黃淮麥區(南片)小麥粒重基因 TaGS-D1和 TaCwi-A1等位變異檢測及效應分析

陳 杰,冉午玲,陳建輝,趙永濤,朱保磊,徐永貴,白 冬,宋佳靜,宋全昊,金 艷,趙立尚,朱統泉

(1.河南省駐馬店市農業科學院,河南駐馬店 463000; 2.河南省種子管理站,河南鄭州 450016;3.河南省對外科技交流中心,河南鄭州 450003; 4.河南省漯河市農業科學院,河南漯河 462300;5.河南省信陽市農業科學院,河南信陽 464000)

小麥是中國重要的糧食作物,在耕地面積逐步減少和人口持續增長的背景下,提高小麥單產是提升中國小麥總產量的重要途經。小麥單產與單位面積穗數、穗粒數以及粒重密切相關,其中粒重的提高對于提升小麥單產貢獻較大[1-2]。因此,研究小麥粒重對于提升中國小麥產量具有重要 意義。

小麥粒重主要受遺傳因素的影響,同時也是遺傳較穩定、廣義遺傳率較高的產量構成因素之一[3]。隨著小麥全基因組序列信息的發布以及現代分子技術的應用,小麥粒重相關基因的定位、克隆和分子標記開發也取得了較快進展。從目前的定位結果來看,幾乎所有染色體上都能檢測到與小麥粒重相關的QTL,其中第2同源染色體組上檢測到的QTL,可解釋小麥粒重4.8%～20.1%的表型變異,第7同源染色體組上檢測到的QTL,可解釋小麥粒重7.7%～16.3%的表型變異[4-9]。隨后,Zhang等[8]在小麥7B染色體短臂(7BS)上克隆出了TaGS-D1基因,并開發設計了功能標記GS7D,用于檢測等位基因TaGS-D1a(與高千粒重相關)和TaGS-D1b(與低千粒重相關)。Ma等[9]在小麥2A染色體長臂(2AL)上克隆出了TaCwi-A1基因,并開發設計了功能標記CWI21和CWI22,用于檢測等位基因TaCwi-A1a(與高千粒重相關)和TaCwi-A1b(與低千粒重相關)。以上功能標記GS7D、CWI22和CWI21已經在寧夏、云南、新疆等小麥材料中進行了應用[10-17]。

黃淮麥區(南片)是中國小麥重要的生產區域,提高該區域小麥的粒重對于提升國內小麥總產量具有重要意義。盡管已有該區域小麥粒重基因的研究報道[10,14],但在該區域綜合TaGS-D1和TaCwi-A1兩個小麥粒重基因的研究報道還很少見。因此,本研究以94份黃淮麥區(南片)新育成的小麥品種(系)為試驗材料,利用電子天平對供試材料的粒重進行測定,同時利用功能標記GS7D、CWI22和CWI21對供試材料中TaGS-D1和TaCwi-A1位點的等位基因進行檢測,了解該區域新育成小麥TaGS-D1和TaCwi-A1位點等位基因的分布情況,并進一步分析不同等位基因以及等位基因組合與粒重之間的關系,以期為黃淮麥區(南片)小麥粒重的遺傳改良提供參考 信息。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用2020-2021年度參加黃淮冬麥區南片水地組區域試驗的全套小麥新品種(系)為試驗材料,剔除組別間重復的對照品種,共計94份(表1)。這些材料均是經過兩年品種比較試驗晉級上來的優秀品種(系),能夠很客觀地反映本麥區目前的小麥育種情況。供試材料采用隨機區組排列,設置3個重復。試驗材料于2020-2021年度種植于駐馬店市農業科學試驗站(海拔73.7 m,北緯33.01°,東經114.04°),水肥管理、防治蟲害、除草等田間管理措施與當地大田生產相同。

表1 供試材料的千粒重及其基因型

(續表1 Continued table 1)

1.2 千粒重測定

用德國Pfeuffer公司生產的全自動數粒儀(型號:Contador)對每份供試材料隨機數取 1 000粒種子,用常熟市佳衡天平儀器有限責任公司生產的電子天平(型號:DT-300A)進行稱重,每份材料均重復稱重3次(如果兩兩之間的千粒重差值大于0.5 g,則需要重做),計算平均值。

