具有组织特异性及染色体偏好性, 旗叶表达量最高的TaNPF8.1定位于3A染色体, 根系特异表达的TaNRT2.2和TaNRT3.1主要分布于6号染色体, 茎秆特异表达的TaNPF4.5主要分布在2号染色体。qRT-PCR分析显示TaNRT/TaNPF基因表达特点与二代转录组及网络数据结果一致。TaNPF8.1、TaNPF4.5和TaNRT3.1蛋白互作分析发现, NO3--N转运可能还需要转录因子MYB、叶绿素A-B结合蛋白、伴侣蛋白等协同参与, 为进一步研究TaNRT/TaNPF家族表达与氮素吸收利用的关系奠定了基础。
本研究利用小麦55K SNP (55K single-nucleotide polymorphism)芯片和DArT (diversity array technology)标记对Avocet/Chilero和Avocet/Huites构建的两个F6重组自交系群体(recombinant inbred line, RIL)进行了小麦籽粒蛋白质含量(grain protein content, GPC)、湿面筋含量(wet gluten content, WGC)和沉降值(sedimentation value, SV)的QTL (quantitative trait loci)定位。共鉴定到68个与小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值相关的QTL, 表型贡献率为3.60%~22.53%, 其中, 位于3A(2)、4D、5D(2)、6A(8)和7B染色体上的14个QTL可在多环境下被重复检测到。此外, 在3A、3D、4B、5D、6A(2)和7B染色体上检测到7个QTL簇, 位于3AS染色体9.32~60.01 Mb和6AS染色体38.47~82.95 Mb的稳定QTL簇C3A和C6A.2, 同时与小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值显著相关, 分别解释了6.55%~14.21%和3.83%~22.53%的表型变异。同时, 在2个QTL簇中筛选到16个可能与籽粒蛋白质含量相关的候选基因, 并根据候选基因开发了可供育种利用的KASP标记CGPC-6A-KASP-1和CGPC-6A-KASP-2。本研究为小麦籽粒品质相关性状的遗传改良提供了新的QTL位点和KASP标记, 为分子标记辅助育种提供依据与参考。
LTR (长末端重复, long terminal repeat)反转录转座子占小麦基因组的60%以上, 筛选小麦基因组中具有转座活性的LTR反转录转座子, 并分析其在非生物胁迫下的响应, 对研究反转录转座子在小麦抗逆境胁迫中的作用具有重要意义。本研究通过生物信息学分析, 从转座子数据库(TREP database)中筛选出4个具有完整结构的LTR反转录转座子Fatima、Wis、Angela和Babara; 同时利用实时荧光定量PCR (qRT-PCR)、甲基化特异PCR (methylmion specific PCR, MSP)和转座子展示(transposon display, TD)技术分别分析了它们在盐、ABA、H2O2和干旱等处理的小麦幼苗期(二叶一心)叶和根中的表达水平、甲基化水平和转座活性变化。结果表明, 这4个反转录转座子在正常条件下均存在基础水平的转录, 并且能够响应上述4种胁迫而发生转录水平的变化, 且在相同胁迫条件下表达水平变化趋势一致。Fatima、Angela和Babara在非生物胁迫处理下表达水平的提高与其甲基化水平的降低有关, Wis则相反。反转录转座子LTR序列含有胁迫响应顺式作用元件, 但在非生物胁迫条件下顺式作用元件对这4个反转录转座子的调控作用不显著。与叶相比, 这4个反转录转座子在根中对胁迫的响应程度更高, 且在盐和ABA处理下转座活性更强。本研究将有助于进一步揭示LTR反转录转座子对非生物胁迫的响应规律, 为进一步研究利用反转录转座子进行小麦抗逆育种的遗传改良积累资料。
