刘 妍,田蓉蓉,王天佑,刘凤楼,亢 玲,刘生祥,张晓岗,刘 萍,王掌军*
(1.宁夏大学 农学院,宁夏 银川750021; 2.宁夏农林科学院 农作物研究所,宁夏 银川750001)
2个小麦品种的遗传性状分析及分子标记筛选
刘 妍1,田蓉蓉1,王天佑1,刘凤楼1,亢 玲2,刘生祥1,张晓岗1,刘 萍1,王掌军1*
(1.宁夏大学 农学院,宁夏 银川750021; 2.宁夏农林科学院 农作物研究所,宁夏 银川750001)
为了明确宁春4号与河东乌麦各自的遗传性状,从农艺性状、品质性状、抗病性、分子标记等方面对2个品种进行鉴定。结果表明:相较于河东乌麦(Ⅰ和Ⅱ),宁春4号株高最低(86.70 cm),穗下茎长和穗长均最长(分别为36.60 cm、10.95 cm),穗粒质量和千粒质量最高(分别为1.95 g、46.61 g),小穗数、穗粒数和经济系数居中;而河东乌麦(Ⅰ和Ⅱ)较宁春4号有效穗均增多(分别为5.10个、6.60个),且表现为田间高抗白粉病、中抗条锈和叶锈病。在主要品质性状上,宁春4号籽粒饱满指数大(0.71)、含水率较高(10.23%)、面团稳定时间较长(9.45 min),其籽粒硬度、吸水率及淀粉回升终点值居中;而河东乌麦(Ⅰ和Ⅱ)蛋白质含量、面筋含量、沉降值均较高(平均值分别达16.21%、35.76%、40.27 mL),面团形成时间较长(2.38 min)。在2个品种上共筛选出具有多态性的SSR、ISSR标记分别为127个、7个;同时,12个已报道相关基因的标记得以鉴定,其中2个品种均携带有Wx-A1a/b、Wx-B1a/b、Wx-D1a/b、Dy12、Pm2、Pm4、Pm6、Sr31基因,宁春4号还携带有Psy-A1基因,河东乌麦(Ⅰ和Ⅱ)携带有Pm16、Yr2和抗赤霉病QFhs.ndsu-3BS基因。
小麦; 河东乌麦; 宁春4号; 农艺性状; 品质性状; 抗病性; 分子标记辅助选择
小麦(TriticumaestivumL.)是中国乃至世界上最重要的粮食作物之一,其面积和产量均居谷类作物之首。在国内,小麦种植面积、产量分别占粮食作物的22%、20%以上[1]。由于长期的人工选择和栽培,导致小麦大量优异基因丢失,致使当今栽培小麦遗传基础日趋狭窄、脆弱,易受全球气候变化的影响和病、虫害的侵染,限制了小麦产量和品质的进一步提高[2]。将小麦基因源的优良基因导入普通小麦,可以拓宽其遗传变异范围,丰富其遗传基础,对于提高小麦产量、改善品质、增强对不良环境条件的适应性具有重要意义[3]。
宁春4号为宁夏乃至北方春麦区重要的小麦品种,最高产量达6 665 kg/hm2[4]。该品种对光、温反应不敏感,比较耐盐碱、瘠薄,具有抗旱耐涝、抗倒伏的特点,携带有矮秆基因Rht2,同时具有稳产、优质、适应性广的特点;但晚熟、分蘖力低,感白粉病、叶锈病和条锈病[5]。有研究表明,自宁春4号推广以来,宁夏审定的小麦品种绝大多数与宁春4号同属于一个遗传类群,遗传基础狭窄严重制约了该区小麦产业的可持续发展[6]。河东乌麦(SecalecerealL)是通过远缘杂交选育而成,其籽粒具有黑、蓝、紫、紫黑等颜色,属半冬性小麦,具有分蘖力强、穗粒数多、千粒质量高等特点,产量达6 000 kg/hm2;蛋白质含量16.1%,其中清蛋白和球蛋白含量分别达总蛋白的22.78%和11.19%;高抗白粉病,中抗条锈病、叶锈病[7-8]。河东乌麦亲本之一为硬粒小麦(2n=4x=28,AABB),是普通小麦的二级基因源(secondary gene pool )。河东乌麦继承了亲本许多优点,携带优质、抗逆基因[9-10]。目前,对河东乌麦的研究多集中在生产及食品加工方面,有关分子生物学及其所携带的优异基因对栽培小麦遗传改良方面的研究均未见报道。本研究对宁春4号及河东乌麦农艺性状、抗病性、品质性状等主要遗传性状进行分子标记分析,以明确各自所携带的优良基因,旨在为宁夏小麦遗传改良提供特异的种质资源。
1.1供试材料
宁春4号为宁夏主栽小麦品种,河东乌麦Ⅰ(红粒)和河东乌麦Ⅱ(紫粒)来自山西省运城学院杜磊博士,以上供试材料均由宁夏大学小麦育种课题组提供,供试材料信息如表1。于2016年3月8日种植于宁夏大学教学实验农场,每个材料分别种植3个小区,小区面积6.38 m2,行长1.1 m,行宽0.2 m,田间管理措施同一般大田管理。
表1 供试材料的来源、特征及育成时间
1.2试验方法
