118个小麦新品系的农艺性状和分子标记评价

陈朝阳 ，易晓余 ，熊 君，杨 珂 ，许 珂，匡成浩 ，张志鹏 ，丁 丽 ，蒲至恩，陈国跃 ，李 伟 *

（1.四川农业大学小麦研究所，成都 611130；2.四川农业大学农学院，成都 611130）

小麦（Triticum aestivum L.）是世界重要的粮食作物之一，其种植面积和产量长期居于栽培谷物的前列。中国小麦常年播种面积约2 400～2 600万hm2，分布范围广，生态类型多[1-3]，而四川由于其独特的生态区域条件，造就了小麦具有大穗、多花多粒等特点[4]。自1950年至今，四川选育和推广小麦农艺性状优良的品种多达130多个，具有优良遗传基础的骨干亲本种质资源的育成与利用起到重要的作用。在四川特定生态环境条件下，育种家通过对小麦产量性状的改良来实现最终提高小麦的产量，所选育的小麦新品种多属于穗重型或穗数穗重并重型[5-8]。小麦产量受穗数和穗重的影响较大，在一定程度上协调两种性状间的关系，综合提升小麦的产量是最高效、最优化的育种途径[9-10]。而穗重型只考虑穗重一个性状，具有操作简单，利于分析等特点，使其成为提高小麦产量的重要途径。研究表明[11-13]，超高产小麦产量构成应该在稳定穗数的基础上，提高穗粒数和千粒重，只有穗大、穗匀、穗粒数多才能建立高产群体结构的框架。

冰草（Agropyron cristatum L.）是小麦遗传改良的重要基因源，具有极强抗寒、抗旱性，对小麦锈病、白粉病表现高度免疫性，以及多小穗、多小花等优点[14-15]。通过染色体工程和远缘杂交，已获得了一批具有多粒特性的小麦-冰草新种质，应用于小麦育种和研究工作中[16-18]。普冰04-3504是小麦-冰草附加系4844-12的一对6P附加染色体自然丢失的渗入系材料[19]，表现突出的多花多粒特性，每小穗粒数为7～9粒，穗粒数为90～130粒，并且对千粒重无显著的负向影响，对白粉病及锈病表现为抗性[20]，具有重要的育种利用价值。

本研究对前期以大穗种质普冰04-3504为骨干亲本，与其他优异小麦品种（系）杂交，经多年选育，获得的遗传较为稳定的118个小麦新品系进行农艺性状评价，并采用特异性分子标记进行鉴定，筛选表现优异材料，以期深入了解其利用价值，为本地区小麦高产育种奠定基础和提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试材料包括亲本普冰04-3504、蜀麦375，以及二者衍生的118个小麦新品系（图1）。普冰04-3504是中国农科院作物科学研究所李立会研究员利用小麦-冰草附加系4844经人工选择创制的携带冰草染色质、具有多花多粒特性的小麦新种质[19-20]。蜀麦375是由绵阳93-7/92R141的F2代与绵阳96-324杂交所培育的品种[21]。利用蜀麦375与大穗种质普冰04-3504杂交，F1再与22535杂交，后代选株分别与B39、1601、HC1519和郑麦9023等品种（系）杂交，然后群体中选株自交，经多代自交和选择，共获得118个表现稳定的小麦新品系。中国春、黑麦 PI105和 PI107、冰草（Ag.cristatum）PI531535和PI439939作为分子标记鉴定时的对照材料。除PI编号材料为美国国家小谷物种质库提供外，其他材料均由四川农业大学小麦研究所提供。2016年10月22日在四川农业大学温江惠和村农场播种118个小麦新品系及亲本，行长2 m，行间距30 cm，株距10 cm，单粒单窝点播，每个品系播种2行，田间管理同大田生产。

1.2 农艺性状调查

田间生长期间调查抽穗期（heading date，HD），成熟后收获室内考种调查农艺性状，每个品系调查3株。主要调查性状包括株高（plant height，PH）、有效分蘖数（fertile tillers number，FTN）、穗长（spike length，SL）、芒长（awn length，AL）、总小穗数（total spikelet per spike，TSS）、穗粒数（kernel number per spike，KNS）、穗密度（spikelet density，SD）、千粒重（thousand-kernel weight，TKW）和单株产量（grain weight per plant，GWP）。性状调查标准参照李立会和李秀全[22]的方法。

