小麦新品种春化和光周期基因组成以及春化基因与产量性状的关系

付 亮， 李 洋， 蒋志凯， 范永胜， 马华平， 郭战备， 胡卫国， 李晓航

(1.河南省新乡市农业科学院， 河南 新乡453000； 2.河南省农业科学院小麦研究所， 郑州 450002)

河南省是我国小麦主产区，是冬性小麦向春性小麦的过渡地带，生产上以种植半冬性小麦为主，部分地区兼种弱春性小麦。春化特性是小麦由营养生长转为生殖生长过程中的一个重要习性，直接影响着小麦的种植范围和栽培方式。现有研究证明，小麦春化作用主要受到Vrn-1,Vrn-2,Vrn-3和Vrn-4等春化基因的控制[1-2]，其中Vrn-1基因效应最为重要[3-4]，它含有3个等位基因(Vrn-A1、Vrn-B1和Vrn-D1)，分别位于小麦5 A、5 B和5 D染色体的长臂上[5-8]。Vrn-3基因主要受春化和长日照的调节进而对促进小麦开花起重要调控作用，Vrn-B3为Vrn-3的部分同源基因，已被定位于小麦7 B染色体上。光周期反应也是小麦的重要生理特性，其与春化作用共同影响着小麦的生态适应性。研究表明，小麦光周期反应主要受Ppd-A1、Ppd-B1和Ppd-D1等光周期基因的影响[9-12]，当基因位点表现为显性时(Ppd-Ala、Ppd-B1a和Ppd-D1a)，则小麦对光周期反应不敏感，而隐性等位变异(Ppd-Alb、Ppd-B1b和Ppd-D1b)则敏感。3个等位基因对光周期的反应有差异，其中Ppd-D1a基因对光周期的不敏感程度最强，Ppd-Bla次之，Ppd-Ala最弱。目前，小麦的4个主要春化基因Vrn-A1、Vrn-B1、Vrn-D1和Vrn-B3和光周期基因Ppd-D1位点均已被克隆，并开发了相应的功能标记，可利用分子标记对小麦材料的相关功能基因进行检测分析[2,4,13]。

我国小麦分布广泛，不同生态区均有种植。通过分析不同麦区小麦品种的春化基因和光周期基因的构成，了解不同麦区小麦品种的春化和光周期特性，进而可以研究不同麦区小麦春化的变化发展趋势，从而为生产提供参考。河南省是我国小麦产量大省，目前关于该省小麦品种中春化基因和光周期基因的分布特点的报道还较少，为此，本实验以近年来河南省小麦品种区域试验的118份小麦品种(系)(主要为弱春性和半冬性类型)为材料，通过对其春化基因和光周期基因的检测，了解其春化基因和光周期基因的显隐性组成，并通过分析其与产量性状的相关性，以期为河南省小麦遗传育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

选用2015、2016年度河南省水地区域试验118份小麦新品系。

1.2 农艺性状的调查

所有试验品种于2017年和2018年秋播在河南省新乡市农业科学院试验地(辉县)，每品种2行区，行长2 m，3次重复。同时调查品种苗穗期、成熟期、产量三要素等性状。

1.3 供试材料DNA提取

采用CTAB法[16]提取各重复试验材料苗期叶片DNA，分别用于检测其春化基因和光周期基因。

1.4 春化和光周期基因分子标记检测

根据Fu等[13]、Beales等[14]和Yan等[16]设计的Vrn-1、Vrn-3、Ppd-D1三个基因位点的引物序列进行春化基因检测。田间试验方法参照赵虹等主持的国家区试种植和调查方法进行。

1.5 数据处理

用Microsoft Office Excel 2003软件对田间调查的数据进行统计整理，用SPSS 18.0软件对小麦春化基因、光周期基因显隐性组成与抽穗期和产量性状进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 小麦供试材料春化基因和光周期基因检测

118份供试品种(系)进行冬春性鉴定，其中半冬性品种(系)有75份，弱春性品种(系)有43份。在4个春化基因位点中，显性基因Vrn-D1，Vrn-B1，Vrn-A1和Vrn-B3的频率分别为34.7%、7.62%、0和0(表1)。且Vrn-B1基因全部在弱春性品种(系)被检测出，半冬性品种(系)未被检出。通过STS分子标记检测，118份品种(系)均含有光周期非敏感型等位变异Ppd-D1a(表2)。在4个春化基因位点全部为隐性的品种数最多，其分布频率为58.5%，这些品种大多数表现为半冬性。这和田芳慧等[2]对黄淮麦区小麦春化基因的分析一致。同时对比前人研究，从未检测出Vrn-B3和Vrn-A1春化基因这一现象可以看出，河南省小麦新品种遗传基础相对狭窄，春化基因单一。从基因组合看，共有4个春化基因型被检出，其中Vrn-A1+Vrn-B1+Vrn-D1+Vrn-B3+Ppd-D1a出现较多，Vrn-A1+Vrn-B1+Vrn-D1+Vrn-B3+Ppd-D1a基因组合型的有8份，Vrn-A1+Vrn-B1+Vrn-D1+Vrn-B3+Ppd-D1a基因型的仅有1份，而Vrn-A1+Vrn-B1+Vrn-D1+Vrn-B3+Ppd-D1a品种(系)出现最多，为69份(表2)。

