人工合成六倍体小麦在黄淮麦区育种中的利用性评价

宋全昊 金 艳 宋佳静 白 冬 赵立尚 陈 杰 朱统泉

（1驻马店市农业科学院，463000，中国河南驻马店；2国际玉米小麦改良中心，6-641 06600，墨西哥埃尔巴丹）

小麦是世界上重要的粮食作物之一，最初的六倍体小麦约在公元前8000年至公元前5000年由野生二粒小麦（Triticum dicoccoides，AABB）和节节麦（Aegilops tauschii，DD）天然杂交而成的一个异源六倍体，拥有3个不同的基因组A、B和D[1-2]。因参与最初杂交的野生二粒小麦和节节麦的供体祖先种数量有限[3-4]，加上后来的近亲繁殖、长期的定向选育和少数骨干亲本的频繁使用，导致一些关键的产量、品质、农艺性状和抗性等基因在普通小麦中遗传多样性低，面对今后复杂的生物及非生物胁迫时会产生丧失抗性等问题。

国内外学者利用四倍体小麦与节节麦杂交、染色体加倍手段，将粗山羊草及四倍体小麦中的大量优良基因导入了六倍体人工合成小麦（synthetic hexaploid wheat，SHW）中[5-7]。国际玉米小麦改良中心（International Maize and Wheat Improvement Center，CIMMYT）从20世纪90年代初开始用硬粒小麦和粗山羊草品系创制了1500余份SHW种质[8-9]。粗山羊草的D染色体组遗传多样性高于普通小麦，已证明相比于普通小麦，利用其合成的SHW 材料具有更高的遗传多样性和更广泛的抗病性[10-11]，同时在品质方面具有多样性的高分子谷蛋白亚基等位基因变异[12]，可以为育种提供更大的选择空间[13]。

人工合成小麦目前已被多个国家应用于小麦品质和产量等重要农艺性状的遗传改良。我国四川省农业科学院于2003年利用人工合成小麦育成高抗条锈病小麦新品种川麦42，产量达6130.00kg/hm2，在四川省区域试验中2年的平均产量高于对照35%。川麦 42及其衍生品种的育成使我国小麦育种上了一个新的台阶，说明 SHW 可以成功地将合成小麦的抗病基因和优质基因等有利基因性状转育到普通小麦中，从而选育出抗病性强、优质稳定的品系[14]。李文才等[15]利用人工合成小麦与普通栽培种小麦杂交构建了2个遗传群体，通过分析其株高、单株穗数、穗长、小穗数、穗粒数、产量和千粒重等性状，证明了人工合成小麦对上述性状具有明显的正向效应，并在其D组染色体上检测到影响上述性状的主效 QTL。王亚娟等[13]以 138份人工合成小麦为材料，对其农艺性状、白粉病抗性、条锈病抗性和高分子量麦谷蛋白亚基进行研究，结果表明，在138份人工合成小麦种质资源中，筛选出抗白粉病种质27份，抗条锈病种质55份，兼抗白粉病和条锈病种质10份，在Glu-A1位点上存在5个变异类型和1种新亚基；在Glu-B1位点上存在13个等位变异类型和5种新亚基；在Glu-D1位点上存在13种等位变异类型和4种新亚基，证明人工合成小麦在农艺性状、白粉病抗性、条锈病抗性和高分子量麦谷蛋白亚基方面存在丰富的遗传多样性。王丽敏等[16]对 106份人工合成多倍体小麦及其供体种的高分子蛋白亚基组成研究表明，106份人工合成小麦（2n=6x=42，AABBDD）中共检测到27种亚基类型，其中Glu-D1位点上的变异类型最为丰富，发现了包含 1种未知亚基及新的亚基组合在内的18种不同类型，有不少材料对条锈病抗性优异。人工合成小麦种质资源研究、抗病性基因定位和遗传分析及品质等方面的分析对我们更好地利用小麦近缘属的遗传变异和优良基因资源、丰富现代栽培小麦的遗传多样性具有重要意义[13,16-19]。

