运旱系列小麦品种(系)品质功能基因KASP标记检测

王 倩, 任文斌, 赵智勇

(山西农业大学棉花研究所,运城 044000)

旱地小麦的发展缓解了我国因为干旱带来的粮食问题。晋麦47,作为运旱系列小麦品种之一,1998年通过国家品种审定,连续多年作为黄淮海麦区旱地区试对照品种,具有旱作丰产性、生态适应性等优良特性[1]。近年来,运旱系列小麦品系多次通过山西省品种审定以及国家品种审定,产量和农艺性状表现优良。王晓民等[2]分析研究了运旱系列小麦品种HMW-GS(高分子质量麦谷蛋白亚基)的组成和品质,结果显示运旱系列小麦里存在优质亚基,但仍有改善空间。于章龙等[3]从品质和加工特性方面分析研究了运旱系列小麦品种,结果显示运旱系列供试小麦品种沉淀值较高、稳定时间较长,表明运旱系列小麦品种有较高的加工品质特性。其他关于运旱系列小麦的报道多为栽培技术和品种特性方面[4-8],关于运旱系列小麦分子层面的研究鲜有报道。本研究通过分子标记的手段,分析运旱系列小麦有关品质基因,挖掘运旱系列小麦分子潜力,为山西省乃至全国旱地小麦的选育提供育种信息。

竞争性等位基因特异性PCR技术(Kompetitive Allele-Specific PCR)是基于 SNP和Indel位点开发的一款自动化、高通量检测的分子标记。作为新一代的SNP检测技术,它具有较高的准确性、较强的位点适应性、以及适合大样本检测等优点,可对大多数作物基因组DNA中的SNP和特定位点上的Indel进行精准的双等位基因判断[9,10]。目前,多个小麦农艺性状相关基因等位变异的KASP功能标记已开发出来[11]。与小麦品质相关的KASP功能标记已在不同地区小麦品种(系)中得到应用[12,13]。

高分子质量麦谷蛋白亚基HMW-GS和低分子质量麦谷蛋白亚基LMW-GS分别影响面团的弹性和延展性[14-18]。Glu-A1位点的Ax2*亚基主要影响面团的强度和面包的烘烤质量[19];Glu-B1位点的Bx17+By18、Bx13+By16和Bx7+By8亚基影响面团的黏弹性和面包的体积等[20,21];Glu-D1位点的Dx5+Dy10亚基主要影响面团的黏弹性[22]。Puroindoline a和Puroindoline b蛋白调控小麦籽粒硬度,影响小麦最终制粉品质[23]。Pina和Pinb2个主效基因存在多种变异,Pina-D1和Pinb-D1是存在较为广泛的类型[24],能够精细调控籽粒硬度大小。小麦籽粒中的多酚氧化酶(PPO)[25]、脂肪氧化酶(LOX)[26,27]和过氧化物酶(POD)[28]等控制β-类胡萝卜素和叶黄素发生变化,导致小麦粉色泽改变,从而影响小麦品质。不仅影响食品外观和色泽,也会使食品营养价值有不同程度的降低。淀粉是小麦籽粒的重要组成部分,Wx蛋白缺失会改变小麦膨胀特性,以及导致淀粉糊化[29-31]。1RS/1BL易位系是小麦1B染色体的短臂被黑麦1R染色体短臂取代[32],对小麦品质具有负面效应,主要影响小麦加工品质[33,34]。

1 材料与方法

1.1 材料

小麦由山西农业大学棉花研究所旱地小麦课题组提供,包括晋麦47在内共计24份旱地小麦品种(系)。实验材料于2020—2022年统一种植在山西农业大学棉花研究所南华实验基地。每份材料种1行,行长1 m,行距0.25 m。

