小麦分子育种研究进展IV．小麦相关分子标记

韩 斌 ，王长彪 ，任永康 ，赵兴华 ，董艳辉 ，李亚莉 ，唐朝晖

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院生物技术研究中心，山西太原030031；3.农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室，山西太原030031；4.山西省农业科学院作物科学研究所，山西太原030031）

小麦因其极高的营养价值、广泛的种植面积以及悠久的种植历史，与水稻、玉米、薯类一起合称为世界四大粮食作物，在我国乃至世界的粮食作物生产中具有举足轻重的地位。生物技术的快速发展推动了DNA分子标记技术的一次又一次飞跃。经历了第1代以southern杂交为核心的分子标记技术，第2代基于PCR扩增的分子标记技术以后，第3代基于单核苷酸多态性的SNP分子标记获得了研究人员的重点关注。单核苷酸多态性（SNP）[1]是指染色体基因组水平上单个核苷酸变异引起的DNA序列多态性。SNP以二态性、高密度性和分析方法的简便性等优点被用作开发功能标记的主要手段，并将成为最重要最有效的分子标记技术。随着小麦全基因组测序计划的进行，SNP分子标记将在小麦遗传图谱构建、基因定位、分子标记辅助育种等方面得到更广泛的应用。

1 抗逆基因分子标记的研究进展

1.1 抗病基因分子标记的研究进展

20世纪80年代以来，随着小麦半矮秆品种的推广和化肥施用量的增多，小麦病虫害日益严重，已成为小麦生产中的主要威胁。寻找小麦抗病基因的分子标记为小麦抗病分子标记辅助育种奠定了基础。目前，小麦抗病基因的分子标记在抗白粉病、抗条锈病和抗叶锈病等方面取得了很大进展。

在小麦抗白粉病基因分子标记研究中，常用的DNA分子标记有 RFLP，RAPD，AFLP，SSR，SCAR，STS等。Pm3[2]的Pm3a～Pm3g这7个等位基因都开发出了相应的功能标记，这对于加快小麦抗白粉病育种有着显著的意义。此外，借助于分子标记技术聚合抗病基因也取得了十分显著的效果。高安礼等[3]利用Pm2，Pm4a和Pm21紧密连锁的PCR标记，得到了Pm2＋Pm4a＋Pm21这3个基因聚合的抗病植株，以及3个基因两两聚合的植株。

小麦抗条锈病基因共43个，即Yr1～Yr40，其中Yr3位点有3个复等位基因，Yr4位点有2个复等位基因。除 Yr2～Y r4，Yr11～Yr14，Yr16，Yr19～Yr23，Yr27～Yr28，Yr30，Yr31，Yr35，Yr37，Yr38，Yr40，YrSD这些基因没有获得标记以外，其他基因均已被标记，并且以SSR和RAPD分子标记居多。Yr17[2]获得了其相应的功能标记VENTRIUP/LN2。另外，运用分子标记进行抗病基因的聚合也取得了一些进展。曾祥艳等[4]通过杂交、复交方式以及特异PCR标记，获得了多个抗病基因Pm4＋Pm13＋PmV＋YrX＋Bdv2聚合的冬性小麦新种质。

小麦抗叶锈病基因共有57个，48个已被标定在小麦特定的染色体上，其中，4个位点具有复等位基因。对小麦叶锈病的分子标记技术的研究主要集中在 RAPD和 RFLP。Lr28，Lr9，Lr34，Lr24 等基因都有 RAPD的分子标记。Lr10，Lr24，Lr19，Lr9都具有 RFLP的分子标记。Lr19，Lr21，Lr34，Lr47，Lr51均开发出了功能标记。

