早熟高产小麦品种川麦1247的灌浆特性和功能基因研究

2023-09-12李式昭朱华忠郑建敏刘泽厚罗江陶万洪深

西南农业学报 2023年7期

李式昭,涂洋,朱华忠,郑建敏,刘泽厚,王琴,罗江陶,万洪深,伍玲

(四川省农业科学院作物研究所/粮油作物绿色种质创新与遗传改良四川省重点实验室/农业农村部西南地区小麦生物学与遗传育种重点实验室,成都 610066)

【研究意义】四川盆地属亚热带多熟种植集约农区,光照不足而热量资源较好。小麦-水稻轮作能分别利用冬、夏光热资源,实现一年两熟,是四川盆地周年农业生产传统的耕作制度和重要生产模式之一[1-3]。在“小麦-水稻轮作”种植模式下,小麦在5月上、中旬收获,而与之轮作的水稻一般在3月底、4月初进行育秧,待小麦收获后马上移栽大田。小麦与水稻两季作物常在5月份争时争地造成农时紧张,且小麦季的迟熟晚收将导致水稻季栽种延迟,进而严重影响产量,因此,早熟小麦在四川盆地备受青睐。研究早熟小麦品种川麦1247的灌浆特性和功能基因,可为今后四川盆地早熟高产小麦新品种选育提供参考。【前人研究进展】早熟小麦品种川麦1247(川审麦2015 010)于2015年通过四川省审定,区试平均产量5509.5 kg/hm2,较对照绵麦37增产13.3%。表现早熟(较对照平均早熟3 d)、抗病(高抗条锈病、中抗赤霉病),且抗倒伏,适应机械化收获。川麦1247于2018年成为四川省农业主推技术“早熟小麦-水稻轮作全程机械化周年高效生产技术模式”的首选小麦品种,在四川盆地内常年表现3月上、中旬抽穗,5月上旬末成熟,较当前四川主栽小麦品种平均早熟5～7 d,与水稻机直播技术或机插秧技术配套,尤其能满足当前种粮大户和企业对水稻早茬前作小麦的需求。小麦开花-成熟阶段属籽粒灌浆期,灌浆为小麦花前物质积累、花后绿叶持续、光合特性、蒸腾特性等共同作用的结果,是影响粒重和小麦产量的重要生理因素[4-7]。早熟品种通常生育期短,导致灌浆期缩短,相比中、晚熟品种产量较低。为避免早熟对产量的负面影响,通常要求早熟小麦品种灌浆快,以期用灌浆速度的提高来补偿灌浆期缩短的不利效应,从而保证较高粒重[8-11]。早熟小麦品种川麦1247在区试中和生产上均能获得高产,表明该类型小麦品种生育后期具有较好的籽粒灌浆特性。同时,以SNP标记为基础开发的小麦基因芯片技术,已成为评估品种遗传构成、分析遗传多样性以及解析小麦功能基因的重要手段。小麦50K SNP基因芯片(Axiom®Wheat Trait Breed 50K SNP Array)[12]能检测54 680个SNP位点,包含135个功能基因标记信息,该芯片技术可为解析川麦1247早熟、高产特性提供便利。【本研究切入点】目前,针对四川盆地早熟小麦品种的灌浆特性和功能基因研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究以四川盆地目前推广种植的早、中、晚3种熟性的高产小麦品种为材料,从灌浆特性、功能基因等方面研究早熟高产小麦品种川麦1247早熟、高产的发育与生理学基础,明确其籽粒灌浆规律和相应优异功能基因,以期利用川麦1247优良种质资源,为四川盆地选育和生产上利用适宜“小麦-水稻轮作”模式的早熟高产小麦品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2021—2022年在四川省农业科学院郫县基地进行,随机区组设计,3次重复。小区面积6.67 m2,6行区,行距0.267 m。试验品种为川麦1247、川麦1313、川麦104、川麦42、绵麦367、川农32。其中川麦1247、川麦1313为早熟品种,其余品种均属四川盆地和西南麦区生产上大面积应用品种;且川麦104、川麦42和绵麦367为中熟品种,川农32为晚熟品种。以上品种基本可以代表近年来四川小麦的育种进展。

