谷子中矮稈資源創(chuàng)制、遺傳解析和育種利用

刁現(xiàn)民 王立偉 智 慧 張 俊 李順國(guó) 程汝宏

1 作物基因資源與育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所, 北京 100081; 2 河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所, 河北石家莊 050035

谷子是中國(guó)起源的特色作物, 栽培歷史悠久,是中華農(nóng)耕文明的載體作物。谷子抗旱節(jié)水特性突出, 是旱作生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主栽作物, 在我國(guó)北方糧食安全和產(chǎn)業(yè)振興中具有重要地位[1]。谷子生產(chǎn)對(duì)農(nóng)業(yè)多樣性至關(guān)重要, 西北地區(qū)和東北地區(qū)水資源和旱情日益加重, 華北地區(qū)地下水超采嚴(yán)重形成巨大的地下漏斗, 抗旱節(jié)水的谷子成為首選的替代作物, 展示出谷子生產(chǎn)的廣闊前景, 但倒伏是限制谷子機(jī)械化和產(chǎn)業(yè)化水平提升的關(guān)鍵因素之一。株高是作物的核心株型性狀和控制產(chǎn)量的主要性狀, 也是解決倒伏問(wèn)題和適應(yīng)機(jī)械化作業(yè)的關(guān)鍵性狀。20 世紀(jì)60 到70 年代, 小麥和水稻等主要農(nóng)作物的綠色革命, 基本解決了倒伏和耐肥水問(wèn)題,帶來(lái)了產(chǎn)量的顯著提升, 同時(shí)株高的降低, 也為后來(lái)的機(jī)械化收獲提供了方便[2-5]。對(duì)小麥和水稻綠色革命基因Rht和SD1的遺傳和分子解析, 并結(jié)合其他育種技術(shù)的提升, 使作物抗倒伏和株型育種提高到了一個(gè)新高度, 也帶來(lái)小麥水稻生產(chǎn)潛力持續(xù)攀升[6], 同時(shí), 水稻和小麥在矮稈抗倒伏育種上的成功也為其他作物提供了經(jīng)驗(yàn)。

雖然谷子是我國(guó)起源的古老作物, 但遺傳育種水平和水稻小麥差距巨大, 到20 世紀(jì)90 年代中后期, 谷子生產(chǎn)用品種仍以高稈為主, 夏谷一般株高130～160 cm, 春谷150～170 cm, 個(gè)別品種的株高甚至超過(guò)200 cm, 倒伏經(jīng)常發(fā)生, 更不適合機(jī)械化田間管理和收獲。因此, 進(jìn)行中矮稈谷子親本創(chuàng)新和育種成為生產(chǎn)的迫切需要。我國(guó)廣大谷子科技工作者很早就重視中矮稈谷子資源的創(chuàng)制和利用, 先后培育出延矮、安矮、鄭矮號(hào)等各類矮稈材料, 但一直缺乏對(duì)矮稈材料的系統(tǒng)整理, 矮稈材料在育種和生產(chǎn)中的利用有限。20 世紀(jì)90 年代, 矮88 的育成和噸谷在育種和生產(chǎn)上的利用標(biāo)志著谷子中矮稈利用的新時(shí)代。杜瑞恒等[7]1995 年對(duì)我國(guó)谷子矮稈材料曾做過(guò)綜述性總結(jié), 但近年來(lái)谷子矮稈材料的創(chuàng)制、遺傳分析和育種應(yīng)用都發(fā)生了很大變化, 本文對(duì)谷子矮稈材料的創(chuàng)制和育種利用進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和綜述, 以期為谷子育種和生產(chǎn)利用提供綜合信息。

1 谷子中矮稈資源創(chuàng)制及其類型

1.1 谷子矮稈材料的創(chuàng)制

1961 年印度學(xué)者Ratnaswamy 和Dhanaraj 報(bào)道,從栽培谷子品種Co2 中發(fā)現(xiàn)一個(gè)株高降低50%且不倒伏的矮稈材料, 這是首個(gè)矮稈谷子的報(bào)道[8]。早在20 世紀(jì)70 年代, 我國(guó)谷子科技工作者就開始了各類谷子矮稈材料的創(chuàng)制和選育, 以陜西省延安地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所利用輻射誘變獲得的延矮1 號(hào)為最早, 但正式報(bào)道要到1986 年師公賢在《陜西農(nóng)業(yè)科學(xué)》發(fā)表矮稈谷子遺傳分析[9]。谷子的矮稈材料來(lái)源包括輻射誘變、EMS 誘變、自然變異和遠(yuǎn)緣雜交等, 以輻射誘變的居多。河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所丁如坤[10]利用Co60處理農(nóng)家品種鄲城六茬白, 處理當(dāng)代和新農(nóng)724 雜交, 在后代選育出了73r19、78r07 和鄭71 矮等矮稈品系。孟昭桂等[11]利用Co60處理夏谷品種青到老, 從處理后代選育出鄭矮2 號(hào)等矮稈材料。除物理誘變外, 化學(xué)誘變也是創(chuàng)制矮稈材料的有效方法, 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所刁現(xiàn)民團(tuán)隊(duì)利用甲基磺酸乙酯(EMS)誘變獲得了多個(gè)谷子矮稈材料[12-14]; 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)袁蕊[15]也成功利用EMS 誘變創(chuàng)制了谷子矮稈材料。在自然變異利用方面, 李東輝在夏谷品種寧黃1 號(hào)大田發(fā)現(xiàn)了矮稈突變體, 自交穩(wěn)定后培育成矮寧黃新品種。姚占廷在豐產(chǎn)品種昭谷1 號(hào)大田發(fā)現(xiàn)了矮稈突變體, 自交穩(wěn)定后獲得了84133 矮稈純系, 并利用這個(gè)材料培育出蒙古6 號(hào)矮稈品種[16]。印度學(xué)者Ratnaswamy 和 Dhanaraj[8]報(bào)道的 Co2 矮稈和Dineshkumar 等[17]報(bào)道的3 個(gè)矮稈sic24、sic25 和sic26 均是自然產(chǎn)生的突變體。谷子品種資源中很多矮稈材料來(lái)源于自然變異, 如農(nóng)家品種的大青秸和寬九等; 還有很多矮稈材料來(lái)源不清, 這樣的材料多數(shù)是自然變異。在遠(yuǎn)緣雜交產(chǎn)生矮稈方面, 河北省滄州地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所朱秀華用谷子和高粱雜交, 盡管其機(jī)制尚不清楚, 但也產(chǎn)生了各類矮稈變異, 特別是葉穗直立的矮稈材料已在育種中得到應(yīng)用[18]。矮協(xié)1 號(hào)和矮協(xié)2 號(hào)等矮稈材料也是通過(guò)不同地理類型間谷子雜交, 在后代中選育出來(lái)的。杜貴和崔文生等利用谷子高度雄性不育系進(jìn)行雜交或構(gòu)建“動(dòng)態(tài)基因庫(kù)”, 選育出壩矮號(hào)矮稈谷子材料[19]。盡管廣大谷子科技工作者在育種實(shí)踐中創(chuàng)制了多種多樣的谷子矮稈材料, 但對(duì)矮稈材料系統(tǒng)梳理相對(duì)缺乏, 杜瑞恒等[7]報(bào)道過(guò)對(duì)谷子矮稈材料的梳理和GA 敏感性測(cè)定, 以后刁現(xiàn)民團(tuán)隊(duì)收集了各類谷子矮稈材料, 測(cè)定了這些材料矮稈性狀的顯隱性[20], 結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道, 將谷子矮稈材料整理如表1所示。