1.2 小麦耐非生物胁迫分子标记的研究进展

小麦抗旱的分子标记主要集中在ABA调节应答、渗透调节基因等位点上。Nelson等[5]在染色体2A，2B和2D上分别找到了1个与ABA反应紧密连锁的RFLP标记Xbs128。Jing等[6]利用SSR标记分析了我国小麦抗旱种质及其衍生品种的等位变异，研究发现，位于1BL的Xpsp3100，3BL的Xgwm108可能与抗旱相关基因连锁，4BL上3个连锁位点 Xgwm251，Xgwm375，Xgwm538区域可能具有抗旱、耐瘠相关基因。Morgan等[7]用埃及红和中国春的异代换系，将小麦渗透调节基因（or）定位在7A染色体上，并在7A染色体上找到1个与or基因紧密连锁的RFLP标记Xpsr119。研究表明，小麦抗旱相关基因在基因组中以基因簇的形式存在，位点间存在互作，单独的一个位点对小麦的抗旱性贡献有限，这是限制小麦抗旱分子标记研究的主要原因。

近年来，小麦耐盐碱基因的分子标记也纷纷被筛选出来。Dubcvsky等[8]利用RFLP分子标记将控制K+/Na+吸收的基因定位在小麦4DL染色体上。索广力等[9]找到了与小麦耐盐突变体8901217耐盐突变位点紧密连锁的RAPD标记OperonQ4。单雷等[10]筛选到了位于山融3号5AS染色体上与主效耐盐基因连锁的SSR标记Xgwm304。

2 控制小麦品质基因的分子标记研究进展

影响面粉制品颜色的遗传因素主要取决于黄色素和多酚氧化酶（PPO）的含量。其中，PPO活性的高低直接或间接影响着面粉及其制品的白度。研究发现，控制小麦PPO的主效基因有3个，分别位于2A，2B和2D染色体上。Raman等[11]提出，SSR标记GWM294b-2A和WMC170-2A可用于PPO活性辅助选择。周志良[12]开发出了PPO的分子标记F4和F8。常成等[13]在研究小麦PPO分子机理时发现，PPO-2基因2个功能区之间存在有一个内含子。孙道杰等[14]据此设计了位于小麦2AL染色体上的一个共显性STS功能标记PPO18，利用PPO基因内部有无内含子来检测不同小麦品种PPO活性的高低。PPO16，PPO29，PPO30这 3种功能标记[2]也相继被开发出来，分别用于标记Ppo-D1a，Ppo-D1b及Ppo-A1a/Ppo-A1b基因。

小麦籽粒黄色素也是造成面粉白度下降的重要因素。八氢番茄红素合成酶（Psy）基因是影响小麦黄色素含量的关键基因。He等[15]开发了能有效区分小麦7A染色体上控制高、低黄色素含量的等位基因Psy-A1a和Psy-A1b的共显性功能标记YP7A。显性标记YP7A-2以及能区分7B染色体上PsyB1等位变异的 YP7B-1，YP7B-2，YP7B-3和YP7B-4这4种功能标记[2]也已经被开发出来。

提高脂肪氧化酶（LOX）活性是改良小麦品质的重要目标。研究表明，决定LOX活性的2个主效基因被定位在1AL和4BS上。Geng等[16]筛选出了位于1AL染色体上的Xwmc312标记，另外，从普通小麦4BS上克隆到一对位于TaLox-B1位点上的等位基因，据此开发了互补显性功能标记LOX16和LOX18，能准确鉴定出小麦品种中LOX基因，将有助于选育高LOX活性的小麦新品种。

目前，小麦中常见的HMW-GS都已得到了相应的分子标记。Smith等[17]开发了一个可区分Dx2和Dx5亚基的共显性标记；D′Ovidio等[18]开发了区分Dx5亚基缺失的特异性分子标记，因此，利用不同HMW-GS的分子标记进行小麦品质育种逐渐成熟。此外，关于小麦低分子量麦谷蛋白亚基的Glu-A3及Glu-B3基因也分别开发出SSR标记和STS标记。Waxy蛋白是谷类作物中与直链淀粉合成有关的蛋白质。该蛋白质有Wx-A1，Wx-B1，Wx-D1这3个亚基，编码这3个蛋白亚基的基因被称为Wx-A1，Wx-B1，Wx-D1。Vrinten等[19]设计了 Wx-A1 基因位点特异的STS引物，该标记被命名为STS1172。Briney等[20]设计了Wx-B1位点特异的STS标记STS440。Shariflou等[21]开发了Wx-D1位点的STS分子标记，即STS940。刘迎春等[22]根据已知小麦Waxy基因序列设计PCR引物，分别建立了专一检测Wx-A1和Wx-D1位点的PCR标记MAG264和MAG269，并验证了该分子标记的有效性。Waxy蛋白亚基分子标记的开发和应用将为通过Waxy蛋白亚基的快速鉴定和辅助选择糯性小麦品种作出较大贡献。

