高大山羊草 Pm13染色體片段對小麥農藝和產量性狀的影響

郭 軍，李家前，2，李豪圣，王燦國，劉愛峰，程敦公，曹新有，劉建軍，趙振東，宋健民

(1.山東省農業科學院作物研究所/小麥玉米國家工程實驗室&農業部黃淮北部小麥生物學與遺傳育種重點實驗室，山東濟南 250100；2.魯東大學，山東煙臺 264025)

小麥是我國的重要糧食作物之一。隨著我國人口數量不斷增加，小麥需求將持續增長。據預測，2020年我國小麥需求量將達到1.4億～1.5億噸，小麥產量須在現有基礎上每年遞增1.4%，才能保障國家糧食安全[1]。此外，白粉病是小麥最重要的葉部病害之一，可造成小麥產量損失5%～40%[2-3]，位列植物真菌十大病害第六位[4]。因此，培育抗白粉病小麥品種對于保障糧食安全具有重要意義。

高大山羊草(Aegilopslongissima，2n = 14，SlSl)是小麥的近緣植物，含有抗旱、優質、抗白粉病等優異基因，是小麥遺傳改良的重要基因源[5]。研究人員從高大山羊草中鑒定出一個新的小麥抗白粉基因，位于高大山羊草3Sl染色體短臂上，并命名為抗白粉病基因Pm13[6]，它是一個廣譜抗性基因，能夠有效抵抗小麥白粉病菌侵害[7-8]。基于高大山羊草3Sl染色體與小麥3A、3B和3D染色體同源，利用ph1b介導的部分同源重組，創制了小麥-高大山羊草Pm13短片段易位系R1A、R1B、R4A、R5A、R6A、R2A、R2B和R1D。RFLP分析結果表明，易位系R1A、R1B、R4A、R5A、R6A為3B-3Sl易位，其他易位系為3D-3Sl易位[9-10]。根據高大山羊草特異RFLP標記，開發了與Pm13緊密連鎖的SCAR分子標記，并利用這些分子標記對3B-3Sl和3D-3Sl易位系分析發現，在5個3B-3Sl易位系中，R1B中外源染色體片段最小，R6A中外源染色體片段最大；在3個3D-3Sl易位系中，R2B中外源染色體片段最小，R2A中外源染色體片段最大。根據分子標記在染色體的遺傳位置，探明R1B中外源染色體片段最小[11]。

外源優異基因導入小麥后，往往伴隨不利的影響，如長穗偃麥草抗葉銹病基因Lr19與高黃色素含量基因連鎖[35]。Pm13導入小麥是否對小麥農藝、產量等性狀有不利影響，目前并未見相關報道。本研究擬利用創制的RIL群體，分析高大山羊草染色體片段對小麥農藝和產量性狀的影響。

1 材料與方法

1.1 植物材料

高抗白粉病小麥材料R1B及高感白粉病小麥品種濟麥22均系本實驗室保存。以抗白粉病小麥R1B為父本，以高感白粉病小麥品種濟麥22為母本，配制雜交組合。其雜種F1自交得到F2，F2單株連續自交3次，構建RIL群體，其包括69個F2∶5家系，對F2∶5家系進行抗病性鑒定，高感普通小麥品系山農7064作為感病對照材料。R1B為Pm13的載體品種[11]。

1.2 成株期白粉病抗性鑒定

將R1B、濟麥22以及RIL群體于2017年10月種植于山東省農業科學院作物研究所試驗基地，每個材料種植2行，每行30粒，行長1.5 m，行距33 cm，每20行種植感病親本濟麥22和感病對照山農7064，田間自然誘發發病。發病前20 d(4月上旬)灌溉1次，以確保田間濕度。待感病親本濟麥22和感病對照山農7064完全發病后，于小麥灌漿期，每行隨機選擇10株調查白粉病抗性。抗病性調查參照文獻[12]，記載反應型：0級為免疫，1級為高抗，2級為中抗，3為中感，4級為高感。根據反應型，對RIL群體各株系進行分類，分為抗病株系(反應型0～2)和感病株系(反應型3～4)。

