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冰草1PS和1PL易位染色体导入不同小麦背景改良株型的遗传效应评价  PDF

  • 康西璐 ✉
  • 韩舶辉
  • 王筱
  • 韩海明
  • 周升辉
  • 鲁玉清
  • 刘伟华
  • 李秀全
  • 杨欣明
  • 张锦鹏 ✉
  • 李立会
中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081

最近更新：2024-01-26

DOI：10.13430/j.cnki.jpgr.20230810002

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摘要

冰草（Agropyron cristatum L.，2n = 4x = 28，PPPP）携带的多样性外源基因是小麦遗传改良重要基因源。前期研究表明冰草1P染色体上的基因可以改良小麦株叶型，但在获得易位系的基础上，外源片段导入不同背景小麦品种的叶型变化以及可能带来的不利遗传连锁累赘还不清楚。为进一步探究小麦-冰草T1PS·1AL和T1AS·1PL易位系在不同小麦背景中对主要农艺性状的遗传效应，本研究将小麦-冰草1PS、1PL易位系与藁城8901、百农607、漯麦163、百农207、西农979、中麦578、川麦104、宁麦资126等8个普通小麦品种进行杂交，对F2分离群体的农艺性状进行考察和分析。结果表明，冰草1PS染色体导入小麦后，降低了小麦的倒三叶长，株高也显著降低3~8 cm，产量性状基本不受影响。冰草1PL染色体使小麦株高降低，旗叶、倒二叶和倒三叶显著缩短，改变株型的同时，小麦的产量性状同时降低，具有连锁累赘。在冰草1P易位系中，后代的表型除与染色体本身所产生的效应有关外，也与小麦受体的遗传背景相关。在不同背景的小麦亲本杂交组合后代中，可以选出株叶型改良且产量性状不受影响的单株用于小麦的遗传改良。研究表明2个小麦-冰草1P易位系创新种质在株型改良上具有显著的遗传效应，可以为冰草1P染色体易位片段的利用提供指导。

小麦（Triticum aestivum L.，2n=6x=42，AABBDD）是世界的主要粮食作物，随着人口和经济的持续增长，未来对小麦总产量的需求将不断提高，在可耕种土地资源有限条件下，迫切需要单产水平的进一步提高。在作物的高产改良育种中，除了提高作物的穗粒数、千粒重构成因子外，株型改良也是提高产量的有效途径，并受到全世界育种家的广泛关注，成为产量提升的重要突破方向。我国黄淮冬麦区现代小麦品种比早期品种在植株形态结构上有很大的遗传改进，50年代种植的农家品种及部分改良品种，抗倒伏能力较弱，而70年代以来选育推广的品种，株高明显降低，叶片相对短宽、旗叶夹角减小、冠层透光性增强的同时大大增强了抗倒伏能力，生物学产量显著提高［

1］。小麦株型是植株各部分的生长态势，包括株高、叶型、分蘖等［2-3］，是小麦重要农艺性状的综合反映，对光合效率和籽粒产量有决定性影响。1968年，Donald［4］首次提出培育具有理想株型的小麦品种。通过改良小麦的株型，进而增加种植密度可有效提高同一土地下的小麦产量［5］。20世纪60年代以来，绿色革命基因水稻半矮秆基因sd1和小麦rht-1基因被广泛应用，使得植株株高降低和收获指数提高，水稻和小麦的产量大幅提升［6-7］。茹振钢等［8］提出挖掘中国黄淮麦区小麦品种高产潜力的有效途径之一，就是通过调节生长发育节律，培育小叶、壮秆、大穗型新品种，以有利于小麦群体内部的光透射与光吸收，实现小麦高生物产量。除株高外，小麦的关键功能叶主要是旗叶、倒二叶、倒三叶，其合理的叶面积和空间分布有助于提高光合作用和同化物积累［9］。目前，已发现了许多与旗叶相关的基因或数量性状基因座（QTL，quantitative trait locus），比如位于5B［10］、7A［11］上控制旗叶长，位于2A［12］、6B［13］上控制旗叶宽等的QTL。因此，挖掘与小麦株型相关的遗传资源可以有效提高产量。