虽然人工合成小麦已被证明在抗性和品质等方面有较为突出的优势，然而在丰产性方面与当前的栽培种还有较大的差距，怎样能够较好地利用人工合成小麦的有利性状改良普通栽培品种，还需要进行大量的探索。黄淮麦区是我国小麦主产区[20]，因此，明确人工合成小麦重要种质资源在此地区的生长习性及遗传特点，挖掘其有利性状，对促进小麦种质资源创新及其在遗传育种中的应用具有重要意义。本研究利用自主培育的普通小麦驻麦305和5份SHW材料进行杂交、回交，建立了5个BC2回交群体，通过对SHW、普通小麦、回交群体的农艺性状和品质性状调查和分析，明确SHW材料的性状遗传特点，明确其利用价值和有效利用方法，以期能够创制出更多的桥梁材料来丰富现有的种质资源。

1 材料与方法

1.1 供试材料

5份SHW（SHW1、SHW2、SHW3、SHW4和SHW5）来源于国际玉米小麦改良中心。普通小麦材料驻麦305是驻马店市农业科学院自主选育的经国家农作物品种审定委员会审定的品种，弱春性，抗性好，株高较低，丰产性稳定，具有黄淮麦区品种典型特征。以驻麦305为母本，以5份SHW为父本，进行杂交、回交2次，构建了5个群体大小约为250株的回交群体，分别为BC2-SHW1、BC2-SHW2、BC2-SHW3、BC2-SHW4 和 BC2-SHW5。

1.2 试验设计

试验在河南省驻马店市农业科学院试验站进行（114.20′ E，32.59′ N），于 2018-2019年和 2019-2020年连续2个小麦生长季节，将5份SHW、5个对应回交群体和驻麦305种植在试验田。设置3次重复，采用完全随机区组设计，行长2.00m，行距0.30m，株距0.10m，各材料每个重复种植4行，手工单粒点播，肥水管理与病虫害防治同大田生产。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 农艺性状 各材料于收获前进行农艺性状的测定，各重复的每份种质随机选取20株植株，调查性状包括株高、穗下节长、穗下茎长、穗长、小穗数、穗粒数、单株分蘖数、旗叶长、不育小穗数、千粒重、收获系数、生物量和产量，为减小误差，生物量和产量以5株为基本单位进行调查取样和统计。

1.3.2 籽粒品质性状 所有材料籽粒收获晒干后，用近红外漫反射光谱分析仪（DA7200，瑞典）测定品质指标，包括淀粉含量、纤维素含量、蛋白质含量、面筋含量、水分含量、硬度、SDS沉降值、Zeleny沉降值，每个重复测定5次。

1.4 数据处理

利用软件 SAS 8.1（SAS Institute，美国）的DUNCAN模块对各材料性状作多重比较，显著性α=0.05。利用SPSS 26对人工合成小麦和回交群体的产量及农艺性状进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同材料农艺性状特点

为明确普通小麦、SHW 和回交群体后代农艺性状的整体特征，对3种类型材料的农艺性状（株高、穗下节长、穗下茎长、穗长、旗叶长、生物量）进行调查统计。结果（表1）表明，人工合成小麦与普通小麦驻麦305在各项调查的农艺性状上均表现出差异。