1.2 方法

1.2.1 播种方法及田间管理根据各品种的千粒重、发芽率确定实际播种量。随后对基地土壤进行肥力测试分析,再确定肥料配比,底肥施45%养分含量的复合肥[m(N)∶m(P)∶m(K)=15∶15∶15]300 kg/hm2,小麦拔节期追施尿素75 kg/hm2。播期2021年10月30日,采用手推播种器人工条播,待各品种出苗后及时匀苗、定苗,保证每小区基本苗1.88×106株/hm2。全生育期适时浇水、施药、除草,灌浆后期及时铺设防鸟网防止鸟害,其他田间管理措施与当地大田生产一致。

1.2.2 籽粒灌浆过程测定在开花期当天每小区挂牌标记有代表性、花期一致的单茎80穗。从开花后第5天开始取样,之后每隔5 d取样1次,共取样8次。每次随机取挂牌标记的单茎10穗,置于烘箱内105 ℃杀青30 min,然后80 ℃烘至恒重,手工剥出籽粒,统计粒数并秤取干重。灌浆速率用每粒每天增长量表示。成熟时每品种收获50单穗,脱粒晒干,测定品种千粒重。

1.2.4 川麦1247功能基因分析对川麦1247取3株幼苗叶片,采用改良CTAB法[14]提取基因组DNA,并用UV-9000型紫外分光光度计检测DNA样品浓度。随后利用小麦50K SNP基因芯片对川麦1247的功能基因进行分析,芯片检测由北京博奥晶典生物技术有限公司完成。

2 结果与分析

2.1 不同熟性小麦品种的生育期比较

从表1可知,早熟品种川麦1247、川麦1313的成熟期分别为4月28日、4月26日;中熟小麦品种川麦42、川麦104和绵麦367的成熟期为5月2—3日;晚熟品种川农32的成熟期为5月5日(图1)。

图1 不同熟性小麦品种的成熟期

图2 各小麦品种开花后的籽粒灌浆动态

川麦1247全生育期较四川大面积推广中熟品种提早4～5 d,较晚熟品种提早7 d。从整个小麦生育进程来看,川麦1247的抽穗期、开花期也均早于中熟和晚熟品种,具有前端快速发育的特征,为其早熟早收打下了坚实基础。

2.2 不同熟性小麦品种的籽粒灌浆模型及参数

针对不同熟性小麦品种的籽粒灌浆动态及时取样(图2),各小麦品种的籽粒灌浆过程均符合“慢—快—慢”的生长规律,符合Logistic生长曲线方程(图3)。拟合后决定系数R2=0.992-0.999,达极显著水平,适合度好,说明Logistic方程描述的曲线(表2)可反映不同熟性品种的籽粒灌浆进程,并由Logistic方程和灌浆速率方程推导出相应籽粒的灌浆参数(表3)。根据Logistic方程的2个突变点,可将各小麦品种的籽粒灌浆进程划分为渐增期、快增期和缓增期3个阶段。

表2 不同熟性小麦品种籽粒灌浆的Logistic方程参数

表3 不同熟性小麦品种的籽粒灌浆参数

从籽粒灌浆参数(表3)来看,不同熟性小麦品种的灌浆持续时间(T)为60.21～64.02 d,平均灌浆速率(R)为0.55～0.96 mg/(粒·d),最大灌浆速率(Rmax)为1.05～1.99 mg/(粒·d),灌浆速率达最大值的时间(TRmax)为24.09～28.53 d。从阶段灌浆参数来看,不同熟性小麦品种的灌浆渐增期持续时间(T1)为13.57～18.74 d,灌浆速率(R1)为0.52～0.71 mg/(粒·d),籽粒粒重增量(W1)为7.08～12.22 g,相对粒重增量(W1%)为18.43～23.50;快增期持续时间(T2)为19.10～21.26 d,灌浆速率(R2)为0.92～1.75 mg/(粒·d),籽粒粒重增量(W2)为19.34～33.39 g,相对粒重增量(W2%)为50.35～64.21;缓增期持续时间(T3)为23.77～26.46 d,灌浆速率(R3)为0.26～0.49 mg/(粒·d),籽粒粒重增量(W3)为6.74～11.64 g,相对粒重增量(W3%)为17.56～22.39。

与其他品种相比,川麦1247的总体灌浆持续时间较短,为60.57 d,且平均灌浆速率较高,达到0.90 mg/(粒·d)。从川麦1247灌浆的3个阶段来看,其灌浆持续时间短,具体表现在灌浆快增期和灌浆缓增期(第2、3阶段),而灌浆速率高则表现在灌浆渐增期和灌浆缓增期(第1、3阶段),其中灌浆缓增期(第3阶段)同时表现出持续时间短和灌浆速率高的特点,表明川麦1247还具有后端快速发育的特征。

