春化及光周期基因的等位变异对小麦主要农艺性状及产量的影响

乔朋放，毕 起，李 玹，陈 亮，3，胡银岗，2，3

(1.西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2.旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100；3.中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100)

温度和光照是小麦正常生长发育的重要生态条件，春化作用和光周期现象是小麦响应外界环境因素，调节抽穗和开花的主要途径，主要涉及春化基因和光周期基因的调节。目前，小麦中已克隆到4类春化基因，分别为、)〗、和，其中、和为开花促进因子，为开花抑制因子。包括、和3个等位基因，分别分布在5A、5B和5D染色体上。一般而言，这3个基因中的任何一个为显性时，小麦的发育特性表现为春性或半冬性；3个基因都为隐性时，小麦的发育特性表现为冬性，且对和有上位性效应。小麦的光周期现象主要受基因控制，包括、和3个等位基因，分别分布在2A、2B和2D染色体上，3个基因的显性等位变异对光周期不敏感，对光周期的不敏感程度强弱依次为>>，3个基因的隐性等位变异对光周期反应敏感。

春化及光周期基因不仅影响小麦的冬春性和生育进程，其不同等位变异对小麦的农艺性状也有十分重要的影响。Zhang等研究表明，可以降低株高，并通过增加可育小穗数来提高籽粒产量；Chumanova等研究发现，的等位变异对穗长、单穗重量、单株产量都有显著的影响。春化和光周期基因的分布及其对生育期和产量的影响已有较多研究，但其对株高、叶片大小等农艺性状的影响研究较少。

本研究以253份国内外小麦品种(系)为材料，采用分子标记检测其所含有的春化及光周期基因的等位变异，分析不同等位变异及其组合对小麦抽穗期、开花期、农艺性状及产量的影响，以期发掘优异等位变异组合，为小麦育种中合理利用春化和光周期基因提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

供试材料共253份，包括97份国内育成的小麦品种(陕西25份，河南22份，甘肃18份，山东13份，其余国内品种分别来自于山西、新疆、江苏、四川、安徽、宁夏等地)、71份本实验室培育的高代品系以及85份来自国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)的小麦品种(系)。供试材料于2020年10月8日种植于西北农林科技大学旱区节水农业研究院试验田，每份材料种植4行区，行长 3 m，行距25 cm，株距3.33 cm，人工点播种植，随机区组设计。

1.2 春化及光周期基因的检测

采用CTAB法提取小麦叶片基因组DNA。利用已开发的春化基因、、及光周期基因的特异标记检测供试材料的等位变异，引物序列(表1)参照Yan等和Beales等发表的文献，PCR反应体系及程序参照文献[16]。

1.3 农艺性状及产量调查

观察并记录每份小麦品种(系)的抽穗期和开花期。于小麦灌浆中期，每份品种(系)随机选择10个单株，调查小麦的株高、穗下茎长、穗叶距、旗叶长、旗叶宽、倒二叶长、倒二叶宽。于小麦成熟期，每份品种(系)选取长势均匀的2行，每行收获1 m，调查成穗数；并随机选取10个麦穗调查小穗数和穗粒数；晒干后，调查地上部生物量、产量和千粒重。

1.4 数据分析

采用Excel 2019整理数据，采用SPSS 20.0进行统计分析；采用多重比较和检验分析不同基因等位变异对农艺性状的影响。

2 结果与分析

2.1 春化及光周期基因的等位变异检测结果

利用VRN1AF和VRNl-INTlR引物对供试材料中的基因进行检测，发现西农509等22份材料可同时扩增出965和876 bp的目的条带，说明这些材料含有等位变异；其余231份材料可扩增出734 bp的目的条带，说明这些材料含有或等位变异。进一步利用Intr1/A1c/F2和Intr1/A1c/R3、Intr1/C/F和Intr1/AB/R两对引物分别进行检测，结果可扩增出1 068 bp的目的条带，说明这些材料含有隐性等位变异。未检测出含有和等位变异的材料。部分材料的扩增结果如图1所示。