耐盐鉴定是筛选种质和选育耐盐小麦品种的前提。小麦室内耐盐鉴定方法较多, 涉及不同生育时期和组织器官。为了评估这些方法在生产上的适用性, 本研究选用北方冬麦区5个耐盐品种和5个盐敏感品种为试验材料, 对基于芽期和苗期的7种耐盐鉴定方法(涉及27个测试指标)进行实用性评价。结果显示, 利用小麦种子的发芽相对盐害率不能区分参试耐盐品种和盐敏感品种, 而小麦苗期的叶部盐害指数、根部Na+和K+流速以及根尖数、根径、叶片K+含量的相对盐害率在耐盐和盐敏感品种之间差异显著。综合回归分析结果和可操作性, 明确叶部盐害指数是北方冬麦区适用性较高的耐盐鉴定方法, 可结合根尖数相对盐害率、叶片K+含量相对盐害率或根部Na+和K+流速用于种质筛选或品种选育。本研究从适用程度方面解析和评价了耐盐鉴定方法, 为小麦耐盐育种工作提供参考信息。
白粉病是小麦生产中的主要病害之一, 发掘抗病基因并实现抗病基因转育是提高作物抗病性的最经济有效的方法。本研究克隆了一个位于小麦染色体1B上、具有典型CC、NBS和LRR结构域的基因TaRPP13-1B。接种白粉菌后, TaRPP13-1B基因在抗病小麦Brock和BJ-1中表达量虽然出现上下调波动, 但平均表达水平一直高于感病小麦品种京411。采用病毒诱导的基因沉默和转基因过表达技术进行功能分析, 发现抑制目标基因表达, 抗病小麦品种Brock对白粉菌的抗性显著降低; 过表达TaRPP13-1B的转基因小麦津强5号对白粉菌抗性明显提高。说明TaRPP13-1B基因参与小麦抗白粉病的防御反应过程。该研究为小麦抗病品种的选育提供了有价值的备选基因。
未减数配子的结合实现染色体自动加倍, 是多倍体物种起源的重要途径, 也是提高作物单倍体育种效率的重要手段。我们前期从四倍体小麦发掘出控制未减数配子形成的强效QTL位点QTug.sau-3B, 并通过人工合成小麦为“桥梁”, 将其导入到综合农艺性状优良的小麦新品系中。本实验使用5份含未减数配子基因的优良小麦新品系与不含未减数配子基因的小麦推广品种的F1杂种作母本与3份白茅(Imperata cylindrica)进行远缘杂交, 共授粉4610朵小花, 结实1965粒, 经幼胚拯救获得244个幼胚, 其中50个幼胚发育正常生长为50个小麦单倍体植株。由于小麦单倍体植株未减数配子基因的表达易受环境影响, 因此, 对单倍体植株在相同光周期(18 h光照/6 h黑暗)下进行了不同温度25℃/18℃、25℃/15℃和25℃/10℃处理, 结果表明, 25℃/18℃和25℃/10℃条件下编号为H31单倍体植株能够结实, 自交结实率分别为4.35%和2.41%。该研究结果为建立“基于小麦-白茅杂交实现染色体消除和未减数配子基因实现染色体自动加倍”的小麦单倍体育种技术提供了参考。
MYB转录因子在植物生长发育过程中发挥着重要作用。本研究克隆了小麦3B染色体上的TaMYB5-3B基因, 基因组序列全长3005 bp, 其中编码区上游为2112 bp, 编码区为893 bp, 包含2个外显子和1个内含子, 编码一个R2R3-MYB蛋白。序列多态性分析表明, 在TaMYB5-3B的-2048、-1632、-1178、-1156、-504、-461、-433和61 bp处各有1个SNP位点, 分别是G/A转换、G/A转换、G/A转换、T/C转换、C/T转换、A缺失、T缺失和T/A颠换, 这8个SNP位点连锁。基于启动子区SNP-1632的变异开发分子标记, 检测小麦自然群体的基因型, 与表型性状进行关联分析, 结果显示TaMYB5-3B与株高、穗下节长和千粒重显著相关。TaMYB5-3B在群体中有2种单倍型Hap-3B-1和Hap-3B-2, 其中Hap-3B-2是植株较矮、千粒重较高的优异单倍型。在我国的小麦育种历程中Hap-3B-2受到了正向选择, 在育成品种中的频率逐步增加, 但仍然有进一步的应用潜力。研究结果为深入探讨小麦株高和产量的形成机制提供参考, 也为小麦株型和产量分子育种提供了基因资源与选择标记。