由表1和表2可知，SHW的株高在2年间均显著高于回交群体和驻麦 305。穗下节长表现为SHW（44.79cm）＞回交群体（29.80cm）＞普通小麦（26.09cm）。SHW的穗下茎长（26.58cm）＞回交群体（10.95cm）＞普通小麦（8.08cm）。说明株高是SHW材料应用时的一个不利因素，与普通小麦杂交后，后代株高显著降低。穗长方面，SHW的穗长显著长于回交群体和普通小麦；5份BC2回交群体的穗长与普通小麦之间的差异性表现不完全相同，除BC2-SHW5的回交群体和普通小麦的穗长有显著差异外，其余4个回交群体的穗长均长于普通小麦，但差异没达到显著水平，反映出SHW材料的穗长是一个较为优良的性状，虽然对后代影响不显著，但有正向效应。与穗长相似，SHW的旗叶长显著大于回交群体和普通小麦；不同回交群体和普通小麦之间的差异性不尽相同，只有BC2-SHW2和BC2-SHW3群体与普通小麦之间的旗叶长在2年中达到了显著差异。表明不同的SHW在穗长和旗叶长方面的遗传类型较丰富，在SHW运用时要注意后代的表现，挑选合适的亲本，此外普通小麦驻麦305本身的穗和旗叶较长，也可能是后代回交群体提升不显著的原因之一。相对于普通小麦，SHW具有较高的生物量；但除了 BC2-SHW2群体在2019-2020年与驻麦305达到显著性差异外，其他回交群体与双亲未达到显著差异；SHW 的高生物量在回交群体中并未充分表现，但不同群体间的变异幅度较大，表明回交群体的生物量性状更趋向于回交亲本驻麦305。

表1 普通小麦驻麦305、SHW及回交群体的农艺及品质性状Table 1 Agronomic traits and seed quality of common wheat Zhumai 305, SHW and backcross populations

表2 普通小麦驻麦305、SHW及回交群体的农艺性状比较Table 2 Comparison of agronomic traits of common wheat Zhumai 305, SHW and backcross populations

续表2 Table 2 (continued)

2.2 不同材料产量性状特点

对SHW、回交群体和普通栽培小麦连续2年的产量相关性状进行调查统计（表1），表明产量、分蘖数、小穗数、穗粒数、单株不育小穗数、千粒重和收获系数等各性状在双亲中均存在明显差异。由表3可知，SHW的分蘖在2年间均显著多于回交群体和普通小麦。与普通小麦相比，BC2回交群体的分蘖数得到了显著提升，如 2018-2019年的BC2-SHW2和 BC2-SHW3、2019-2020年的 BC2-SHW4和BC2-SHW5。同时BC2回交群体材料的分蘖数在2年之间存在一定差异，如BC2-SHW2、BC2-SHW3和BC2-SHW4，说明SHW较强的分蘖优势可以应用到普通小麦的分蘖改良上来，但会受到年际间环境变化的影响。

表3 普通小麦驻麦305、SHW及回交群体的产量相关性状比较Table 3 Comparison of yield relative agronomic traits of common wheat Zhumai 305, SHW and backcross populations

SHW的小穗数少于普通小麦；相比SHW，回交群体的小穗数得到较大幅度提升，只有 2018-2019年的BC2-SHW1、BC2-SHW5和2019-2020年的BC2-SHW2未达到显著差异；BC2-SHW4群体的小穗数相比其亲本SHW4显著提升，但与普通小麦无显著差异。SHW 的穗粒数明显少于驻麦 305；BC2回交群体中，除了2018-2019年的BC2-SHW4群体，其余回交群体的穗粒数比SHW亲本显著提高。SHW材料的结实性较普通小麦差，其不育小穗数显著多于普通小麦驻麦305；回交群体在一定程度上提升了SHW在后代中的育性。人工合成小麦的千粒重明显低于驻麦305；回交群体的千粒重相对于 SHW 实现了有效提升，除了 2018-2019年BC2-SHW1和BC2-SHW2，其他材料在2年间达到显著差异水平。以上结果表明这批SHW的千粒重方面虽然较普通小麦低，但通过回交改良，这一缺点可以被克服。SHW 材料的收获系数远低于普通小麦，在回交群体中得到提升，达到0.32。SHW的收获产量低于普通小麦，回交群体比SHW有了较大幅度的提升，仅在 2019-2020年 BC2-SHW1和BC2-SHW5未达到差异显著水平。