早熟品种(川麦1247、川麦1313)整体灌浆持续时间短,分别较中熟(川麦104、川麦42、绵麦367)、晚熟品种(川农32)短1.8和2.3 d,但灌浆速率一直处于较高水平,平均灌浆速率较中熟、晚熟品种大0.29和0.05 mg/(粒·d),且灌浆高峰的峰值高,最大灌浆速率较中熟、晚熟品种大0.66和0.07 mg/(粒·d),明显表现出“T短、R高、Rmax高”的特点。从灌浆3个阶段来看,则具体体现在“T2、T3短,R1、R2、R3高”,保证了早熟品种能在较短的灌浆持续时间内以较高的速率完成整个灌浆进程,且早熟品种的粒重增量和相对粒重增量也表现较高。

2.3 不同熟性小麦品种粒重形成的灌浆参数与最终粒重的相关分析

籽粒灌浆参数与粒重的相关分析(表4)表明,除灌浆持续时间(T)外,其余灌浆参数都与粒重呈正相关,其中与最终千粒重呈显著正相关的参数有平均灌浆速率(R)和最大灌浆速率(Rmax),其余参数未达到显著水平。

阶段籽粒灌浆参数与粒重的相关分析(表5)表明,与最终千粒重呈显著正相关的参数包含渐增期持续时间(T1)和渐增期、快增期和缓增期灌浆速率(R1、R2和R3)。又以快增期灌浆速率(R2)作用最大,其它阶段灌浆参数未达显著水平。提高快增期灌浆速率(R2)对最终千粒重的形成具有重要影响。

表4 灌浆参数与千粒重的相关关系

表5 阶段灌浆参数与千粒重的相关关系

图4 不同熟性小麦品种籽粒灌浆速率的变化动态

2.4 不同熟性小麦品种籽粒灌浆速率变化

从图4和表3可以看出,川麦1247初期灌浆速率较快,明显高于中熟和晚熟类型小麦品种,并在花后26.51 d达到最大灌浆速率,到达峰值后灌浆速率快速下降,但仍高于中熟类型小麦品种。

对早熟品种(川麦1247、川麦1313)来讲,灌浆速率整体一直处于较高水平,且灌浆高峰的峰值高。到达灌浆高峰后,早熟品种的灌浆速率快速下降,在花后35 d左右被晚熟品种超过,但仍高于中熟类型品种,充分保证了早熟品种在灌浆后期灌浆速度快速下降的情况下仍能形成较高的粒重。

2.5 川麦1247的功能基因检测

Wheat 50K SNP基因芯片含有常见小麦功能基因(农艺性状、产量、品质和抗性等)的SNP标记,可对上述性状进行快速检测。

从对早熟性状影响最大的光周期基因和春化基因的检测结果(表6)来看,川麦1247含有光周期基因Ppd-D1a、春化基因vrn-A1和Vrn-D1a,而在VRN-B1位点则检测到vrn-B1和Vrn-B1c2种类型,还需要进一步确定。川麦1247含有效应最强的光周期不敏感型等位基因Ppd-D1a,能加速小麦开花并促进小穗发育。同时,川麦1247含有的春化基因Vrn-D1a表现春性,可以部分减少对低温春化作用的需求。在其他类型基因方面,川麦1247具有正向控制千粒重的基因(TaSus2-2A、TaGASR-7A、TaGW2-6B、TaSus1-7B、TaGS1a和TaGS-D1a)、抗穗发芽基因(TaSdr-A1a、Vp1Bb)、抗旱基因(TaDreb-B1a),抗病基因(Sr36、Sr2、Tsn1、Lr67)、优质基因(Ppo-A1b、Psy-A1b),以上基因的聚合效应可能是川麦1247在早熟、高产及抗病性状上表现优良的重要原因。

