小麦：遗传育种·种质资源·分子遗传学
小麦条锈病是由条形柄锈菌小麦专化型(Puccinia striiformis f. sp. Tritici)引起的真菌病害, 是小麦生产中主要病害之一。利用元分析(meta-analysis)对已报道的小麦条锈病抗病数量性状位点(quantitative trait locus, QTL)和已知抗病基因(Yr)进行统合分析, 将480个不同分子标记类型QTL通过构建的参考图谱进行映射, 获得meta-QTL (meta-quantitative trait locus, MQTL) 90个, 其中16个与严重度(disease severity, DS)相关、10个与反应型(infection type, IT)相关、7个与病程曲线下面积相关(area under disease progress curve, AUDPC)、3个与其他抗条锈病性状相关; 有19个同时与DS和IT共相关、20个与DS和AUDPC共相关、15个与IT和AUDPC共相关。获得的MQTL非均匀分布于21条染色体上, 部分MQTL聚合成簇; 解释表型变异率范围2.00%~63.01%, 置信区间范围为0.01~24.60 cM; 映射的MQTL包含13个抗病基因: Yr5, Yr7, Yr17, Yr18, Yr28, Yr29, Yr30, Yr44, Yr48, Yr52, Yr54, Yr67和Yr82。进一步对MQTL进行候选基因分析, 鉴定了72个候选基因(candidate gene, CG), 功能注释和表达模式分析发现, CG编码的蛋白质含有与抗病相关的如NBS-LRR结构域、WRKY结构域、F-box结构域、糖转运蛋白等; 并且研究了CG在小麦发育过程中不同叶片组织中的表达情况。本研究通过分子标记辅助育种将抗条锈病基因或QTL聚合培育获得小麦抗病品种, 为有效提高小麦抗病水平、保障粮食安全提供参考。
根系是小麦吸收土壤水分和养分的器官, 其形态特征与产量及耐逆性密切相关。因此, 发掘根系形态相关遗传位点及优异等位基因对于小麦改良具有重要意义。本项目以277份小麦种质为材料, 采用凝胶根室法鉴定总根长、根表面积及根角度等8种幼苗根系性状, 结合小麦660K SNP芯片的分型结果开展3种模型(GLM、MLM和FarmCPU)全基因组关联分析(GWAS)。共检测到52个关联位点, 其中包括6个与多个根系性状相关的一因多效性遗传位点(Loci17、Loci20、Loci22、Loci38、Loci46、Loci47), 分别位于染色体3A、3B、3D、5A、6A和6B上。在位点Loci20中克隆到调控根系性状候选基因TaSRL-3B, 其序列全长1089 bp, 无内含子, 第78~235位氨基酸处有1个保守的NAC结构域。在该基因编码区检测到1个20 bp的插入/缺失变异(InDel717), 该变异导致移码突变且与Loci20位点的候选SNP (cSNP, AX-108758584)紧密连锁(R2 = 0.84)。277份供试小麦材料中携带等位基因TaSRL-3BIn的种质平均最大根长、总根长及根表面积均显著大于携带等位基因TaSRL-3BDel的种质。以携带TaSRL-3BDel的鲁麦14 (LM14)为受体亲本、携带TaSRL-3BIn的陕合6号 (SH6)为供体亲本, 创制回交导入系群体(BC3F5)。利用基于InDel717开发的分子标记从中鉴定出5个携带TaSRL-3BIn的鲁麦14近等基因系。与鲁麦14相比, 其近等基因系的最大根长、总根长、根表面积及根体积均显著增加, 进一步表明TaSRL-3B参与调控小麦幼苗根系形态。与小麦地方品种相比, 我国现代育成品种中长根型等位基因TaSRL-3BIn频率减少。本研究为加快小麦根系遗传调控网络构建和功能解析提供了重要信息, 有助于小麦根系的遗传改良。
