滴灌模式下矮秆基因对小麦部分农艺性状的效应

刘联正，周安定，曹俊梅，曾潮武，梁晓东，张新忠，芦 静

(新疆农业科学院粮食作物研究所，新疆乌鲁木齐 830000)

滴灌模式下矮秆基因对小麦部分农艺性状的效应

刘联正，周安定，曹俊梅，曾潮武，梁晓东，张新忠，芦 静

(新疆农业科学院粮食作物研究所，新疆乌鲁木齐 830000)

为探明滴灌模式下矮秆基因对小麦农艺性状的影响，对不同麦区的271份小麦品种(系)所含的矮秆基因 Rht-B1b、 Rht-D1b和 Rht8进行检测，并对其在滴灌栽培模式下的株高、穗长、小穗数、穗粒数和单株产量进行分析。结果表明，参试的271份小麦品种(系)中有177份含矮秆基因 Rht-D1b，占65.31%；110份含 Rht-B1b，占40.59%；58份含有 Rht8，占21.40%；27份材料不含有所检测的3个矮秆基因。34.68%的品种(系)含有2个或3个矮秆基因。根据所含矮秆基因的类型可将271份材料分为8类。3个矮秆基因都能显著降低滴灌栽培模式下小麦的株高，其中 Rht-B1b还显著降低了穗长、小穗数和单株产量，对穗粒数的影响不显著； Rht8对穗长、小穗数、穗粒数和单株产量均产生了负效应，但影响不显著； Rht-D1b对株高的影响最大，并对穗长、穗粒数和单株产量具有正效应，在育种中应加强利用。

小麦；滴灌模式；矮秆基因；农艺性状

自“绿色革命”以来，小麦矮化育种取得了显著的成就，对小麦矮秆基因的研究也取得了较大进展。到目前为止，已命名的小麦矮秆基因有25个[1-2]。在育种上应用最广泛的矮秆基因是来源于“农林10号”的 Rht-B1b、 Rht-D1b和来源于“Akakomugi”的 Rht8、 Rht9，世界上一半以上的小麦品种具有他们的矮源血统[3-6]。在我国，研究较多的矮秆基因主要为 Rht-B1b、 Rht-D1b和 Rht8。贾继增等[7]认为，“水源86”、“St2422/464”和“阿夫”以及中国地方品种“辉县红”和“蚰包麦”是我国小麦最初矮源供体，我国小麦品种矮秆基因由 Rht-B1b、 Rht-B1d和 Rht-D1b组成。张晓科[8]研究了我国不同麦区263份小麦品种中 Rht-B1b、 Rht-D1b和 Rht8的分布规律，认为矮秆基因 Rht-D1b和 Rht8频率较高，分别占42.6%和41.8%， Rht-B1b频率较低，为23.6%，3个矮秆基因在不同麦区之间分布存在差异。

我国对小麦矮秆基因与产量及其构成因素的关系研究，始于20世纪80年代。其中 Rht-B1b和 Rht-D1b对小麦产量有正效应，并且具有双基因矮秆的基因型产量稍高于相同遗传背景的高秆基因型，但明显低于单基因的矮秆基因型[9]。矮秆基因与农艺性状之间存在显著相关性。唐 娜等[10]认为，矮秆基因 Rht8和 Rht-D1b能明显增加穗粒数，而 Rht-B1b显著降低穗粒数；矮秆基因对小穗数影响不显著。Gale[11]研究表明，矮秆基因 Rht1( Rht-B1b)和 Rht2( Rht-D1b)对穗粒数、籽粒大小和分蘖数都有影响，增加产量和穗粒数，但籽粒变小。李杏普等[12]认为， Rht1( Rht-B1b)显著提高了单株穗数、粒数和粒重、地上部生物产量、经济系数和倒二叶面积； Rht2( Rht-D1b)显著提高了单株(或单穗)粒数和粒重、经济系数和倒二叶面积，显著降低了千粒重；但它们对旗叶面积、穗长、每穗小穗数均无影响。