表1 本研究所用的引物及相关信息Table 1 Primer used in this study and related information

利用共用上游引物lntrl/B/F与下游引物Intr1/B/R3和Intr1/B/R4对供试材料中的基因进行检测，发现天民118等28份材料可扩增出709 bp的目的条带，说明这些材料含有等位变异；其余225份材料可扩增出1 149 bp的目的条带，说明这些材料含有等位变异。利用共用上游引物lntrl/D/F与下游引物Intr1/D/R3和Intr1/D/R4对供试材料中的基因进行检测，发现小偃6号等44份材料可扩增出1 671 bp的目的条带，说明这些材料含有等位变异；其余209份材料可扩增出997 bp的目的条带，说明这些材料含有等位变异。部分材料的扩增结果如图2所示。

A：用VRN1AF和VRNl-INTlR引物的扩增结果；B： 用Intr1/C/F和Intr1/AB/R引物的扩增结果。M：DL2000；1：西农509；2：长6878；3：山农20；4：Magnif41ert1；5：GW53；6：PX32；7：PX34；8：百农207；9：PX54；10：新麦26。图3同。

利用共用上游引物TaPpd-D1-F1与下游引物Tappd-D1-R1和TaPpd-D1-R2对供试材料中的基因进行检测，发现西农509等220份材料可扩增出288 bp的目的条带，说明这些材料含有光周期不敏感型等位变异；其余33份材料可扩增出414 bp的目的条带，说明这些材料含有光周期敏感性等位变异。部分材料的扩增结果如图3所示。

供试材料中共检测到13种春化及光周期基因的等位变异组合，其中含有+++组合的材料最多，占供试材料的59.68%(表2)。

A： Vrn-B1位点的扩增结果；B： Vrn-D1位点的扩增结果。M：DL2000；1：西农389；2：长6878；3：天民118；4：新麦26；5：铜麦6号；6：新麦32；7：小偃6号；8：山农20；9：普冰151；10：济宁13。

图3 部分供试材料 Ppd-D1位点的多重PCR结果

2.2 春化及光周期基因的等位变异组合对抽穗和开花期的影响

从表3可以看出，在背景下，含有单个或多个显性等位变异的材料从播种至抽穗、播种至开花所需的天数均少于含有隐性等位变异的材料。含有多个等位变异组合的材料中，含有++的材料从播种至抽穗、播种至开花所需的天数均少于其他等位变异组合，但该组合仅有1份材料，结果的可靠性有待进一步研究。

在背景下，含有单个或多个显性等位变异的材料从播种至开花所需的天数大于含有隐性等位变异的材料。++对抽穗期的影响大于单个等位变异，但该组合仅有2份材料，结果的可靠性也有待进一步研究。

含有+的材料从播种至抽穗所需的天数极显著少于含有+的材料。含有的材料从播种至开花所需的天数均极显著少于含有的材料(含有+的材料未做分析)。

2.3 春化基因 Vrn-1等位变异对农艺性状及产量构成因素的影响

从表4可以看出，含有材料的旗叶宽和倒二叶宽均显著小于含有的材料，含有或材料的倒二叶长显著大于含有或的材料，说明含有的材料的叶片形态为长而窄。含有不同等位变异材料的株高、旗叶长和穗叶距均无显著差异。表明基因的等位变异影响叶片的形态。由于含有多个显性等位变异的材料数较少，未对其进行分析。

表2 春化及光周期基因的等位变异及其频率Table 2 Frequencies of allelic variations of vernalization and photoperiod genes

表3 Vrn-1等位变异组合对生育期的影响Table 3 Effect of allelic variations at Vrn-1 locuson growth period