1.3 分子標記檢測

于小麥三葉期，取幼嫩葉片,利用CTAB法提取基因組DNA,具體方法參考文獻[13]。利用與抗白粉病基因Pm13緊密連鎖的分子標記Xutv14(F:CGCCAGCCAATTATCTCCATGA;R:AGCCATGCGCGGTGTCATGTGAA)對上述RIL群體及其親本進行基因型分析,PCR引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。PCR反應體系體積為15.0 μL,包括10 × Buffer 緩沖液1.5 μL、2.5 mM dNTP 溶液1.2 μL、Taq 酶0.15 μL、滅菌雙蒸水8.15 μL、50 ng DNA 模板2.0 μL及前引物和后引物 各1.0 μL。PCR擴增程序為95 ℃預變性5 min;35 個循環(94 ℃變性50 s,55 ℃退火1 min,72 ℃延伸2 min);72 ℃延伸10 min;4 ℃保存。PCR擴增產物用2.0%瓊脂糖凝膠電泳分析,EB染色,Bio-Rad凝膠成像儀成像。

1.4 農藝性狀調查

于小麥開花期和灌漿期，參照中華人民共和國農業行業標準《農作物品種區域試驗技術規程-小麥》對抽穗期、開花期、株高、穗長、穗粒數等性狀進行調查分析，每個材料調查30穗。收獲后，利用萬深SC-G自動種子考種及千粒重分析儀對RIL群體進行分析，獲取千粒重、粒長、粒寬、粒周長等參數，每個材料至少分析500粒。

1.5 數據分析

根據基因型和表型鑒定結果，將RIL群體分為2類：抗白粉病組(R組)和感白粉病組(S組)。利用Microsoft Excel 2003 對兩類材料間抽穗期、開花期、千粒重等12個農藝和產量性狀進行T檢驗分析；利用ImageGP軟件(http://www.ehbio.com/ImageGP/)繪制小提琴圖、抖動圖和箱型圖，利用Photoshop CS 4.0對圖片進行處理。

2 結果與分析

2.1 抗白粉病鑒定與分子標記分析

2.2 高大山羊草染色體片段對小麥農藝和產量性狀的影響

T檢驗結果(表1和圖3)表明，RIL群體中，抗白粉病株系和感白粉病株系間株高、抽穗期、開花期、穗粒數、粒長、粒寬、粒周長、穗長、每穗可育小穗數、每穗不育小穗數、千粒重和粒長寬比差異均不顯著(P>0.05)。這說明高大山羊草染色體片段對小麥農藝和產量性狀無明顯不利影響。

A：R1B；B：濟麥22；C～F：4個抗病RIL株系，分別為JMP001、JMP003、JMP005和JMP007；G～J：4個感病RIL株系，分別為JMP002、JMP009、JMP022、JMP027。

1：R1B；2：濟麥22；3～6：4個抗病RIL株系；7～10：4個感病RIL株系。

3 討 論

表1 調查的12個農藝和產量性狀Table 1 Agronomic and yield-related traits investigated in this study

圖3 調查的12個性狀在R組和S組中的波動范圍

外源染色體導入普通小麥后，一方面引入了抗病、抗逆、優質等優異基因，另一方面也將一些不利性狀帶入。長穗偃麥草抗葉銹病基因Lr19抗性強，在小麥抗病育種顯示出巨大的應用潛力，但是其與高黃色素基因連鎖，限制了其在小麥遺傳改良中的應用[25-26]。黑麥1RS染色體導入普通小麥品種后，提高了抗病性、穗粒數、穗重，同時將降低小麥品質的黑麥堿引入[27-31]。因此，在小麥遠緣種基因的利用過程中，在創制小麥-近緣植物染色體短片段易位系的同時，也要開展外源染色體片段對小麥農藝、產量和品質性狀的影響研究[32-34]。本研究利用RIL群體分析了高大山羊草Pm13染色體片段對小麥抽穗期、千粒重等農藝和產量性狀的影響，結果表明，抗白粉病組(R組)和感白粉病組(S組)間，所有調查的12個性狀均無顯著差異(T檢驗)，說明Pm13對抽穗期、開花期、千粒重等農藝和產量性狀沒有明顯不利影響。因此，在今后小麥抗病遺傳改良中，應配制更多含有該基因的雜交組合，培育抗白粉病品種，發揮其在小麥生產上的利用價值。