表1 谷子矮稈材料的顯隱性Table 1 Dominant or recessive of dwarf foxtail millet

1.2 谷子矮稈材料對(duì)GA 敏感性和類型

作物矮稈材料的形成多和赤霉素(GA)的合成及信號(hào)傳導(dǎo)通路的基因突變有關(guān)。對(duì)GA 敏感的材料多數(shù)是GA 合成途徑基因的改變, 而對(duì)GA 不敏感的材料多是GA 受體或信號(hào)通路基因的突變。杜瑞恒等[7]試驗(yàn)表明, 我國(guó)多數(shù)谷子矮稈材料對(duì)GA 敏感,如矮寧黃、安矮5 號(hào)、麥谷1 號(hào)、矮協(xié)1 號(hào)等, 僅赤峰市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)的84133 為不敏感。錢繼岳等[20]對(duì)近50 份谷子矮稈進(jìn)行的鑒定, 也發(fā)現(xiàn)只有84133 對(duì)GA 不敏感。陳金桂等[21-22]對(duì)84133、623C和矮寧黃進(jìn)行GA 處理, 也發(fā)現(xiàn)84133 不敏感, 而623C 和矮寧黃對(duì)GA 敏感, 外施GA 可以恢復(fù)623C和矮寧黃的株高。趙麗娟等[23]對(duì)谷子輻射誘變形成的矮稈突變體d93090 的分析, 表明其也是GA 敏感型。印度學(xué)者Dineshkumar 等[17]報(bào)道的3 個(gè)谷子矮稈材料對(duì)GA 不敏感。從這些結(jié)果看出, 谷子的矮稈材料多數(shù)是GA 合成過(guò)程中的變異, 少數(shù)是GA 信號(hào)通路或者其他機(jī)制導(dǎo)致的變異(表1)。除GA 外, 一些谷子矮稈可能是油菜素內(nèi)酯(BR)系統(tǒng)發(fā)生的變異,如T539[24]。

谷子矮稈材料劃分為穗下垂型和穗直立型兩類,這主要是基于形態(tài)上的表現(xiàn)。矮寧黃、噸谷、寬九、濟(jì)矮5 號(hào)等矮稈材料的株型和高稈材料沒(méi)有顯著改變, 苗期葉片較寬且深綠, 拔節(jié)后葉片披垂, 抽穗后穗下彎。這種類型屬于下垂型, 此類材料株高的降低多數(shù)是由于節(jié)間的縮短造成, 植株的節(jié)數(shù)和葉片數(shù)沒(méi)有改變。矮協(xié)1 號(hào)、延四直、矮88、晉汾矮6 號(hào)等矮稈材料在植株變矮的同時(shí), 葉片變短且直立, 穗頸變短穗直立, 整體表現(xiàn)了緊湊的株型。無(wú)論是下垂型還是直立型矮稈, 由于株高的降低, 抗倒伏性均顯著提高。下垂型矮稈由于葉片大小和形態(tài)未改變, 仍存在著株間遮擋郁閉的問(wèn)題, 耐密性較差; 直立型矮稈整體株型緊湊, 單株占據(jù)空間小,相對(duì)耐密植。但這類材料多數(shù)在降低株高的同時(shí),伴隨著穗變小、秕谷率高等眾多問(wèn)題。

1.3 谷子矮稈材料生理特征

多年多點(diǎn)對(duì)谷子矮稈材料的觀察和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),所有矮稈材料在株高降低的同時(shí), 也表現(xiàn)了明顯的早衰, 主要特征是后期生長(zhǎng)勢(shì)弱, 籽粒灌漿受影響,秕谷率高, 影響產(chǎn)量的提高。籍貴蘇等[25]對(duì)高稈和矮稈谷子品種的根系進(jìn)行了比較, 高稈組的品種包括181、8337、寧229、高39、青豐谷和豫谷1 號(hào), 株高在125 cm 左右, 葉片披散, 穗于頂部彎曲下垂;矮稈組材料包括矮88、麥谷1 號(hào)、矮寧黃、遼水、737 青、交176 等, 株高在60～80 cm, 有披散和緊湊2 種株型。分析發(fā)現(xiàn)矮稈材料根系量顯著低于高稈材料, 說(shuō)明根系弱可能是矮稈材料早衰的原因。通過(guò)對(duì)高矮稈品種個(gè)體發(fā)育與產(chǎn)量的相關(guān)分析, 矮稈比高稈品種前期發(fā)育早, 但植體灌漿期干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)移變化不明顯; 高稈品種植株灌漿期干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)移變化明顯, 籽粒產(chǎn)量源于植株中的營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)移和開花后的光合產(chǎn)物積累[26]。

印度學(xué)者Dineshkumar 等[17]報(bào)道的sic 24、sic 25和sic 26 三個(gè)矮稈材料表型完全相似, 開花期株高為73.53 cm, 而高稈對(duì)照為127.45 cm; 矮稈材料的分蘗數(shù)平均為7.62 個(gè), 高稈對(duì)照5.28 個(gè); 高稈和矮稈材料的節(jié)數(shù)是一樣的, 差別在節(jié)間長(zhǎng)度。就單株生物量而言, 矮稈低于高稈材料, 但矮稈的收獲指數(shù)(the harvest index, HI)為 41.43%, 高于高稈的38.64%。

袁蕊[15]對(duì)EMS 處理晉谷21 獲得的矮稈材料的分析發(fā)現(xiàn), 矮稈材料葉片中的葉綠素a、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量低于晉谷21, 葉綠素b含量只有在抽穗期高于晉谷21, 其他生育期均低于晉谷21;拔節(jié)和抽穗期矮稈突變體葉片中的可溶性總糖含量均低于晉谷21, 灌漿期卻高于晉谷21, 還原糖和纖維素在各生育期都低于晉谷21, 淀粉含量在拔節(jié)和灌漿期均高于晉谷21; 矮稈材料莖粗和分蘗數(shù)顯著高于晉谷21, 穗長(zhǎng)和總節(jié)數(shù)沒(méi)有顯著變化, 每段節(jié)間長(zhǎng)極顯著或顯著低于晉谷21, 葉寬和葉面積顯著高于晉谷21, 但是其穗重、粒重、莖葉重和總生物量方面顯著低于晉谷21, 千粒重沒(méi)有顯著變化。