为明确弱筋小麦育种高效品质选择指标以及亲本组配原则, 本研究选用7个不同品质类型品种作亲本, 按7×6半双列杂交配制21个组合, 对F2籽粒主要品质指标进行了遗传分析。结果表明, 不同品质指标的一般配合力(general combining ability, GCA)差异极显著, 其中硬度、SDS沉淀值和溶剂保持力(solvent retention capacity, SRC)效应值大, 蛋白质含量和面筋含量效应值较小; 不同品质指标的特殊配合力(special combining ability, SCA)除蛋白质含量、沉淀值、蔗糖SRC和面筋指数无显著差异, 其余均存在显著或极显著差异; 硬度、SDS沉淀值和SRC一般配合力远大于特殊配合力, 以加性效应的遗传为主。弱筋小麦品质指标一般配合力负向效应显著; 中强筋小麦品质指标一般配合力正向效应显著。硬度、SDS沉淀值、水SRC和碳酸钠SRC, 狭义遗传力分别为91.23%、82.66%、83.81%和83.96%, 遗传力高, 可在早期世代进行选择; 其次是乳酸SRC和蔗糖SRC, 狭义遗传力分别为72.79%和75.26%; 蛋白质含量、湿面筋含量、干面筋含量和面筋指数, 狭义遗传力分别为30.72%、25.62%、32.62%和49.82%, 遗传力较低。对不同组合高代品系品质分析表明, 弱筋/弱筋小麦组合后代籽粒硬度、蛋白质含量、SDS沉淀值和SRC等品质指标最低, 弱筋/强筋小麦组合居中, 强筋/强筋小麦和中筋/强筋小麦组合最高。硬度、SDS沉淀值、水SRC和碳酸钠SRC是弱筋小麦品质育种的高效选择指标; 弱筋小麦品质育种亲本组配, 至少要有一个弱筋品质类型的亲本。
二系杂交小麦育种是小麦产量提高的重要途径之一。光温敏雄性不育小麦生殖生长过程中花药的发育及开裂情况直接影响杂交小麦的制种效率和产量。植物花药的开裂与脱水活动紧密相关。水通道蛋白(aquaporins, AQPs)是高效转运水分及特异小分子的膜内在蛋白, 其中质膜内在蛋白(plasma membrane intrinsic proteins, PIPs)在水分的吸收与外排中发挥着重要作用。为进一步了解水通道蛋白在小麦光温敏核雄性不育系花药开裂中的作用提供理论基础。本研究以不育系BS366花药的cDNA为模板, 克隆获得了TaPIP1基因。利用生物信息学软件对TaPIP1进行分析, 该基因包含一个879 bp的开放阅读框, 编码292个氨基酸。TaPIP1的启动子区存在赤霉素、脱落酸、茉莉酸和光等响应元件。TaPIP1属于MIP超家族, 具有典型的NPA保守结构域, 亚细胞定位于细胞质膜与核膜上。miRNA互作预测发现TaPIP1受tae-miR1131与tae-miR408的剪切抑制, 表明TaPIP1可能和与植物的抗氧化能力相关。通过蛋白互作预测及qPCR实验, 表明TaPIP1可与热激蛋白(heat shock protein 90, TaHSP90)相互作用, 在高温和干旱复合胁迫下, 参与花药细胞壁膨压调控, 进而调控花药的开裂。
矮败小麦是一个便利的杂交育种工具材料。我们在育种实践中不断对矮败小麦技术体系进行改进, 改进后的矮败小麦技术体系包括创制矮败小麦骨干亲本、围绕骨干亲本构建大规模有限回交育种群体、分子标记辅助选择、单倍体育种应用和异地加代技术几项主要内容。利用该技术体系, 以黄淮冬麦区高产抗赤霉病为主要育种目标进行了育种实践, 成功将抗赤霉病基因Fhb1快速导入黄淮冬麦区小麦品种遗传背景, 比常规育种方法提前2~3年育成了高产、中抗赤霉病、适宜黄淮冬麦区种植的小麦新品系, 显著提高了高产抗赤霉病育种效率。