1.2.1 农艺性状考察 每个小区随机选取长势一致的材料各15株,在成熟期收获进行室内考种:株高、穗下茎长和穗长测定采用直接测量法,用卷尺测量,在考种表上直接记录;有效穗数为每个单株上总的穗数,小穗数和结实小穗数测定采用直接观测法,其中,结实小穗数=有效小穗数-不孕小穗数;穗粒数和穗粒质量为每个单穗的粒数和粒质量,千粒质量为1 000粒种子称质量(3次重复);经济系数要求收获小区全部单株,经济系数=经济产量/生物学产量,其中,生物学产量为收获后未脱粒前的植株(中途未取样的小区)质量,经济产量为脱粒后的籽粒质量。
1.2.2 品质测定 饱满指数的测定参照张晓龙等[11]的试验方法,每种材料随机数出200粒种子,测定其晒干种子体积和种子最大吸涨体积,饱满指数=成熟时晒干种子体积/(种子最大吸涨体积×1.054)。随机称取供试材料籽粒样品各3份,每份500 g。用游标卡尺测量10粒种子的粒长和粒宽,计算籽粒长宽比;用瑞典波通9200整粒谷物红外线分析仪测定籽粒含水率、硬度、沉降值、蛋白质含量、面筋含量[12],利用MixOLab测定全粉吸水率、面团形成时间、面团稳定时间、蛋白质弱化值、淀粉回升值[13],以上品质指标在国家小麦改良中心西北分中心进行测定。
1.2.3 抗病性调查 种植感白粉病、感锈病的当地小麦品种作为诱发圃,采用白粉菌(收集于宁夏当地)、条锈和叶锈菌的混合小种(引自西北农林科技大学植物病理研究所)接种于分蘖期小麦。成株期白粉病田间抗性鉴定参照0~9级标准,其中,0级为免疫(immune,I),1~2级为高抗(highly resistant,HR),3~4级为中抗(moderate resistant,MR),5~6级为中感(modrate susceptible,MS),7~8级为高感(highly susceptible,HS)、9级为极感(extremely susceptible,ES)[14]。锈病抗性鉴定采用0~5级标准,其中,0、1、2、3、4、5级的抗病性、病情指数分别为免疫(I)、0,高抗(HR)、0~20,中抗(MR)、20~40,中感(MS)、40~60,高感(HS)、60~80,极感(ES)、80~100[15]。病情指数(DI)=(x1a1+x2a2+……+xnan)/nT×100(其中x为普遍率,a为严重度,n为最大严重度,T为调查样品数)。
1.2.4 分子标记开发及筛选 ISSR标记为哥伦比亚大学(UBC)公布的100条通用序列,SSR标记为已发表的小麦SSR引物747对,利用Primer Premier 5.0 软件设计引物,32对与蛋白质相关标记、51对与抗病性相关标记信息来自文献,其中,12个等位基因标记本研究得以验证(表2)。以上标记引物均由上海生工生物工程公司合成。
采用SDS法提取基因组DNA。PCR反应体系(10 μL):10×Reaction Buffer 2 μL,dNTPs(2.5 mmol/L)0.8 μL,上、下游引物(10 μmol/L)各0.2 μL,TaqDNA聚合酶(5 U/μL)0.1 μL,模板DNA(50 ng/μL)1 μL。反应程序为:94 ℃预变性3 min;94 ℃变性30 s、52~58 ℃退火45 s、72 ℃延伸1 min,34~40个循环;72 ℃延伸10 min;4 ℃保存。扩增产物采用8%聚丙烯酰胺凝胶电泳检测,电压为180 V,1.5 h左右,银染后观察拍照。
表2 等位基因标记类型、序列及来源
1.3数据分析
采用Excel 2013对供试材料的抗病性和分子标记检测结果进行统计,采用DPS 7.05对供试材料的农艺和品质性状数据进行分析。
2.12个小麦品种农艺性状分析
对供试材料宁春4号和河东乌麦(Ⅰ和Ⅱ)的株高、穗下茎长、有效穗等性状进行了考察(表3)。从表3可以看出,株高、穗下茎长、有效穗、穗长、小穗数、结实小穗数、穗粒质量、千粒质量在供试材料间差异显著。其中,穗长、穗粒质量、千粒质量表现为:宁春4号(10.95 cm、1.95 g、46.61 g)﹥河东乌麦Ⅰ(8.60 cm、1.89 g、45.92 g)﹥河东乌麦Ⅱ(8.55 cm、1.61 g、43.66 g);穗下茎长:宁春4号(36.60 cm)﹥河东乌麦Ⅱ(35.30 cm)﹥河东乌麦Ⅰ(30.00 cm);株高、有效穗:河东乌麦Ⅱ(98.75 cm、6.60个)﹥河东乌麦Ⅰ(96.10 cm、5.10个)﹥宁春4号(86.70 cm、2.70个);小穗数、结实小穗数:河东乌麦Ⅱ(21.00个、18.60个)﹥宁春4号(19.20个、17.90个)﹥河东乌麦Ⅰ(18.90个、17.00个);穗粒数:河东乌麦Ⅰ(40.60粒)﹥河东乌麦Ⅱ(37.60粒)﹥宁春4号(37.50粒);经济系数:河东乌麦Ⅰ(0.44)﹥宁春4号(0.38)﹥河东乌麦Ⅱ(0.34)。