2 谷子矮稈性狀的遺傳解析和基因定位

2.1 谷子矮稈材料的遺傳控制

目前發(fā)現(xiàn)的谷子矮稈材料除少數(shù)幾個(gè)外, 多數(shù)未進(jìn)行遺傳分析。師公賢等[9]將矮稈材料延096 與高稈不育材料安A 進(jìn)行雜交, 證明延096 的矮化性狀由隱性單基因控制。延096 是由Co60輻射誘變而來(lái), 所以當(dāng)時(shí)認(rèn)為經(jīng)過(guò)誘變產(chǎn)生的谷子矮稈突變體都是隱性單基因遺傳突變?cè)斐傻?。孟昭桂等[11]將株高70 cm 的鄭矮2 號(hào)和株高120 cm 左右的高稈材料衡研130 和青到老雜交, 2 個(gè)F1代均表現(xiàn)高稈, 說(shuō)明鄭矮2 號(hào)的矮稈為隱性。鄭矮2 號(hào)和衡130 的F2表現(xiàn)15∶1 的分離比例, 說(shuō)明以衡研130 為背景, 鄭矮2 號(hào)含有2 個(gè)隱性矮稈基因。但鄭矮2 號(hào)和其原始來(lái)源品種青到老雜交的F2, 表現(xiàn)了3∶1 的分離比例,說(shuō)明在青到老背景下, 鄭矮2 號(hào)的矮稈基因?yàn)閱位螂[性。也意味著青到老自身含有一個(gè)衡研130 不具備的矮稈基因。鄭矮2 號(hào)和來(lái)自陜西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所的株高為68 cm 的7516 雜交, F1代表現(xiàn)高稈, 說(shuō)明鄭矮2 號(hào)和7516 分別帶有不同矮化基因。Qian 等[20]通過(guò)高矮稈材料雜交, 根據(jù)F1植株的表現(xiàn)判斷矮稈基因的顯隱性, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)我國(guó)的矮稈材料除赤峰的84133 外, 其他都是隱性的, 這和84133 的發(fā)現(xiàn)者姚占廷等[16]的分析結(jié)果基本一致。Dineshkumar 等[17]發(fā)現(xiàn)的sic 24、sic 25 和sic 26表現(xiàn)為顯性遺傳, 這3 個(gè)矮稈材料是一個(gè)來(lái)源, 很可能是相同的矮稈基因。綜合所有這些結(jié)果可以看出, 目前發(fā)現(xiàn)的谷子矮稈材料, 以隱性為主, 顯性矮稈材料很少。從形態(tài)上看, 隱性矮稈表現(xiàn)了較高的多樣性, 而顯性矮稈均表現(xiàn)為粗壯寬葉, 相對(duì)單一的表型。

通過(guò)矮稈材料間雜交, 根據(jù)F1表型來(lái)判斷父母本所具有的2 個(gè)矮稈基因的等位性, 在不同作物矮稈材料遺傳分析中都采用這種方法, 但谷子這方面的工作相對(duì)少。孟昭桂等[11]通過(guò)鄭矮2 號(hào)和7516 雜交, 判斷出鄭矮2 號(hào)和7516 分別帶有不同矮化基因;高俊華等[27]通過(guò)安矮3 號(hào)和延矮1 號(hào)的雜交, 發(fā)現(xiàn)F1為矮稈, 推斷安矮3 號(hào)和延矮1 號(hào)帶有等位的矮稈基因。Qian 等[20]也進(jìn)行了大量的矮稈材料間雜交,配制雜交組合45 個(gè), 發(fā)現(xiàn)赤矮9 號(hào)、1066A 和矮豐1 號(hào)含有等位的隱性矮稈基因, 寬九和矮協(xié)1 號(hào)帶有等位的隱性矮稈基因; 而多數(shù)矮稈材料間所攜帶的矮稈基因是不同的, 說(shuō)明谷子矮稈基因的豐富多樣性?？傮w來(lái)說(shuō), 谷子矮稈材料這方面的研究還很初步, 有關(guān)的結(jié)果還需要核實(shí)和驗(yàn)證, 這對(duì)認(rèn)識(shí)不同矮稈材料所攜帶的矮稈基因是否相同有重要意義。

2.2 谷子矮稈相關(guān)基因定位

谷子最早的基因定位系統(tǒng)是河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所王潤(rùn)奇等[28]創(chuàng)制的三體定位系統(tǒng), 利用這個(gè)系統(tǒng)高俊華等[27]將安矮3 號(hào)的矮稈基因定位到谷子3 號(hào)染色體上, 盡管沒(méi)有定位區(qū)間, 但在沒(méi)有分子標(biāo)記的時(shí)代是最先進(jìn)的研究體系, 他們利用這個(gè)體系還進(jìn)行了其他農(nóng)藝性狀的定位, 并進(jìn)行了這些性狀間的連鎖關(guān)系分析[29]。隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展, 谷子分子標(biāo)記開發(fā)也取得長(zhǎng)足進(jìn)步, 為谷子矮稈基因的精細(xì)定位和克隆奠定了基礎(chǔ)。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所谷子基因資源團(tuán)隊(duì), 率先利用分子標(biāo)記對(duì)多個(gè)谷子矮稈材料進(jìn)行基因定位和克隆。延4 直是陜西省延安地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)的一個(gè)葉片和穗直立的矮稈突變體, 延4 直和豫谷1 號(hào)雜交, F1表現(xiàn)為野生型高稈表型, F2表現(xiàn)高稈195 株和矮稈64 株的分離, 符合隱性單基因控制的分離比例。利用BSA 混池法, 首先將該矮稈基因定位到5 號(hào)染色體標(biāo)記P17X 附近, 再開發(fā)標(biāo)記進(jìn)行精細(xì)定位, 最后將目標(biāo)基因定位到 YGY5045 與YGY5082 兩個(gè)標(biāo)記之間254 kb 的物理距離區(qū)間[30]。谷子體細(xì)胞變異也是矮稈材料的一個(gè)來(lái)源, T22 和T25 都是豫谷1 號(hào)組織培養(yǎng)后代中發(fā)現(xiàn)的矮稈材料,這2 個(gè)材料與野生型豫谷1 號(hào)相比在株高、節(jié)長(zhǎng)、穗長(zhǎng)和根系等方面都有明顯的縮短現(xiàn)象。通過(guò)石蠟切片顯微結(jié)構(gòu)觀察表明, 突變體莖部細(xì)胞長(zhǎng)度明顯減小、寬度明顯增加。T22 和T25 的植株高度能夠通過(guò)噴施赤霉素來(lái)恢復(fù)正常水平, 屬于赤霉素敏感型突變體。將 T25 突變體與正常株高谷子品種SSR41 雜交, F1表現(xiàn)出正常株高表型, F2共獲得2560株, 其中615 株為矮稈, 1945 株正常株高, 經(jīng)χ2檢測(cè)正常株與矮稈株符合3∶1 分離比, 因此認(rèn)為該突變體矮化表型是由一個(gè)隱性單基因控制。通過(guò)對(duì)F2群體隱性單株采用BSA 混池法進(jìn)行初定位, 找到了與目標(biāo)基因較緊密連鎖的分子標(biāo)記b215 和b198, 再經(jīng)過(guò)精細(xì)定位, 最終定位到了3 號(hào)染色體標(biāo)記fxj032和fxj037 之間52.7 kb 的區(qū)間內(nèi)。根據(jù)豫谷1 號(hào)全基因組序列, 預(yù)測(cè)在所定位區(qū)間的候選基因, 發(fā)現(xiàn)共有12 個(gè)完整的開放閱讀框, 對(duì)此12 個(gè)基因進(jìn)行表達(dá)量分析, 赤霉素合成關(guān)鍵酶GA20ox-2基因在突變體中表達(dá)量比野生型明顯升高, 表明T25 突變體可能是GA 合成途徑的相關(guān)基因發(fā)生了變異[13]。谷子矮稈小穗突變體si-dw3是從豫谷1 號(hào)EMS 誘變庫(kù)中篩選得到的, 突變體莖縮短變細(xì), 節(jié)數(shù)減少, 節(jié)間長(zhǎng)度均縮短; 穗變小, 一級(jí)分枝數(shù)量減少, 種子長(zhǎng)度增加; 葉縮短, 葉數(shù)目減少。通過(guò)莖的組織切片分析, 發(fā)現(xiàn)莖細(xì)胞長(zhǎng)度縮短。si-dw3對(duì)外源赤霉素的響應(yīng)與野生型一致, 但其株高不能完全恢復(fù)。以si-dw3為母本, 具有較高株高的晉汾8 號(hào)為父本構(gòu)建作圖群體, 進(jìn)行遺傳分析和基因定位。結(jié)果表明si-dw3的突變性狀由隱性單基因控制。利用圖位克隆和分子標(biāo)記技術(shù)將突變基因定位在 8 號(hào)染色體標(biāo)記SNP10-1 和SNP7-1 之間296.7 kb 的范圍內(nèi)[14]。