1.3 等位基因的分子檢測

按照陳 杰等[18]的方法快速提取試驗材料的基因組DNA。利用共顯性功能標記GS7D對供試材料7DS染色體上TaGS-D1位點的等位基因進行檢測,擴增出562 bp 條帶的材料記為TaGS-D1a等位基因類型,擴增出522 bp條帶的材料記為TaGS-D1b等位基因類型。利用互補性功能標記CWI22和CWI21對供試材料2AL染色體上TaCwi-A1位點的等位基因進行檢測,擴增出402 bp 條帶的材料記為TaCwi-A1a等位基因類型,擴增出404 bp條帶的材料記為TaCwi-A1b等位基因類型。所用標記的引物序列等詳細信息見表2。PCR反應體系和擴增程序參考陳 杰等[18]的方法。擴增結束后,用1.9%的瓊脂糖對PCR擴增產物進行電泳分離,利用美國Protein Simple公司生產的凝膠成像系統(AlphaImager HP)掃描成像。

表2 本研究所用小麥粒重相關基因功能標記

1.4 數據分析

利用Microsoft Excel 2003軟件進行基礎數據處理和表格制作,用SPSS 18.0軟件進行方差分析(ANOVA法)和多重比較(LSD法)。

2 結果與分析

2.1 TaGS-D1和 TaCwi-A1位點等位基因的檢測結果

在TaGS-D1位點,通過用標記GS7D進行檢測,安科1605、駐麥586、西農172、鄭研麥176等76份材料擴增出562 bp的條帶,說明這些材料含有TaGS-D1a等位基因,分布頻率為80.85%;保豐1707、西農1125、淮核16132、鄭麥20等18份材料擴增出522 bp的條帶,說明這些材料含有TaGS-D1b等位基因,分布頻率為19.15%。圖1為部分材料的檢測結果。

M:DL2000;1:安科1605;2:駐麥586;3:西農172;4:保豐1707;5:西農1125;6:鄭研麥176;7:華麥15080;8:淮核16132;9:鄭麥20;10:西農609;11:鄭麥181;12:豫農905。圖2同。

在TaCwi-A1位點,利用標記CWI22和CWI21對供試材料進行分子檢測。結果顯示,安科1605、駐麥586、西農172等63份材料擴增出402 bp的條帶,說明這些材料含有TaCwi-A1a等位基因,分布頻率為67.02%;保豐1707、西農1125、淮核16132等31份材料擴增出404 bp的條帶,說明這些材料含有TaCwi-A1b等位基因,分布頻率為32.98%。部分材料的檢測結果如圖2所示。

圖2 標記CWI22(上)和CWI21(下)對部分供試小麥品種 TaCwi-A1位點的擴增結果

2.2 TaGS-D1和 TaCwi-A1位點等位基因與粒重的關系

從表3可知,在TaGS-D1位點,含有TaGS-D1a和TaGS-D1b等位基因材料的千粒重平均值分別為46.0和43.0 g,差異達到顯著水平,表明基因型TaGS-D1a與高千粒重相關,TaGS-D1b與低千粒重相關;在TaCwi-A1位點,含有TaCwi-A1a和TaCwi-A1b等位基因材料的千粒重平均值分別為46.3和43.8 g,差異也達到顯著水平,表明TaCwi-A1a等位基因與高千粒重相關,TaCwi-A1b等位基因與低千粒重相關。

表3 不同位點等位基因對小麥粒重的影響

2.3 不同等位基因組合的分布及其與粒重的關系

94份供試材料中,TaGS-D1和TaCwi-A1位點上共檢測到四種等位基因組合類型(表4)。其中含有TaGS-D1a/TaCwi-A1a等位基因組合的材料最多,有53份,分布頻率為56.38%;含有TaGS-D1b/TaCwi-A1b等位基因組合的材料最少,僅有8份,分布頻率為8.51%;含有TaGS-D1b/TaCwi-A1a和TaGS-D1a/TaCwi-A1b等位基因組合的材料分別有10和23份,分布頻率分別為10.64%和24.47%。這表明供試材料以TaGS-D1a/TaCwi-A1a等位基因組合類型分布為主。