2.3 不同材料品质性状特点

SHW和普通小麦驻麦305在品质性状上存在明显差异。具体分析如下（表4），SHW材料的籽粒水分含量2年间均显著高于驻麦305，后代回交群体中籽粒水分含量整体提升。SHW 材料蛋白质含量2年间均显著高于驻麦305，后代回交群体籽粒的蛋白质含量（14.62%）相对于驻麦305（13.77%）实现了提升（表1），仅2018-2019年的BC2-SHW1和 BC2-SHW2群体未达到显著水平。关于面筋含量，SHW材料2年间均显著高于驻麦305，且所有材料回交群体的面筋含量也显著高于驻麦 305。SHW 材料的籽粒硬度较大，回交群体的籽粒硬度处于双亲中间且与双亲均存在显著差异。淀粉含量上，SHW均显著低于驻麦305，后代回交群体与驻麦305相比，淀粉含量降低。SHW材料的纤维含量较高，5个回交群体中的纤维含量也较驻麦305显著提高。SDS沉降值方面，SHW显著高于驻麦305；回交群体中除了2018-2019年的BC2-SHW1群体，其余群体显著高于回交亲本。与SDS沉降值不同，Zeleny沉降值表现为驻麦305（31.35）＞回交群体＞SHW材料，且差异显著。总体表明，SHW与驻麦305的品质存在着显著不同，这批SHW材料在品质方面具有优良的性状，主要表现为高的纤维含量、面筋含量、SDS沉降值和籽粒硬度且均可不同程度地稳定遗传给后代群体。

表4 普通小麦驻麦305、SHW及回交群体的品质性状比较Table 4 Comparison of grain quality of common wheat Zhumai 305, SHW and backcross populations

续表4 Table 4 (continued)

2.4 农艺性状相关性分析

对SHW和后代回交群体的农艺性状进行相关性分析，结果（表5）表明，株高与穗下茎长、穗下节长、穗长、旗叶长、单株分蘖数呈显著正相关，且相关系数穗下茎长（0.97）＞穗长（0.95）＞穗下节长（0.94）＞旗叶长（0.85）＞单株分蘖数（0.76）。说明植株穗下茎长、穗下节长、旗叶长和分蘖能力强的植株株高也相对较高。生物量与穗下茎长、单株分蘖数、株高、穗长、穗下节长、旗叶长和不育小穗数均呈显著正相关关系，这与SHW的生物量较大相吻合。收获系数与生物量、穗下茎长、株高、穗下节长、旗叶长、单株分蘖数和不育小穗数呈显著负相关，与穗粒数和小穗数呈显著正相关，表明在SHW和其后代回交群体中，植株的生物量越大、穗下茎越长，株高越高的高大植株收获系数反而越低。产量与株高和穗下节长等农艺性状呈负相关关系，说明植株过高对籽粒产量不利。产量与小穗数、穗粒数、收获系数和千粒重呈显著正相关，相关系数分别为0.52、0.64、0.57和0.47。分析认为生物量没有与产量呈正相关关系的原因可能是因为SHW的植株较为接近野生型，且脱粒较难，导致收获系数偏低。因此要提高SHW材料的产量，增加小穗数、穗粒数、千粒重和收获系数是有效途径。

表5 SHW与其后代回交群体农艺性状的相关性分析Table 5 Correlation analysis among agronomic traits of SHW and backcross populations