分析近二十年北方冬麦区与南方冬麦区国审冬小麦品种产量和品质变化及性状之间的相关性, 旨在明确品种更替过程中冬小麦产量和品质的变化趋势, 为未来高产优质小麦育种和栽培技术创新提供重要参考。收集并整理2000—2024年北方冬麦区与南方冬麦区1187个国审冬小麦品种数据, 将其按品质类型分为强筋、中强筋、中筋与弱筋4种类型, 并对其产量及构成因素、品质指标等进行了分析。自2017年起, 2个麦区国审冬小麦品种数量显著增加; 均以中筋品种为主。北方冬麦区的中强筋品种产量高于强筋和中筋品种, 南方冬麦区的中强筋品种产量高于弱筋品种。北方冬麦区品种的生育期显著缩短, 产量随时间显著增加, 以中强筋品种增幅最大, 为0.14 t hm-2, 中强筋品种的蛋白质和湿面筋含量年均分别减少0.07%和0.15%, 强筋和中强筋品种的稳定时间年均分别增加0.27 min和0.25 min; 南方冬麦区中强筋和中筋品种产量显著增加, 中筋品种的湿面筋含量和稳定时间年均分别增加0.22%和0.07 min。在北方冬麦区, 强筋和中强筋品种的穗粒数与产量的相关性最高。中筋品种的千粒重与产量的相关性最高。强筋和中强筋品种的蛋白质含量与湿面筋、稳定时间和拉伸面积均呈正相关。在南方冬麦区, 中强筋和中筋品种的穗数与产量呈显著正相关, 弱筋品种穗粒数与产量呈正相关。北方冬麦区冬小麦通过统筹提高产量构成三因素, 进一步提高产量和品质; 南方冬麦区中强筋和中筋小麦的穗数是提高产量的关键因素, 弱筋小麦则通过增加穗粒数并优化栽培管理以保持较低的蛋白质含量, 从而提升产量并确保加工适应性。在未来气候变化的背景下, 如何实现产量与品质的协同提升, 是我国小麦育种和优质栽培创新亟待解决的重要科技问题。
挖掘小麦氮高效的种质和基因资源, 揭示其分子机制和遗传效应, 是当前小麦氮效率研究的重要内容和目标。本研究以255份不同小麦品种组成的自然群体为试验材料, 对每个品种1叶1心幼苗分别进行低氮(low nitrogen, LN, 0.05 mmol L-1 NO3-)和充足供氮(sufficient nitrogen, SN, 1.00 mmol L-1 NO3-) 2个水培条件处理, 培养28 d后, 在低氮和充足供氮处理下测定17个表型指标, 通过对55K SNP芯片进行质控过滤筛选出38,215个高质量单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNPs)位点,结合FarmCPU、MLM以及MLM+Q+K模型进行全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)。该群体在LN和SN水平下17个表型指标比值(LS, LN/SN)的频率分布均呈正态分布, 对17个LS指标进行全基因组关联分析, 共检测到1161个显著位点(P≤0.001), 发现有103个标记至少在2个模型中同时被检测到, 有8个SNP至少关联了4个性状, 其中AX-110548993 (3B)和AX-111802919 (4D)为新位点。2个新位点上下游5 Mb范围区间内含有267个候选基因, 其中位于4D染色体上的SNP AX-111802919包括3个直接参与或调控氮吸收转运的候选基因: TraesCS4D02G361500编码硝酸盐转运蛋白(NRT1.1), TraesCS4D02G362100编码锌指蛋白CONSTANS-LIKE 1, TraesCS4D02G362800编码1个GATA转录因子蛋白。
叶片形态作为株型结构的核心特征, 对光合作用效率、作物产量及胁迫响应等具有重要影响。旗叶是小麦进行光合作用的重要功能器官, 其光合效率直接影响小麦产量, 深入挖掘旗叶发育调控基因有助于培育高产小麦品种。本研究以小麦品种京411为野生型, 经诱变获得了表型稳定的小旗叶突变体je0261。该突变体表现旗叶变窄变短, 旗叶叶长减小38.9%, 叶宽减少29.3%, 叶面积减小56.7%。根据突变体与野生型的F2和F3代表型数据分析表明, 旗叶宽窄和长短性状分别受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, 将控制叶长、叶宽的目标基因同时定位在7A染色体长臂1.18 cM遗传区段内, 对应中国春参考基因组8.08 Mb的物理区间。2个基因之间的遗传距离为1.00 cM, 推断是2个新的控制旗叶宽度和长度的主效基因。本研究所鉴定的小麦旗叶大小和宽窄调控区段有助于深入解析小麦旗叶叶面积形成的遗传基础, 为进一步改良小麦叶型提供新基因源。
