外源Hpa110—42基因導入對小麥農藝性狀和籽粒品質的影響

秦保平 楊敏 王振林等

摘 要：以4個抗性較強的轉Hpa110-42基因小麥株系和揚麥16（YM16）為試驗材料，對其株高、穗下節間長度、旗葉長寬、穗長、小穗數和千粒重等農藝性狀和籽粒中淀粉、蛋白質含量等品質性狀進行了測定，以探討外源基因的導入對小麥主要農藝性狀和品質性狀的影響。結果表明，與對照相比，轉基因各株系的株高顯著降低，小穗數和千粒重顯著上升，而穗下節間長和旗葉寬無顯著差異；4個轉基因株系中，2個株系的直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量高于YM16，1個株系的含量與受體無顯著差異；而所有轉基因株系的蛋白質含量與對照也無顯著差異。這表明外源Hpa110-42基因的插入對小麥的部分農藝性狀和品質性狀產生了一定影響。

關鍵詞：轉基因小麥；農藝性狀；淀粉含量；蛋白質含量

中圖分類號：S512.101文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2013）09-0019-04

轉基因技術已成為作物品種改良的一個重要手段，自1992年第一株轉基因小麥誕生以來，轉基因技術在提高小麥抗病蟲、抗逆性、改善品質和雄性不育利用等方面展示出良好的應用前景。但是，外源基因導入后在植物基因組中的隨機整合及其在細胞中的拷貝數均會影響轉基因植株的表型性狀和遺傳穩定性[1]。除能獲得目的基因控制的性狀外，轉基因后代的其它性狀也可能發生不同程度的變化，這種現象在轉基因植物中較普遍[2]。目前，對于小麥中外源基因Hpa110-42的遺傳規律、遺傳穩定性和表達穩定性等方面的研究報道較少，關于其對農藝性狀的研究尚未見報道。

Harpins是植物革蘭氏陰性病原菌產生的一類蛋白激發子，在植物中可以通過啟動不同信號傳導通路誘導植物抗病蟲、抗旱和促進植物生長等多種有益效應[3，4]。Chen等[5]對水稻條斑病菌的一個Harpin蛋白HpaGXooc的9個功能片段進行了深入研究，結果表明，功能性片段HpaG10-42對水稻防衛反應基因和生長相關基因的誘導活性明顯強于HpaGXooc蛋白全長，對水稻白葉枯病菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzae）的抗性誘導效應和促進水稻的生長效應也是最強的。南京農業大學董漢松課題組將編碼HpaG10-42蛋白片段的Hpa110-42基因利用基因槍法導入小麥栽培品種揚麥16中，并獲得了轉基因材料。本課題對轉Hpa110-42基因小麥T1、T2代植株進行了PCR、Southern blotting、RT-PCR等分子檢測和抗蚜性鑒定，篩選出了抗性較強的轉基因株系。

本試驗主要研究了4個轉Hpa110-42基因T2代抗性植株及對照的株高、穗下節間長度、旗葉長寬、穗長、小穗數、千粒重等主要農藝性狀和直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉和蛋白質含量等品質性狀，旨在探討外源Hpa110-42基因的導入對小麥農藝性狀和品質性狀的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

揚麥16（YM16）和轉Hpa110-42基因小麥T1代雜合種子由南京農業大學植物保護學院董漢松教授提供，轉基因T2及T3代種子由本實驗室繁育并保存。本課題組通過前期的分子鑒定和生物抗性鑒定，得到4個抗蚜性較強的T2代轉基因株系（T2-9、T2-17、T2-45和T2-48），并單株收獲其T3代籽粒。

1.2 試驗方法

1.2.1 主要農藝性狀的調查 對YM16和各轉基因株系進行了農藝性狀的調查，主要包括株高、穗下節間長度、旗葉長寬、穗長、小穗數、穗密度、千粒重。

株高：測量每株地面到穗頂（不含芒）的長度；

穗下節間長：測量穗基部節至旗葉葉鞘基部著生節的長度；

旗葉長和寬：測量旗葉長度和最大寬度；

穗長：主穗基部小穗節至頂端（不含芒）的長度；

小穗數：調查其主莖穗的小穗數；

穗密度：麥穗上總小穗數除以穗長；

千粒重：每株系隨機選取8株，調查單株總粒數并全部稱重，再換算出千粒重。

1.2.2 籽粒品質特性的測定 每個轉基因株系中隨機選取8個單株的T3代籽粒，高速振蕩器粉碎，保證全成分均能通過60目篩。參照何照范[6]的雙波長法，測定籽粒中直鏈及支鏈淀粉含量，并計算出總淀粉含量（總淀粉含量為直鏈淀粉和支鏈淀粉含量總和）。按中華人民共和國國家標準《谷類、豆類作物種子粗蛋白質測定法（半微量凱氏法）》（GB 2905-82，即NY/T3-1982）進行粗蛋白分析，全氮含量乘以5.7即為籽粒蛋白質含量。

