人工合成六倍體小麥在黃淮麥區育種中的利用性評價

宋全昊 金 艷 宋佳靜 白 冬 趙立尚 陳 杰 朱統泉

（1駐馬店市農業科學院，463000，中國河南駐馬店；2國際玉米小麥改良中心，6-641 06600，墨西哥埃爾巴丹）

小麥是世界上重要的糧食作物之一，最初的六倍體小麥約在公元前8000年至公元前5000年由野生二粒小麥（Triticum dicoccoides，AABB）和節節麥（Aegilops tauschii，DD）天然雜交而成的一個異源六倍體，擁有3個不同的基因組A、B和D[1-2]。因參與最初雜交的野生二粒小麥和節節麥的供體祖先種數量有限[3-4]，加上后來的近親繁殖、長期的定向選育和少數骨干親本的頻繁使用，導致一些關鍵的產量、品質、農藝性狀和抗性等基因在普通小麥中遺傳多樣性低，面對今后復雜的生物及非生物脅迫時會產生喪失抗性等問題。

國內外學者利用四倍體小麥與節節麥雜交、染色體加倍手段，將粗山羊草及四倍體小麥中的大量優良基因導入了六倍體人工合成小麥（synthetic hexaploid wheat，SHW）中[5-7]。國際玉米小麥改良中心（International Maize and Wheat Improvement Center，CIMMYT）從20世紀90年代初開始用硬粒小麥和粗山羊草品系創制了1500余份SHW種質[8-9]。粗山羊草的D染色體組遺傳多樣性高于普通小麥，已證明相比于普通小麥，利用其合成的SHW 材料具有更高的遺傳多樣性和更廣泛的抗病性[10-11]，同時在品質方面具有多樣性的高分子谷蛋白亞基等位基因變異[12]，可以為育種提供更大的選擇空間[13]。

人工合成小麥目前已被多個國家應用于小麥品質和產量等重要農藝性狀的遺傳改良。我國四川省農業科學院于2003年利用人工合成小麥育成高抗條銹病小麥新品種川麥42，產量達6130.00kg/hm2，在四川省區域試驗中2年的平均產量高于對照35%。川麥 42及其衍生品種的育成使我國小麥育種上了一個新的臺階，說明 SHW 可以成功地將合成小麥的抗病基因和優質基因等有利基因性狀轉育到普通小麥中，從而選育出抗病性強、優質穩定的品系[14]。李文才等[15]利用人工合成小麥與普通栽培種小麥雜交構建了2個遺傳群體，通過分析其株高、單株穗數、穗長、小穗數、穗粒數、產量和千粒重等性狀，證明了人工合成小麥對上述性狀具有明顯的正向效應，并在其D組染色體上檢測到影響上述性狀的主效 QTL。王亞娟等[13]以 138份人工合成小麥為材料，對其農藝性狀、白粉病抗性、條銹病抗性和高分子量麥谷蛋白亞基進行研究，結果表明，在138份人工合成小麥種質資源中，篩選出抗白粉病種質27份，抗條銹病種質55份，兼抗白粉病和條銹病種質10份，在Glu-A1位點上存在5個變異類型和1種新亞基；在Glu-B1位點上存在13個等位變異類型和5種新亞基；在Glu-D1位點上存在13種等位變異類型和4種新亞基，證明人工合成小麥在農藝性狀、白粉病抗性、條銹病抗性和高分子量麥谷蛋白亞基方面存在豐富的遺傳多樣性。王麗敏等[16]對 106份人工合成多倍體小麥及其供體種的高分子蛋白亞基組成研究表明，106份人工合成小麥（2n=6x=42，AABBDD）中共檢測到27種亞基類型，其中Glu-D1位點上的變異類型最為豐富，發現了包含 1種未知亞基及新的亞基組合在內的18種不同類型，有不少材料對條銹病抗性優異。人工合成小麥種質資源研究、抗病性基因定位和遺傳分析及品質等方面的分析對我們更好地利用小麥近緣屬的遺傳變異和優良基因資源、豐富現代栽培小麥的遺傳多樣性具有重要意義[13,16-19]。