表3 宁春4号、河东乌麦(Ⅰ和Ⅱ)农艺性状调查结果
注:同行不同小写字母表示差异显著(P≤0.05),下同。
2.22个小麦品种品质性状分析
2.2.1 河东乌麦自交后代的籽粒颜色遗传表现 引入的河东乌麦籽粒表现为紫粒粒色较多(图1A),本研究按籽粒颜色分为2种类型,即Ⅰ(红粒)(图1B)、Ⅱ(紫粒)(图1C),按照类型田间种植。成熟收获后,对河东乌麦Ⅰ和Ⅱ自交后代籽粒颜色进行统计,河东乌麦Ⅰ自交后代表现紫粒和红粒2种粒色(图1D),而河东乌麦Ⅱ自交后代粒色均为紫色。
2.2.2 宁春4号与河东乌麦籽粒及全粉品质测定 表4表明,蛋白质含量、面筋含量、籽粒硬度等3个指标在3个材料间均差异显著。宁春4号与河东乌麦(Ⅰ和Ⅱ)均为中硬麦,河东乌麦Ⅱ籽粒硬度最大(52.71%),河东乌麦Ⅰ蛋白质含量和面筋含量最高(分别达17.75%和39.87%)、沉降值最大(55.62 mL),而宁春4号的含水率最高(10.23%)、籽粒长宽比最小(1.78)、饱满指数最大(0.71);在全粉品质方面,3个材料间蛋白质弱化值均为0.37,淀粉回升终点值变幅在3.05~3.46,宁春4号的面团稳定时间最长(9.45 min),河东乌麦Ⅰ的吸水率、淀粉糊化终值温度最大(分别为60.0%、58.6 ℃),河东乌麦Ⅱ面团形成时间最长(2.82 min)。
A:引入的河东乌麦;B:河东乌麦Ⅰ;C:河东乌麦Ⅱ;D:河东乌麦Ⅰ自交后代。图中深色为紫粒,浅色为红粒
表4 宁春4号与河东乌麦(Ⅰ和Ⅱ)品质性状指标
注:后6行全粉品质指标的测定过程繁琐,所需样品多,故未做重复。
2.32个小麦品种抗病性鉴定
表5表明,河东乌麦较宁春4号表现出较强的田间白粉病抗性,宁春4号、河东乌麦Ⅰ和Ⅱ的病级分别为5~6、1~2、2~3级,属于中感、高抗、中抗至高抗类型;同时,河东乌麦表现出较强的条锈病抗性,宁春4号、河东乌麦Ⅰ和Ⅱ的病情指数、病级、抗病性分别依次为46.67、3级、中感,30.00、2级、中抗,33.33、2级、中抗;此外,田间叶锈病抗性鉴定表明,宁春4号、河东乌麦Ⅰ和Ⅱ的病情指数、病级、抗病性分别依次为41.48、3级、中感;23.33、2级、中抗;26.66、2级、中抗。结合图2分析可知,河东乌麦Ⅰ和Ⅱ较宁春4号表现出强的田间白粉、条锈、叶锈病抗性。
表5 宁春4号、河东乌麦(Ⅰ和Ⅱ)田间抗病性鉴定结果
1~3依次为宁春4号上白粉病、条锈病、叶锈病; 4、5分别为河东乌麦Ⅰ、Ⅱ上叶锈病
2.42个小麦品种分子标记检测
2.4.1 多态性分子标记筛选 采用747对SSR引物(编号为WZJA/B/D-)和100条ISSR引物(编号为UBC-)在供试材料上扩增分析。扩增结果如图3,有127对SSR引物、7条ISSR引物在3个材料上出现多态性,分别占SSR引物、ISSR引物的17.00%、7.00%(表6)。
2.4.2 相关基因标记鉴定 有12个与蛋白质品质
和抗病性基因相关的标记在宁春4号、河东乌麦(Ⅰ和Ⅱ)中得到鉴定(图4),其中,与Ω-secalin相关标记Ω-secalin、与Pm16相关标记Xgwm159-5B、与QFhs.ndsu-3BS相关标记XSTS3B1.1在河东乌麦Ⅰ和Ⅱ上扩增出大小分别为1 100、197、500 bp的目标片段(图4A、I、L);与Wx-A1/Wx-B1/Wx-D1相关标记BDFL-BRD在3个材料中扩增出3条大小为425、455、497 bp的目标片段(图4B);与Dy12相关标记UMN26、与Pm2相关标记Whs3501-Whs350S、与Pm4相关标记Pm4、与Pm6相关标记Xwg996、与Sr31相关标记BR41-BR12均在3个材料中扩增出大小分别为415、480、1700、936、331 bp的目标片段(图4C、F、G、H、J);与Psy-A1相关标记YP7A在宁春4号上扩增出大小为194 bp的目标片段(图4D);与Bx17相关标记Bx17在宁春4号和河东乌麦Ⅰ上扩增出大小为630 bp的目标片段(图4E);与Yr2相关标记WMC364在宁春4号和河东乌麦(Ⅰ和Ⅱ)上分别扩增出大小为201、207 bp的目标片段(图4K)。