由国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)培育的春小麦高代选系C271对小麦条锈病保持抗性近40年。为明确C271的抗条锈病遗传组分, 利用感病品种晋麦79与C271杂交构建含有229个F2:3家系的遗传群体, 并于2019年在陕西杨凌和四川江油进行成株期病害调查。运用集群分离分析(BSA)结合高密度660K芯片策略在3B染色体短臂上快速挖掘出大量的与抗病关联的SNP, 利用等位基因特异的定量PCR标记(AQP)进行验证并作图, 成功检测到一个效应值较大的QTL, 可解释表型变异为22.7%~30.8%, 暂命名为YrC271, 位于标记AX-109001377和AX-111087256之间, 约1.9 cM, 对应的物理距离1.9 Mb。利用已公布的小麦基因组信息对该区间进行比较基因组分析, 结果表明, 与中国春基因组相比, 不同材料间存在小片段的插入以及倒位现象, 但总体共线性良好。同时利用1484份小麦660K分型数据对该区间进行单倍型分析, 总体可分为5种区间单倍型, 其中C271所在的单倍型组的抗性优于其他组。虽然C271不含有Yr30和Yr58连锁标记的阳性片段, 但从相对遗传位置、条锈病抗性表现以及育种系谱看, YrC271与Yr30和Yr58都很类似, 其关系需要进一步确认。对主效QTL定位来讲, 芯片结合BSA策略可快速锁定目标QTL区域, 再应用AQP技术既提高了作图效率, 也降低了标记分析的成本, 为高通量基因/QTL定位工作提供了借鉴。
小麦孕穗期对低温非常敏感, 低温胁迫后外源喷施6-苄氨基腺嘌呤(6-BA), 能够缓解低温胁迫对小麦造成的伤害, 通过转录组测序技术分析6-BA提高小麦抗寒性的分子机制。选用低温敏感型品种皖麦52和低温迟钝型品种烟农19为试验材料, 在孕穗期低温胁迫后喷施20 mg L-1的6-BA溶液, 以喷施等量蒸馏水处理为对照。观察幼穗形态, 并测定幼穗可溶性糖含量和淀粉含量。再通过转录组测序筛选并分析差异表达基因, 探究差异表达基因的功能及可能参与的调控通路, 采用qRT-PCR方法对测序结果进行验证。外源6-BA处理10 d后, 与对照相比小麦幼穗形态发育良好, 可溶性糖、淀粉含量均升高。转录组结果表明, 在皖麦52和烟农19中分别鉴定出22,770个和9866个差异基因, 其中有661个基因在两个品种中均上调, 从中筛选出ARF5、AGPL1、1-SST、SWEET15等基因, 这些基因与调节植物激素水平、淀粉合成、糖代谢等有关。对筛选出的差异基因进行GO和KEGG富集分析。GO注释表明皖麦52和烟农19差异基因的功能都主要富集于细胞结构稳定性、代谢、催化活性等。KEGG富集分析表示信号转导、内源激素水平的调节、碳代谢、膜结构和功能的改变等途径发生显著变化。选择部分候选基因对其表达模式进行qRT-PCR分析, 结果说明RNA-seq数据准确。综上所述, 6-BA可以通过调节小麦内部抗氧化物质代谢、激素信号转导、碳水化合物代谢、渗透调节等途径缓解低温损伤, 研究结果可为探索减轻春季低温对小麦伤害的栽培措施提供理论基础。
