小麦穗型突变体(库)的创制、鉴定及其遗传分析

2022-02-24王黎明陈君燚姬敬敬孔维玮柳志浩董普辉

种子 2022年1期

王黎明，陈君燚，姬敬敬，孔维玮，柳志浩，董普辉

(河南科技大学农学院，河南洛阳 471003)

穗部是小麦最重要的功能器官，是小麦籽粒发育和成熟的集结地，其颖壳作为非叶绿色器官也具有实际或潜在的光合能力[1]；研究发现，麦穗光合优势明显且无明显光合午休现象，对小麦籽粒的贡献率也大于旗叶和节鞘[2-4]；小麦穗器官吸收CO2的空间位置优越，为籽粒的生长成熟阶段提供适宜的温度、湿度微环境，是籽粒健康成熟不可或缺的因素[5]。穗型是构成小麦穗部的重要性状，与穗粒数、有效穗数、千粒重等产量性状密切相关[6]；小麦穗的正常发育与成型关系到小麦籽粒的发育与成熟，直接影响到小麦的品质与产量。研究表明，小麦wbh1基因的表达量与穗型发育有关，降低其表达量，可以改变小麦穗部形态，提高小穗数和穗粒数[7]。因此，开展穗型的遗传及其发育研究，对于控制小麦穗型重要功能基因的遗传解析具有重要理论意义，对其穗部相关性状遗传改良也具有应用价值。

研究证明，运用突变体作为材料研究植物的功能基因是有效且简便的方法[8]。利用创制的突变体，已有开展小麦穗部相关性状研究的报道。如宋全昊[9]报道了一个穗短小且畸形的突变体sdal，该突变体因为一个基因的突变导致穗型畸形并伴随小穗数的减少；也有提出利用一些蛋白对植物穗型进行人工调控的新技术[10]；Justin 等[11]对野生小麦的紧凑穗基因进行分析，发现穗长和每穗小穗数在很大程度上是由不同的基因控制的；Irina 等[12]通过对穗型的遗传分析也认为，穗长和每穗小穗数由不同基因决定，并建议将比较遗传研究和分子生物学研究结合起来进行育种；Liu等[13]和曹杰[14]研究表明，miR 156可以通过负调控TaSPL基因的表达水平调节小麦穗部的生长发育，影响穗部形态；Katkout 等[15]对中国春和 S-6214 的杂交 F2进行研究，发现了 8 个影响小麦穗型的QTL，并定位了其中4个控制脱粒性状的QTL；Simonov等[16]则发现基因C17648对QS和Q基因有部分的上位性作用，其表现为穗长变短、穗顶紧密度降低及茎长较短；张宏娟等[17]研究表明，转录因子基因TaNAC67参与调控小麦穗长和每穗小穗数，可用于改良小麦穗部性状的分子标记辅助选择育种；徐伟娜[18]研究表明，小麦TaSPL20基因单倍型Hap3-A可以有效提高小麦的每穗小穗数，对于改变小麦穗型，提高产量有重要影响；Sormacheva等[19]通过杂交实验证实了Q基因控制了小麦的脱粒性、穗轴脆性和穗形性状，并对变异的Q基因及其控制的3个性状的相关性进行了鉴定。刘盼[20]通过转录表达分析发现，Q基因主要在小麦旗叶和穗中表达，且在穗发育早期表达水平最高，随着穗发育的进程表达水平逐渐降低。但是穗型突变体创制及其遗传分析等研究鲜见报道。

本研究对筛选出的穗型突变体进行了综合农艺学鉴定，并开展了穗型的遗传分析以及遗传效应的评价，以期为小麦穗部相关性状的遗传改良提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

小麦新品系KD 527及其EMS诱变处理获得的各类穗型突变体。

1.2 试验方法

1.2.1EMS诱变处理

1) 种子预处理：将种子(袋)移入蒸馏水(去离子水)烧杯中，20～22 ℃室温下浸种16～20 h，使种子完全吸胀。

2) 种子诱变处理：0.3% EMS(pH=7.0磷酸缓冲液)室温(20～22 ℃)处理预浸过的种子4～6 h。

3) 后清洗：EMS处理后的种子在自来水下冲洗(0～15 ℃)12 h，冲洗后，经短时间(30 min)干燥，立即播于田间。

1.2.2穗型突变体的筛选及其鉴定

将经过EMS处理的KD 527种子进行播种，行距20 cm，株距5 cm，其他管理同大田。从突变当代(M0)群体中筛选出具有穗型扭曲的单株，收获M1代。翌年，大田种植成株行，生育期间进行农艺性状的观察，成熟后按单株穗型收获M2代。M3代进行株系种植，在田间生长期间对突变性状的稳定性、分离状况等进行观察，每隔7 d进行田间调查一次，并在多个典型变异的突变系中分别随机选取10株进行农艺学性状调查，并记录穗型、株高、株穗数、穗长、穗粒数等性状，以期筛选各种穗型突变体。

1.2.3穗型突变体自交后代穗型遗传分析

对上年的穗型突变体以单株(严格套袋自交)为单位进行单独收获，下年种植成株行，同时对每个突变体株行的单株按照正常穗型、扭曲穗型、极端扭曲穗型等三种类型进行调查与统计分析，并根据株行穗型的分离情况进行X2检验。

1.2.4穗型遗传效应评价

在对上年单独收获并种植的穗型突变体株行进行穗型分离情况统计基础上，对其后代穗型分离单株的平均株高、穗长、穗粒数、千粒重等性状进行统计，明确穗型对相关农艺性状的影响。