表1 供试品种(系)中显性春化基因的出现频率

2.2 供试品系田间冬春性鉴定与基因检测对比结果

由表3可知，供试品系中幼苗表现弱春性的有43份品种(系)，经冬春性鉴定确定为半冬性的有11份。含显性Vrn-D1春化基因的品种，田间鉴定为半冬性的有5份，占全部含有显性春化基因品种数的17.8%。而含有Vrn-B春化基因的品种(系)田间冬春鉴定均表现为弱春性，因此借助Vrn-B1春化基因进行河南省小麦品种冬春性鉴定的方法是可行的；另一方面，春化基因鉴定全部为隐性的品种(系)，鉴定为弱春性的有8份，占全部隐性基因型品种(系)的21.6%。综上说明，河南省弱春性小麦的春化发育过程受多个基因控制，不能单纯依据是否含有显性春化基因对品种的冬春性进行判断。这与前人研究一致。

2.3 弱春性品种春化基因显隐性组成与田间冬春鉴定性状及产量性状相关分析

由于43份品种(系)中没有含Vrn-A1和Vrn-B3基因的品种(系)，而所有品种(系)均含有Ppd-D1a，故以下主要分析春化基因Vrn-D1和Vrn-B1与苗穗期、抽穗率及产量性状之间的相关性(表4)。结果表明，Vrn-D1与苗穗期呈极显著负相关，Vrn-D1和Vrn-B1分别与抽穗率正相关，但未达显著水平。Vrn-B1与产量性状中的成穗数和穗粒数呈负相关但不显著，Vrn-D1与产量性状中的成穗数和穗粒数呈正相关但不显著。2个春化基因均与产量性状中的千粒重呈正相关但不显著(表5)。由表5可知，在河南省区试材料中，同时具有Vrn-D1与Vrn-B1两个春化基因的品种出现几率很低，可以尝试通过检测春化基因间接判定供试品种的抽穗率。此外，Vrn-B1与产量性状中的成穗数和穗粒数呈负相关但不显著，Vrn-D1与产量性状中的成穗数和穗粒数呈正相关但不显著。2个春化基因均与产量性状中的千粒重呈正相关但不显著。这说明，具有春化基因Vrn-D1的品种在产量上更具优势。这也间接说明春化基因Vrn-D1在供试材料半冬性品系中存在更多的原因。

表4 田间苗穗性状、产量性状与春化基因的基本参数分析

表5 春化基因与田间苗穗性状、产量性状相关分析

3 讨 论

本研究对河南省118份小麦新品种的春化基因和光周期基因进行了检测，发现春化基因均为隐性类型，在河南小麦品种中占据主要地位，而这种基因类型是(半)冬性小麦品种的主要基因型，正好反映目前河南小麦品种以半冬性为主的生产现状。曹雯梅等[17]利用STS标记对42份河南历史主栽小麦品种的春化光周期基因进行检测，张江花等[18]用相同的方法也分析了50份河南新培育小麦品种(系)中春化光周期基因的分布情况。同两者相比，尽管研究材料不尽相同，但河南小麦材料中的春化基因均表现出相一致的分布趋势，即Vrn-A1、Vrn-B3基因位点均表现为隐性，Vrn-D1显性基因分布频率远高于Vrn-B1显性基因频率，这种趋势也是河南小麦品种对本地区生态环境(温、光)相适应的一种体现。

姜莹等[19]利用春化基因标记研究了中国地方品种春化基因的分布及与冬春性的关系，认为不同麦区所检测的基因型与冬春性表型一致性不同，春麦区一致性较高，而冬麦区尤其是黄淮冬麦区一致性较差。本研究也出现了类似的现象，如含显性Vrn-D1春化基因的半冬性和弱春性品种数相当，春化基因位点均为隐性的品种中仍然包含有11.6%的弱春性品种。姜莹等[19]研究认为，出现这种现象的原因主要与Vrn-D1位点的显性变异有关。除上述原因之外，可能还含有其他影响小麦春化需求的遗传因素在起作用，如Vrn-A2、Vrn-B2、Vrn-D2、Vrn-A3、Vrn-D3和Vrn-D4等，而这些基因位点的作用机制尚不清楚，因此要进一步了解小麦春化发育特性的分子调控机理，需要更多地挖掘调控小麦春化发育的新基因。

田芳慧等[2]研究了春化光周期基因型与产量性状的相关性，发现Vrn-B1与抽穗期呈显著正相关，与每穗小穗数和产量呈显著负相关；Vrn-D1与抽穗期呈极显著正相关。本研究中，Vrn-B1位点与产量构成要素中的成穗数和穗粒数负相关，而与千粒重正相关，但均未达显著水平；Vrn-D1位点与苗穗期显著负相关，该结果与田芳慧等的研究不同，所研究品种的类型和数量差异较大可能是造成的两者结果差异的主要原因，而Vrn-D1位点对产量性状的作用机制也有待更深入研究。另外，本研究发现，春化基因Vrn-D1与产量构成各性状正相关。凡具有Vrn-D1春化基因的品种，在品种群体、穗部性状等方面更具优势，最终更容易取得高产，因此可以利用本结论进行高产品种的筛选鉴定。