谷子上第一個(gè)克隆和進(jìn)行功能驗(yàn)證的矮稈基因是對(duì)84133 矮化基因的功能分析(圖1)。利用84133和張矮10 號(hào)的RIL 群體F6剩余雜合體、以及84133和豫谷1 號(hào)雜交的F2群體, 分析發(fā)現(xiàn)84133 和張矮10 號(hào)的剩余雜合體群體(Residual heterozygous line,RHL)表現(xiàn)了70～80 cm∶40～50 cm∶20～30 cm 株高植株1∶2∶1 的分離比例; 而84133 和豫谷1 號(hào)的F2群體也表現(xiàn)了120～30 cm∶65～75 cm∶30～40 cm植株1∶2∶1 的分離比例, 表明84133 含有一個(gè)半顯性矮稈基因。利用圖位克隆的方法將該基因定在9 號(hào)染色體標(biāo)記Si332 和Si188 之間72 kb 的基因組區(qū)段, 該區(qū)域有 6 個(gè)轉(zhuǎn)錄本編碼基因, 其中編碼DELLA 蛋白的基因SiDw1被認(rèn)定為目標(biāo)基因。該基因與擬南芥的GAI/RGA, 水稻的SLR1, 玉米的D8,小麥的Rht-B1b和Rht-D1b具有很高的同源性, 屬于GRAS 家族的DELLA 蛋白基因。序列分析表明, 在84133 矮稈突變體中SiDw1的編碼區(qū)被一個(gè)約5.5 kb的copia反轉(zhuǎn)座子插入, 從而造成轉(zhuǎn)錄本被截?cái)? 形成一個(gè)缺失 N 端的截短轉(zhuǎn)錄本(SiDw1-TT); 同時(shí),還形成一個(gè)DELLA 蛋白N 端與copia的TLR 的融合轉(zhuǎn)錄本(SiDw1-CT), 而原始野生型轉(zhuǎn)錄本為SiDw1-WT[31]。Southern 雜交和 RACE 分析發(fā)現(xiàn)84133 基因組中還含有一個(gè)未被copia插入的正常SiDw1基因, 這可能是copia插入過(guò)程造成的基因復(fù)制。將SiDw1-TT在豫谷1 號(hào)谷子和水稻中超表達(dá),谷子和水稻的轉(zhuǎn)基因植株均表現(xiàn)了明顯的矮稈, 表型和84133 一致, 說(shuō)明是SiDw1-TT導(dǎo)致的矮稈。這是谷子上克隆的第一個(gè)并進(jìn)行了轉(zhuǎn)基因驗(yàn)證的功能基因。

圖1 谷子半顯性矮稈基因DWARF1 的圖位克隆Fig.1 Map-based cloning of foxtail millet semi-dwarf gene DWARF1 (Zhao et al.[31])

2.3 谷子株高遺傳的QTL 分析

典型的矮稈材料很容易辨別, 遺傳分析也相對(duì)容易。但在谷子自然群體中, 株高變異從幾十厘米到數(shù)米, 說(shuō)明谷子資源群體中存在著豐富的株高調(diào)控基因。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所谷子基因資源團(tuán)隊(duì), 對(duì)916 份谷子材料在5 個(gè)環(huán)境下進(jìn)行表型鑒定, 將表型數(shù)據(jù)和重測(cè)序數(shù)據(jù)對(duì)接, 在4 個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到4 個(gè)控制株高的QTL 位點(diǎn), 分別位于2 號(hào)、4 號(hào)、6 號(hào)和8 號(hào)染色體[32]。He 等[33]對(duì)谷子育成品種、農(nóng)家品種和野生種青狗尾草1844 份自然群體進(jìn)行測(cè)序, 并重頭組裝了110 個(gè)染色體級(jí)別的基因組, 以此構(gòu)建了谷子圖泛基因組, 結(jié)合包括株高在內(nèi)的多年多點(diǎn)226 組表型數(shù)據(jù), 挖掘到10 個(gè)與株高相關(guān)聯(lián)的信號(hào)。將2 項(xiàng)GWAS 研究株高進(jìn)行整合分析, 未發(fā)現(xiàn)重合的信號(hào), 說(shuō)明這些GWAS 信號(hào)的準(zhǔn)確性還有待驗(yàn)證。