進一步分析不同等位基因組合對粒重的影響。結果如表4所示,可以看出,含有TaGS-D1a/TaCwi-A1a等位基因組合的材料,千粒重平均值最高,與其余三種類型差異顯著。含有TaGS-D1b/TaCwi-A1b等位基因組合的材料,千粒重平均值最低,與其余三種類型也差異顯著。含有其余兩種等位基因組合類型的材料之間,千粒重平均值差異不顯著。這表明TaGS-D1a/TaCwi-A1a等位基因組合與高千粒重相關,TaGS-D1b/TaCwi-A1b等位基因組合與低千粒重相關,TaGS-D1b/TaCwi-A1a和TaGS-D1a/TaCwi-A1b等位基因組合與中等千粒重相關。

表4 不同等位基因組合對粒重的影響

3 討 論

了解TaGS-D1和TaCwi-A1位點等位變異的分布情況,有利于小麥粒重的遺傳改良。研究表明,TaGS-D1a和TaGS-D1b等位基因在黃淮麥區小麥中的分布頻率分別為66.7%和33.3%[10],在新疆小麥中的分布頻率分別為70.6%和29.4%[11],在寧夏小麥中的分布頻率分別為89.83%和10.17%[12],在北部冬麥區小麥中的分布頻率分別為85.5%和14.5%[13];TaCwi-A1a和TaCwi-A1b等位基因在黃淮麥區小麥中的分布頻率分別為65.03%和34.97%[14],在新疆小麥中的分布頻率分別為77.2%和22.8%[15]。本研究結果表明,等位基因TaGS-D1a、TaGS-D1b、TaCwi-A1a和TaCwi-A1b在94份黃淮麥區(南片)小麥新品種(系)中的分布頻率分別為80.85%、 19.15%、67.02%和32.98%。根據以上數據分析可知,與高粒重相關的等位基因TaGS-D1a和TaCwi-A1a在上述各個麥區和各個省份小麥中的分布頻率雖然有差異,但是均高于與低粒重相關的等位基因TaGS-D1b和TaCwi-A1b的分布頻率。高產是育種家們追求的重要育種目標之一,粒重又是影響小麥高產的主要因素之一,在育種過程中育種家們普遍選擇了高粒重的小麥材料,因此造成了TaGS-D1a和TaCwi-A1a基因型在中國小麥中的分布頻率高于TaGS-D1b和TaCwi-A1b基因型。

明確TaGS-D1和TaCwi-A1位點等位基因型與粒重之間的關系,可以為小麥粒重的分子標記輔助選擇提供理論基礎。本研究結果表明,含有TaGS-D1a和TaCwi-A1a等位基因材料的千粒重均顯著高于其對應位點上的TaGS-D1b和TaCwi-A1b等位基因。這與Zhang等[8]和Ma等[9]的研究結果一致,驗證了TaGS-D1a和TaCwi-A1a等位基因與高粒重相關,TaGS-D1b和TaCwi-A1b等位基因與低粒重相關,這也表明標記GS7D、CWI22和CWI21可作為小麥粒重分子輔助選擇的有效工具。本研究也發現TaGS-D1a/TaCwi-A1a等位基因組合與高千粒重相關,TaGS-D1b/TaCwi-A1b等位基因組合與低千粒重相關,但是從被研究材料中可以看出含有TaGS-D1a/TaCwi-A1a等位基因組合小麥材料的千粒重數值也有低于含有TaGS-D1b/TaCwi-A1b等位基因組合小麥材料的狀況,造成這種情況的原因可能是在小麥其他染色體上也存在影響粒重的基因。Jiang等[19]和Yan等[20]研究表明,普通小麥2B染色體上的TaSus2-2B基因和7B染色體上的TaGw8-B1基因也會對粒重造成影響。另外,本研究篩選的西農161、漯麥66、憨豐3468、平安12、鄭麥163、柳麥521、富麥701和泛麥26不僅千粒重高于50 g,而且均攜帶有與高粒重相關的TaGS-D1a/TaCwi-A1a等位基因組合,可作為選育高粒重小麥新品種的親本資源,在組配雜交組合過程中進行利用。