雖然人工合成小麥已被證明在抗性和品質等方面有較為突出的優勢，然而在豐產性方面與當前的栽培種還有較大的差距，怎樣能夠較好地利用人工合成小麥的有利性狀改良普通栽培品種，還需要進行大量的探索。黃淮麥區是我國小麥主產區[20]，因此，明確人工合成小麥重要種質資源在此地區的生長習性及遺傳特點，挖掘其有利性狀，對促進小麥種質資源創新及其在遺傳育種中的應用具有重要意義。本研究利用自主培育的普通小麥駐麥305和5份SHW材料進行雜交、回交，建立了5個BC2回交群體，通過對SHW、普通小麥、回交群體的農藝性狀和品質性狀調查和分析，明確SHW材料的性狀遺傳特點，明確其利用價值和有效利用方法，以期能夠創制出更多的橋梁材料來豐富現有的種質資源。

1 材料與方法

1.1 供試材料

5份SHW（SHW1、SHW2、SHW3、SHW4和SHW5）來源于國際玉米小麥改良中心。普通小麥材料駐麥305是駐馬店市農業科學院自主選育的經國家農作物品種審定委員會審定的品種，弱春性，抗性好，株高較低，豐產性穩定，具有黃淮麥區品種典型特征。以駐麥305為母本，以5份SHW為父本，進行雜交、回交2次，構建了5個群體大小約為250株的回交群體，分別為BC2-SHW1、BC2-SHW2、BC2-SHW3、BC2-SHW4 和 BC2-SHW5。

1.2 試驗設計

試驗在河南省駐馬店市農業科學院試驗站進行（114.20′ E，32.59′ N），于 2018-2019年和 2019-2020年連續2個小麥生長季節，將5份SHW、5個對應回交群體和駐麥305種植在試驗田。設置3次重復，采用完全隨機區組設計，行長2.00m，行距0.30m，株距0.10m，各材料每個重復種植4行，手工單粒點播，肥水管理與病蟲害防治同大田生產。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 農藝性狀 各材料于收獲前進行農藝性狀的測定，各重復的每份種質隨機選取20株植株，調查性狀包括株高、穗下節長、穗下莖長、穗長、小穗數、穗粒數、單株分蘗數、旗葉長、不育小穗數、千粒重、收獲系數、生物量和產量，為減小誤差，生物量和產量以5株為基本單位進行調查取樣和統計。

1.3.2 籽粒品質性狀 所有材料籽粒收獲曬干后，用近紅外漫反射光譜分析儀（DA7200，瑞典）測定品質指標，包括淀粉含量、纖維素含量、蛋白質含量、面筋含量、水分含量、硬度、SDS沉降值、Zeleny沉降值，每個重復測定5次。

1.4 數據處理

利用軟件 SAS 8.1（SAS Institute，美國）的DUNCAN模塊對各材料性狀作多重比較，顯著性α=0.05。利用SPSS 26對人工合成小麥和回交群體的產量及農藝性狀進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同材料農藝性狀特點

為明確普通小麥、SHW 和回交群體后代農藝性狀的整體特征，對3種類型材料的農藝性狀（株高、穗下節長、穗下莖長、穗長、旗葉長、生物量）進行調查統計。結果（表1）表明，人工合成小麥與普通小麥駐麥305在各項調查的農藝性狀上均表現出差異。