除自然群體外, 利用人工構(gòu)建的群體可以更有目的的發(fā)掘雙親中株高控制基因, Feldman 等[34]利用谷子B100 與青狗尾草A10 雜交獲得了含217 個(gè)自交系的RIL 群體, 利用該群體開發(fā)了一張高密度遺傳圖譜, 結(jié)合在人工控制溫室的高精度表型鑒定,獲得了37 個(gè)與株高相關(guān)的QTL。由于這是谷子和野生狗尾草之間雜交的RIL 群體, 這些QTL 很可能反映了谷子馴化過(guò)程相關(guān)的株高控制基因。Mauro-Herrera 和Doust (2016)利用家系數(shù)為182 的B100 和A10 的RIL 群體調(diào)查了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、開花期和成熟期谷子的株高表型, 分別獲得了7 個(gè)、10 個(gè)和13 個(gè)與株高關(guān)聯(lián)的QTL, 至少在2 個(gè)時(shí)期可以檢測(cè)出的有12 個(gè), 其中有7 個(gè)位點(diǎn)可在上述2 項(xiàng)研究中可重復(fù)檢出[35]。經(jīng)濟(jì)高效的高通量測(cè)序技術(shù)輔助開發(fā)了更高密度的分子標(biāo)記, 對(duì)RIL 系進(jìn)行測(cè)序并利用bin-map 的方法可以快速得到與表型相關(guān)聯(lián)的最小區(qū)間。Zhang[36]利用張谷和雄性不育系A(chǔ)2 雜交構(gòu)建了包括439 個(gè)家系的RIL 群體, 利用重測(cè)序數(shù)據(jù)發(fā)掘SNP, 構(gòu)建了一個(gè)2022 個(gè)bins 的遺傳圖譜, 在1號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)和9 號(hào)染色體, 發(fā)掘到6個(gè)株高控制位點(diǎn), 對(duì)表型變異的解釋率分布為2.94%～44.94%, 其中有的位點(diǎn)也是光周期相關(guān)的位點(diǎn)。張谷是個(gè)典型的春谷生態(tài)型, 而A2 在很大程度上是夏谷類型, 這些QTL 很可能和春夏谷生態(tài)型的分化相關(guān)。同樣是利用A2 和張谷的RIL 群體, Ni等[37]構(gòu)建了一個(gè)含3437 個(gè)bins 的遺傳學(xué)圖譜, 在2號(hào)和5 號(hào)染色體發(fā)掘出2 個(gè)控制株高的QTL, 其中位于5 號(hào)染色體的位點(diǎn)被認(rèn)為是水稻的綠色革命基因sd1的同源基因, 說(shuō)明該基因在谷子中同樣編碼GA20ox 控制株高。Wang 等[38]利用夏谷矮稈品種矮寧黃和春谷品種晉谷21 雜交構(gòu)建的543 個(gè)單株的F2群體, 結(jié)合含3129 bins 的遺傳圖譜, 關(guān)聯(lián)到位于1 號(hào)、5 號(hào)、8 號(hào)和9 號(hào)染色體上的7 個(gè)與株高相關(guān)聯(lián)的QTL, 解釋表型變異率分布為0.39%～30.52%,其中qPH5-2與Zhang 等[36]和Ni 等[37]的株高QTL相重合, 且解釋株高變異的30.52%, 貢獻(xiàn)率最高。矮寧黃是河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所在20 世紀(jì)80 年代選育的矮稈品種, 說(shuō)明水稻綠色革命的矮稈基因sd1在矮寧黃的矮化中起主導(dǎo)作用。He 等[39]利用矮88 和遼谷1 構(gòu)建的RIL 群體在三亞到公主嶺等7 個(gè)不同地點(diǎn)調(diào)查了333 個(gè)家系13 個(gè)環(huán)境的株高表型, 采用bin-map 的方法定位到26 個(gè)與株高關(guān)聯(lián)的區(qū)間, 其中13 個(gè)QTL 位點(diǎn)可以至少在2 個(gè)環(huán)境重復(fù)檢出, 并定位到一個(gè)位于qPH1.3內(nèi)的GA 代謝途徑基因, 這可能是控制谷子株高的主效基因。Zhu等[40]利用半矮稈的高度雄性不育系263A 和高稈的創(chuàng)29 雜交, 對(duì)F2群體進(jìn)行高株和矮株的BSA 分析,同時(shí)結(jié)合父母本節(jié)間的表達(dá)譜分析, 鑒定出了263A的半矮稈基因很可能是Seita.5G404900, 該基因第6外顯子的單堿基缺失, 導(dǎo)致了移碼突變, 且該基因是水稻綠色革命基因sd1的同源基因。

谷子株高是一項(xiàng)受多微效基因控制的復(fù)雜性狀, 盡管株高位點(diǎn)超過(guò)了100 個(gè)且廣泛分布于谷子的 9 條染色體, 但是可以重復(fù)檢出的位點(diǎn)并不多(表2)。盡管每項(xiàng)研究都挖掘到了谷子株高的QTL的遺傳位點(diǎn), 但由于使用的群體及標(biāo)記差異, 也只能利用已知信息將部分位點(diǎn)使用統(tǒng)一尺度整合在一起。以Yugu 1 參考基因組物理圖譜為準(zhǔn), 在1 號(hào)染色體約32 Mb 位置可以重復(fù)檢測(cè)出qph1[36,39], 3 號(hào)染色體48.4 Mb 位置可以重復(fù)檢測(cè)出D2[13,34,39], 5號(hào)染色體32.6～41.6 Mb 位置可以重復(fù)檢測(cè)出不受光周期影響的qPH5-1/-2[36,38,40], 5 號(hào)染色體上的這個(gè)位點(diǎn)很可能就是水稻綠色革命基因sd1在谷子上的同源基因。

表2 多環(huán)境中檢測(cè)到的穩(wěn)定的谷子株高QTLTable 2 Stable QTL for foxtail millet plant height across multi-environments

3 谷子親本矮88 的株高控制機(jī)制解析

矮88 是20 世紀(jì)90 年代初期河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所利用鄭矮2 號(hào)為材料采用輻射誘變結(jié)合體細(xì)胞無(wú)性系變異培育的矮稈材料。矮88 的株高較鄭矮2 號(hào)顯著降低, 同時(shí)其他株型性狀和品質(zhì)性狀也發(fā)生了改變。矮88 因緊湊株型受到育種者的重視,很快發(fā)展為谷子育種的骨干親本。到2023 年, 全國(guó)利用矮88 及其衍生系為親本, 培育出審定、鑒定或登記品種83 個(gè), 還有56 個(gè)品種完成區(qū)試或者正在參加區(qū)試, 矮88 成為名副其實(shí)的骨干親本。利用矮88 培育的品種包括冀谷19、中谷2 號(hào)、冀谷31、公矮2 號(hào)、長(zhǎng)生13 等眾多在生產(chǎn)上發(fā)揮重要作用的大品種, 矮88 后代品種覆蓋谷子生產(chǎn)69%的播種面積, 這些品種株高顯著降低, 為谷子適應(yīng)機(jī)械化生產(chǎn)做出了貢獻(xiàn)。解析矮88 株高控制基因?qū)茸涌蒲泻妥魑镞z傳育種研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。

根據(jù)表型分析和核心種質(zhì)的深度重測(cè)序基因型分析, 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所刁現(xiàn)民團(tuán)隊(duì)挑選出和矮88 沒(méi)有親緣關(guān)系的高稈品種遼谷1 號(hào)與矮88 雜交[41], 歷時(shí)7 年構(gòu)建了由333 個(gè)家系構(gòu)成的RIL 群體, 歷時(shí)4 年在海南三亞、北京、山西長(zhǎng)治、河南鄭州、吉林公主嶺、山西太原、遼寧朝陽(yáng)等7個(gè)地點(diǎn)13 個(gè)環(huán)境下對(duì)群體進(jìn)行表型鑒定, RIL 群體的株高分布從89.5～149.9 cm, 變異豐富; 表型調(diào)查除株高外, 還包括生育期、穗長(zhǎng)、穗頸長(zhǎng)、節(jié)數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬等, 共獲得27 萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)。對(duì)RIL 家系7.88 倍的測(cè)序檢測(cè)到43 萬(wàn)個(gè)SNP, 利用這些SNP構(gòu)建了一個(gè)包含3744 bins 的連鎖圖譜, 圖譜的長(zhǎng)度為 2101.88 cM, 標(biāo)記之間的遺傳距離為 0.15～37.88 cM, 平均遺傳距離為0.56 cM, 是目前報(bào)道的谷子上標(biāo)記最豐富、長(zhǎng)度最長(zhǎng)的遺傳圖譜。連鎖分析共獲得26 個(gè)對(duì)株高變異解釋率2.54%～13.35%不等的QTL, 13 個(gè)在2 個(gè)或3 個(gè)以上環(huán)境可重復(fù)檢測(cè)到, 其中包括15 個(gè)以前未檢測(cè)到的QTL。在1 號(hào)和9 號(hào)染色體, 共發(fā)現(xiàn)3 個(gè)主效株高QTL 在7～9 個(gè)環(huán)境下被穩(wěn)定檢測(cè)到, 其中qPH1.3效應(yīng)值2.30%～11.88%,qPH9.2效應(yīng)值5.07%～10.08%,qPH9.5效應(yīng)值3.87%～13.35% (圖2)。對(duì)1182 份谷子核心種質(zhì)高覆蓋測(cè)序比較分析發(fā)現(xiàn), 矮 88 在qPH9.2和qPH9.5位點(diǎn)基因型與其他種質(zhì)均不同, 說(shuō)明是矮88 特有的矮化基因[41]。這些結(jié)果說(shuō)明矮88 的矮稈表型, 是多個(gè)中等或者微效株高控制基因聯(lián)合起作用的結(jié)果, 和安矮3 號(hào)、延四直、84133 等單基因控制的矮稈完全不同。利用矮88 為親本在后代中可以培育不同株高的新品種, 這是矮88 成為骨干親本的一個(gè)原因。