另外，控制小麦籽粒硬度的PinA，PinB基因的分子标记已被开发出来。Lillemo开发出了用于筛选PinA缺失类型的STS分子标记。Giroux等[23]设计了能改善小麦磨粉品质Pinb-D1b基因的STS标记。

3 控制小麦农艺性状基因的分子标记

选育抗穗发芽的小麦品种，也是小麦改良的主要内容。Anderson等[24]定位出了10个与穗发芽抗性有关的RFLP标记。Roy等[25]利用STMS标记在6BS染色体上定位了1个控制穗发芽的主效基因，与Cwmc104标记紧密连锁。Ulfike等[26]研究发现了3个 RAPD标记（Pr966，Pr429a，Pr354b）与穗发芽抗性相关。刘世鑫[27]开发出一个共显性的STS标记Vp1A3。杨艳[28]在小麦3B染色体上开发出与穗发芽抗性相关的STS标记Vp1B3，并验证了该标记的有效性。但孙果忠等[29]利用该标记对我国10个小麦主产省份的75个品种进行了穗发芽抗性鉴定，发现Vp1B3标记难以用于品种的穗发芽抗性筛选。

随着对小麦春化作用的重视，小麦春化基因也已开发了相关分子标记。Sherman等[30]开发了Vrn-A1基因的2对STS分子标记；Fu等[31]和Yan等[32]相继开发出Vrn-B1，Vrn-D1和Vrn-B3的分子标记。

小麦株高是影响小麦产量和品质的重要因素。Komum和Worland等筛选出与Rht8连锁的WMS484，WMS296和WMS261共3个微卫星标记。杨悦[33]以华矮01矮秆小麦和90592高秆小麦为亲本进行杂交，采用SSR技术对矮秆基因进行分子标记，结果表明，4对4B染色体长臂上的引物在亲本及F2群体的高秆和矮秆基因池间显示出多态性，分别是 barcl096，Xgwm495，gwm513，WMC657，根据这4对引物的位置，可初步断定该矮秆基因位于小麦4B染色体的长臂上。之前没有发现且命名的矮秆基因位于小麦4B染色体的长臂上，所以，该研究中的华矮01矮秆基因可能是一个新的矮秆基因。

4 展望

分子生物学的蓬勃发展，加快了利用分子标记技术寻找与小麦基因紧密连锁或共分离分子标记的研究进展。这些标记在快速、准确地检测小麦品种资源所携带的基因，培育和选择抗病、优质小麦品种和遗传材料，缩短育种年限，加快育种步伐等方面作出了突出贡献。但仍需从以下几个方面努力。

4.1 大力开发新的标记基因

小麦各种性状分子标记的开发和运用，促使利用分子标记技术对优良基因进行聚合育种将成为小麦育种未来新的发展方向。目前，开发的分子标记尽管在不断增加，但较之于小麦整个生育期，不同性状的分子标记相对数量还是很少。因此，大力开发和研究小麦各种性状的分子标记将对培育抗性强、品质好、适用范围广的优质小麦具有促进作用。

4.2 功能标记将成为理想的标记

对现已开发的小麦分子标记分析可以看出，在过去的几十年中，对小麦重要基因的染色体区域进行分子作图主要运用 SSR，RFLP，AFLP，RAPD和DART标记，这些遗传标记通常离目标基因有一定距离，使该类标记在育种方面的应用受到很大限制。但理想的第3代分子标记已应运而生，从功能基因序列开发的功能标记能够准确地辨别一个位点的等位基因，是分子标记辅助选择（MAS）育种理想标记的代表。随着小麦全基因组测序的逐步完成，功能标记将成为小麦研究中最理想的遗传标记。

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