不同矮秆基因对生态环境具有不同的反应。Joshua等[13]在3种不同水分条件下研究发现，春小麦产量表现为高秆( Rht-B1a+ Rht-D1a)>半矮秆( Rht-B1b或 Rht-D1b)>矮秆( Rht-B1b+ Rht-D1b)，只在充分供水下含 Rht-B1b品系的平均产量才高于含 Rht-D1b品系。Law 等[14]认为，含 Rht-B1b、 Rht-D1b和 Rht-B1c的近等基因系在挑旗到抽穗阶段对高温的敏感程度大于高秆品系。

滴灌技术是一种局部湿润土壤、能够有效利用水分的节水技术。滴灌小麦用水节约，调控方便，施肥方法简便，肥料利用率高，可有效增加田间收获穗数[15]。因此，滴灌小麦往往群体较大，倒伏的可能性增加。降低株高能有效防止倒伏。近年来随着节水农业的发展，滴灌小麦面积有逐年增加的趋势。本研究以收集自不同麦区的271份小麦材料为研究对象，对其携带的矮秆基因进行分子标记检测，并在滴灌栽培模式下，分析了不同矮秆基因对小麦农艺性状的影响，以探索滴灌栽培环境中矮秆基因对小麦农艺性状产生影响的规律，为其有效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为中国黄淮冬麦区、新疆冬春麦区、西南冬麦区、长江中下游冬麦区广泛利用的小麦品种(系)及部分国外品种和自育品系，共271份。

1.2 方 法

1.2.1 田间试验与农艺性状调查

田间试验在新疆农业科学院安宁渠综合试验场进行，试验地所在区域年均降水量约200 mm。试验连续2年重复，小麦分别于2013年9月21日和2014年9月24日播种，每品种(系)2行，行长2 m，行距2.5 m，株距0.05 m，试验地肥力均匀一致。试验采用滴灌模式灌溉，全生育期灌水8次，每次灌水600 m3·hm-2。成熟期每品种(系)随机取10株调查株高、穗长、每穗小穗数、穗粒数、单株粒重等。

1.2.2 基因组DNA提取

小麦苗期取幼嫩叶片采用CTAB法[16]提取全基因组DNA，用TE溶液溶解后，利用1%的琼脂糖凝胶电泳检测其完整性。用紫外分光光度计测定其浓度，并稀释至50 ng·μL-1，4 ℃保存备用。

1.2.3 矮秆基因检测

矮秆基因 Rht-B1b和 Rht-D1b采用Ellis等[17]报道的特异性STS引物进行检测。其中引物NH-BF.2与WR1.2用于检测 Rht-B1a基因(野生型)；NH-BF.2与MR1用于检测 Rht-B1b基因(突变型)；DF和MR2用于检测 Rht-D1b。 Rht8采用Korzun等[18]报道的SSR引物Xgwm261进行检测。各特异性引物序列为：

NH-BF.2:5′-TCTCCTCCCTCCCCACCCCAAC-3′

WR1.2:5′-CCATGGCCATCTCGAGCTGC-3′

MR1:5′-CATCCCCATGGCCATCTCGAGCTA-3′

DF:5′-CGCGCAATTATTGGCCAGAGATAG-3′

MR2:5′-CCCCATGGCCATCTCGAGCTGCTA-3′

Xgwm261F:5′-CTCCCTGTACGCCTAAGGC-3′

Xgwm261R:5′-CTCGCGCTACTAGCCATTG-3′

PCR反应体系总体积20 μL，包含1×Buffer 2 μL、dNTPs 0.3 μL、每条引物1 μL、TaqDNA聚合酶0.4 μL和1 μL模板DNA。

PCR扩增程序：95 ℃预变性15 min，94 ℃变性5 min，56 ℃( Rht-B1a和 Rht-B1b)、58 ℃( Rht-D1b)、55 ℃( Rht8)退火30 s，72 ℃延伸30 s，35个循环；72 ℃延伸5 min。

Rht-B1a、 Rht-B1b和 Rht-D1b基因的扩增产物用1.5%琼脂糖凝胶电泳检测， Rht8基因的扩增产物用聚丙烯酰胺凝胶电泳检测。

1.3 数据分析

数据资料均采用Excel 2007和DPS 7.05进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 供试小麦品种(系)的矮秆基因分布