长期的人工选择和驯化导致小麦遗传基础逐渐狭窄。为了丰富其遗传多样性，育种家开始利用小麦野生近缘植物进行小麦改良，因其携带小麦在长期驯化过程中丧失的多样化基因。冰草（Agropyron cristatum L.，2n = 4x = 28，PPPP）是小麦重要的野生近缘植物，除具有对白粉病、多种锈病的抗病性［

14-16］，对干旱和低温的耐受性［17］，多小穗、多穗粒数的特点外，还具有旗叶短小、穗下茎长的优异株型结构。四倍体冰草Z559的平均株高57 cm，穗下茎长达30~41 cm，占株高的2/3，具有叶片短小显著特征，表现为小旗叶、株高矮、穗下茎长的优良株型性状［18］。通过前期整套小麦-冰草附加系的多年表型观察和认识，筛选出具有冰草典型特性的小旗叶附加系II-3-1（2n = 40W + 4P），证实其是1对冰草1P染色体代换1对小麦1A染色体并额外附加1对2P染色体的复杂附加/代换系［19］。Wang等［20］在济麦22背景下，获得了冰草1P附加系、1P短臂（1PS）和1P长臂（1PL）端体附加系，发现导入冰草1PS端体附加系阳性植株相对于阴性植株的旗叶长度降低2.3 cm，叶宽没有发生变化，株高降低6 cm，分蘖、穗粒数和千粒重保持不变。而导入冰草1PL端体附加系阳性植株相对于阴性植株的旗叶长和宽分别降低2.2 cm和0.2 cm，同时发现阳性植株的株高显著矮于阴性植株，株高降低6 cm，阳性植株各个节间的长度均有减少，分蘖数目不变，还携带降低穗粒数和粒重的不良连锁累赘。

前期利用冰草1P（1A）代换系II-3-1c进一步与济麦22杂交，基于代换系诱导的断裂-融合机制，在1PS和1PL特异分子标记检测下，通过基因组原位杂交（GISH，genomic in situ hybridization）检测证实获得9个T1PS·1AL易位系和7个T1AS·1PL易位系（未发表）。但是，对于1PS和1PL易位系在不同小麦品种中的遗传效应还不清楚。本研究以小麦-冰草T1PS·1AL和T1AS·1PL易位系作为基础材料，收集全国不同麦区的小麦亲本（藁城8901、百农607、漯麦163、百农207、西农979、中麦578、川麦104、宁麦资126）作为受体，通过构建遗传分离群体，结合GISH、竞争性等位基因特异性PCR（KASP，Kompetitive Allele-Specific PCR）基因分型技术，判定导入冰草1P染色体易位片段对不同小麦受体的影响，评价冰草1P染色体易位片段对减小叶片面积、降低株高的株型改良效应，以及对小麦产量构成因子的影响，探究两种易位片段在不同小麦背景育成品种中的预期性状和遗传效应，为未来有效利用冰草1P易位系奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料的亲本为8个背景的普通小麦品种，包括我国4个麦区的推广品种：藁城8901（黄淮北片）、百农607（黄淮北片）、漯麦163（黄淮北片）、百农207（黄淮北片）、西农979（黄淮北片）、中麦578（黄淮南片）、川麦104（西南麦区）、宁麦资126（长江中下游麦区）。小麦-冰草T1AS·1PL纯合易位系、T1PS·1AL纯合易位系是本实验室前期创制和鉴定的罗伯逊整臂易位系。将2个易位系分别与8个小麦品种杂交，对其F2分离群体进行生育期和收获后农艺性状的考察，每个背景作为一个分离群体，遗传分离群体大小从110株到400株，共获得14个F2遗传分离群体（详见https：//doi.org/10.13430/j.cnki.jpgr. 20230810002，附表1）。其中，百农607与冰草1PS易位系、川麦104与冰草1PL易位系两个组合的分离群体因种子发芽率未达标，群体内植株较少未被采用。所有材料于2021-2022年度种植于河南新乡中国农业科学院作物科学研究所试验基地，行长2 m，行距30 cm，株距10 cm，单粒点播，常规田间管理。

表1  小麦背景下冰草1P染色体KASP特异引物序列
Table 1  KASP primer sequence on chromosome 1P from A. cristatum under wheat background