1.3 分子标记鉴定

小麦幼苗四叶期时，取各系5～10株叶片2 g左右，置于液氮中备用。DNA的提取参照王关林等[23]的方法提取DNA。黑麦1RS上特异SCAR引物ωsec-p3/p4[24]序列为：前引物（F）：5’-CCT TCC TCATCT TTG TCC TC-3’，后引物（R）：5’-GCT CTG GTC TCT GGG GTT GT-3’。本试验中SSR扩增体系为20 μL，体系配制过程所用到试剂dNTP Mixture、Taq Plus 酶、10×Taq Plus Buffer 均由天根（TIANGEN）生化科技（北京）有限公司提供。反应体系：10×Taq Plus Buffer 2 μL，dNTP Mixture 1.6 μL；引物 F（10 μmol/L）1 μL，引物 R（10 μmol/L）1 μL，模板 DNA 100～150 ng，Taq Plus 酶（2.5 U/μL）0.3 μL，ddH2O加至终体积 20 μL；PCR反应程序：94℃预变性5min，94℃变性30sec，55℃退火30sec，72 ℃延伸1 min，72℃总延伸 7 min，反应35个循环。PCR反应在eppendorf基因扩增仪中进行，然后用1.5%的琼脂糖凝胶电泳检测，最后在Molecular Imager Gel DocTMXR+and ChemiDocTMXRS+Systems with Image LabTMSoftware凝胶成像仪进行成像。

图1 普冰04-3504、蜀麦375及部分新品系穗部及籽粒表现Figure 1 The performance of spikes and grains among Pubing 04-3504，Shumai 375，and the new strains

1.4 数据分析

表型数据和分子数据的汇总整理使用Microsoft Excel 2013软件进行处理。对数据的统计分析，包括方差分析、多重比较、简单相关分析、回归分析和聚类分析均采用IBM SPSS Statistics 20.0软件。

2 结果与分析

2.1 农艺性状分析

对118份小麦新种质的10个农艺性状进行了分析（表1）。结果表明，供试材料内各性状间差异显著；其中，抽穗期平均为134.12 d，变异系数为6.13%，变幅为 103～145 d；株高均值是 94.30 cm，变异系数为9.93%，其中株高＞100 cm的有32个品系，占总数的21.12%；有效分蘖数平均值是3.84个，变异系数为33.12%，其中有效分蘖数＞4个的有51个品系，占总数的43.22%；穗长平均值为11.62 cm，变异系数为 11.76%，其中穗长＞12 cm 的有43个品系，占总数的36.44%；芒长变异系数15.57%，平均值为 5.67 cm，其中芒长＞6 cm 的有 41个品系，占总数的34.75%；小穗数变异系数为11.21%，平均值为 19.68 个，其中小穗数＞20 个的有50个品系，占总数的42.37%；不孕小穗数平均值1.42 个，变异系数 40.54%，其中不孕小穗数＜2 个的有105个品系，占总数的88.98%，普冰04-3504的不孕小穗数为0个；穗粒数均值为52.29粒，变异系数为25.48%，其中穗粒数＞60粒的有33个系，占总数的27.97%；千粒重平均值为48.56 g，变异系数11.29%，其中千粒重＞50 g的有42个品系，占总数的35.6%；单株产量平均值为7.72 g，变异系数是49.70%，其中单株产量＞8 g粒的有49个品系，占总数的41.53%。10个农艺性状的变异系数在6.13%～49.70%之间，新品系群体株高和抽穗期的变异系数最小（变异系数均＜10%），单株产量的变异系数最高为49.70%，其次是不孕小穗数的变异系数为40.54%。

表1 普冰04-3504、蜀麦375及新品系的农艺性状表现Table1 The performance of agronomic traits of Pubing 04-3504，Shumai 375 and the new strains

2.2 农艺性状相关分析

对供试材料的10个农艺性状进行了相关性分析（表2）。结果表明，株高与抽穗期达到显著负相关，与小穗数、有效分蘖数、单株产量呈极显著负相关；穗长与芒长、小穗数、穗粒数和单株产量呈极显著正相关，与不孕小穗数呈显著负相关；芒长与穗粒数和千粒重呈极显著正相关，与有效分蘖数呈极显著负相关；抽穗期小穗数、穗粒数和单株产量呈极显著正相关；小穗数与有效分蘖数、穗粒数和单株产量呈极显著正相关，与千粒重呈极显著负相关；不孕小穗数与穗粒数呈极显著负相关，与千粒重呈显著正相关；有效分蘖数与千粒重呈极显著负相关，与单株产量呈极显著正相关；穗粒数与单株产量呈极显著正相关。单株产量与除芒长和千粒重之外的农艺性状，都有显著的相关性，与抽穗期、穗长、小穗数、有效分蘖数和穗粒数呈极显著正相关，与株高呈极显著负相关。小穗数与7个性状达到极显著相关，而与芒长和不孕小穗数相关不显著，说明适当的增加小穗数，可以增加穗粒数，进而提高小麦的单株产量。