圖2 矮88 株高控制基因的遺傳解析Fig.2 QTL analysis for foxtail millet plant height using a RIL population derived from Ai 88 and Liaogu 1 (He et al.[39])

對(duì)這些QTL 所在區(qū)間的基因進(jìn)行功能預(yù)測(cè), 鑒定出6 個(gè)和GA 合成或者信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的基因, 以及15 個(gè)編碼含F(xiàn)-box 結(jié)構(gòu)域可能和E3 泛素酶關(guān)聯(lián)的基因。特別是在qPH1.3的1.54 Mb 區(qū)間, 鑒定出和赤霉素代謝有關(guān)的基因, 該基因的活性直接和谷子株高相關(guān), 是谷子育種中選擇的株高基因[39]。這些谷子株高控制位點(diǎn)和基因的解析, 對(duì)谷子株高精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種至關(guān)重要, 也為其他作物的株高育種提供了分子借鑒。

谷穗的長(zhǎng)度、穗粗、穗重、穗粒重、一級(jí)分枝數(shù)(碼數(shù))、一級(jí)分枝長(zhǎng)度(碼長(zhǎng))、單碼粒數(shù)、千粒重等是決定谷子產(chǎn)量的重要因素。利用矮88 和遼谷1 號(hào)雜交獲得RIL 群體進(jìn)行QTL 定位, 在13 個(gè)環(huán)境中共獲得了 124 個(gè)表型解釋率從 0.29%到25.55%的穗部性狀相關(guān)QTL。其中穗重相關(guān)的24個(gè), 穗粒重相關(guān)16 個(gè), 穗長(zhǎng)相關(guān)35 個(gè), 穗粗相關(guān)27 個(gè), 碼長(zhǎng)相關(guān)4 個(gè), 碼數(shù)相關(guān)7 個(gè), 碼粒數(shù)1 個(gè),千粒重相關(guān)的10 個(gè)[41]。

4 谷子中矮稈基因的育種利用

4.1 矮88 的降稈基因在當(dāng)代谷子新品種培育中發(fā)揮了重要作用

矮稈材料創(chuàng)制和遺傳解析的最終目的是培育耐肥水抗倒伏的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種。雖然谷子育種專家創(chuàng)制了眾多谷子矮稈材料, 但能實(shí)際在育種中利用的卻很少。張家口市壩下農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所崔文生團(tuán)隊(duì)的杜貴等[19]利用矮稈谷子高度雄性不育系構(gòu)建多父本雜交的動(dòng)態(tài)基因庫(kù), 從后代中培育出春谷型的壩矮1 號(hào)、壩矮2 號(hào)和壩矮3 號(hào)等谷子矮稈品種, 其株高分別為77 cm、98 cm 和78 cm, 在高密度栽培下單產(chǎn)達(dá)7.5 t hm–2。20 世紀(jì)90 年代, 河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所培育的矮88 和河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所培育的豫谷8 號(hào), 是生產(chǎn)上大面積應(yīng)用的緊湊株型谷子矮稈材料[42-43], 開創(chuàng)了矮稈谷子品種生產(chǎn)大面積應(yīng)用的先例。姚占廷等[44]利用顯性矮稈材料培育出蒙古6 號(hào)矮稈品種, 表現(xiàn)抗倒伏、抗病、種植密度由常規(guī)品種的45～60 萬(wàn)株 hm–2增加到90～120 萬(wàn)株 hm–2, 產(chǎn)量由4.5～6.0 t hm–2提高到7.5～9.0 t hm–2。

在當(dāng)代谷子品種培育中, 降低株高的基因以矮88 貢獻(xiàn)最大。以矮88 為親本, 2004 年培育出冀谷19 和公矮2 號(hào)2 個(gè)中矮稈新品種為標(biāo)志, 開啟了適應(yīng)機(jī)械化生產(chǎn)的谷子中矮稈育種新局面。到2020年采用矮88 和其衍生品種為親本, 全國(guó)谷子主產(chǎn)區(qū)育成中矮稈品種115 個(gè)。根據(jù)對(duì)38 個(gè)生產(chǎn)中應(yīng)用的矮88 衍生品種的調(diào)查, 華北夏谷區(qū)品種株高由135～150 cm 降至100～132 cm, 春谷區(qū)品種株高由150～180 cm 降至80～141 cm, 新品種降稈顯著。這些矮稈后代品種, 不僅株高顯著降低, 而且產(chǎn)量潛力高, 在國(guó)家區(qū)試中冀谷19、中谷1 號(hào)、中谷2號(hào)和公矮2 號(hào)等7 個(gè)品種產(chǎn)量居參試品種的第一位,增產(chǎn)均在10%以上, 說(shuō)明矮88 是降株高增產(chǎn)量的好親本; 冀谷40、中谷1 號(hào)和中谷2 號(hào)突破了生態(tài)類型光溫反應(yīng)限制, 在多個(gè)生態(tài)區(qū)表現(xiàn)優(yōu)異(表3)。冀谷19 在2003—2005 年推廣面積居全國(guó)夏谷前2位, 并自2007 年連續(xù)10 年成為全國(guó)夏谷區(qū)試的對(duì)照品種。冀谷31 在2010—2015 年連續(xù)6 年推廣面積居全國(guó)夏谷第1 位, 年最大推廣面積達(dá)8.05 萬(wàn)公頃, 是當(dāng)時(shí)全國(guó)僅有的2 個(gè)推廣面積過(guò)6.67 萬(wàn)公頃的品種之一。2020 年中谷2 號(hào)在山東省推廣面積達(dá)0.87 萬(wàn)公頃, 居第1 位, 是山東省傳統(tǒng)名米龍山小米的主開發(fā)品種。

吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所利用矮88 為親本, 培育出公矮2 號(hào), 以及由公矮2 號(hào)等衍生的公矮4 號(hào)、公矮5 號(hào)、公矮6 號(hào)等系列矮稈材料, 其中公矮2 號(hào)和公矮5 號(hào)從20 世紀(jì)90 年代中后期開始, 成為了吉林省西部谷子主產(chǎn)區(qū)的骨干品種, 滿足了機(jī)械化管理和收獲對(duì)矮稈品種的需求。近年來(lái), 用公矮2 號(hào)等材料結(jié)合拿捕凈抗性基因的利用, 培育出公谷85、公谷87 和公谷88 等抗除草劑的矮稈新品種, 進(jìn)一步提升了谷子輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)的水平, 促進(jìn)了谷子的大面積產(chǎn)業(yè)化發(fā)展(圖3)。利用矮88 培育的赤谷K3 株高109 cm, 在內(nèi)蒙古谷子區(qū)試中較對(duì)照赤谷10 號(hào)株高降低46 cm, 但增產(chǎn)4.94%, 提升了該地區(qū)中矮稈品種的生產(chǎn)應(yīng)用和機(jī)械化水平。