序号

Number

引物名称

Primer name

引物序列（5'-3'）

Primer sequence（5'-3'）

变异位点

Variation locus

等位类型Allele type

位置（Mb）

Location

1 1PS-3850 FAM引物 GACTCAAGCTTGGGAAACTGTAAAAG G 冰草1PS 24.7
HEX引物 CGACTCAAGCTTGGGAAACTGTAAAAT T 小麦1AS
通用引物 CCACGGCTGGGCTTGACTTT
2 1PS-9180 FAM引物 CATCGCCGCGTTAGGGTCT C 冰草1PS 59.9
HEX引物 TCGCCGCGTTAGGGTCC T 小麦1AS
通用引物 CTTCCGGGCGATGAAGGAG
3 1PS-13610 FAM引物 GCATGAGCCCATTCCTTCG G 冰草1PS 94.8
HEX引物 TGCATGAGCCCATTCCTTCA A 小麦1AS
通用引物 GCTGCTGATGTCTTGGCAGGT
4 1PS-16290 FAM引物 GATCCAAATGGACTTCCATGATTAAC C 冰草1PS 121.8
HEX引物 GATCCAAATGGACTTCCATGATTAAT T 小麦1AS
通用引物 GAAACTGGGGATCGAGTCTCAGT
5 1PS-18740 FAM引物 CCCCAACACCATCTGATTCATTC C 冰草1PS 151.4
HEX引物 ACCCCAACACCATCTGATTCATTT T 小麦1AS
通用引物 GCCAATCCTGTGAATGGAGGAA
6 1PS-19960 FAM引物 TGGCGACATCGTCGAAGTCG G 冰草1PS 181.5
HEX引物 TGGCGACATCGTCGAAGTCC C 小麦1AS
通用引物 CCGGATTCCCCTGCCCA
7 1PS-20850 FAM引物 AGGCACAACCCAACACAGAACT T 冰草1PS 201.9
HEX引物 GGCACAACCCAACACAGAACC C 小麦1AS
通用引物 GTGATACTGGTAGTCACCTTCCTCG
8 1PS-21510 FAM引物 CGGAGATCTTGGATATAGGTGAGCA A 冰草1PS 221.8
HEX引物 GGAGATCTTGGATATAGGTGAGCG G 小麦1AS
通用引物 TCCGGAGAGGAACTCAACTCTCA
9 1PL-31030 FAM引物 CGTCCATGGTGTGCCTCCTG G 冰草1PL 363.4
HEX引物 CGTCCATGGTGTGCCTCCTC C 小麦1AL
通用引物 GGACATCTCGAAGGACTTGGCG
10 1PL-33650 FAM引物 CCGGCGAGAAGGACAAGTCC C 冰草1PL 395.0
HEX引物 CCGGCGAGAAGGACAAGTCG G 小麦1AL
通用引物 CGTCACGCCGATGAAGTACTCGT
11 1PL-43010 FAM引物 CGGCCAGCAGGACCGGT T 冰草1PL 482.6
HEX引物 GGCCAGCAGGACCGGG G 小麦1AL
通用引物 GAAAGACCTCGCGGACCCA
12 1PL-51360 FAM引物 GCCAAGATCTACGTCGCGTTC C 冰草1PL 541.6
HEX引物 GCCAAGATCTACGTCGCGTTT T 小麦1AL
通用引物 TGGGAGAGGCGGTAGGAGAAC
13 1PL-60840 FAM引物 GCGGCCCATCCGGAAG G 冰草1PL 605.1
HEX引物 GCGGCCCATCCGGAAC C 小麦1AL
通用引物 TACCCGGAGGCGGAGTTCT

1.2 细胞学鉴定

根尖染色体制片参照Jiang等［

15］的方法完成，首先将干种子浸泡在水中，随后将萌动的种子放置于有湿润双层滤纸的培养皿内，待根尖长至1.5~2 cm时剪下。经N2O处理2 h后，用90%醋酸固定液固定，清洗后再用纤维素酶和果胶酶进行酶解。酶解完成将根尖捣碎，晾干后加醋酸溶解，滴片后在全自动Zeiss Axio Image. Z2正置荧光显微镜（Carl Zeiss Ltd， 德国）中观察所有分裂相。取有丝分裂中期分裂相清楚且染色体数目完整的根尖制片进行GISH鉴定。原位杂交技术参照Fu等［21］的方法，使用Sun等［22］开发的冰草Oligo-pAc探针鉴定小麦背景下的冰草1P染色体，GISH杂交液含1 μL的GISH探针和10 μL的2×SSC∶1×TE缓冲液。GISH图像采集在MetaSystems Coolcube 1m CCD相机，图像处理在ISIS（Image processing），分析软件为MetaSystems GmbH（德国）。

