1個新的小麥矮稈突變體的遺傳效應

潘文秋，喬朋放，侯炳旭，張浩彬，游 銀，郝佳敏，陳曉杰，胡銀崗,3，陳 亮,3

(1.西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌 712100；2.河南省科學院 同位素研究所有限責任公司/河南省核農學重點實驗室,鄭州 450015；3.旱區作物逆境生物學國家重點實驗室，陜西楊凌 712100)

株高是影響小麥產量的重要因素，矮稈基因的利用，為小麥單產的不斷提升做出巨大貢獻。目前，已推廣的小麥品種中應用的矮稈基因主要是Rht-B1b、Rht-D1b和Rht8，存在矮源單一化問題，加強研究和改良現有矮源，尋找和發掘新矮源，對小麥高產育種具有重要意義[1]。20世紀60年代，小麥矮稈基因Rht-B1b和Rht-D1b的應用引發農業生產的“綠色革命”[2]，揭開小麥、水稻等作物的矮化育種序幕，同時也為育種家提供新的育種思路。小麥作為中國主要糧食作物，在其生產中引入矮稈基因，可顯著提高小麥的抗倒伏性和收獲指數，同時其耐高肥水能力也有明顯提高，使小麥的產量大幅度增加[3]。目前，已經報道并命名的主效矮稈基因有25 個[4]，但生產上推廣的主要小麥品種，攜帶Rht-B1b或Rht-D1b基因的至少占70%[5]。楊芳萍等[6]對來自14 個國家的100 份代表性小麥品種的矮稈基因分析表明，Rht-B1b和Rht-D1b基因的分布頻率分別為43.0%和35.0%。許琦等[7]對中國冬麥區210個小麥品種的矮稈基因分析表明，攜帶Rht-B1b、Rht-D1b和Rht8基因的品種比例分別為24.3%、19.0%和44.8%。張德強等[8]對黃淮麥區20世紀及近年來新育成的129份小麥品種所含矮稈基因分析表明，含Rht-B1b、Rht-D1b和Rht8基因的比例分別為28.7%、56.6%和69.0%，僅有4.7%的品種不含有上述3 種基因。孫樹貴等[9]對美國的67份小麥品種以及唐娜等[10]對中國主麥區小麥品種的檢測結果也表明小麥矮稈基因應用較為單一。因此，小麥矮稈基因在生產中的應用單一化，使遺傳背景較為狹窄，導致育成品種的遺傳多樣性降低，可能會成為小麥產量繼續提升的瓶頸，不利于小麥生產的可持續發展[11]。因此，要提高小麥產量，實現矮化、抗倒伏育種的新突破，就必須要發現或創造新的矮源，并進一步加強對已知矮稈基因的研究及利用[12]。本研究以小麥品種‘邯6172’和‘邯6172’矮稈突變體為材料，對株高、分蘗數、小穗數、穗粒數、千粒質量、產量等相關農藝性狀進行測定，以明確‘邯6172’矮稈突變體的矮化效應。同時，對‘邯6172’和‘邯6172’矮稈突變體進行小麥35 K SNP芯片篩查，分析其突變位點及效應。以期為‘邯6172’矮稈突變體的育種應用及致矮機制解析提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以小麥品種‘邯6172’和‘邯6172’矮稈突變體(“實踐八號”太空搭載選育，由河南省科學院同位素研究所提供)為試驗材料。田間試驗在陜西楊凌西北農林科技大學旱區節水農業研究院試驗農場進行。

1.2 赤霉酸(GA3)反應

參照唐娜等[13]的測定方法，‘邯6172’和‘邯6172’矮稈突變體各取 40 粒大小一致的種子，分別播入 2 個鋪有濾紙直徑 10 cm的培養皿中(各 20 粒)，其中一個培養皿澆 5 mg/L的外源GA3溶液，另一個培養皿澆相同數量的蒸餾水作為對照。保持濕潤，在 24 ℃ 室溫下暗室培養，待第 1 葉完全展開時，用直尺測量各品系的胚芽鞘及第 1 葉長度(精確到 1 mm)，取平均值并進行方差分析，以確定‘邯6172’矮稈突變體對外源GA3的反應類型。