对271份小麦材料检测结果表明，含矮秆基因 Rht-D1b的材料最多，有177份，占全部材料的65.31%；其次是含 Rht-B1b的材料，共有110份，占40.59%；含 Rht8的材料最少，为58份，占21.40%；另有27份材料不含有所检测的3个矮秆基因。根据所含矮秆基因的类型可将271份材料分为8类(表1)。

2.2 滴灌栽培模式下矮秆基因对小麦株高的平均效应

滴灌栽培模式下，所检测的3个矮秆基因对小麦平均株高均有显著的影响。其中 Rht-D1b对株高的影响最大， Rht8次之， Rht-B1b最小，且3个基因对株高的影响具有累加效应(表2)。

表1 含不同类型矮秆基因品种(系)的分布Table 1 Distribution of tested materials containing different combinations of the three dwarfing genes

表2 矮秆基因对小麦株高的平均效应Table 2 Average effects of dwarfing genes on wheat plant height

平均值后的字母不同表示基因型间差异达到0.05显著水平。下表同。

Different letters following the average mean significant differences among different genotype at 0.05 level. The same in the following tables.

2.3 滴灌栽培模式下矮秆基因对小麦穗部性状的平均效应

分析结果(表3)表明，矮秆基因 Rht-D1b对小麦平均穗长具有正效应，但影响不显著，而 Rht-B1b和 Rht8则能显著降低平均穗长；对于含2个或3个矮秆基因的材料，当矮秆基因组合为 Rht-Blb+Rht-Dlb、Rht-Blb+Rht8和 Rht-Blb+Rht-Dlb+ Rht8时，平均穗长都显著降低；仅 Rht-Dlb+Rht8基因组合对穗长的降低未达显著水平。3个矮秆基因对平均小穗数均表现为负效应，且3个基因效应能够累加。矮秆基因 Rht-D1b增加了平均穗粒数， Rht-B1b和 Rht8则对平均穗粒数产生了负效应，但3个矮秆基因对平均穗粒数的影响均未达到显著水平；而当矮秆基因数达到2个或3个时，平均穗粒数显著减少。

表3 矮秆基因对小麦穗部性状的平均效应Table 3 Average effects of dwarfing genes on spike traits of wheat

2.4 滴灌栽培模式下矮秆基因对小麦单株籽粒产量的平均效应

由表4可知，矮秆基因 Rht-D1b显著增加了小麦的单株产量，且与含2个或2个矮秆基因的小麦之间均存在显著差异；而 Rht-B1b则对单株产量具有负效应，且达到显著水平； Rht8对小麦单株产量的效应较弱，未达到显著水平。对于含2个或3个矮秆基因的小麦中，仅 Rht-D1b+ Rht8基因型单株产量未显著减少，其他基因型的单株产量均显著下降。

表4 矮秆基因对小麦平均单株产量的影响Table 4 Average effects of dwarfing genes on wheat grain yield per plant

3 讨 论

矮秆基因能有效降低小麦株高，提高植株的抗倒伏能力，对小麦高产和稳产具有积极意义。目前，世界上广泛利用的矮秆基因主要有 Rht-B1b、 Rht-D1b、 Rht8等。为了探明不同矮秆基因对小麦产量及农艺性状的影响，国内外诸多学者进行了大量研究[19-21]。唐 娜等[10]研究表明，矮秆基因 Rht-D1b对株高的影响最大，而 Rht8的影响较弱。许 琦等[22]研究了210份冬小麦所含的矮秆基因，发现 Rht-B1b、 Rht-D1b和 Rht8对小麦的降秆幅度分别为9.7 cm、16.7 cm和2.5 cm。这与唐 娜等[10]的研究结果一致。本研究中， Rht-D1b对小麦株高的影响较大，这与国内外多数研究结果一致；但是 Rht-B1b和 Rht8对株高的影响基本相当，较 Rht-D1b要弱，这与其他研究的结果略有不同。造成这种差异的原因可能与所选取的材料有关，也可能是环境因素导致的，因为矮秆基因对生态环境反应较为敏感，不同的生态条件下其对性状的作用往往不同。