由表1和表2可知，SHW的株高在2年間均顯著高于回交群體和駐麥 305。穗下節長表現為SHW（44.79cm）＞回交群體（29.80cm）＞普通小麥（26.09cm）。SHW的穗下莖長（26.58cm）＞回交群體（10.95cm）＞普通小麥（8.08cm）。說明株高是SHW材料應用時的一個不利因素，與普通小麥雜交后，后代株高顯著降低。穗長方面，SHW的穗長顯著長于回交群體和普通小麥；5份BC2回交群體的穗長與普通小麥之間的差異性表現不完全相同，除BC2-SHW5的回交群體和普通小麥的穗長有顯著差異外，其余4個回交群體的穗長均長于普通小麥，但差異沒達到顯著水平，反映出SHW材料的穗長是一個較為優良的性狀，雖然對后代影響不顯著，但有正向效應。與穗長相似，SHW的旗葉長顯著大于回交群體和普通小麥；不同回交群體和普通小麥之間的差異性不盡相同，只有BC2-SHW2和BC2-SHW3群體與普通小麥之間的旗葉長在2年中達到了顯著差異。表明不同的SHW在穗長和旗葉長方面的遺傳類型較豐富，在SHW運用時要注意后代的表現，挑選合適的親本，此外普通小麥駐麥305本身的穗和旗葉較長，也可能是后代回交群體提升不顯著的原因之一。相對于普通小麥，SHW具有較高的生物量；但除了 BC2-SHW2群體在2019-2020年與駐麥305達到顯著性差異外，其他回交群體與雙親未達到顯著差異；SHW 的高生物量在回交群體中并未充分表現，但不同群體間的變異幅度較大，表明回交群體的生物量性狀更趨向于回交親本駐麥305。

表1 普通小麥駐麥305、SHW及回交群體的農藝及品質性狀Table 1 Agronomic traits and seed quality of common wheat Zhumai 305, SHW and backcross populations

表2 普通小麥駐麥305、SHW及回交群體的農藝性狀比較Table 2 Comparison of agronomic traits of common wheat Zhumai 305, SHW and backcross populations

續表2 Table 2 (continued)

2.2 不同材料產量性狀特點

對SHW、回交群體和普通栽培小麥連續2年的產量相關性狀進行調查統計（表1），表明產量、分蘗數、小穗數、穗粒數、單株不育小穗數、千粒重和收獲系數等各性狀在雙親中均存在明顯差異。由表3可知，SHW的分蘗在2年間均顯著多于回交群體和普通小麥。與普通小麥相比，BC2回交群體的分蘗數得到了顯著提升，如 2018-2019年的BC2-SHW2和 BC2-SHW3、2019-2020年的 BC2-SHW4和BC2-SHW5。同時BC2回交群體材料的分蘗數在2年之間存在一定差異，如BC2-SHW2、BC2-SHW3和BC2-SHW4，說明SHW較強的分蘗優勢可以應用到普通小麥的分蘗改良上來，但會受到年際間環境變化的影響。

表3 普通小麥駐麥305、SHW及回交群體的產量相關性狀比較Table 3 Comparison of yield relative agronomic traits of common wheat Zhumai 305, SHW and backcross populations

SHW的小穗數少于普通小麥；相比SHW，回交群體的小穗數得到較大幅度提升，只有 2018-2019年的BC2-SHW1、BC2-SHW5和2019-2020年的BC2-SHW2未達到顯著差異；BC2-SHW4群體的小穗數相比其親本SHW4顯著提升，但與普通小麥無顯著差異。SHW 的穗粒數明顯少于駐麥 305；BC2回交群體中，除了2018-2019年的BC2-SHW4群體，其余回交群體的穗粒數比SHW親本顯著提高。SHW材料的結實性較普通小麥差，其不育小穗數顯著多于普通小麥駐麥305；回交群體在一定程度上提升了SHW在后代中的育性。人工合成小麥的千粒重明顯低于駐麥305；回交群體的千粒重相對于 SHW 實現了有效提升，除了 2018-2019年BC2-SHW1和BC2-SHW2，其他材料在2年間達到顯著差異水平。以上結果表明這批SHW的千粒重方面雖然較普通小麥低，但通過回交改良，這一缺點可以被克服。SHW 材料的收獲系數遠低于普通小麥，在回交群體中得到提升，達到0.32。SHW的收獲產量低于普通小麥，回交群體比SHW有了較大幅度的提升，僅在 2019-2020年 BC2-SHW1和BC2-SHW5未達到差異顯著水平。