表2 性状间简单相关分析Table 2 Simple correlation coefficients between the investigated traits

2.3 多元回归分析

对供试材料的农艺性状进行多元回归分析。以普冰04-3504、蜀麦375以及新品系单株产量（Y）为因变量，所测的抽穗期（X1）、株高（X2）、穗长（X3）、芒长（X4）、小穗数（X5）、不孕小穗数（X6）、有效分蘖数（X7）、穗粒数（X8）和千粒重（X9）为自变量，舍去与回归系数不显著的自变量（＞0.05），得到最优化的回归方程：单株产量 Y=-22.660+0.059X1+0.288X5+1.713X7+0.136X8+0.106X9（决定系数R2=0.816）。回归方程表明，抽穗期、小穗数、有效分蘖数、穗粒数和千粒重是影响单株产量的主要因素，抽穗期、小穗数、有效分蘖数、穗粒数和千粒重每增加一个单位，单株产量分别提高 0.059、0.288、1.713、0.136 和0.106 g。该回归方程表明抽穗期、小穗数、有效分蘖数、穗粒数和千粒重5个因素所决定的单株产量变异占产量总变异的81.6%。

2.4 聚类分析

为区分不同材料的农艺性状特性，对各农艺性状进行标准化转换，计算卡方距离，采用类平均法进行聚类分析。结果表明，118个新品系大致可以分为 6类（图 2）。I类包含 T2、T18、T172等 60份材料，该类又可以分为2个亚类Ia（55个）和Ib（5个），其千粒重最高，表现为千粒重与单株产量呈负相关；II类包含 T54、T236、T116等 49份材料，又包含3个亚类IIa（24个）、IIb（24个）和IIc（1个），其小穗数和穗粒数在3类中最高，相应的单株产量也最高，表明小穗数和穗粒数对单株产量呈正相关的趋势；III类包含 3份材料（T88、T244和 T206），其性状表现基本介于I类和II类材料之间，单株产量也是高于I类材料，而低于II类材料。IV类包含2份材料（T118和 T208）；V类包含 2份材料（T138和T140）；VI类包含 2份材料（T58和 T100）（表 3）。

图2 118个小麦新品系系统聚类图Figure 2 Systemic clustering tree of 118 new wheat strains

表3 各类群新品系农艺性状表现Table 3 The performance of agronomic traits between the groups based on cluster analysis

不同类群材料间农艺性状T检验表明，Ia和Ib类材料，在抽穗期、穗粒数、千粒重和单株产量上有极显著差异，在芒长上有显著差异，表现为Ib类材料有较低的单株产量；IIa和IIb类材料，在抽穗期、株高、穗长、芒长、有效分蘖数和千粒重上有极显著差异，在单株产量上有显著差异，IIa类材料有较明显的千粒重差异；I和II类材料，在除芒长之外的9个性状上，均有极显著差异，II类材料有较高的穗粒数和单株产量差异；I/II和III类材料，在芒长和不孕小穗数上有极显著性差异，在株高、穗长、有效分蘖数和千粒重上有显著差异，I/II类材料有较高的穗粒数差异。

2.5 黑麦特异分子标记鉴定

利用来自黑麦1RS上的SCAR标记对供试材料进行了分子鉴定，结果表明，普冰04-3504、蜀麦375和所有新品系均检测出黑麦1RS上的特征条带（图3），对照中国春中没有扩增条带，而在冰草PI531535和PI439939中均扩增出了一条比黑麦特征条带小的片段，明显区别于其他材料。因此，普冰04-3504、蜀麦375和所有118个新品系均具有黑麦1RS血缘。

图3 普冰04-3504、蜀麦375及部分小麦新品系电泳检测Figure 3 The agarose electrophoresis detection of Pubing 04-3504，Shumai 375 and the new wheat strains