M:DL2000; 1:WZJA-64;2:WZJA-65;3:WZJA-70;4:WZJA-86;5:WZJB-60;6:WZJB-62;7:WZJB-69;8:WZJB-71; 9:WZJB-78;1对引物扩增3种材料,每3个泳道从左至右1~3分别为宁春4号、河东乌麦Ⅰ和河东乌麦Ⅱ
表6 筛选的多态性引物分布及数量
M:DL2000;A:Ω-secalin;B:BDFL-BRD;C:UMN26;D:YP7A;E:Bx17;F:Whs3501-Whs350S; G:Pm4;H:Xwg996;I:Xgwm159-5B;J:BR41-BR12;K:WMC364;L:XSTS3B1.1; 1对引物扩增3种材料,从左至右1~3泳道依次为宁春4号、河东乌麦Ⅰ和河东乌麦Ⅱ
基因聚合育种与传统育种相结合已成为当今育种的新思路。近几年,利用分子育种技术对小麦蛋白质及抗病相关基因进行聚合已取得了一定进展[28]。国外资源的引进推动了宁夏小麦的育种进程,先后培育了斗地1号、宁春 4 号等多个优良品种。但自20世纪80年代以来,宁夏所审定的小麦品种大多与宁春4号同属一个遗传类群,而且品质整体水平不高,蛋白质含量在13.2%~16.1%,湿面筋含量在22.3%~31.3%,沉降值18.5~43.8 mL。同时,随着栽培密度的加大、矮秆品种的推广和水肥条件的改善,各类病害已呈明显上升趋势[29]。宁夏属于小麦条锈病流行区域,叶锈病也有加大的趋势,连续3 a白粉病已成为宁夏小麦生产上的第一大病害。如何在保持品种原有的产量和适应性的同时,提高小麦品质及抗病基因的多样性,是宁夏小麦育种的当务之急。
宁春4号作为宁夏乃至北方春麦区主栽品种,自1981年审定以来,在宁夏、内蒙古、甘肃等地累计推广面积达933万hm2,小麦增产70亿kg。该品种继承了亲本索诺拉64的大穗、宏图的千粒质量高等优点。本研究表明,其穗长达10.95 cm,穗粒质量达1.95 g,千粒质量为46.61 g。该品种也遗传了宏图的分蘖力低、抗病性弱的特点,有效分蘖仅为2.70个,田间白粉病病级为5~6级,属于中感白粉病,条锈病和叶锈病病级均为3级,表现为中感。河东乌麦亲本之一为硬粒小麦,该品种中出现紫粒类型,有研究表明,紫粒色素基因主要来源于燕麦草属、栽培二粒小麦和硬粒小麦等,紫粒小麦因其种皮中富含花色苷类化合物而呈现紫色[30]。本研究表明,河东乌麦2种类型表现出许多优异性状,如穗型紧凑、分蘖力高、蛋白质含量高、抗逆境,有效分蘖平均达6.6个,其蛋白质、面筋含量分别平均高出宁春4号19.46%、44.52%,田间白粉病病级为1~3级,属于高抗至中抗白粉病,条锈病和叶锈病病级均为2级,表现为中抗。为了聚合2个品种的优点,宁夏大学小麦育种课题组已成功组配宁春4号与河东乌麦正、反交组合,拟选出聚合优良基因的杂交后代,为宁夏小麦改良提供特异的种质资源。
分子标记辅助选择是高效筛选和聚合品种间优异基因,加速育种进程的有效手段[31-32]。本研究筛选到在3个材料上具有多态性的127个SSR和7个ISSR标记,为明确这些标记在杂交后代中的分布奠定了基础。同时,12个相关基因标记在3个材料上得以明确鉴定。河东乌麦为IB/IR易位品种,而宁春4号为非携带IB/IR易位品种;3个材料均携带有Wx-A1a/b、Wx-B1a/b、Wx-D1a/b、Dy12、Pm2、Pm4、Pm6、Sr31基因;同时,宁春4号携带有Psy-A1基因;此外,河东乌麦(Ⅰ和Ⅱ)携带有Pm16、Yr2和抗赤霉病QFhs.ndsu-3BS基因。基因标记分析结果为常规育种手段鉴定的结果提供了补充,今后还需进一步鉴定生产或育种上利用频率较高的高产、优质、抗逆等基因,为小麦育种工作提供性状优缺点明确、基因分布合理的特异种质资源。
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Analysis of Genetic Traits and Screening of Molecular Marker in Two Wheat Varieties
LIU Yan1,TIAN Rongrong1,WANG Tianyou1,LIU Fenglou1,KANG Ling2, LIU Shengxiang1,ZHANG Xiaogang1,LIU Ping1,WANG Zhangjun1*