小麦的茎秆性状与倒伏紧密相关, 发掘其显著关联的基因位点和候选基因, 为解析小麦茎秆性状的遗传机制和分子标记辅助育种提供依据。本研究以黄淮南部地区的192份小麦品种为材料, 利用小麦660K SNP芯片对7个环境成熟期和4个环境灌浆中期的14个茎秆性状进行了全基因组关联分析(GWAS), 同时利用RNA-seq分析了基部前二节间强度和直径的差异表达基因。结果表明, 所有性状的成熟期与灌浆中期的差异均达到极显著水平。与灌浆中期相比, 成熟期的重心高度增幅较大, 基部第二和第三节间长度增加, 其他性状均降低。GWAS共检测出163个与茎秆性状相关的稳定SNP标记(MTA), 其中45个具有基因或蛋白注释, 与转录组联合分析, 共筛选到3个与小麦茎秆性状相关的候选基因。推测候选基因TraesCS5A02G522100通过合成异戊二酸类化合物调节小麦的光合作用以及通过调节固醇的生成提高细胞膜的稳定性和渗透性, 进而促进茎秆的发育, 改善茎秆性状。候选基因TraesCS1D02G390600直接参与小麦茎秆细胞分裂和器官的形成, 使茎秆变粗, 充实度增加。候选基因TraesCS7A02G481800在小麦中通过参与细胞间的信号传递过程, 调控茎秆的发育、应激响应等过程。这些候选基因通过qRT-PCR验证, 其基因的表达趋势与转录组测序所得结果基本一致。
有效分蘖数可直接影响小麦的成穗数, 与产量关系极为密切。挖掘小麦分蘖数相关数量性状位点, 解析分蘖数与其他重要农艺性状之间的相关性, 可为分子育种提供理论依据。本研究首先提出和建立了“多个环境评价-单个性状深入-综合性状兼顾-友好标记开发-不同背景验证”的遗传解析新模式。进一步利用该模式, 以寡分蘖自然变异植株msf和川农16 (CN16)构建的F6代重组自交系群体(MC群体)为实验材料, 以多年多点的有效分蘖数作为表型数据, 借助基于16K芯片构建的遗传连锁图谱成功定位和验证了寡分蘖遗传调控位点。QTL定位结果显示, 1A、5A和6D染色体上有4个控制寡分蘖的QTL。其中Qltn.sau-MC-1A为稳定主效的寡分蘖QTL, 解释了13.39%~60.40%的表型变异, 其正效应位点来源于msf。表型分析发现, 携带Qltn.sau-MC-1A正效应位点株系的有效分蘖数显著少于携带Qltn.sau-MC-1A负效应位点株系的有效分蘖数。相关性分析表明, 有效分蘖数和株高之间存在极显著的正相关, 与千粒重、每穗粒数、每穗粒重、旗叶宽之间存在显著的负相关, 有效分蘖数与旗叶长、开花期之间无显著相关。遗传分析结果表明, Qltn.sau-MC-1A正效应位点显著增加每穗粒数、每穗粒重和千粒重, 但推迟开花期。不同遗传背景下的验证结果表明, 携带Qltn.sau-MC-1A正效应位点的株系确实能降低有效分蘖数。综上, 本研究建立了一种遗传解析新模式, 并基于此模式解析、定位和验证了一个控制寡分蘖的主效QTL Qltn.sau-MC-1A, 为进一步精细定位和了解分蘖形成机制奠定了基础。
bHLH (basic Helix-Loop-Helix)转录因子在植物生长发育过程中发挥着重要作用。本研究克隆了小麦TabHLH112-2B, 该基因由7个外显子和6个内含子构成, 编码444个氨基酸, 在315~364位氨基酸处具有一个典型的HLH保守结构域。组织表达模式分析表明TabHLH112-2B在小麦幼苗期、拔节期、抽穗期和开花期的各个组织中均有表达, 其中在叶和根中表达量较高。顺式作用元件分析发现TabHLH112-2B启动子区含有植物激素应答、胁迫响应、与分生组织发育相关的多种顺式作用元件, qRT-PCR结果显示其表达响应ABA、IAA、MeJA等植物激素和干旱、高盐、低温、高温等胁迫处理。基因组序列多态性分析检测到启动子区域的2个SNP, 分为2种单倍型。根据SNP-682开发分子标记并进行关联分析, 发现该标记与干旱、高温等多种环境下的每穗小穗数显著相关, Hap-2B-2为每穗小穗数多的优异单倍型。研究结果为培育高产广适小麦新品种的分子标记辅助育种提供了优异基因资源和技术支撑。