1.2 基因组DNA的提取

在实验材料幼苗期进行田间取样。每行取2～3个不同幼苗叶片混合为1个样品。采用DNA提取试剂盒(北京天根生化科技有限公司)提取小麦叶片的基因组DNA。

1.3 KASP标记检测

将提取好的基因组DNA样品委托华智生物技术有限公司进行KASP标记检测。KASP标记所用的引物和方法参照Rasheed等[11],相关基因标记引物见表1。

表1 KASP标记等位变异和引物

续表1

2 结果与分析

2.1 高分子质量麦谷蛋白基因检测

对与高分子质量麦谷蛋白基因相关,分别位于Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位点,共计4个基因进行检测(表1)。在Glu-A1位点,采用1个KASP标记检测供试材料Ax-null、Ax1、Ax2*3个亚基的含有情况。结果表明(表2),20份供试材料在Glu-A1位点为优质亚基基因,即Glu-Ax1/Glu-Ax2*(Ax1/Ax2*),占比83.33%。其余4份供试材料在该位点表现为Glu-Ax-null(Ax-null)。在Glu-B1位点,采用2个KASP标记分别检测供试材料是否含有优质亚基Bx7OE和优质亚基Bx13。结果表明,仅有1份材料检测出Glu-Bx7OE基因。24份材料均未检测出Glu-Bx13基因。在Glu-D1位点,采用1个KASP标记检测供试材料是否含有优质亚基Dx5+Dy10。结果表明24份供试材料中有8份材料检测出优质亚基Dx5+Dy10基因,即Glu-D1d(Dx5+Dy10),占比33.33%。

24份供试材料中,Glu-1有3个位点均为优质亚基基因的材料没有。2个位点为优质亚基基因的组合材料有7份,占比29.17%,即Glu-Ax1/Glu-Ax2*(Ax1/Ax2*)+Glu-D1d(Dx5+Dy10)或Glu-Bx7OE(Bx7OE)+Glu-D1d(Dx5+Dy10)(表3)。高分子质量麦谷蛋白基因检测结果说明,运旱系列小麦品种(系)在麦谷蛋白基因改良上还有很大上升空间。

表2 品质性状基因的优异等位变异

2.2 籽粒硬度基因检测

利用与籽粒硬度基因Pinb-D1、Pinb2-V和Pina-D1相关的3个KASP标记分别检测24份供试材料。在Pinb-D1位点,突变型Pinb-D1b较野生型Pinb-D1a具有更高的籽粒硬度。22份供试材料检测结果为Pinb-D1b硬度基因突变类型,占比91.67%(表2)。其余2份为Pinb-D1a软质野生型。在Pinb2-V位点,Pinb-B2b等位变异类型较Pinb-B2a类型具有更高的籽粒硬度。6份供试材料检测结果为Pinb-B2b等位变异类型,占比25.00%。其余均为Pinb-B2a基因型。同时在这2个位点表现为硬度基因型的材料仅有1份(表3)。在Pina-D1位点所有材料均未检测到Pina-D1b硬度基因突变类型,全部表现为软质Pina-D1a软质基因型。

2.3 小麦粉色泽相关基因检测

利用与小麦粉色泽相关氧化酶基因Ppo-A1、Ppo-D1、Lox-B1和TaPod-A1相关的4个KASP标记检测24份供试材料。低多酚氧化酶活性等位变异Ppo-A1b和Ppo-D1a、高脂肪氧化酶活性等位变异Lox-B1a和低过氧化物酶活性等位变异TaPod-A1b为优异等位变异。表2表明,仅有3份材料检测结果为低多酚氧化酶活性优异等位变异Ppo-A1b,占比12.50%;4份材料检测结果为低多酚氧化酶活性优异等位变异Ppo-D1a,占比16.67%;22份材料检测结果为高脂肪氧化酶活性优异等位变异Lox-B1a,占比91.67%;1份材料检测结果为低过氧化物酶活性优异等位变异TaPod-A1b,占比4.17%。分析检测结果,4个氧化酶基因均表现为优异等位变异的材料没有。3个氧化酶基因表现为优异等位变异的材料有2份(表3),即Ppo-A1b+Ppo-D1a+Lox-B1a和Ppo-A1b+Lox-B1a+TaPod-A1b。2个氧化酶基因表现为优异等位变异的材料有4份,即Ppo-D1a+Lox-B1a和Ppo-A1b+TaPod-A1b。

2.4 糯性基因检测

利用与Wx蛋白基因Wx-B1相关的1个KASP标记检测24份供试材料。突变型Wx-B1b较野生型Wx-B1a表现为糯性。结果表明(表2),仅有2份材料检测结果表现为突变型Wx-B1b,占比8.33%。15份材料结果表现为野生型Wx-B1a,占比62.50%。另外,有7份材料在该位点的检测表现为杂合型。

