小麦矮化、多雌蕊、不育新突变体的形态和遗传分析

沈椿才，秦 召，李巧云，吕桂珍，段宗彪，倪永静，牛吉山

(1.河南农业大学国家小麦工程技术研究中心，河南 郑州 450002； 2.商丘市农林科学院，河南 商丘 476000)

小麦矮化、多雌蕊、不育新突变体的形态和遗传分析

沈椿才1，秦 召1，李巧云1，吕桂珍1，段宗彪1，倪永静2，牛吉山1

(1.河南农业大学国家小麦工程技术研究中心，河南 郑州 450002； 2.商丘市农林科学院，河南 商丘 476000)

从普通小麦“周麦18”中发现了一个矮化、多雌蕊且雄性不育突变体，命名为dms. SSR标记分析表明，突变体和“周麦18”间的遗传背景高度相似，证明了突变体dms来源于“周麦18”. 突变体dms后代按株高可分为3种表现型，高株T、中等株M和矮株D. 对突变体3种表现型与“周麦18”进行了详细形态学分析，结果表明，第5节间长度缩短决定了T型植株与“周麦18”之间的株高差异；穗长与节间长度的缩短共同作用导致M型植株株高降低；减少了2个节间，加上穗长与节间长度的显著变短决定了D型株高不足30 cm. D型植株小花异常，每个小花具有1～6个雌蕊，且不能结实.经育性分析证明，其为雄性不育突变体. 遗传分析结果表明，dms突变体的多雌蕊和不育性状由1对隐性基因控制，并命名为Tadms；株高则由半显性等位基因TaDMS控制. 突变体dms的3种表现型对应的基因型分别为：高株TaDMSTaDMS，中等株TaDMSTadms和矮株TadmsTadms.

小麦；突变体；矮化；多雌蕊；雄性不育

株高和穗部性状是决定小麦(TritucumaestivumL.)产量的重要因素，其突变体是研究小麦茎与花器官发育分子机制的理想材料. 株高是小麦的重要农艺性状之一，其与品种的抗倒伏能力、产量和光合特性等性状密切相关，是衡量优良小麦品种的一个重要指标. 实践证明，降低株高有助于提升作物产量，正是由于作物中矮化性状的引入，自19世纪60年代以来粮食产量的提升进入了新阶段，即绿色革命[1 ～ 2]. 因此，研究小麦矮化突变体，挖掘相关矮化基因对小麦生长发育研究与新品种选育具有重要意义. 决定小麦产量的三要素为穗数、穗粒数和千粒重，小麦穗结构的正常发育与否直接影响小麦产量，正常的花结构又是形成种子的基础. 因此，花器官的相关突变将对产量形成产生直接影响，然而，这类花器官相关突变体在研究花发育模式中又具有重要作用. 在拟南芥(Arabidopsisthaliana)中，已鉴定分离到了一系列花发育缺陷的突变体[3].植物花器官发育的ABC模型就是基于对这类突变体的研究而建立的[4]. 因此，对小麦穗异常突变体的研究将有助于解析小麦花结构发育的模式，从而促进对产量相关三要素在分子水平的理解. 到目前为止，已报道的小麦雌蕊异常突变体主要有多雌蕊和心皮化[5～9]. 多雌蕊突变体主要为“三粒”小麦，除正常花结构外，其额外多出2个可育的心皮；而心皮化突变体则是在完整的结构基数上雄蕊变异为类似雌蕊的结构，但此种结构是不育的. 对心皮化突变体的研究表明，小麦穗发育也遵循与ABC模式相似的发育模式，但具体发育机制仍需进一步研究[10]. 作者在小麦育种过程中发现了1个源于小麦栽培种“周麦18”的突变体dms，其表现为矮化、多雌蕊且不育. 按株高可将dms子代分为高秆(T)，中秆(M)和矮秆(D)植株. 这为研究小麦茎、穗生长发育机制提供了种质资源.

1 材料与方法

1.1试验材料

2008年河南农业大学国家小麦工程技术研究中心从小麦品种“周麦18”中发现的一个突变体，其子代分离出3种类型：(1)矮秆植株(D型)，其株高不足30 cm，整株不育且一些小花具有多个雌蕊，故将突变体命名为dms(dwarf, multi-pistil and sterility). (2)中秆植株(M型)，其株高60 cm左右，穗与子粒均正常发育. (3)高秆植株(T型)，其株高80 cm左右、穗型和子粒与“周麦18”基本一致，且完全可育. T型植株后代不分离，但M型植株后代再次分离为T型、M型和D型植株.