3 讨论

3.1 川麦1247的灌浆特性与利用价值

本研究表明,川麦1247全生育期较四川大面积推广中熟品种提早4～5 d,较晚熟品种提早7 d。从灌浆参数来看,川麦1247灌浆持续时间较短,而平均灌浆速率较高;从灌浆3个阶段来看,川麦1247的灌浆快增期、缓增期持续时间较短,而灌浆渐增期、缓增期的灌浆速率较高。川麦1247抽穗期较早,且在灌浆第3阶段(缓增期)灌浆强度大,这种前后两端快速发育的特征保证了川麦1247的早熟性得到充分发挥,且能以较高的灌浆速率完成整个灌浆进程,相对避免了早熟对产量的负面影响。在四川盆地“小麦-水稻轮作”种植模式下,培育和种植早熟小麦品种是解决当前生产上小麦与水稻两季作物之间农时紧张乃至影响水稻季产量的重要手段,而生产中曾采用的一些早熟小麦品种,因为灌浆持续时间短,造成粒重减少、产量降低;或对早春低温冷害敏感、结实率下降、产量不稳定,应用效果并不理想。川麦1247灌浆速率高,可以弥补灌浆期缩短的不利影响,且能避开后期高温危害风险,保持粒重高而稳定。同时,多年试验表明川麦1247比一般小麦品种耐春寒性强、冷害不实率低、安全稳产性好。因此,川麦1247在当前生产上和早熟小麦育种中均具有较高利用价值。

表6 川麦1247的功能基因分型

3.2 四川小麦品种灌浆特性与丰产性的关系

相关研究表明,在四川盆地生态条件下,选育生育期适中、花期相对较早、渐增期长、灌浆速率高的品种有利于小麦籽粒灌浆及高产的形成[15]。本研究结果与此一致,6份四川小麦品种最终千粒重与平均灌浆速率、最大灌浆速率、渐增期持续时间和渐增期、快增期、缓增期的灌浆速率呈显著正相关。从灌浆3个阶段来看,6份四川小麦品种的灌浆持续时间由长至短依次为缓增期(25.11 d)、快增期(20.17 d)和渐增期(16.40 d),而粒重增量则分别约占最终千粒重的19.29%、55.31%和20.25%,进一步表明灌浆快增期是决定最终粒重的关键时期。本研究还表明,早熟小麦品种(川麦1247、川麦1313)的整体灌浆速率在灌浆3个阶段一直处于较高水平,且灌浆高峰的峰值高,可以保持粒重稳定,说明在整个灌浆期内,早熟小麦品种能够充分利用花前贮备的营养物质,且对花前同化产物的利用相对稳定协调,由此保证灌浆后期籽粒干物质的积累能够达到较高水平。特别是川麦1247还具有前后两端快速发育的特性,能够较好地结合小麦的早熟性与丰产性。鉴于灌浆速率对粒重的重要性,可以针对小麦籽粒灌浆速率相关参数的QTL[16-19]来辅助选育早熟小麦品种。

3.3 川麦1247的功能基因研究

小麦的早熟性是基因型和光温互作的结果,与光周期及春化基因密切相关。小麦光周期反应主要由定位于染色体2D、2B和2A短臂上的3个部分同源基因控制,即Ppd-D1、Ppd-B1和Ppd-A1,其中起主导地位的是Ppd-D1位点[20]。Ppd-D1能使冬小麦整个生育期明显缩短,特别是拔节以后,各时期明显提前,促进小麦开花和成熟[21-22]。川麦1247含有光周期不敏感型基因Ppd-D1a,可以促进提早开花,且不育小穗数低,能最大限度保证产量不受影响。小麦的春化特性则受多个春化基因位点控制,其中Vrn1占据主导地位。春化基因Vrn1存在3个部分同源基因VRN-A1、VRN-B1和VRN-D1,分别位于小麦5A、5B 和5D 染色体长臂上。VRN-A1位点携带显性基因的小麦品种几乎不需要低温春化的过程即可完成由营养生长向生殖生长的转变,而VRN-B1和VRN-D1位点上的显性基因只能导致部分春化性状消失[23]。川麦1247含有春化基因vrn-A1和Vrn-D1a,其中Vrn-D1a使品种春性特性增强,生育期缩短,抽穗期和开花期提前[24-25],表现早熟性。同时,川麦1247还含有与小麦千粒重相关的优异等位变异TaSus2-2A[26]、TaGASR-7A[27]、TaGW2-6B[28]、TaSus1-7B[29]、TaGS1a[30]和TaGS-D1a[31],这些基因可能有利于川麦1247的籽粒灌浆,特别是提高其灌浆强度,在较短灌浆时间内能转运较多的光合产物而提高粒重[19]。目前,籽粒灌浆特性与上述粒重基因之间的关系尚不明确,若能揭示某些粒重基因(或相关QTL)与灌浆速率的关系,将有助于在育种中有效利用这些基因,进一步改良四川盆地小麦品种的籽粒灌浆特性。