1.3 ‘邯6172’矮稈突變體的主要農藝性狀鑒定

2016年10月和2017年10月，將小麥品種邯‘6172’和‘邯6172’矮稈突變體的種子按行距 20 cm 、株距 6 cm 播種，生育期間進行田間主要農藝性狀的觀察與統計，成熟后按單株收獲，并進行差異顯著性分析。根據小麥生長發育進程，在灌漿后期測量各單株的株高、莖節長度、分蘗數、小穗數和穗粒數等主要農藝性狀；在收獲后，測定單株產量、千粒質量、生物量和收獲指數。

1.4 SNP芯片分析

利用小麥 35 K SNP芯片(Axioma Wheat Breeder Genotyping Array)對‘邯6172’和‘邯6172’矮稈突變體進行差異SNP分析，以分析突變頻率及突變位點，并為后續初步定位矮稈相關基因或其他優異基因提供參考。

2 結果與分析

2.1 ‘邯6172’矮稈突變體的赤霉酸(GA3)反應

用外源GA3分別對小麥品種‘邯6172’和‘邯6172’矮稈突變體進行外源GA3反應鑒定。結果表明(表1)：外源GA3處理后，‘邯6172’及‘邯6172’矮稈突變體的胚芽鞘長度和第1葉長度均有增加，但都未達到顯著水平；不施加外源GA3時，‘邯6172’矮稈突變體的胚芽鞘長度較‘邯6172’縮短11.4%，外源GA3處理后，‘邯6172’矮稈突變體的胚芽鞘長度較‘邯6172’沒有顯著差異；不施加外源GA3時，‘邯6172’矮稈突變體的第 1 葉長較‘邯6172’縮短24.0%，外源GA3處理后，第 1 葉長較‘邯6172’縮短20.0%。雖然‘邯6172’矮稈突變體對外源GA3敏感性不顯著，但GA3處理不同程度地恢復‘邯6172’矮稈突變體的野生型表型，與‘邯6172’的差異縮小。‘邯6172’矮稈突變體對外源GA3敏感性較弱，應為GA3遲鈍型矮化類型，其矮化可能不是由內源GA3合成代謝缺陷導致的。同時，在不施加外源GA3時，‘邯6172’突變體的胚芽鞘長度和第 1 葉長度均較‘邯6172’顯著縮短，可能會影響‘邯6172’突變體的苗期活力。

表1 GA3對‘邯6172’矮稈突變體及‘邯6172’胚芽鞘及第1葉長度的效應Table 1 Effect of gibberellic acid treatment on length coleoptile and first leaf of wheat lines‘Han 6172’ and ‘Han 6172 mutant’

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note:Different lowercase letters within columns indicate statistically significant differences(P<0.05).The same below.

2.2 矮化效應對株高及相關性狀的影響

田間試驗結果發現：‘邯6172’矮稈突變體的株高較‘邯6172’顯著降低，2 a 試驗株高分別降低 12.3 cm(15.3%)和12.5 cm(14.6%)，但矮化效應并沒有減少莖節個數，而是通過減少各莖節的長度來降低株高(表2)。‘邯6172’矮稈突變體第1莖長度較‘邯6172’分別降低 2.3 cm(46.0%)和2.1 cm(33.8%)；第 2 莖長度分別降低 1.8 cm(18.9%)和1.7 cm(17.5%)，第 3 莖長度分別降低 0.7 cm(4.6%)和1.2 cm(7.8%)，第 4 莖長度分別降低 4.2 cm(25.6%)和4.2 cm(24.6%)，穗下莖長度分別降低 3.1 cm(11.8%)和2.5 cm(10.1%)；各莖節長度降幅表明植株矮化的主要原因是第 4 莖及穂下莖長度降低。‘邯6172’矮稈突變體的穗長、旗葉長寬和旗葉面積相比于‘邯6172’沒有負面效應。但是，矮稈突變體在降低株高的同時，推遲抽穗期和開花期，矮稈材料的抽穗期比高稈材料晚3 d，開花期推遲3 d(表3)，在育種應用時應注意生育期變化對小麥生長發育及最終產量的影響。

表2 ‘邯6172’矮稈突變體和‘邯6172’的株高及相關性狀Table 2 Plant height and related traits of wheat lines ‘Han 6172’ and ‘Han 6172’ mutant

表3 ‘邯6172’矮稈突變體及‘邯6172’的發育進程Table 3 Heading and flowering growth stages of wheat lines ‘Han 6172’and ‘Han 6172’ mutant