遗传相似度检测的准确度估计是对SNP标记法在农作物品种检测体系中应用的必要补充和完善。本研究基于2021年小麦品种SNP标记法跨实验室协同验证实验数据, 分析了该方法的检测准确度及在品种间的遗传相似度。分析结果表明: (1) 10个实验室对55组小麦品种组合的标记位点相似度检测的总体准确度约为98%。(2) GGE双标图的品种遗传关系功能图显示, 7组小麦品种的组内遗传相似度在95%以上, 其余组合的遗传相似度较低。(3) 依据GGE双标图的“正确度-精确度”功能图和“准确度排序”功能图, 发现洛旱7号/洛旱11等品种组合的相似度检测准确度较高, 晋麦47/临抗11的检测准确度一般, 而济麦22/婴泊700的检测准确度较差。(4) 10个实验室的检测准确度存在显著差异, 其中2个实验室检测的正确度、精确度和准确度表现显著差于其余实验室。(5) 各实验室检测正确度的容许误差分布于1.3%~1.9%之间, 平均为1.5%; 准确度的容许误差分布于1.5%~2.0%之间, 平均为1.7%。其中, Lab2和Lab3的检测正确度和准确度的容许误差显著差于其余实验室。本研究构建了SNP标记法对品种相似性检测的准确度统计模型, 分析了品种组合和实验室的检测准确度及其容许误差, 采用GGE双标图方法对检测正确度、精确度和准确度进行可视化分析, 验证了各实验室对品种位点相似性检测的准确度和可靠性, 为SNP标记法在农作物品种遗传相似性检测中的准确度评价提供了理论支持和应用范例。
为研究转玉米C4型PEPC (磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因)和PPDK (丙酮酸磷酸双激酶基因)双基因小麦对强光胁迫的光合和生理响应, 以转ZmPEPC+ZmPPDK基因小麦株系PCK30和PCK60及其野生型对照材料(WT)为试验材料, 鉴定了外源基因在转基因小麦中的表达量, 在抽穗期和灌浆期测定正常光强(NL)和强光胁迫(HL)处理下转基因小麦的光合酶活性、叶绿素含量、气体交换参数、叶绿素荧光参数、活性氧物质含量和抗氧化酶活性。结果表明, 2个转基因株系在转录水平上高效表达了PEPC和PPDK基因。在不同时期NL和HL处理下, 转基因小麦的PEPC、PPDK、NADP-ME和Rubisco的酶活均显著高于WT, 且HL处理下高出WT的幅度更明显。与NL处理相比, 转基因小麦和WT的叶绿素含量在HL处理下显著降低, 但转基因株系的下降幅度更小, 且HL处理下转基因株系的叶绿素含量显著高于WT。两种水平处理下, 转基因小麦PCK30、PCK60的净光合速率(Pn)均显著高于WT, 且HL处理下高出幅度更明显, 抽穗期增幅分别为15.26%和17.57%, 灌浆期为13.41%和15.82%。气孔导度、Fv/Fm、qp的变化趋势与Pn一致, 胞间二氧化碳浓度的变化趋势与Pn相反。转基因株系在HL处理下产生的活性氧物质和丙二醛含量显著低于WT, 而抗氧化酶变化趋势与之相反。连续2年田间小区产量试验, 转基因小麦PCK30和PCK60平均比WT高8.37%和10.16%。PEPC和PPDK在小麦中的过表达增强了小麦内源的光合酶、光化学效率和抗氧化酶活性, 增强了强光下的叶片细胞膜的稳定性, 保护了光合机构, 维持了较高的光合效率, 从而提高了转基因小麦的耐强光胁迫能力。
小麦籽粒品质与面粉加工的食品品质密切相关, 是小麦早期品质选择的重要依据。本研究以产自新疆的134个冬小麦地方品种和54个育成品种为材料, 对连续2年种植收获于新疆乌鲁木齐市、新疆伊宁市共计4个试验点的小麦籽粒进行品质检测与全基因组关联分析。结果表明, 7个小麦籽粒品质性状的广义遗传力在62.14%~85.35%之间, 由大到小排序依次为: 硬度(85.35%)>湿面筋含量(78.44%)>出粉率(73.13%)>容重(72.50%)>沉降值(66.70%)>籽粒蛋白质含量(65.24%)>淀粉含量(62.14%)。