小麦是重要的粮食作物之一, 持续提升其产量是育种的重要目标。提高粒重可以有效提高小麦单产, 而小麦籽粒的主要成分是淀粉。为全面解析淀粉合成通路关键酶基因TaSUS2对籽粒淀粉合成的作用, 本研究从小麦基因组中扩增了TaSUS2的全长cDNA序列, 并在科农199中对TaSUS2进行基因编辑, 获得2种纯合二突材料(KO-1、KO-2)和1种纯合的三突材料(KO-3)。转基因材料表型鉴定发现, 与野生型相比, TaSUS2的种子出现明显的皱缩, 粒重显著下降, 且籽粒胚乳中总淀粉含量、直链淀粉含量、绝对淀粉含量和A型淀粉的粒径也显著降低, 表明TaSUS2影响粒重和籽粒中的淀粉合成。转录组分析发现, TaSUS2-KO-3花后21 d的籽粒中淀粉合成通路上的多个主要合成酶基因上调表达。开发TaSUS2-2A-CAPS标记并鉴定了145份重测序材料, 发现TaSUS2影响淀粉含量、湿面筋含量、蛋白质含量及沉降值等品质性状, TaSUS2-2A-Hap-G是影响品质性状的优异单倍型。研究结果为阐析TaSUS2的生物学功能奠定了基础, 也为未来小麦的高产优质分子育种提供了基因资源。
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。
镉(Cd)极易被小麦吸收并对人体健康构成威胁, 且小麦响应Cd胁迫的分子机制尚不清楚。探究小麦Cd积累的分子机制对于通过遗传改良培育低Cd积累小麦至关重要。本试验采用营养液培养法, 利用转录组学测序技术研究不同Cd积累特性小麦(济麦22和周麦32)在0、0.05和0.10 mmol L-1 Cd胁迫下基因调控网络变化。京都基因与基因组百科全书(KEGG)、基因本体(GO)和蛋白-蛋白相互作用网络分析(PPI)表明, Cd胁迫诱导防御相关基因表达, 内质网蛋白质加工途径是0.05 mmol L-1 Cd胁迫下济麦22最显著富集的上调途径之一, 苯并噁嗪生物合成途径是0.10 mmol L-1 Cd胁迫下济麦22富集程度较高的上调途径之一。此外, Cd胁迫下核糖体蛋白uL13家族为PPI中主要节点, 这表明核糖体蛋白uL13家族在Cd胁迫下维持核糖体正常功能起重要作用。转运体相关基因TaNRAMP1、TaNRAMP2、TaNRAMP5、TaZIP6和TaABCG36在小麦Cd吸收和积累中起关键作用。Cd胁迫下WRKY、MYB、bHLH、bZIP转录因子表达量上调, 有助于缓解Cd胁迫造成的损伤。加权基因共表达网络和可视化分析表明, LOC123168319和LOC123145825可能是与Cd积累相关的潜在候选基因。本研究筛选出的差异基因和代谢通路, 可利用CRISPR/Cas9等基因编辑技术, 对小麦进行遗传改良, 降低其对Cd的吸收和积累能力, 为小麦抗Cd机制深入研究及后续培育低Cd积累小麦品种提供参考。
利用能产生经济效益的作物改良盐碱地是扩充我国后备耕地资源的重要手段。明确油菜和小麦响应盐碱胁迫的生理机制, 将为挖掘油菜、小麦在盐碱地种植以用作饲料及改良利用盐碱地中的潜力提供依据。本研究将取自吉林白城的盐碱土与武汉常规土壤配制为盐浓度分别为0.2%、0.4%的盐碱土, 以武汉常规土壤作对照(CK)进行盆栽试验, 分别以耐盐碱能力不同的甘蓝型油菜和小麦为材料, 测定生物量、渗透调节、离子平衡、抗氧化酶及H2O2、$\mathrm{O}^{\bar{.}}_{2}$等指标。研究结果表明, (1) 盐碱胁迫下, 油菜叶柄中的Na+含量最高, 达88.40 mg g-1; 小麦则是根系中的Na+含量最高, 为33.45 mg g-1; 且油菜各部位中的Na+积累量均显著高于小麦, 尤其是叶片中的Na+积累量, 高出2~8倍。(2) 油菜和小麦在盐碱胁迫下, 耐盐碱品种各部位中的K+降幅和K+/Na+比值均高于盐敏感品种, Na+增幅均低于盐敏感品种; 油菜苗期根系、蕾薹期叶片中的Na+对K+吸收的抑制效应最大, 而小麦各个时期均为根系中的Na+对K+吸收的抑制效应最大。(3) 油菜和小麦在盐碱胁迫下, 耐盐碱品种植株体内的可溶性糖含量、抗氧化酶活性以及$\mathrm{O}^{\bar{.