1.3 數據統計分析

采用Microsoft Excel 2003軟件進行數據整理，DPS v 7.05軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 外源Hpa110-42基因的導入對農藝性狀的影響

4個轉基因小麥株系和YM16的農藝性狀調查結果見表1。結果表明，轉基因各株系的株高均顯著低于對照，且除株系T2-48外達極顯著水平；轉基因各株系的穗下節間長和旗葉寬與對照無顯著差異；株系T2-9和T2-17的旗葉長顯著高于對照，而株系T2-45和T2-48與對照差異不顯著；轉基因各株系的穗長除T2-45外均顯著高于對照；4個轉基因株系的小穗數均高于對照，且達極顯著水平；株系T2-9和T2-45的穗密度顯著高于對照，但株系T2-17和T2-48與對照無顯著差異；4個轉基因株系的千粒重顯著高于對照，且除株系T2-9外均達到極顯著水平。這證明目的基因的導入對小麥的部分農藝性狀有一定的影響。

2.2 外源Hpa110-42基因的導入對淀粉和蛋白質含量的影響

成熟小麥籽粒中，淀粉約占粒重的58%～76%，淀粉含量是小麥產量的決定因素，淀粉的組成、結構和特性則影響小麥加工品質[7]。籽粒中淀粉包括直鏈淀粉和支鏈淀粉。由表2可見，株系T2-17和T2-48籽粒直鏈淀粉含量顯著高于對照，而T2-9和T2-45與對照無顯著差異；株系T2-9和T2-17籽粒支鏈淀粉和總淀粉含量均顯著高于對照，且達極顯著水平，而株系T2-48顯著低于對照，株系T2-45與對照無顯著差異。以上結果說明，外源基因在小麥基因組中的整合致使小麥籽粒中的淀粉含量及組分發生了不定向的變化。

籽粒蛋白質含量是決定小麥品質的主要因素。由表2可知，4個轉基因株系T3代籽粒蛋白質含量均與YM16無顯著差異。說明Hpa110-42基因的導入對小麥籽粒中的蛋白質含量無顯著影響。

3 討論

遺傳轉化體農藝性狀表現的好壞，決定著轉基因作物能否直接應用。外源基因的導入和無性變異能夠引起受體植物內源基因的表達與調控發生一系列變化[8]，導致表型變異，如株高降低、開花推遲、產量提高等[9，10]。外源基因的整合與表達打破了植物體內原有的能量供給和消耗平衡，影響了生理代謝，從而導致轉基因后代植株農藝性狀的變化。而在組織培養過程中，細胞內的染色體可能會發生數目變異、結構變異（包括染色體的缺失、重復、易位、倒位等），核基因的擴增、丟失、重排、突變重組等變化，也會造成轉基因植物農藝性狀的變異[11]。關于外源基因的導入對受體小麥品種表型性狀的影響，不同學者觀點不一。徐瓊芳等[12]認為轉基因植株在株高、小穗數、穗粒數方面有變異。而高世慶等[13]認為轉入外源基因不影響受體的主要農藝性狀。丁文靜等[14]研究表明，轉基因株系的株高與對照相比有顯著差異。本試驗結果表明，與YM16相比，轉基因各株系的株高顯著降低，穗長（除T2-45外）、小穗數和千粒重顯著升高，旗葉寬、穗下節間長差異不顯著，而旗葉長和穗密度變化規律不明顯。這說明外源Hpa110-42基因的轉入在提高小麥抗蚜性的基礎上，對小麥的部分農藝性狀產生了影響。

小麥籽粒淀粉和蛋白質含量是評價品質特性最重要的指標。本試驗研究表明，不同轉基因株系籽粒中的直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉和蛋白質含量有不同的變化。與對照相比，1個轉基因株系的直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量顯著上升，1個株系的直鏈淀粉含量上升不顯著，支鏈淀粉和總淀粉含量顯著高于對照，1個株系無顯著變化，1個株系支鏈淀粉和總淀粉含量顯著降低；而所有轉基因株系的蛋白質含量與對照無顯著差異。說明外源Hpa110-42基因的導入對小麥籽粒中總淀粉及成分含量產生了一定的影響，對蛋白質含量無顯著影響。表明，轉入的目的基因不但會影響到植株農藝性狀，也會影響到籽粒品質。因此，在轉基因后代的鑒定和篩選過程中，不僅要考慮農藝性狀的變化，還要考慮品質性狀的改變。

致謝：誠摯感謝南京農業大學植物保護學院董漢松教授提供本試驗所用揚麥16和轉Hpa110-42基因小麥T1代雜合種子。

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