有关矮秆基因对小麦产量性状的影响研究较多。目前发现的小麦矮秆基因有20多个，在育种和生产上广泛利用的有 Rht-B1b、 Rht-D1b、 Rht-B1c、 Rht8和 Rht9。研究表明，矮秆基因 Rht-B1b和 Rht-D1b对于提高小麦产量具有相对优势[11,23]。然而，Law 等[14]研究发现， Rht-B1b和 Rht-D1b在高温环境下对小麦品种小穗育性和产量均有不利影响，而 Rht8和 Rht9则不会对育性产生不利影响，因此矮秆基因 Rht8和 Rht9在欧洲应用广泛。

近年来，气象灾害频发，降水极度不均衡，水资源紧缺形势日益严峻。面对严重的气候威胁，增强小麦抗旱节水的能力，使有效降水和灌溉水的利用效率不断提高，增加恶劣环境下小麦的产量潜力，已成为小麦育种的重要课题。滴灌栽培模式能有效提高小麦的水分利用效率，也有利于小麦的产量增加。本研究以滴灌小麦为研究对象，分析了不同矮秆基因对其农艺性状的影响，结果表明，矮秆基因 Rht-B1b和 Rht8在降低株高的同时，对穗长、穗粒数和单株产量有不同程度的不利影响；而 Rht-D1b的降秆效应最好，同时又能有效增加穗长、穗粒数和单株产量。因此，在滴灌栽培模式下，矮秆基因 Rht-D1b既能最大限度地降低株高，提高了小麦抗倒伏的能力，又能有效增加小麦产量。在今后的育种实践中，应加强对 Rht-D1b的利用，在滴灌栽培模式下水分高效利用的小麦品种改良中予以重视。

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Effect of Dwarfing Genes on Agronomic Characteristics of Wheat under Drip Irrigation Mode

LIU Lianzheng,ZHOU Anding,CAO Junmei,ZENG Chaowu,LIANG Xiaodong,ZHANG Xinzhong,LU Jing

(Research Institute of Grain Crops，Xinjiang Academy of Agricultural Sciences，Urumqi,Xinjiang 830000，China)

In order to investigate the influence of dwarfing genes Rht-B1b， Rht-D1b and Rht8 on agronomic traits of wheat under drip irrigation mode,we use molecular markers to identify dwarfing genes in 271 wheat cultivars from different wheat production regions,and then the effects of dwarfing genes on plant height,spike length,spikes per individual,kernels per spike and grain yield per plant were analyzed based on the data from the field under drip irrigation mode. Results showed that the screening of 271 varieties with molecular markers revealed that there were 177 genotypes with dwarfing gene Rht-D1b,accounting for 65.31% of the total 271 wheat varieties; 110 genotypes with dwarfing gene Rht-B1b,accounting for 40.59%; 58 genotypes with dwarfing gene Rht8,accounting for 21.40%; and 27 varieties did not carry any dwarfing genes,account for 9.96%. Among these wheat varieties containing dwarfing genes,34.68% contain two or more kinds of dwarfing genes. The total 271 wheat varieties were classified into eight categories based on the dwarfing genes carried. Three dwarfing genes had significantly negative effect on plant height. The dwarfing gene Rht-B1b significantly decreased spike length,spikes per individual and grain yield per plant while reducing plant height,but had no effect on kernels per spike. Rht8 had no significantly negative effect on spike length,spikes per individual,kernels per spike and grain yield per plant; Rht-D1b had most negative effect on plant height,but had positive effect on spike length,kernels per spike and grain yield per plant. Thus,more attention should be given to dwarfing gene Rht-D1b in the future wheat improvement.

Wheat; Drip irrigation mode; Dwarfing genes; Agronomic traits

时间：2017-01-16

2016-08-12

2016-10-26

新疆农业科学院青年科技基金项目(xjnkq-2014015)；新疆维吾尔自治区公益性科研院所基本科研业务经费项目(KYGY2016117)

E-mail：lzhliu1985@163.com

芦 静(E-mail:lujing-321@163.com)

S512.1；S330

A

1009-1041(2017)02-0192-05

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170116.1833.012.html