}}_{2}$清除能力均高于盐敏感品种, H2O2、$\mathrm{O}^{\bar{.}}_{2}$均随盐碱胁迫浓度升高而增加, 但耐盐碱品种叶片增幅较小; 不同的是, 耐盐碱油菜品种在苗期抗盐碱生理机制中响应更快, 随着生育期的推进, 叶片中的可溶性糖含量以及$\mathrm{O}^{\bar{.}}_{2}$清除能力也会逐渐增加; 而耐盐碱小麦品种叶片中的可溶性糖含量和$\mathrm{O}^{\bar{.}}_{2}$的清除能力均随生育期推进而显著降低。油菜主要通过“储钠”作用将Na+区隔化进叶柄和茎秆中, 而小麦主要通过“拒钠”作用减少Na+的吸收, 并将Na+更多地积累在根系中; 耐盐碱能力强的品种维持钠钾离子平衡能力更强; 油菜耐盐碱能力随着生育期的推进逐渐增强, 而小麦的耐盐碱能力则随着生育期推进逐渐减弱。
彩色青稞和彩色小麦是一类特殊的、珍贵的种质资源, 不同颜色籽粒中的营养物质成分和含量均不同。本研究基于LC-MS对2个彩色青稞品种鄂黑稞720135 (EH720135)、广州蓝稞(GZL)和2个彩色小麦品种中科紫麦(ZKZM)、农大4218紫(ND4218)授粉后不同天数的籽粒代谢组进行了分析和比较。 结果表明:在4个材料不同发育时期的籽粒中, 共检测到936种代谢物, 包含379种已知物质和557种未知物。聚类分析表明, 不同发育时期的籽粒中代谢物存在明显差异, 各种代谢物的动态积累模式也不尽相同。对4个材料成熟籽粒中代谢物进行比较分析, 在彩色青稞和彩色小麦之间共鉴定出687种差异代谢物, 其中, 206种在2个彩色青稞和2个彩色小麦之间均存在显著差异。此外, 还鉴定到308种和277种代谢物分别在2个彩色小麦之间和2个彩色青稞之间存在显著差异。进一步分析表明, 成熟青稞籽粒中的儿茶素、麦黄酮衍生物、金圣草黄素等黄酮类相关代谢物含量显著高于彩色小麦, 它们可能为青稞特异的功能性成分。本研究有助于全面了解彩色青稞和彩色小麦籽粒代谢物的差异, 并为彩色青稞和彩色小麦功能性食品研发提供理论依据。
蔗糖玉米非发酵-1相关蛋白激酶(Sucrose non-ferment-1-related protein kinase, SnRK)在响应非生物胁迫过程中发挥着核心调控作用。为系统分析小麦(Triticum aestivum L.) TaSnRK基因家族成员的基本理化性质、染色体分布、基因结构、系统进化关系和在局部根区干旱下的表达特性, 本研究利用生物信息学的方法在小麦全基因组进行鉴定, 并通过小麦公共表达数据库和实时荧光定量PCR (Real-time fluorescent quantitative PCR, qRT-PCR)分析了其在局部根区干旱下的表达模式。结果表明, 在小麦中共鉴定到139个SnRK基因家族成员, 并将其分为3个亚家族, 每个亚家族中分别含有15 (SnRK1)、31 (SnRK2)和93 (SnRK3)个成员, 蛋白质序列长度在154~836个氨基酸之间。通过保守基序分析发现, 3个亚家族的成员中均含Motif2和Motif4; 在SnRK1亚家族中所有成员均含Motif14和Motif15, 而在SnRK2和SnRK3亚家族中均不含这2个结构域; 在SnRK3亚家族中所有成员均含Motif10, 而在SnRK1和SnRK2亚家族中均不含Motif10。通过种内共线性分析发现, TaSnRK基因共有217个重复事件, 同源性较高且进化过程非常保守, Ka/Ks比率显示仅有4对家族成员受到了正向的自然选择压力。顺式作用元件分析发现, 小麦TaSnRK基因中的顺式作用元件大多与生长发育有关, 此外还包含多种逆境响应的结合元件。基因表达模式分析显示, 在TaSnRK家族成员中仅有20个基因在籽粒中的相对表达量较高, 而在穗、叶、芽、根中分别有85、90、92和80个基因具有较高的表达量。qRT-PCR分析表明, TaSnRK基因在抗旱性强的小麦中表达量更高, 另外SnRK2和SnRK3这2个亚族中的成员可以感受并传递干旱胁迫信号。蛋白互作分析结果表明, 35个TaSnRK蛋白和与其相关的23个功能蛋白共存在267对蛋白互作事件。上述结果为深入研究TaSnRK基因在调控小麦生长发育与干旱胁迫中的响应提供了理论依据。