3 讨论

3.1 回交方法的利用

回交可以重建受体背景，后代群体表现出高比例的轮回亲本基因型，同时保留少量供体亲本的染色体片段，从而实现基因的转移。Liu等[21]利用普通小麦“莱州953”和SHW“Am3”杂交并连续回交，建立了一套小麦导入系，检测到了一些农艺性状的QTL位点，多数性状的均值都偏向轮回亲本，并超轮回亲本，认为回交手段进行染色体的导入能有效排除不同遗传背景对基因的干扰，导入系和轮回亲本之间的表型差异是由导入片段引起的。甘斌杰等[22]用矮败小麦不育株为母本，4个普通小麦品种（系）为父本连续回交3次，衍生出的120份后代群体，通过对各群体的不育株、可育株的株高、穗长和千粒重等性状进行相关分析，探讨了矮败基因回交转育的效应。满强等[23]利用旱地小麦“长6878”为供体亲本，水地品种“济麦22”为轮回亲本进行回交，表明 BC2后代农艺性状改良效果明显，后代材料在株高、穗长、穗下节长、分蘖数等性状偏向于轮回亲本“济麦22”，同时在小穗数、穗粒数、单株生物学产量、单株粒重、千粒重和经济系数等性状中存在超亲效应。川麦38和川麦42及一批具有高产、优质和高抗条锈等特点中间材料就是通过用四倍体小麦和节节麦人工合成利用杂交回交的手段育成的[19]。目前也有研究正在利用导入系的这一特点进行目标性状基因的发掘和定位[24]。本试验也是采用5份SHW为供体亲本，黄淮麦区主栽品种普通小麦驻麦305为受体亲本，回交2代获得的后代群体，通过对双亲及后代群体的性状调查和测定来进行多性状分析，进而明确SHW的特点及遗传规律，表明回交手段可以将一些性状稳定遗传给后代，与前人研究[23]结果一致。

3.2 SHW种质的产量性状利用

SHW具有丰富的遗传多样性，蕴藏着抗病、抗穗发芽、优良品质等基因，进一步开展小麦高产、抗病、优质育种具有较大的潜力。目前来源于不同粗山羊草的SHW材料已经被广泛应用于小麦育种过程中[6]，选育出了一批抗性突出的种质资源，此外利用这些人工合成材料还选育了川麦42等小麦新品种[7]。Del等[25]研究表明，在选用的6个SHW与春小麦的回交群体中，超过80%的株系千粒重显著高于各自的回交亲本，认为利用SHW的千粒重优势将成为现代小麦改良最有效的途径之一。本研究的SHW与普通小麦杂交、回交的后代群体，其产量相关性状均处于双亲之间。SHW的株高、穗下节、穗下茎、穗长、穗粒数、千粒重等与普通小麦存在显著差异，充分表明了SHW与普通小麦之间存在丰富的遗传多样性，为优异资源的筛选提供了遗传基础。SHW具有较高的株高、较长的穗长、较强分蘖能力和较大的生物量等特点，与之前研究[26]较为一致。本研究中SHW的千粒重比普通小麦驻麦305低，遗传规律是后代回交群体的千粒重处于双亲之间，分析认为可能是因为SHW的亲本选择时只注重了生育期及适应性的问题，没有偏重选择那些千粒重高的材料，且普通小麦驻麦305的亲本千粒重中等偏高。虽然结果与前人研究[19]的人工合成麦千粒重较高的结果不相同，但是其遗传规律一致，同样也证明了人工合成麦的千粒重性状能够在后代中较好地延续。试验所选的SHW材料在产量方面优势并不明显，株高、小穗数、穗粒数等是其不利因素，但是可以利用其较强的分蘖能力和抗性等来作为桥梁改善普通小麦的相关性状。