在4个不同环境下, 7个小麦籽粒品质性状表现为蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值的变异相对较大, 籽粒硬度的变异居中, 淀粉含量、出粉率、容重的变异较小, 多数籽粒品质性状间呈极显著相关性。设定阈值P<0.01, 经关联分析, 7个性状共检测到6605个显著性SNP标记, 可解释6.021%~31.467%的变异。4个环境下检测到2个以上性状共有的多性状位点12个, 可以解释6.233%~17.708%的表型变异。分别是蛋白质含量/沉降值、蛋白质含量/容重共有位点各1个, 分别位于6A、2B上; 蛋白质含量/湿面筋含量共有位点5个, 分别位于3A、1B、6B、7B和7D上; 沉降值/容重/籽粒硬度3个性状共有位点1个, 位于5B上; 蛋白质含量/沉降值/湿面筋含量3个性状共有位点3个, 位于7A、3B和2D上, 蛋白质含量/沉降值/湿面筋含量/容重4个性状共有位点1个, 染色体位置未知。筛选出11个多性状、多环境品质相关基因, 其中TraesCS6B01G347500编码一种储运蛋白, TraesCS1B01G395400编码碳水化合物转运蛋白/糖转运蛋白, TraesCS2D01G246500基因编码具有耐冷、耐盐、节水相关的蛋白ESKIMO1, 可作为候选基因进行等位变异分析和标记开发, 为小麦标记辅助选择育种提供分子工具。
通过检测118份小麦材料3个环境下吸水率、蛋白质含量、容重、湿面筋含量、面团稳定时间、面团形成时间、沉降值和出粉率8个小麦籽粒品质的表型值, 结合小麦55K SNP芯片分析基因型, 采用Q+K混合模型进行全基因组关联分析。在不同环境下, 8个籽粒品质性状均具有广泛变异, 其中沉降值的变异系数最大为16.47%~17.03%, 各品质性状遗传力为0.71~0.85。118份小麦材料被分为3个亚群, 亚群I包括41 (34.75%)份, 安徽供试材料占绝大部分; 亚群II包括32 (27.12%)份, 是以安徽、江苏、四川为主体的群体; 亚群III包括45 (38.13%)份, 主要为安徽及江苏省份材料。22个与小麦籽粒品质性状显著关联的稳定位点(P<0.001)在2个及以上的环境中被重复检测到, 分布于染色体1B (4)、1D (1)、2B (1)、2D (1)、3B (2)、3D (1)、4D (1)、5A (1)、5B (1)、5D (3)、6B (2)、7B (3)和7D (1), 解释了8.53%~16.32%的表型变异。稳定位点中包含3个一因多效显著关联位点, 14个可能控制小麦品质性状的新遗传位点, 并筛选出11个可能与小麦籽粒品质性状相关的候选基因; 有利等位基因的数量越多, 品质性状表型值越高, 并发现了在8个主要品质性状均携带有利等位基因的载体材料, 其中, 华成859和济麦44包含最多的有利等位基因, 可供改良小麦品质的育种亲本使用。本研究结果为小麦优良品质小麦培育提供了理论依据、亲本材料和分子标记。
适宜的抽穗期(开花时间)是作物获得高产和稳产的重要育种目标, EMF2是参与成花调控过程中的重要基因之一, 但该基因在小麦中的功能仍不清楚。本研究从普通小麦中克隆了水稻OsEMF2b的直系同源基因TaEMF2, TaEMF2-2D是一个细胞核和细胞质定位蛋白。敲除TaEMF2会推迟小麦的抽穗期, 过表达TaEMF2-2D会使小麦抽穗期提前。利用RT-qPCR检测小麦开花相关基因在TaEMF2转基因株系中的表达, 结果表明,VRN1和VRN3在敲除转基因株系中的表达水平显著下调, 在过表达株系中这2个基因的表达量则显著上调, 表明TaEMF2可能通过调控VRN1和VRN3的表达来影响小麦的抽穗期。
小麦：遗传育种·种质资源·分子遗传学