为了解同名不同来源老芒麦的异质性, 对其主要农艺性状、抗逆性进行了多年、多点田间鉴定和AFLP指纹图谱分析, 并对其4个春化基因、1个光周期基因、4个矮秆基因和3个病害兼抗基因的等位变异、面筋强度和色素基因等位变异进行分子检测。结果表明: (1) 10份同名不同来源老芒麦品种的遗传相似度极低/异质性高。(2) 全部材料的春化基因Vrn-A1、Vrn-B1和Vrn-B3均为隐性等位变异; 6份老芒麦和卷芒和尚头携带显性等位变异Vrn-D1, 这些品种春播后抽穗期明显提早, 但秋播时未表现早抽穗。仅1个品种(代号5)携带光周期非敏感等位变异Ppd-D1a。Rht-B1、Rht-D1和Rht8矮秆基因位点均携带高秆等位变异; 5个品种在Rht-24位点携带矮秆等位变异Rht-24b, 且降秆作用不明显, 但穗粒数多于高秆等位变异品种。(3) 所有材料抗倒性差, 仅4份老芒麦品种抗寒性强, 其中3份为冬性品种, 1份为春性品种。2份老芒麦品种(代号7和9)和对照卷芒和尚头携带抗性基因Yr18/Lr34/Sr57/Pm38, 3份品种(代号1、4和10)高抗条锈病。(4) 面筋强度弱, 仅4份品种(代号5、6、7和8)携带低PPO活性等位变异, 所有材料携带高黄色素含量和高过氧化物酶活性等位变异。(5) 携带春化基因显性等位变异的材料可在甘肃中西部春麦区、嘉陵江上游冬麦区及类似生态区域应用; 5份携带矮秆等位变异Rht-24b的品种可在赤霉病常发区甘肃陇南及长江中下游抗赤霉病育种中应用; 携带Yr18/Lr34/Sr57/Pm38和高抗条锈病的品种可在陇南、天水、陇东等条锈病常发区的抗病育种中应用; 4份低PPO等位变异品种可在彩色小麦育种中应用。研究结果明确了甘肃省同名不同来源地方品种老芒麦的异质性, 评价了其重要性状的优劣, 提出了研究品种的应用方向。
小麦穗粒数是典型的数量性状, 与小麦产量密切相关。为进一步挖掘小麦穗粒数的数量性状位点(quantitative trait loci, QTL), 本研究以扬麦4号/偃展1号衍生的151个重组自交系(recombinant inbred line, RIL) (F10)为材料, 利用小麦55K单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism, SNP)基因芯片构建高密度遗传图谱, 结合3年4个环境的表型数据对穗粒数性状进行QTL定位分析。在染色体4A、5A和5B上共检测到3个与穗粒数相关的QTL。其中, QGns.yaas-4A和QGns.yaas-5B在2个环境中均能被检测到, 增加穗粒数的效应都来源于扬麦4号, 表型贡献率分别为11.50%~13.27%和5.59%~10.99%, 物理区间分别为703.41~710.25 Mb和77.62~365.60 Mb; QGns.yaas-5A在4个环境中被检测到, 增加穗粒数的效应来源于偃展1号, 表型贡献率为8.99%~11.13%, 物理区间为495.34~512.39 Mb。分析定位结果发现, QGns.yaas-5A增加穗粒数的等位变异(YZ1等位变异)和QGns.yaas-5B上的增加穗粒数的等位变异(YM4等位变异)可显著增加千粒重, 分别增效3.50% (P < 0.05)和4.45% (P < 0.01)。开发了QGns.yaas-4A、QGns.yaas-5A和QGns.yaas-5B的KASP (Kompetitive Allele-Specific PCR)标记, 在自然群体中验证表明, 聚合3个增加穗粒数等位变异的位点具有显著的加性效应, 可增加13.75%的穗粒数。该研究结果为小麦穗粒数分子标记辅助育种提供理论和技术支撑。