3.3 SHW的品质性状利用

小麦育种是一个庞大而又系统的工程，如何协调品质与产量的矛盾一直是研究者关注的热点。目前我国育成的小麦品种多数为1BL/1R易位系衍生后代，20世纪80年代1BL/1R易位系的使用为我国小麦产量的提高做出了突出贡献，但易位系含有黑麦碱，对面筋强度和耐揉性有不利影响，从而对加工品质造成不良影响，这也是我国育成品种品质较差的原因之一[27-28]。汤永禄等[29]通过SHW“Syn-CD780”与普通小麦品种“CY12”杂交，分析了SHW导入对普通小麦品质的影响及其潜在利用价值，结果表明，后代群体的籽粒硬度、籽粒蛋白质含量、降落值、湿面筋含量、吸水率、形成时间和稳定时间7个品质参数的平均值都介于2个亲本之间。指出SHW“Syn-CD780”在小麦品质改良上有一定的潜在利用价值。王丽敏等[16]分析了引自 CIMMYT的106份人工合成小麦，结果表明，在利用小麦的野生近源种属合成的这些人工合成小麦材料中蕴含着丰富的优质蛋白基因，此外，抗性鉴定表明部分人工合成材料对条锈病抗性优异。本研究表明，回交群体的品质性状指标处于双亲之间，且多数性状与双亲达到显著差异，5份SHW材料的蛋白质含量、纤维含量、籽粒水分含量和面筋含量均显著高于驻麦305。说明试验选用的这5份SHW材料在品质方面具有优良的性状，与王丽敏等[16]和汤永禄等[29]研究结果一致。以上分析提示我们SHW材料是重要的种质资源，向普通小麦中转育这些优质蛋白基因可以有效提高我国小麦品质育种的效率，选择那些含优质亚基及抗性好的亲本应用于小麦育种，有望得到兼具抗病性与优良品质的品种。

3.4 SHW产量性状的相关性分析

满强等[23]通过对回交二代后代群体的株高、穗长、穗下节间长、分蘖数、小穗数、穗粒数、单株生物学产量、单株粒重、千粒重和经济系数10个农艺性状进行相关分析，指出在回交群体中，单株粒重与单株生物学产量、分蘖数、穗长、千粒重和穗粒数呈极显著正相关，与本研究中籽粒产量与小穗数、穗粒数、收获指数和千粒重存在显著正相关结果一致，但产量与株高、生物量等指标呈显著负相关，原因是人工合成小麦的较高的株高和生物量，以及较低的收获系数导致。蒋进等[30]统计了2008-2018年四川省审定的100个小麦品种的农艺性状和品质性状，相关性分析结果表明，产量提高是穗粒数提高的结果，植株过高和生育期过长对产量的形成不利，而千粒重与籽粒产量相关性不明显。Del等[25]研究认为，千粒重对产量的直接作用系数明显高于二者间的相关系数，主要由于其他间接负作用所致，指出SHW的千粒重优势将成为小麦改良有效的途径之一。孙婷[31]研究表明，利用人工合成小麦与普通小麦栽培品种杂交，杂种后代中株高与分蘖数、小穗数、穗粒数、穗粒重、单株产量、穗长、穗轴节间长和颖壳强度均具有显著正相关关系，分蘖数与杂种后代的穗长、小穗数和单株产量呈显著正相关关系，这些提示我们能够在杂种后代中选育出农艺性状优良的分离类型。但本研究还存在部分需要解决的问题，如选用的人工合成群体偏小，未进行多年的跟踪调查，抗病性情况未作鉴定分析等。接下来我们将拓宽对材料的抗病虫性、抗旱性、抗穗发芽性、光合性状和灌浆情况等的调查，深入对优异性状基因的发掘和定位，探索在品质改良方面的遗传规律，进一步明确SHW的应用价值。

4 结论

连续 2年对 5份 SHW 及其与普通小麦驻麦305回交群体的农艺性状、产量及品质性状进行调查分析，明确了株高、小穗数、穗粒数和收获系数等是SHW的不利因素，但其具有较强的分蘖能力。SHW的纤维含量、面筋含量、蛋白含量和硬度均高于普通小麦驻麦305，达到显著差异水平。后代回交群体株系中将SHW的高分蘖力、高生物产量、高蛋白含量、高面筋含量和普通栽培小麦的多花多实特性、矮秆特性、高收获系数等性状实现了聚合，证实SHW在黄淮麦区可作为中间材料加以利用。