4.2 中矮稈品種的類型和覆蓋率表現(xiàn)出很強(qiáng)的地域特征

東北地區(qū)是我國(guó)谷子矮稈品種覆蓋率最高的地區(qū)。2004 年吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院以矮88 為親本培育出公矮2 號(hào), 開創(chuàng)了東北地區(qū)矮稈品種大面積生產(chǎn)利用的先例。2004 年以來(lái), 從公矮3 號(hào)到抗拿捕凈除草劑的公谷88 等, 已培育出20 多個(gè)株高在80～100 cm 之間的矮稈品種在吉林、遼寧和內(nèi)蒙古東部的谷子生產(chǎn)上利用。根據(jù)國(guó)家谷子高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的調(diào)研, 矮稈品種在東北地區(qū)的覆蓋率達(dá)63%左右, 是華北、西北和東北3 個(gè)谷子主產(chǎn)區(qū)中矮稈品種覆蓋率最高的地區(qū)。包括河南、河北、山東、北京和天津的華北地區(qū)則以株高100～120 cm 的中稈谷子品種為主, 如冀谷19、豫谷18、中谷2 號(hào)、冀谷31 等。在東北地區(qū)生產(chǎn)上起一定作用的矮稈型的噸谷、千斤谷、金谷2 號(hào)等, 在華北地區(qū)表現(xiàn)中后期長(zhǎng)勢(shì)弱, 容易早衰, 雖然在華北地區(qū)也有種植,但面積小。盡管華北地區(qū)的主栽品種不是矮稈型,其株高也較原來(lái)的老品種顯著降低, 老品種株高在135～150 cm, 而新育成品種在100～120 cm。以山西、陜西、寧夏和內(nèi)蒙古中西部地區(qū)為主的我國(guó)西北地區(qū), 中矮稈谷子品種的覆蓋率最低。這個(gè)地區(qū)目前以高稈品種晉谷21 為當(dāng)家品種, 其他高稈品種如晉谷29、汾選3 號(hào)、長(zhǎng)生7 號(hào)和長(zhǎng)農(nóng)35 也有一定面積。利用矮88 為親本培育的中稈型新品種長(zhǎng)生13株高顯著降低, 近幾年發(fā)展迅速, 正在成為這個(gè)地區(qū)的主栽品種。

公矮2 號(hào)、公谷88、金谷2 號(hào)和噸谷等矮稈品種在我國(guó)東北地區(qū)應(yīng)用較為普遍, 這與東北地區(qū)耕地面積大機(jī)械化程度高和較為優(yōu)越的肥水條件相關(guān)聯(lián); 華北地區(qū)的豫谷18、冀谷39、中谷2 號(hào)等中稈型品種得到了推廣應(yīng)用, 也基本滿足了機(jī)械化生產(chǎn)的需求, 保障了以合作社為主要形式的大面積產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需求。西北地區(qū)傳統(tǒng)的中高稈品種仍占主導(dǎo)地位, 這可能與西北干旱和丘陵山坡地的生態(tài)條件以及谷子產(chǎn)業(yè)對(duì)品質(zhì)的要求相關(guān), 西北地區(qū)的中矮稈品種在品質(zhì)上尚達(dá)不到傳統(tǒng)高稈品種晉谷21、汾選3 號(hào)、晉谷29 和8311 的商品品質(zhì)。西北地區(qū)最新培育的長(zhǎng)生13 等優(yōu)質(zhì)中稈品種, 可以兼顧生態(tài)生產(chǎn)條件、抗倒伏和品質(zhì)的要求, 近年來(lái)發(fā)展較為迅速。隨著我國(guó)工業(yè)化水平的持續(xù)提升, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的輕簡(jiǎn)機(jī)械化和產(chǎn)業(yè)化是不可逆的發(fā)展方向, 所有地區(qū)谷子新品種培育都必須符合這種趨勢(shì)。長(zhǎng)生13的育成和生產(chǎn)應(yīng)用, 為西北地區(qū)谷子抗倒伏育種提供了矮稈的良好基因資源, 將這個(gè)資源和晉谷21 等優(yōu)質(zhì)米的性狀結(jié)合, 必將改變這個(gè)地區(qū)的品種類型,解決生產(chǎn)中的倒伏和適應(yīng)機(jī)械化生產(chǎn)的問(wèn)題。

4.3 自然形成的矮稈占有一定的市場(chǎng)地位和份額

在目前生產(chǎn)上應(yīng)用的矮稈品種中, 除了科研單位培育的矮稈品種外, 一些生產(chǎn)上自然形成的矮稈品種或小型種業(yè)公司、合作社選育的矮稈品種也有一定的覆蓋率, 如噸谷、千斤谷、旱千谷(旱地千斤)、金谷2 號(hào)等, 這些品種的來(lái)源系譜多數(shù)未知, 他們所具有的矮稈基因也不清楚或不肯定。這些品種來(lái)自生產(chǎn), 具有好的適應(yīng)性, 加強(qiáng)對(duì)這些品種矮源基因的研究, 使他們?cè)诠茸影捰N和生產(chǎn)上發(fā)揮更大的作用。

5 谷子中矮稈基因遺傳和育種利用研究展望

5.1 谷子矮稈抗倒研究取得的成果總結(jié)

谷子的矮稈種質(zhì)創(chuàng)新和育種利用以我國(guó)為主,國(guó)外除印度外, 其他國(guó)家基本沒(méi)有研究報(bào)道。我國(guó)谷子矮稈遺傳和育種研究的成績(jī)可以梳理為以下幾個(gè)方面: (1) 從20 世紀(jì)60 年代開始的谷子矮稈材料種質(zhì)創(chuàng)新, 積累了數(shù)十份各類谷子矮稈資源, 奠定了谷子矮稈種質(zhì)研究的基礎(chǔ); (2) 從形態(tài)上分, 谷子的矮稈材料基本可以分為葉穗下垂的常規(guī)型和葉穗直立的直立型; 生物學(xué)分析表明, 谷子矮稈材料多數(shù)表現(xiàn)早衰嚴(yán)重, 秕谷率高結(jié)實(shí)差, 限制了矮稈材料的育種應(yīng)用。造成矮稈早衰的原因與根系弱相關(guān);(3) 對(duì)矮稈材料的GA 敏感性分析表明, 除84133 對(duì)GA 不敏感外, 其他矮稈材料均對(duì)GA 敏感, 說(shuō)明這些矮稈材料多數(shù)是GA 合成途徑的突變?cè)斐? (4) 遺傳分析表明, 多數(shù)矮稈材料是隱性單基因控制的,這些矮化基因往往一因多效, 在降低株高的同時(shí)也存在著其他不良性狀; 已經(jīng)完成了SiDw1(84133)基因的克隆, 以及SiDw2(T25)、SiDw3(T22)和SiDw4(延四直)的精細(xì)定位; (5) 矮88 是中矮稈谷子育種的骨干親本, 發(fā)掘出矮88 株高控制的3 個(gè)主效QTL,如果也將這3 個(gè)位點(diǎn)的基因命名為矮稈基因, 可以分別命名為qPh1.3(SiDw5)、qPh9.2(SiDw6)和qPh9.5(SiDw7), 共7 個(gè)矮稈基因,qPh1.3(SiDw5)等部分矮稈基因和QTL 位點(diǎn)開發(fā)了分子標(biāo)記; (6) 利用創(chuàng)制的矮稈材料, 培育了多個(gè)株高顯著降低的谷子矮稈或中稈新品種, 很好地解決了谷子倒伏和適應(yīng)機(jī)械化生產(chǎn)的問(wèn)題; 東北谷子產(chǎn)區(qū)以公矮號(hào)和公谷號(hào)品種為代表, 實(shí)現(xiàn)了矮稈品種的大面積覆蓋,華北夏谷區(qū)實(shí)現(xiàn)了中稈品種的全面覆蓋, 西北春谷區(qū)的長(zhǎng)生13 等中稈品種正在迅速發(fā)展。