小麦面粉的颜色是其品质分级的重要指标, 为了使小麦面粉的品质得到进一步提升, 本研究利用位于TaPod-A1、TaPod-A3和TaPod-D1位点基因的功能标记对110份新疆小麦品种(系)进行等位变异基因检测。基因型与表型方差分析结果显示, TaPod-A1、TaPod-A3和TaPod-D1位点的等位变异类型TaPod-A1b (35.5%)、TaPod-A3c (53.6%)和TaPod-D1b (60%)较其他等位变异类型TaPod-A1a (64.5%)、TaPod-A3a (46.4%)和TaPod-D1a (40%)均具有较高的POD活性。在新疆小麦材料中, TaPod-A1、TaPod-A3和TaPod-D1的3个不同基因位点上高POD活性的优异等位变异类型的分布频率均表现为引进品种(系)≈自育品种(系)>地方品种。TaPod-A3b在110份新疆小麦材料中并未检测出, 说明该等位变异为稀有等位变异。具有TaPod-A1、TaPod-A3和TaPod-D1基因等位变异组合品种(系)的平均POD活性高低依次为TaPod-A1b/TaPod-A3c/TaPod-D1b (2836.25 U g-1 min-1) > TaPod-A1b/TaPod-A3c/TaPod-D1a (2796.00 U g-1 min-1) > TaPod-A1b/TaPod-A3a/TaPod-D1b (2520.31 U g-1 min-1) > TaPod-A1a/TaPod-A3c/TaPod-D1b (2473.91 U g-1 min-1) > TaPod-A1a/TaPod-A3a/TaPod-D1b (2407.65 U g-1 min-1) > TaPod-A1b/TaPod-A3a/TaPod-D1a (2339.06 U g-1 min-1) > TaPod-A1a/TaPod-A3c/TaPod-D1a (2320.38 U g-1 min-1) > TaPod-A1a/TaPod-A3a/TaPod-D1a (2210.69 U g-1 min-1)。其中, 具有TaPod-A1b/TaPod-A3c/TaPod-D1b等位变异基因的活性(2836.25 U g-1 min-1)极显著高于具有TaPod-A1a/TaPod-A3a/TaPod-D1a (2210.69 U g-1 min-1) (P < 0.01)的品种, 说明具有较多优异等位变异类型的品种具有较高的POD活性。
籽粒大小是影响小麦产量的重要因素之一。为了开发小麦籽粒大小相关的功能标记, 本研究克隆得到一个潜在籽粒大小相关基因TaCYP78A17, 并对其进行了系统进化、表达模式、等位变异分析和功能标记开发。结果表明,TaCYP78A17基因是小麦细胞色素P450 CYP78A家族的一员, 且在小麦幼穗和籽粒中高表达; 在30份普通小麦品种中发现TaCYP78A17-Ap存在6个SNP和2个InDel; 根据InDel 4和InDel 8开发功能标记InDel-A17, 可将30份普通小麦品种分为TaCYP78A17-Ap-HapI, TaCYP78A17-Ap-HapII和TaCYP78A17-Ap-HapIII三种单倍型; 利用该功能标记在323份普通小麦品种中进行验证, 发现该功能标记可以有效区分上述3种单倍型; 表型调查发现具有TaCYP78A17-Ap-HapI单倍型的小麦其千粒重和籽粒大小显著高于具有TaCYP78A17-Ap-HapII或TaCYP78A17- Ap-HapIII单倍型的小麦。研究结果有望应用于小麦分子标记辅助选择育种。
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。
以引进国际干旱地区农业研究中心(ICARDA)的159份小麦为研究对象, 在苗期用20% PEG-6000模拟干旱条件进行处理, 以正常营养液作为对照, 分析干旱环境对7个苗期相关生理性状(丙二醛含量、超氧化物歧化酶活性、相对电导率、过氧化物酶活性、可溶性糖含量、脯氨酸含量和叶绿素含量)的影响, 进行相关性分析, 并结合55K SNP芯片对159份小麦的苗期抗旱相关生理性状进行关联分析。研究结果表明, 干旱处理后, 其体内脯氨酸含量和可溶性糖含量均呈现上升趋势, 其余性状则并未表现出一致的上升或下降。相关性分析表明, 在正常处理条件下, 丙二醛含量与过氧化物酶活性呈显著正相关, 和脯氨酸含量呈极显著负相关; 过氧化物酶活性和可溶性糖含量呈极显著负相关。