从表5可以看出，含有或材料的成穗数显著多于含有或的材料，但其千粒重却显著小于含有的材料。含有材料的穗粒数、生物量和产量大于的材料(除外)，但差异不显著。

2.4 光周期基因 Ppd-D1等位变异对农艺性状及产量构成因素的影响

从表4可以看出，含有材料的株高、穗下茎长、旗叶长、倒二叶长均显著小于含有的材料，但其倒二叶宽显著大于含有的材料，表明基因在降低株高和调控叶片形态上发挥着重要作用。从表5可以看出，含有材料的成穗数显著小于含有的材料，但其千粒重显著大于含有的材料，其穗粒数、生物量和产量均大于含有的材料，但差异不显著。

表4 Vrn-1和 Ppd-D1基因的等位变异对小麦农艺性状的影响Table 4 Effect of allelic variations at Vrn-1and Ppd-D1loci on agronomic characters of wheat

表5 Vrn-1和 Ppd-D1基因的等位变异对产量及其相关性状的影响Table 5 Effect of allelic variations at Vrn-1 and Ppd-D1 loci on yield and yield-related traits

3 讨 论

小麦对春化作用的需求是由春化基因控制的。研究表明，春化基因的等位变异对抽穗期和开花期均没有显著影响。本研究发现，携带不同显性等位变异的材料间从播种至抽穗、播种至开花所需的天数之间差异不明显。其原因可能是试验地的环境条件满足了携带基因显性等位变异材料的春化需求。田慧芳等研究发现，、、与穗数和穗粒数的相关性不显著，而与每穗小穗数和产量呈负显著相关。付 亮等研究表明，与成穗数和穗粒数呈显著负相关，而与千粒重呈正相关，但未达到显著水平，携带材料的产量更高。本研究中携带或等位变异材料的成穗数显著多于携带或的材料，但的等位变异对产量没有显著影响。本研究结果与前人存在较大差异，原因可能是试验材料来源及数目差异较大。

春化作用完成后，影响小麦开花时间的主要因素是小麦材料对光周期反应的敏感程度。在生产中，光周期基因的等位变异可加快冬小麦的生育进程，使其更早开花结实，避开后期的不利环境。杨芳萍等对不同国家的小麦材料研究发现，在中国小麦品种中的分布频率为100%。本研究发现，在供试材料中的分布频率为87.0%，说明育种家的定向选择使得在冬麦区占据了绝对优势。Shcherban等对欧洲小麦光周期基因的等位变异组成进行分析， 发现主要分布在欧洲南部，主要分布在欧洲北部的春麦区。刘东军等研究发现，黑龙江春小麦中和的分布频率分别为39.52%和 60.48%。一般而言，主要分布在纬度较高的春麦区，因为这些地区夏季温度不高，不会对小麦的后期生长造成高温胁迫。除了对生育期有影响外，还可降低株高，提高可育小穗数和产量。本研究发现，与相比，显著降低了成穗数，但也显著地增加了千粒重，最终两者之间的产量无显著差异。本研究还发现，与含有的材料相比，含有材料的旗叶和倒二叶均表现为短而宽的形态。成熟叶片是植物感受光周期的主要部位，叶片大小与光周期反应之间是否存在一定的关系，还需要进一步探究。

根据气候变化在不同种植区域选择不同的春化及光周期基因的等位变异组成材料，是应对当前气候多变的重要措施之一。KISS等研究表明，春化作用完成后，携带+组合材料的抽穗、开花时间显著晚于+组合的材料。简俊涛等研究发现，不管基因的等位变异组合如何，含有等位变异的材料均具有极不稳定的物候期，而含有+的材料物候期较为稳定。本研究发现，携带的材料从播种至开花所需的天数少于携带的材料，表明在冬麦区秋播条件下，基因的等位变异对开花期的影响要大于基因的等位变异。本研究也发现，携带+的材料在生育期稳定性、株高、产量等多个性状上表现优异，在秋播条件下更适宜在黄淮麦区西部种植，可在育种中优先选择。