2.3 不同材料品質性狀特點

SHW和普通小麥駐麥305在品質性狀上存在明顯差異。具體分析如下（表4），SHW材料的籽粒水分含量2年間均顯著高于駐麥305，后代回交群體中籽粒水分含量整體提升。SHW 材料蛋白質含量2年間均顯著高于駐麥305，后代回交群體籽粒的蛋白質含量（14.62%）相對于駐麥305（13.77%）實現了提升（表1），僅2018-2019年的BC2-SHW1和 BC2-SHW2群體未達到顯著水平。關于面筋含量，SHW材料2年間均顯著高于駐麥305，且所有材料回交群體的面筋含量也顯著高于駐麥 305。SHW 材料的籽粒硬度較大，回交群體的籽粒硬度處于雙親中間且與雙親均存在顯著差異。淀粉含量上，SHW均顯著低于駐麥305，后代回交群體與駐麥305相比，淀粉含量降低。SHW材料的纖維含量較高，5個回交群體中的纖維含量也較駐麥305顯著提高。SDS沉降值方面，SHW顯著高于駐麥305；回交群體中除了2018-2019年的BC2-SHW1群體，其余群體顯著高于回交親本。與SDS沉降值不同，Zeleny沉降值表現為駐麥305（31.35）＞回交群體＞SHW材料，且差異顯著。總體表明，SHW與駐麥305的品質存在著顯著不同，這批SHW材料在品質方面具有優良的性狀，主要表現為高的纖維含量、面筋含量、SDS沉降值和籽粒硬度且均可不同程度地穩定遺傳給后代群體。

表4 普通小麥駐麥305、SHW及回交群體的品質性狀比較Table 4 Comparison of grain quality of common wheat Zhumai 305, SHW and backcross populations

續表4 Table 4 (continued)

2.4 農藝性狀相關性分析

對SHW和后代回交群體的農藝性狀進行相關性分析，結果（表5）表明，株高與穗下莖長、穗下節長、穗長、旗葉長、單株分蘗數呈顯著正相關，且相關系數穗下莖長（0.97）＞穗長（0.95）＞穗下節長（0.94）＞旗葉長（0.85）＞單株分蘗數（0.76）。說明植株穗下莖長、穗下節長、旗葉長和分蘗能力強的植株株高也相對較高。生物量與穗下莖長、單株分蘗數、株高、穗長、穗下節長、旗葉長和不育小穗數均呈顯著正相關關系，這與SHW的生物量較大相吻合。收獲系數與生物量、穗下莖長、株高、穗下節長、旗葉長、單株分蘗數和不育小穗數呈顯著負相關，與穗粒數和小穗數呈顯著正相關，表明在SHW和其后代回交群體中，植株的生物量越大、穗下莖越長，株高越高的高大植株收獲系數反而越低。產量與株高和穗下節長等農藝性狀呈負相關關系，說明植株過高對籽粒產量不利。產量與小穗數、穗粒數、收獲系數和千粒重呈顯著正相關，相關系數分別為0.52、0.64、0.57和0.47。分析認為生物量沒有與產量呈正相關關系的原因可能是因為SHW的植株較為接近野生型，且脫粒較難，導致收獲系數偏低。因此要提高SHW材料的產量，增加小穗數、穗粒數、千粒重和收獲系數是有效途徑。

表5 SHW與其后代回交群體農藝性狀的相關性分析Table 5 Correlation analysis among agronomic traits of SHW and backcross populations