1.2田间试验与调查

2011年在河南省商丘市农林科学院试验田秋播种植30个株系，其中8个T型，22个M型. 2012年在河南省郑州市河南农业大学科教园区试验田秋播种植36个株系，其中10个T型，26个M型. 各株系种植于长3.0 m、宽2.3 m的小区内，行距0.21 m，株距0.07 m，每个株系种4行.

在每个M型株系中，均随机选取T型、M型和D型植株各5株并定株进行性状调查，以“周麦18”为对照. 成熟期调查性状包括株高、主茎节间数、主茎节间长度、单株分蘖、单株成穗数、主茎小穗数、单株子粒数、子粒形状和子粒大小. 扬花期对小花、雌雄蕊、柱头、花药和花粉等进行了观察统计. 花结构在Olympus 3111286型倒置解剖镜下观察，用Nikon Coolpix 4500型照相机进行照相. 对2012年秋播种植的26个M型株系分别进行了株型和多雌蕊不育性状的调查.

1.3数据分析

所有表现型值均以“平均值±标准差”的形式表示. 样本均用学生t-值测验(P<0.05或0.01)进行检测. 表1中数据均采用IBM SPSS Statistics 19分析软件处理得到，以Tukey’s test(P<0.05)进行多重比较，以Levene’s test(P<0.05)进行同质性分析. 对分离群体中T，M和D型植株个体数及育性统计结果均用χ2进行适合性检测.

1.4SSR分析

2012年分别对“周麦18”，T，M和D型植株在5叶期提取叶片DNA，用181对小麦的SSR标记引物对以上4种材料基因组DNA做多态性分析. 所用SSR标记引物包括GWM[11]，GDM[12]，WMC[13]，BARC[14]，CFA[15]，CFD[16]和 GPW[17].

2 结果与分析

2.1小麦突变体dms的性状表现

突变体dms的T型、M型和D型与“周麦18”植株株型比较见图1，T型植株与“周麦18”在株高与株型上基本一致；M型植株较T型植株株高降低，但株型整齐；D型植株矮小，分蘖少，根系发育不良，明显与其他3种个体存在差异.

图1 “周麦18”及其突变体dms株型比较Fig.1 Individual comparison of ‘Zhoumai 18’ and the mutant dms

2013年的突变体相关性状统计结果见表1.多重比较显示,4种植株类型之间的株高差异均达显著水平，且株高依次为周麦18>T型> M型>D型，但纵观所有性状值，在“周麦18”和T型植株之间除第5节间长度差异显著外，其他性状均差异不显著，这说明它们之间的株高差异主要由第5节间的差异决定. T型与M型植株之间，除穗长差异不显著外，5个节间长度的差异均达显著水平，并且差异为2.4～5.3 cm，这说明节间长度的缩短是造成它们之间株高差异的主要原因. D型植株仅有3个节间，且与其他类型的植株相比，穗长和节间长的差异均达显著水平，这说明穗长和节间长的减小与节间数的减少共同组成D型植株个体矮小的因素. 在“周麦18”和T型、M型个体之间，尽管其分蘖数之间具有差异，但穗数差异并未达显著水平；D型植株的分蘖与穗数显著减少，平均值依次仅为3.9和2.4，且主茎小穗数也具有相同的表现，这说明该突变显著影响D型个体的分蘖力与穗结构发育. D型植株小花中含有1～6个雌蕊且不产生种子.

表1 2013年突变体分离群体中不同株型植株的性状表征Table 1 Characterization of traits for different phenotypes among segregating populations in 2013

注：D型植株只有3个节，其数值依次与其他类型植株的第3节、第4节和第5节对应. 字母表示不同类型植株相应性状表征之间的差异显著水平(P<0.05).

Note: There were only three internodes on the D plants, of which the values corresponded to those of the 3rd, 4th and 5th internodes on the other phenotypes, respectively. The different letters indicate significanc at 5% level among the four genotypes.

4种类型植株之间穗部结构比较如图2所示. 与统计数据一致，D型植株的穗长比其他个体显著减小. 在“周麦18”和T，M，D型个体之间，小穗和小花的生长依次由纵向生长转为横向生长，芒长依次变短，护颖和内、外稃颜色依次加深. 对4种个体扬花后花药镜检，结果显示其均可正常开裂散粉. 但D型个体不能产生种子，部分小花内雌蕊柱头羽毛在花后15 d仍保持待授粉状态. 对D型个体授以T型植株花粉后，可以形成完整子粒，这说明该突变体不育的主要原因可能是花粉败育，即其为雄性不育突变体.