2.3 ‘邯6172’矮稈突變體產量性狀鑒定

研究發現，與‘邯6172’相比，‘邯6172’矮稈突變體的小穗數和穗粒數沒有顯著變化，‘邯6172’矮稈突變體的有效分蘗數和千粒質量顯著降低，有效分蘗數分別降低 1 個(14.3%)和 1 個(11.1%)，千粒質量分別降低 3.3 g(6.7%)和 2.1 g(4.5%)，從而使其單株產量顯著降低；由于‘邯6172’矮稈突變體的生物量顯著降低，分別降低 6.8 g(14.7%)和 8.4 g(18.8%)，使其收獲指數較‘邯6172’顯著增加，分別增加12.2%和12.8%(表4)。

表4 ‘邯6172’矮稈突變體及‘邯6172’產量組成性狀Table 4 Yield composition traits of wheat lines ‘Han 6172’and ‘Han6172’ mutant

2.4 ‘邯6172’和‘邯6172’矮稈突變體的SNP差異分析

通過 35 K 芯片掃描分析，在‘邯6172’與‘邯6172’突變體中共發現 3 613 個純合差異SNP，變異豐富，平均 4.1 Mb就有1個突變。其中2B、2D、5B和6B染色體上的差異SNP最多，4B、4D和7A染色體上的差異SNP最少，另外有 14 個SNP未定位到已知的染色體(圖1)。

3 討 論

株高對小麥產量有著重要影響，矮稈基因的發現和利用引發第一次綠色革命并大幅度提高小麥產量，然而，目前生產上廣泛應用的矮稈基因較為單一，主要是Rht-B1b和Rht-D1b，不利于拓寬遺傳基礎以及產量、品質的持續提升；除此之外，Rht-B1b和Rht-D1b會縮短胚芽鞘長度，影響苗期活力，尤其在干旱半干旱地區會影響出苗和幼苗群體的建成。因此，發掘新的矮源，促進其合理利用，對于小麥矮化、抗倒伏育種具有重要的理論和實踐意義。

圖1 各染色體SNP數量Fig.1 Number of SNPs per chromosome

本研究利用‘邯6172’和‘邯6172’矮稈突變體為材料，進行遺傳特性分析，發現該矮稈突變體對外源赤霉酸敏感性較弱，且對胚芽鞘長度和苗期第 1 葉有負面效應，可能會不利于苗期活力和幼苗形態建成，育種應用時應考慮改良該效應。同時，‘邯6172’矮稈突變體的降稈效應為15.0%，表現出很強的抗倒伏性，且對旗葉長寬和旗葉面積沒有負面影響。劉秉華等[14]和Ellis等[15]研究表明，Rht-B1b和Rht-D1b的降稈強度約為20%，Rht-B1b+Rht-D1b的降稈強度則較強，可達48%。Ellis等[16]和Bonnett等[17]報道，Rht-B1b和Rht-D1b具有顯著降低小麥株高的能力，降稈效應約為20%～30%，而Rht8的降稈效應僅為10%。可見‘邯6172’矮稈突變體的降稈效應要比Rht-B1b和Rht-D1b低一些，但是高于Rht8的降稈強度。另外，降稈效應較強的矮稈基因還有Rht12、Rht10、Rht5和Rht13，其降稈效應分別為45%、69%、55%和34%[18]，但是這些矮稈基因的遺傳效應和致矮機制還不清楚，應用價值尚不明確，在生產上應用并不廣泛。Rht13由于通常會延遲抽穗時間約1周左右，不利于籽粒的生長發育；Rht10也會大幅度地延遲抽穗時間，從而對產量產生不利影響[11, 19]。本研究中矮稈材料的抽穗期比高稈材料晚3 d，開花期推遲3 d，在一定程度上減少倒春寒的危害，但這種晚熟特性也可能縮短最佳的灌漿時間，導致矮稈材料千粒質量降低。矮稈材料的小穗數和穗粒數較高稈材料沒有明顯變化，但由于其有效穗數和千粒質量減小，導致單株產量降低。在生產上，可以通過增加基本苗數，彌補有效分蘗不足對穗數的影響。由于矮稈材料的生物量顯著減少，導致其收獲指數顯著增加。育種中可通過回交或與其他優良品種雜交，進一步改良‘邯6172’矮稈突變體的開花期、千粒質量等農藝性狀，為其育種利用奠定基礎。

小麥 35 K 芯片檢測發現，該突變體突變位點較多，株高降低可能是多個位點突變的綜合效應，而非簡單的單基因突變。也表明太空誘變效應較強，可獲得豐富的變異。本研究將構建該突變體的定位群體，為挖掘主效株高調控位點提供材料。