3 討論

3.1 回交方法的利用

回交可以重建受體背景，后代群體表現出高比例的輪回親本基因型，同時保留少量供體親本的染色體片段，從而實現基因的轉移。Liu等[21]利用普通小麥“萊州953”和SHW“Am3”雜交并連續回交，建立了一套小麥導入系，檢測到了一些農藝性狀的QTL位點，多數性狀的均值都偏向輪回親本，并超輪回親本，認為回交手段進行染色體的導入能有效排除不同遺傳背景對基因的干擾，導入系和輪回親本之間的表型差異是由導入片段引起的。甘斌杰等[22]用矮敗小麥不育株為母本，4個普通小麥品種（系）為父本連續回交3次，衍生出的120份后代群體，通過對各群體的不育株、可育株的株高、穗長和千粒重等性狀進行相關分析，探討了矮敗基因回交轉育的效應。滿強等[23]利用旱地小麥“長6878”為供體親本，水地品種“濟麥22”為輪回親本進行回交，表明 BC2后代農藝性狀改良效果明顯，后代材料在株高、穗長、穗下節長、分蘗數等性狀偏向于輪回親本“濟麥22”，同時在小穗數、穗粒數、單株生物學產量、單株粒重、千粒重和經濟系數等性狀中存在超親效應。川麥38和川麥42及一批具有高產、優質和高抗條銹等特點中間材料就是通過用四倍體小麥和節節麥人工合成利用雜交回交的手段育成的[19]。目前也有研究正在利用導入系的這一特點進行目標性狀基因的發掘和定位[24]。本試驗也是采用5份SHW為供體親本，黃淮麥區主栽品種普通小麥駐麥305為受體親本，回交2代獲得的后代群體，通過對雙親及后代群體的性狀調查和測定來進行多性狀分析，進而明確SHW的特點及遺傳規律，表明回交手段可以將一些性狀穩定遺傳給后代，與前人研究[23]結果一致。

3.2 SHW種質的產量性狀利用

SHW具有豐富的遺傳多樣性，蘊藏著抗病、抗穗發芽、優良品質等基因，進一步開展小麥高產、抗病、優質育種具有較大的潛力。目前來源于不同粗山羊草的SHW材料已經被廣泛應用于小麥育種過程中[6]，選育出了一批抗性突出的種質資源，此外利用這些人工合成材料還選育了川麥42等小麥新品種[7]。Del等[25]研究表明，在選用的6個SHW與春小麥的回交群體中，超過80%的株系千粒重顯著高于各自的回交親本，認為利用SHW的千粒重優勢將成為現代小麥改良最有效的途徑之一。本研究的SHW與普通小麥雜交、回交的后代群體，其產量相關性狀均處于雙親之間。SHW的株高、穗下節、穗下莖、穗長、穗粒數、千粒重等與普通小麥存在顯著差異，充分表明了SHW與普通小麥之間存在豐富的遺傳多樣性，為優異資源的篩選提供了遺傳基礎。SHW具有較高的株高、較長的穗長、較強分蘗能力和較大的生物量等特點，與之前研究[26]較為一致。本研究中SHW的千粒重比普通小麥駐麥305低，遺傳規律是后代回交群體的千粒重處于雙親之間，分析認為可能是因為SHW的親本選擇時只注重了生育期及適應性的問題，沒有偏重選擇那些千粒重高的材料，且普通小麥駐麥305的親本千粒重中等偏高。雖然結果與前人研究[19]的人工合成麥千粒重較高的結果不相同，但是其遺傳規律一致，同樣也證明了人工合成麥的千粒重性狀能夠在后代中較好地延續。試驗所選的SHW材料在產量方面優勢并不明顯，株高、小穗數、穗粒數等是其不利因素，但是可以利用其較強的分蘗能力和抗性等來作為橋梁改善普通小麥的相關性狀。