表3 小麦品质相关基因优异等位变异组合

2.5 1RS/1BL和1RS/1AL易位系检测

利用2个KASP标记检测24份供试材料是否含有1RS/1BL和1RS/1AL易位系。检测结果表明,24份供试材料均未检测出1RS/1BL和1RS/1AL易位系。

3 讨论

KASP是基于功能标记基础开发的高通量标记检测技术,目前已广泛用于小麦种质资源各类性状的检测[35,36]。王志伟等[37,38]利用KASP标记分别检测云南小麦品种锈病抗性、赤霉病抗性、株高和粒重相关功能基因,为云南小麦育种提供育种信息。王君婵等[12]等利用KASP标记检测扬麦系列品种(系)重要性状功能基因,结果表明扬麦系列品种(系)中存在粒重、穗发芽等重要性状的功能基因,为之后的扬麦品种选育提供信息,在一定程度上缩短小麦育种周期以及提高小麦育种效率。单子龙等[13]利用KASP标记检测河北省小麦品质相关功能基因,为河北省小麦品质改良提供了思路和参考。本研究利用14个与品质相关的KASP标记对运旱系列小麦品种(系)进行检测。高分子质量麦谷蛋白基因检测结果表明,运旱系列小麦仍有改良空间。Glu-A1位点,含有优质亚基基因的材料占比较高,在之后的小麦育种中可以利用。Glu-B1和Glu-D1位点,含有优质亚基基因的材料份数极少。在今后的育种过程中,可以通过引种和标记跟踪等手段提高优质亚基基因的频率。根据籽粒硬度基因检测结果,Pinb-D1和Pinb2-V位点的优异等位变异可以在之后的育种中加以利用。尤其在2个位点均为优异等位变异的材料运旱1929,在之后的育种可以将其作为亲本材料,用于杂交组配。在Pina-D1位点,未检测到硬度基因突变类型的材料,表明运旱系列小麦在该位点的改良上具有很大的上升空间。所有供试材料均为检测出1RS/1BL和1RS/1AL易位系,表明运旱系列小麦的加工品质并不受1RS/1BL和1RS/1AL易位系影响[39]。小麦粉色泽相关基因、Wx蛋白基因检测结果也表明,运旱系列小麦在有关品质基因的改良上仍存在潜力。

运旱618是国家审定的强筋小麦品种。KASP标记检测结果表明,运旱618相关品质基因并非全部为优异等位变异。所有供试材料检测结果也表明,运旱系列小麦所含有的优异等位变异较少。但小麦农艺性状通常受基因和环境以及二者相互作用影响。小麦品质性状也不例外。不同品质性状受基因控制和环境影响程度不同。更受基因控制的品质性状有籽粒硬度、小麦粉色泽以及蛋白质的质量等。而蛋白质的含量则受环境因素影响较大。在相同的环境条件下,品种遗传特性就成为决定品质优劣的关键因素。品种遗传特性即品种本身含有的相关基因。不同基因以及基因的不同等位变异对品质性状的影响不同。因此,想要选育品质好的品种,需要清楚哪些基因和变异是育种家需要的。

另外,根据小麦的不同用途,其所要求的小麦品质也不相同。运旱618属于强筋小麦,更适用于用作各类面包的原料和制作面条等。运旱22-33属中筋品种,更适合用于制作蛋糕和馒头等。了解清楚小麦品种所含有的品质相关基因,以及小麦的品质状况,不仅能帮助育种家快速培育出品质好的品种,也能更有针对性的根据不同用途选育出不同品质的小麦品种。

4 结论

实验共检测24份运旱系列小麦品种(系),含有高分子质量麦谷蛋白优质亚基基因Glu-Ax1/Glu-Ax2*的材料共20份,含有优质亚基基因Glu-Bx7OE仅有1份,含有优质亚基基因Glu-D1d(Dx5+Dy10)有8份;22份供试材料为Pinb-D1b硬度基因突变类型,6份供试材料为Pinb-B2b等位变异类型;3份材料为低多酚氧化酶活性优异等位变异Ppo-A1b,4份材料为低多酚氧化酶活性优异等位变异Ppo-D1a,22份材为高脂肪氧化酶活性优异等位变异Lox-B1a,1份材料为低过氧化物酶活性优异等位变异TaPod-A1b;2份材料为糯性基因突变型Wx-B1b;全部供试材料均未检测出1RS/1BL和1RS/1AL易位系。