在干旱胁迫处理条件下, 可溶性糖含量与丙二醛含量呈极显著正相关, 与相对电导率呈显著正相关; 叶绿素含量与可溶性糖含量呈极显著正相关, 与脯氨酸含量呈显著负相关。关联分析结果显示, 利用24,151个SNP标记位点结合苗期相关生理性状在P≤0.001水平下共定位到311个抗旱相关标记, 分布于小麦的21条染色体上, 贡献率为7.13%~21.11%。2种处理下检测到8个稳定位点, 分别位于1B、2B和6A染色体上, 贡献率为7.85%~14.58%。检测到1个多效应位点, 同时关联了超氧化物歧化酶活性和可溶性糖含量2个性状, 位于3D染色体上, 贡献率为7.95%~8.69%。检测到4个显著位点与相对电导率、过氧化物酶活性、叶绿素含量的抗旱系数和干旱处理下的相对电导率、过氧化物酶活性、脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性等性状相关联, 分别位于2D、3A和4A染色体上, 贡献率为7.61%~14.74%。
干旱是影响小麦生产中最重要的非生物胁迫。延长叶片持绿周期, 进而增加光合时间, 提高光合效率, 对小麦在旱胁迫下保证有机物积累, 最终达到小麦产量的稳定具有重要的意义。了解小麦旗叶持绿性保持的发育和遗传特征, 并探索与小麦持绿基因密切相关且不受环境影响的稳定的分子标记, 应用于育种可大大缩短抗旱育种周期。本研究以扬麦16和中麦895衍生的174个家系的DH群体为试验材料, 通过设置正常滴灌(NI)和干旱胁迫(DS)处理, 对2年2个水分处理下花后10 d、14 d、18 d、22 d、26 d和30 d旗叶绿色叶面积百分率(GLA)及叶绿素相对含量(SPAD值)进行表型测定, 运用Gompertz模型模拟出GLA (%)变化趋势。将达到最大衰老速度的时间(TMRS)、绿色叶面积持续期(GLAD)、平均衰老速率(ARS)、旗叶快速衰老开始的时间(T1)、旗叶快速衰老结束的时间(T2)和旗叶动态SPAD值等11个持绿相关性状进行QTL定位。 结果表明,水旱条件下, DH群体和亲本不同日龄下的GLA, 衰老特征参数和旗叶动态SPAD值均存在超亲分离现象, 并表现出一定差异。各家系和亲本不同日龄下的GLA均呈缓慢-快速-缓慢的动态下降趋势, 快速衰老主要集中在18 d、22 d和26 d。除ARS和GLA-10D呈负相关, 其余性状之间均呈现正相关。各性状遗传力范围在0.50~0.81之间。连锁分析在2个及以上环境中共鉴定到27个与小麦持绿相关的稳定位点, 其中11个与小麦衰老特征参数相关, 16个与旗叶动态SPAD值相关, 分布在1A、1B、4B、4D、5D、7B和7D染色体上, 分别解释表型变异3.86%~14.11%和2.99%~17.45%。在4B、4D和7B染色体上有1个调控T1和5个调控SPAD值的QTL在3个环境中被重复检测到, 分别解释8.97%~14.11%和6.85%~17.45%的表型变异。QTL聚合效应分析发现, 含有Rht-D1b和AA基因型的位点对SPAD-10D具有显著的增效作用和累加效应, 含有GG和TT基因型的位点对SPAD-18D具有显著的增效作用和累加效应。在4B、4D、7B和7D染色体上发现了4个效应明显的QTL簇, 位于4D染色体的QTL簇中存在不受水分环境影响的区段(18.80~28.58 Mb), 该区段内包含Rht-D1基因, 调控SPAD-0D和SPAD-10D的位点可能受到该基因的多效应影响。候选基因分析发现TraesCS4D01G054000、TraesCS1B01G434300和TraesCS7B01G010200等8个影响持绿相关性状的候选基因。以上研究结果为小麦持绿性分子标记辅助育种提供了理论依据。
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。