A.主茎的穗；B.穗中部小穗；C.小穗基部第1,2朵小花；D.散粉后花药结构；E.花后15 d种子；F.成熟种子.

A. Spikes on the main stems; B: The spikelets on the middle of spikes; C. the 1st and 2nd floret on the base of spikelets; D. The structure of anther after pollination; E: The seeds 15 days after flowering; F. The mature seeds

图2“周麦18”与突变体dms穗部结构与子粒比较
Fig.2Comparisonofspikestructureandseedsbetween‘Zhoumai18’andthemutantdms

D型植株小花内出现多个雌蕊结构，如图3-A所示，其每个小花内雌蕊数在1～6个不等. 与其他株型一样，D型个体小花具有发育完全的3个雄蕊，但又区别于其他类型植株，其具有多个额外雌蕊(图3-B). 图3-C为D型个体小花内不同类型的雌蕊结构.

2.2突变体dms的株高、多雌蕊和不育的遗传

M型植株的自交后代中株高、多雌蕊和不育发生分离，而T型植株后代不分离，D型植株不产生种子. 这表明T型为纯合个体，M型为杂合个体，而D型可能为隐性纯合致死个体. 对M型自交分离群体的株高、多雌蕊不育性状统计分析结果如表2所示，对分离群体的多年观察结果显示，部分D型个体在生长发育中途就停止生长并死亡，因此，在数据分析中同时采用了D和D’，对结果的真实性加以校正. 结果显示，株高遵循T型∶M型∶D型为1∶2∶1的理论比例；由于多雌蕊不育性状仅在D型个体上表现，T型和M型个体均表现为可育，因此，多雌蕊不育性状遵循正常∶不育为3∶1的理论比例([T + M]∶D=3∶1).据此推断，突变特征多雌蕊不育由1对隐性基因控制，并命名该基因为Tadms，而株高由1个半显性基因TaDMS控制.3种个体的基因型分别为TaDMSTaDMS(T型)、TaDMSTadms(M型)和TadmsTadms(D型).

2.3小麦突变体dms与“周麦18”遗传背景的分子标记检测

用114对均匀分布在小麦基因组21条染色体上的SSR标记引物在“周麦18”、T型、M型和D型4种植株的基因组DNA中进行PCR扩增. 结果显示，这114个SSR标记在突变体dms的3个植株类型之间均无多态性，在突变体dms与“周麦18”之间仅有1个位点(GWM148-2B)存在差异(图4). 为了进一步寻找可能存在的多态性位点，又选取了67对新的定位于2B染色体的SSR标记引物在4种基因组DNA上进行扩增分析. 但是，没有一个标记在4种基因组中具有多态性. 这说明突变体dms与“周麦18”的遗传背景高度一致. 突变体dms来源于“周麦18”.

3 讨论

大部分多雌蕊与心皮化突变体属于自然突变[6,7,9,18]. 突变体dms是从“周麦18”中发现的一个矮化、多雌蕊雄性不育系.SSR标记检测证明T型、M型和D型植株具有一致的遗传背景，且与“周麦18”之间仅存在一个位点差异. 这说明dms不是源于一次野外的随机杂交，而是“周麦18”的一个自然突变体. 另外，“周麦18”是2004年河南省新审定的品种，其群体中存在少数残余遗传多样性是可能的，因此，单个位点多态性不足以定位这个Tadms基因.

到目前为止，雌蕊变异的小麦突变体有2种. 多雌蕊突变体育性正常且额外雌蕊可育，而心皮化突变体的附加心皮总是败育. 心皮化是小麦雄蕊向心皮或心皮样结构的同源转化[9]. 近年，小麦心皮化的遗传与分子机制研究中，品系“Norin 26”[34]和“(cr)-CSdt7BS”[19]是应用最广泛的异质材料. 它们含有粗山羊草(AegilopscrassaL.)细胞质. 以它们为材料，证明了心皮化是由细胞质与核基因互作造成的[20～25].PENG等[9]报道了一个新的心皮化突变体HTS-1，其心皮异化则由2个隐性核基因互作控制. 突变体dms的雌蕊异常由1个隐性的核基因(Tadms)单独控制，且除异常雌蕊外，dms的所有花结构均表现正常，因此其不是心皮化突变体，而属于多雌蕊突变体. 但是，D型植株不育，这与已报道的多雌蕊突变体不同[6 ～ 9,18,26]. 进一步研究提示，D型植株不育是由雄蕊引起，其详细原因还需要深入研究.