1.3 数据处理

通过Microsoft Excel 2017软件对获得的数据进行方差分析与显著性水平检验。

2 结果与分析

2.1 小麦穗型突变体的筛选及其鉴定

从野生型KD 527 (图1 a)EMS突变体库中筛选出一系列穗型扭曲突变体(图1)，同时对筛选的突变体穗部(图2 a)及其穗部分解(图2 b)进行观察，从图1、图2可看出，与正常穗型相比，各突变体的穗型与KD 527具有明显差异，常表现为穗长变短、小穗密度增大、麦芒扭曲、芒长变短甚至无芒等，多数突变体伴随有株高降低、旗叶变短、变圆、穗下节间扭曲等现象。将突变体收获后，于当年10月种植成株行。

注： a为KD 527；b～h为不同穗型突变体。

图2 KD 527(A)及其穗型突变体(B)的穗部(图2 a)及其穗部分解(图2 b)观察(Bar：5 cm)

对上年保存的不同穗型突变体的株行进行农艺学综合鉴定，发现每个穗型突变体的株行中，均出现有穗型正常和穗型扭曲的分离，许多株行中还出现了极端扭曲单株。图3是扭曲穗型突变体在孕穗期(图3-Ⅰ)、抽穗期(图3-Ⅱ)、蜡熟期(图3-Ⅲ)观察到的正常单株(a)、扭曲单株(b)、极端扭曲单株(c)的分离情况，其中极端扭曲单株不能正常抽穗、最终不结实。成熟后对扭曲穗型突变体后代单株分正常、扭曲两种类型进行籽粒相关性状的观察。相比正常穗型单株，扭曲穗型单株籽粒明显变小，千粒重降低，粒形扭曲、近似三角形。

注： a为正常穗型；b为扭曲穗型；c为极端扭曲穗型。

2.2 小麦穗型突变体的穗型遗传分析

分别统计不同穗型突变体株行的穗型分离情况(表1)，所有穗型突变体当代均表现为穗型扭曲，种植后的株行出现正常单株与扭曲单株的分离(图4)，常出现有极端扭曲单株。

图4 野生型KD 527(A)及其穗型突变体后代株行分离的正常穗型(B)与扭曲穗型(C)(Bar：5 cm)

表1 穗型突变体后代株行的穗型分离的统计分析及卡方测验

在突变体后代株行共鉴定了238个单株，正常单株与扭曲单株比例为69∶169(表2)，经X2检验，符合1∶3分离规律，正常穗型为隐性(基因型示为aa)，但是不符合1∶2∶1，究其原因，极端扭曲穗型可能带有“显性致死”基因(基因型示为AA)，常表现生长发育畸形，不抽穗、不结实；能正常结实的扭曲穗型为杂合基因型Aa，种植后会出现正常与扭曲穗型的分离。

2.3 小麦穗型遗传效应评价

统计突变体后代单株的相关农艺学性状发现(表2)，除个别突变体中分离的正常穗型与扭曲穗型的株高差异不显著外，其他穗型突变体中分离的正常穗型与扭曲穗型的穗长、千粒重等性状指标均表现极显著差异，与分离出的正常穗型相比，扭曲穗型的平均千粒重、株高、穗长等性状分别降低37.03%、18.83%、26.19%，说明穗型是影响小麦千粒重、穗长等产量相关性状的重要因素，扭曲穗型可能严重影响小麦产量。

表2 穗型突变体株行分离单株相关农艺学性状统计

3 讨论

小麦突变体可以有效用作育种材料[21]，还可用于小麦功能基因等生物学研究[22-23]，丰富小麦突变体库，可增加小麦分子育种资源，为提升小麦产量奠定基础。通过小麦穗型突变体来研究穗部发育相关基因，有利于更深入地挖掘穗部发育的遗传机制。汪俊君等[24]发现，大粒突变体8008的籽粒性状可能与光合作用、物质代谢等相关基因有一定的联系。王佳佳等[25]以EMS诱变获得的突变体 M 7652 的杂交后代为材料，将控制穗粒数、不育小穗数、可育小穗数、穗长、株高的 QTL定位在 4 B 染色体的短臂上。李晓等[26]利用EMS构建了京411突变群体，并获得了3个新的WX-A1等位变异。王金彦[27]利用 EMS 及快中子 FN 处理小麦望水白，获得F 04964等5个突变体表现为穗扭曲，并对突变体库中的一个叶形-穗形突变体进行遗传分析，发现其受一个less隐性基因控制。周丽敏[28]利用穗发育畸形突变体(SDA 1)对小麦穗发育异常相关基因TaSDA1进行研究发现，基因TaSDA1位于小麦6 B染色体分子标记barc 136和SWES 181之间，并通过双向电泳技术证明了TaSDA1基因具有多效性。本研究从高代小麦新品系KD 527的EMS诱变后代中筛选到多个小麦穗型突变体，并对突变体在农艺学鉴定与分型基础上，重点开展了穗型遗传分析，明确了小麦穗型的遗传特点，其选育的穗型突变体为小麦穗型遗传发育及其穗型基因的精细定位与克隆等研究提供良好的种质基础；与此同时，还对穗型遗传效应进行了初步分析，结果表明，扭曲穗型在株高、穗长、千粒重等农艺性状较正常穗型一般表现为降低，因此穗型是影响小麦产量的关键因素之一，筛选合适的穗型，是小麦产量遗传改良与新品种选育的重要研究内容。