条锈病是世界范围内严重影响小麦产量的重要病害。遗传和育种利用效应不清, 加之不良性状连锁累赘是限制绝大多数已发掘小麦条锈病抗性基因在育种及生产中难以广泛应用的关键。前期研究发现, 小麦农家种红芒麦子对我国当前小麦生产上流行的主要条锈菌生理小种及致病类群具有稳定的成株期抗性。本研究通过构建Avocet S×红芒麦子F1及F2和F2:3家系, 利用分离群体分组分析法(bulked segregation analysis, BSA)并结合小麦55K SNP芯片及外显子测序技术, 在7A和7D染色体上鉴定到2个来自红芒麦子的成株期条锈病抗性主效QTL (QYr.HM-7AL和QYr.HM-7DS), 分别解释了11.64%~15.25%和24.33%~40.58%的表型变异。标记连锁分析、遗传和物理图谱综合分析发现, QYr.HM-7DS与已知成株期条锈病抗性基因Yr18呈高度共线性, 表明该位点抗性效应来源于Yr18; 而QYr.HM-7AL是一个控制小麦成株期条锈病抗性潜在新位点, 并进一步开发了可用于跟踪选择该位点的KASP (kompetitive allele-specific PCR, 竞争性等位基因特异性PCR)分子标记。利用绵麦1618×红芒麦子BC1F2遗传改良群体对来自红芒麦子成株期条锈病抗性主效QTL遗传效应及其与产量相关性状协同改良效应进行解析。结果发现, 在绵麦1618遗传背景下, Yr18和QYr.HM-7AL的转育或聚合可显著降低条锈病危害, 且对小麦穗长和分蘖数呈正向效应。上述研究结果表明, 在小麦产量育种中可利用农家种红芒麦子进行成株期条锈病遗传改良。
E2泛素结合酶在调控植物生长发育和胁迫信号转导过程中发挥着重要作用。本研究以小麦抗旱品种晋麦47的cDNA为模板克隆出E2泛素结合酶TaUBC16, 该基因全长447 bp, 编码148个氨基酸。顺式作用元件分析发现, TaUBC16启动子区含有与分生组织发育、胁迫响应、植物激素应答相关的多种顺式作用元件。利用小麦RNA-Seq转录组数据结合qRT-PCR验证分析发现, TaUBC16在小麦不同组织器官和发育阶段普遍表达, 其中在30 d籽粒中的表达量较高, 且均能被PEG-6000、甘露醇和ABA显著诱导表达。烟草叶片和小麦原生质体亚细胞定位分析表明, TaUBC16蛋白分布于细胞质和细胞核。通过异源表达TaUBC16转基因拟南芥进行生长发育表型分析发现, 转基因株系开花时间早于野生型, 其籽粒相比于野生型更为饱满, 千粒重显著高于野生型。基于启动子区-388 bp位点(T-A)的多态性, 开发了TaUBC16基因的竞争性等位基因特异性PCR (kompetitive allele-specific PCR, KASP)标记, 鉴定了TaUBC16的单倍型, 发现TaUBC16-Hap I的千粒重、粒长和粒宽显著高于TaUBC16-Hap II, 并在我国小麦育种进程中得到正向选择。本研究结果将为进一步揭示TaUBC16基因参与调控小麦生长发育和响应逆境胁迫分子机理提供理论依据。
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。
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。
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。
本研究对鹅观草属(Roegneria C. Koch.) 13个物种29份材料进行条锈病田间鉴定和抗条锈病基因检测, 将筛选的抗病材料与小麦进行人工属间杂交, 并对属间杂种F1进行形态学、细胞遗传学及小麦条锈病抗性检测, 结果显示: 82.76%的材料在田间对条锈病表现中抗以上的抗性, 且均含有5个以上的已知抗条锈病基因的等位基因, 但仍可能存在条锈病抗性新基因; 筛选到的一份高抗条锈病的纤毛鹅观草(Roegneria ciliaris [Trin.] Nevski) ZY11004-R, 将其与5个普通小麦(Triticum aestivum L.)品种进行人工属间杂交, 通过胚拯救的方式成功获得了纤毛鹅观草-普通小麦CSph2a属间杂种F1; 杂种F1体细胞染色体条数为35条(基因组组成为StYABD), 花粉母细胞减数分裂I中期染色体多为单价体, 形态特征处于两亲本之间, 但在生活习性上获得多年生的性状, 并表现出高抗条锈病。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
小麦：遗传育种·种质资源·分子遗传学