3 讨论与结论

西南麦区是我国第三大小麦产区，四川小麦面积和产量位列西部第一、全国第六。四川地区大部分为丘陵、气候冬暖春早、分蘖期短及灌浆期长、湿度大导致病虫害和穗发芽严重，因此，选育适应该地区的高产、抗病、抗逆的小麦新品种（系）对于提高小麦产量具有重要的意义[25]。不同生态区域小麦产量性状一般具有明显的地域特征，如四川小麦具有多花多粒大穗，青海小麦则有较高的千粒重，河南等北方地区则有较高的单位面积穗数[26-27]。前人研究表明，四川小麦育成品种的穗数是影响产量的首要因素，收获指数范围为 0.36～0.48，通过收获指数的改良能明显提高产量潜力[25]，并且育成品种的灌浆快增期持续时间长，干物质累计量可占总干物质量80%左右，粒重与灌浆快增期速率呈极显著正相关[28]。因此，四川小麦超高产育种可以选择分蘖性较强、具有较高穗数的类型，同时注意具有灌浆快增期长和收获指数高[29]。也有育种者认为，四川超高产小麦下一步方向应该是保持现有穗数基础上，提高千粒重或增加小穗数以显著增加穗粒重来实现高产[28-30]。本研究中的普冰04-3504具有高穗粒数，蜀麦375具有较高千粒重，对利用二者创制选育的小麦新品系进行评价，对四川小麦主要产量性状在新的水平上达到新的平衡，实现产量再上台阶具有重要的意义。

小麦新品系的性状分析结果表明，供试材料在株高、有效分蘖、千粒重和单株产量上较普冰04-3504有所改良，而在穗粒数上，大部分材料保留了普冰04-3504多粒特性，其中穗粒数＞60粒的有33个品系，占总数的27.97%，千粒重＞50 g的有42个品系，占总数的35.6%。供试小麦新品系中千粒重和单株产量高于均值的有14个品系，可为穗数型小麦品种选育提供基础；穗粒数、千粒重和单株产量高于均值的有5个品系，可为穗重型小麦品种选育提供基础。方差分析表明，新品系中各农艺性状均存在极显著差异，表明所选育的小麦新品系性状类型丰富。供试材料的单株产量变异系数最大，不孕小穗数其次，而抽穗期变异系数最小，株高其次。这与姚盟等[31]对黄淮麦区小麦新品系主要农艺性状变异分析得到不孕小穗变异系数较大的结果较一致。与杜丽媛等[32]通过对小麦-冰草新种质普冰2011姊妹系的育种效应分析得到结果也基本一致。

徐翠莲等[33]报道了冬小麦单株产量与单株穗数，单株粒重与单株穗数、单株粒数间呈极显著正相关；单株粒数与单株穗数在0.1水平上达到极显著偏相关。谢成俊等[34]指出收获指数与株高、穗茎长、穗长、小穗数、单穗产量、主茎生物产量、千粒重和和单株产量都有显著关系。陈华萍等[35]在对四川小麦地方品种农艺性状分析时注意到，当小麦有效穗数、穗粒重和千粒重增加时，单株产量有显著增加的趋势。本研究的相关分析和多元逐步回归分析表明，抽穗期（X1）、小穗数（X5）、有效分蘖数（X7）、穗粒数（X8）和千粒重（X9）均显著或极显著影响单株产量，其中有效分蘖数起到主要作用，其次是小穗数和穗粒数，表明不同群体间主要是对产量构成各性状偏重点不同。

俞世蓉等[36]对小麦聚类分析结果表明，由于遗传分离以及对不同株系不同方向的选择，使同一组合的不同后代产生了比较大的遗传差异，在聚类上成为不同的类。张芬等[37]对冬小麦品种作的聚类分析也有类似结果。本研究聚类结果表明，118份衍生材料主要为I类和II类（共109份），在除芒长之外的9个性状上都有极显著差异。II类材料有较高的穗粒数和单株产量，这部分材料在千粒重基本不变的基础上，保留了普冰04-3504多粒的优点，使得产量得到显著的提升，如 T54、T56、T116、T130 和T132等，均达到穗粒数60粒以上，单株产量8.5 g以上。因此，II类材料是今后工作的关注重点。

SCAR引物ω-sec-p3/p4来源于黑麦1RS上的ω-secalin序列，通过琼脂糖凝胶电泳分析表明，双亲及新品系均含有黑麦1RS特征条带。普冰04-3504检测中含有特征条带，推测其创制过程中与冰草Z559杂交的日本普通小麦Fukoho中可能含有黑麦血缘而导致的[38]。因此，后续还需对创制亲本和后代品系材料所含的黑麦1RS血缘做进一步的鉴定确认；同时注意到2份冰草材料也扩增出与特征带型有差异的带纹，值得进一步的研究。