3.3 SHW的品質性狀利用

小麥育種是一個龐大而又系統的工程，如何協調品質與產量的矛盾一直是研究者關注的熱點。目前我國育成的小麥品種多數為1BL/1R易位系衍生后代，20世紀80年代1BL/1R易位系的使用為我國小麥產量的提高做出了突出貢獻，但易位系含有黑麥堿，對面筋強度和耐揉性有不利影響，從而對加工品質造成不良影響，這也是我國育成品種品質較差的原因之一[27-28]。湯永祿等[29]通過SHW“Syn-CD780”與普通小麥品種“CY12”雜交，分析了SHW導入對普通小麥品質的影響及其潛在利用價值，結果表明，后代群體的籽粒硬度、籽粒蛋白質含量、降落值、濕面筋含量、吸水率、形成時間和穩定時間7個品質參數的平均值都介于2個親本之間。指出SHW“Syn-CD780”在小麥品質改良上有一定的潛在利用價值。王麗敏等[16]分析了引自 CIMMYT的106份人工合成小麥，結果表明，在利用小麥的野生近源種屬合成的這些人工合成小麥材料中蘊含著豐富的優質蛋白基因，此外，抗性鑒定表明部分人工合成材料對條銹病抗性優異。本研究表明，回交群體的品質性狀指標處于雙親之間，且多數性狀與雙親達到顯著差異，5份SHW材料的蛋白質含量、纖維含量、籽粒水分含量和面筋含量均顯著高于駐麥305。說明試驗選用的這5份SHW材料在品質方面具有優良的性狀，與王麗敏等[16]和湯永祿等[29]研究結果一致。以上分析提示我們SHW材料是重要的種質資源，向普通小麥中轉育這些優質蛋白基因可以有效提高我國小麥品質育種的效率，選擇那些含優質亞基及抗性好的親本應用于小麥育種，有望得到兼具抗病性與優良品質的品種。

3.4 SHW產量性狀的相關性分析

滿強等[23]通過對回交二代后代群體的株高、穗長、穗下節間長、分蘗數、小穗數、穗粒數、單株生物學產量、單株粒重、千粒重和經濟系數10個農藝性狀進行相關分析，指出在回交群體中，單株粒重與單株生物學產量、分蘗數、穗長、千粒重和穗粒數呈極顯著正相關，與本研究中籽粒產量與小穗數、穗粒數、收獲指數和千粒重存在顯著正相關結果一致，但產量與株高、生物量等指標呈顯著負相關，原因是人工合成小麥的較高的株高和生物量，以及較低的收獲系數導致。蔣進等[30]統計了2008-2018年四川省審定的100個小麥品種的農藝性狀和品質性狀，相關性分析結果表明，產量提高是穗粒數提高的結果，植株過高和生育期過長對產量的形成不利，而千粒重與籽粒產量相關性不明顯。Del等[25]研究認為，千粒重對產量的直接作用系數明顯高于二者間的相關系數，主要由于其他間接負作用所致，指出SHW的千粒重優勢將成為小麥改良有效的途徑之一。孫婷[31]研究表明，利用人工合成小麥與普通小麥栽培品種雜交，雜種后代中株高與分蘗數、小穗數、穗粒數、穗粒重、單株產量、穗長、穗軸節間長和穎殼強度均具有顯著正相關關系，分蘗數與雜種后代的穗長、小穗數和單株產量呈顯著正相關關系，這些提示我們能夠在雜種后代中選育出農藝性狀優良的分離類型。但本研究還存在部分需要解決的問題，如選用的人工合成群體偏小，未進行多年的跟蹤調查，抗病性情況未作鑒定分析等。接下來我們將拓寬對材料的抗病蟲性、抗旱性、抗穗發芽性、光合性狀和灌漿情況等的調查，深入對優異性狀基因的發掘和定位，探索在品質改良方面的遺傳規律，進一步明確SHW的應用價值。

4 結論

連續 2年對 5份 SHW 及其與普通小麥駐麥305回交群體的農藝性狀、產量及品質性狀進行調查分析，明確了株高、小穗數、穗粒數和收獲系數等是SHW的不利因素，但其具有較強的分蘗能力。SHW的纖維含量、面筋含量、蛋白含量和硬度均高于普通小麥駐麥305，達到顯著差異水平。后代回交群體株系中將SHW的高分蘗力、高生物產量、高蛋白含量、高面筋含量和普通栽培小麥的多花多實特性、矮稈特性、高收獲系數等性狀實現了聚合，證實SHW在黃淮麥區可作為中間材料加以利用。