A.分离群体中雌蕊类型分布；B.花前雌雄蕊结构；C.D型植株雌蕊类型.

A.The distribution of pistil styles in segregating populations; B. Structures of pistils and stamens before flowering; C. Pistils types of the D plants.

图3 D型植株异化的雌蕊结构Fig.3 Abnormal structures of pistils on the D plants

Note: Values of the T, M and D are data investigated in maturation stage. Values of D’ refer to the number of dwarf, multi-pistil and sterile plants recorded in whole developmental stage.

1,2：“周麦18”；3, 4：T型；5, 6：M型；7, 8：D型；箭头：指示多态性条带.

1,2: ‘Zhoumai 18’; 3, 4: T phenotype; 5, 6: M phenotype; 7, 8: D phenotype; Arrows: polymorphic bands.

图4SSR标记引物GDM111-1D，GDM126-1D和GWM148-2B在“周麦18”与突变体dms的3种株型(T型、M型和D型)基因组中的扩增结果

Fig.4AmplificationwithSSRprimersGDM111-1D,GDM126-1DandGWM148-2BinthegenomicDNAsof‘Zhoumai18’andthethreephenotypesT,MandD

多雌蕊与不育在突变体dms中总是同时存在，且仅在D型植株中发生. 因此，它们可能由1个隐性且一因多效的基因Tadms控制，或由2个紧密连锁且不分离的基因控制.TaDMS基因可能是小麦生长发育中一个控制植株正常生长、花器官正常发育并影响植株活性的关键基因(TaDMS).TaDMS基因功能的丧失导致了dms突变体的异常表现型. 单拷贝的野生型基因TaDMS即可恢复多雌蕊不育，但对株高只是部分恢复，完全恢复株高必须为双拷贝TaDMS.

自2008年发现突变体dms至今，已传递超过6个世代，T型、M型和D型植株具有高度一致的遗传背景，是理想的近等基因系. 它们是对Tadms基因进行定位和克隆以及对小麦株高、雌蕊和育性形成分子机理研究的理想种质.

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(责任编辑：常思敏)

Morphologicalandgeneticanalysisofanovelwheatmutantofdwarf,multi-pistilsandsterility

SHEN Chun-cai1, QIN Zhao1, LI Qiao-yun1, LÜ Gui-zhen1, DUAN Zong-biao1, NI Yong-jing2, NIU Ji-shan1

(1.National Engineering and Technological Research Center for Wheat, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2.Shangqiu Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Shangqiu 476000, China)

A wheat mutant of dwarf, multi-pistils and sterility was derived from common wheat cultivar ‘Zhoumai 18’, and it was named asdms. SSR marker assay showed that the genetic backgrounds betweendmsand ‘Zhoumai 18’ were highly similar, which demonstrated that the mutantdmswas derived from ‘Zhoumai 18’ indeed. The offsprings ofdmscould be classified into three phenotypes tall (T), middle (M) and dwarf (D) plants based on their plant height. Compared with ‘Zhoumai 18’, the shortened fifth internode of T plants determined the difference of plant height between ‘Zhoumai 18’ and T phenotype; both shortened ear and internode length led to the plant height reduction of M plant; reduced two internodes, together with both significant shortened ear and internode length determined D plants with plant height of no more than 30 cm. Florets of D plants developed abnormally, in which there were one to six pisitils, and they did not produce seeds. Fertility analysis indicated the D plants were male sterility. Genetic analysis showed that the multi-pistils and sterility traits of mutantdmswere controlled by one recessive gene locusTadmsand the plant height was controlled by its alleleTaDMS, a semi-dominant gene. The genotypes of the corresponding phenotypes wereTaDMSTaDMS(T plant),TaDMSTadms(M plant) andTadmsTadms(D plant), respectively.

wheat; mutant; dwarf; multi-pistil; male sterility

S 512.1

：A

2014-04-06

国家“863”项目(2012AA101105)；河南重点科技攻关项目(122101110200)

沈椿才，1989年生，男，甘肃白银人，在读硕士研究生，主要从事小麦遗传育种研究.

牛吉山， 1965年生，男，山西阳城人，研究员，博士.

1000-2340(2014)05-0535-07