(1.School of Agriculture,Ningxia University,Yinchuan 750021,China; 2.Institute of Crop Sciences,Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Sciences,Yinchuan 750001,China)
In order to clarify genetic traits of Ningchun 4 andSecalecerealL,the two varieties were identified by agronomic traits,quality traits,disease resistance,molecular markers.The results showed that for Ningchun 4,plant height was lower(86.70 cm),ear stem and panicle length were longer(36.60 cm and 10.95 cm,respectively),grain weight per spike and thousand seed weight were heavier(1.95 g and 46.61 g,respectively),spikelet number,kernels per spike and economic coefficient were in the middle compared withSecalecerealL.SecalecerealL(ⅠandⅡ) had more effective tillers than Ningchun 4(5.10 and 6.60,respectively),and was highly resistant to powdery mildew,moderately resistant to stripe and leaf rust.In main quality traits,for Ningchun 4 grain full index was larger(0.71),water content was higher(10.23%),dough stability time was longer(9.45 min),its grain hardness,water absorption ratio and starch recovery end point value were in the middle.ButSecalecerealL had higher average protein content(16.21%),gluten content(35.76%),Zeleny sedimentation(40.27 mL),and longer time for paste formation(2.38 min).127 SSR and 7 ISSR markers were screened in two varieties,and markers of 12 reported related genes were identified.The two varieties all carriedWx-A1a/b,Wx-B1a/b,Wx-D1a/b,Dy12,Pm2,Pm4,Pm6,Sr31,and Ningchun 4 also carriedPsy-A1,SecalecerealL hadPm16、Yr2 and gibberellic resistance geneQFhs.ndsu-3BS.
wheat(TriticumaestivumL);SecalecerealL; Ningchun 4; agronomic trait; quality trait; disease resistance; molecular marker-assisted selection
S512.1;S330
A
1004-3268(2017)10-0013-08
2017-06-05
宁夏回族自治区农业育种专项(2013NYYZ02)
刘 妍(1991-),女,吉林梅河口人,在读硕士研究生,研究方向:小麦遗传育种。E-mail:lyfy91@126.com
*通讯作者:王掌军(1978-),男,甘肃天水人,副教授,博士,主要从事小麦遗传育种研究。E-mail:wangzj-gs@126.com