5.2 谷子矮稈和株型研究應(yīng)注意的問(wèn)題

首先, 谷子矮稈基礎(chǔ)研究薄弱, 限制了矮稈材料的遺傳和育種利用。雖然我們積累了眾多矮稈材料, 但多數(shù)沒(méi)有進(jìn)行深入的研究, 只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的表型觀察。加強(qiáng)谷子矮稈材料的遺傳和相關(guān)基因克隆及其矮化的分子基礎(chǔ)解析, 必將為谷子株型育種提供新的遺傳基礎(chǔ)。已知矮88 的3 個(gè)主效矮化位點(diǎn)在育種和生產(chǎn)中發(fā)揮了主要作用, 雖然開發(fā)了分子標(biāo)記, 但相關(guān)的矮化基因尚未解析; 噸谷、千斤谷和金谷2 號(hào)等生產(chǎn)上應(yīng)用的矮稈品種, 矮化的基因和遺傳學(xué)基礎(chǔ)尚不清楚。加強(qiáng)這些重要矮稈基因的克隆、功能分析和優(yōu)異單倍型發(fā)掘勢(shì)在必行。

其次, 直立葉片的緊湊株型在水稻、玉米和小麥上都取得了重大成功, 矮化和株型的緊密結(jié)合是培育耐水肥超級(jí)稻的基礎(chǔ)[3-4]。谷子緊湊株型的種質(zhì)創(chuàng)新和育種利用一直沒(méi)有受到重視, 更沒(méi)有顯著的進(jìn)展, 生產(chǎn)上的谷子品種均是披葉松散株型, 株型和群體結(jié)構(gòu)不利于高產(chǎn)和超高產(chǎn)品種的培育, 這可能是谷子產(chǎn)量育種多年來(lái)沒(méi)有大突破的主要原因?？茖W(xué)的將中矮稈和緊湊株型相結(jié)合, 才是培育突破性高產(chǎn)谷子品種的關(guān)鍵所在。谷子抗倒伏性受株高和莖稈堅(jiān)韌度的雙重影響[45-50], 在育種中注意矮稈基因和莖稈堅(jiān)韌度基因的結(jié)合, 也需要高度重視。

第三, 矮稈研究如何應(yīng)對(duì)谷子生產(chǎn)的新變化。中矮稈品種的推廣很好的適應(yīng)了機(jī)械化收獲, 促進(jìn)了谷子的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。近年來(lái)生產(chǎn)上的一個(gè)新變化是干秸收獲的面積在快速發(fā)展, 東北地區(qū)的干秸收獲已經(jīng)占谷子種植面積的40%以上, 華北地區(qū)也在快速發(fā)展。干秸收獲最大的好處是收獲后籽粒直接入倉(cāng), 或者稍加晾曬烘干就入倉(cāng), 減少了籽粒晾曬的用工、場(chǎng)地和設(shè)施; 其次, 谷子的聯(lián)合收割機(jī)都是小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的改裝, 谷子籽粒小, 青枝綠葉的活稈收獲很容易夾帶籽粒, 造成產(chǎn)量損失。干秸收獲要求谷子品種成熟后脫水快, 脫水期間谷穗之間不纏繞摩擦落粒, 且植株變干后不倒伏。我國(guó)谷子育種家已經(jīng)開始鑒定和創(chuàng)制后期快脫水的材料, 如何將中矮稈、高堅(jiān)韌度、緊湊株型和快脫水幾個(gè)性狀進(jìn)行整合, 是適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須面對(duì)的問(wèn)題。

第四, 谷子中矮稈育種應(yīng)因地而異。株高育種的核心目的是克服倒伏適應(yīng)高水肥的生產(chǎn)形勢(shì)。但很多谷子種植在丘陵旱薄地上、山崗地、黃土高原梯田地等, 對(duì)于為這些地區(qū)培育的品種, 株高不宜過(guò)分降低, 因?yàn)檫@些地塊以個(gè)體和群體結(jié)合爭(zhēng)取產(chǎn)量, 不同于高水肥地區(qū)以群體爭(zhēng)取產(chǎn)量。對(duì)于華北、東北地區(qū)的高水肥地, 中矮稈品種更具有適應(yīng)性。目前尚缺乏對(duì)谷子適宜株高的精準(zhǔn)定量研究, 一般認(rèn)為華北和東北的高水肥地區(qū)品種, 適宜株高應(yīng)在100～130 cm, 而適宜西北的干旱和黃土高原地區(qū),株高以120～150 cm 較為適宜。

5.3 谷子中矮稈基因遺傳和育種利用研究展望

雖然谷子矮稈基因的研究和育種利用較水稻、小麥等主要農(nóng)作物落后, 但谷子可借鑒水稻和小麥的成功經(jīng)驗(yàn), 而且谷子的分子遺傳和分子生物學(xué)近年來(lái)快速發(fā)展, 作為C4光合作用和禾本科黍亞科的模式作物已被國(guó)際學(xué)術(shù)界接受[53-54], 谷子的高效遺傳轉(zhuǎn)化和基因編輯技術(shù)體系也已建立, 并在多個(gè)谷子功能基因克隆和基因編輯中成功應(yīng)用, 這為深入研究谷子的矮稈種質(zhì)創(chuàng)制了平臺(tái)[24,51-53], 隨著矮稈材料遺傳基礎(chǔ)的解析, 必將提升矮稈材料的利用水平, 也為創(chuàng)制新的矮稈材料提供基礎(chǔ)。其次, 谷子高效轉(zhuǎn)化和基因編輯技術(shù)體系的建立, 為創(chuàng)制了新的更優(yōu)良的矮稈材料奠定了基礎(chǔ), 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所在完成谷子高效轉(zhuǎn)化和編輯體系的基礎(chǔ)上, 已經(jīng)建立了基于基因編輯的谷子單倍體誘導(dǎo)技術(shù)[54], 這些新技術(shù)一方面可直接利用創(chuàng)制新的矮稈基因, 另一方面可以直接對(duì)谷子優(yōu)良高稈品種進(jìn)行株高關(guān)鍵基因編輯, 直接創(chuàng)制生產(chǎn)可以利用的中矮稈新品種。谷子的泛基因組和圖基因組圖譜最近的公布, 以及這些基因組變異和多個(gè)環(huán)境下重要性狀的表現(xiàn)型數(shù)據(jù)的對(duì)接, 發(fā)掘了大量重要農(nóng)藝性狀的位點(diǎn)和基因, 這為包括標(biāo)記輔助育種、選擇模塊育種、全基因組選擇育種等方法的實(shí)施提供了基礎(chǔ)[33]。可以預(yù)見(jiàn), 現(xiàn)代生物技術(shù)在谷子中矮稈材料創(chuàng)制和品種培育中必將發(fā)揮更大的作用。