1.3 基因组DNA的提取

参照Dellapor等［

23］的CTAB方法经适当改良后提取试验材料基因组DNA。将冻干的叶片放置于八联排试管内，经钢珠研磨后加入600 µL CTAB提取液，65 ℃水浴加热40~60 min。加入300 µL氯仿，摇床混匀10 min后3000 r/min离心15 min。取上清450 µL加入300 µL预冷的异丙醇，上下混匀后静置在4 ℃冰箱30 min。3000 r/min离心20 min，将白色沉淀用70%乙醇洗涤2次，晾干后加100 µL ddH2O溶解，测定浓度并放置于-20 ℃冰箱备用。

1.4 KASP分子标记检测

根据四倍体冰草全基因组序列（未发表），利用冰草1P染色体的注释基因序列与中国春小麦ABD参考基因组进行比对，筛选在冰草1P染色体和小麦1A染色体间的SNP（图1），使用Primer5进行KASP引物设计。参照Grewal等［

24］设计原理，每一组包含两条正向引物和一条反向引物或一条正向引物和两条反向引物。对小麦-冰草1P易位系设计引物时，当5′端正向引物为冰草和小麦发生等位变异的情况下（FAM、HEX），如图1目标SNP1为野生近缘种特异即1P上位点为G，而小麦1A、1B、1D序列相同即位点为A。3′端的反向引物SNP2（COMMEN）是锚定引物，即保证引物只扩增1P和1A染色体上的目标序列，冰草1P和小麦1A特异SNP即为碱基T，但小麦1B、1D的等位位点为C，不能扩增形成产物。这样设计保证引物只在冰草1P和小麦1A染色体上有扩增，成为1P和1A染色体的共显性标记。

图1  KASP引物设计

Fig.1  Design principle of KASP primer

KASP引物是由上海生物工程公司合成，使用时需在序列前添加荧光接头FAM（GAAGGTGACC AAGTTCATGCT）、HEX（GAAGGTCGGAGTC AACGGATT）。引物合成后将三种引物干粉分别稀释至100 µmol/µL，工作液（Primer Mix）的体积比例按照12（FAM）∶12（HEX）∶30（通用引物COMMEN）∶46（ddH2O）混合。KASP反应体系如下：总体积为5 µL，含1 µL模板DNA稀释液（50 ng/µL），0.07 µL Primer Mix，2.5 µL KASP Master Mix（HiGeno 2x Probe Mix B，北京嘉程生物科技有限公司），1.43 µL ddH2O。采用384孔板完成PCR扩增，程序如下：95 ℃预变性10 min；95 ℃变性20 s，61 ℃延伸40 s，10个循环；95 ℃变性20 s，55 ℃复性40 s，34个循环。

1.5 农艺性状考察

亲本、F2分离群体单株的性状考察标准参照《小麦种质资源描述规范和数据标准》［

25］，在开花期后考察旗叶长、旗叶宽、倒二叶长、倒二叶宽、倒三叶长、倒三叶宽，收获后考察株高、分蘖、小穗数、小穗粒数、穗粒数、千粒重。利用Excel、GraphPad Prism 8、Origin 2020、R语言软件进行数据分析和图像绘制。

2 结果与分析

2.1 T1PS·1AL和T1AS·1PL易位系的细胞遗传学鉴定

为鉴定外源染色体片段的易位类型，分别对T1PS·1AL和T1AS·1PL易位系进行GISH试验。图2A显示在有丝分裂中期1PS罗伯逊易位系细胞内共有42条染色体，其中两条1A小麦染色体短臂被1P染色体替换，该易位类型为T1PS·1AL纯合易位。T1AS·1PL纯合易位类型中（图2B），两条冰草1PL染色体臂替换了1A小麦染色体长臂。对着丝粒部分进行GISH鉴定发现，冰草T1PS·1AL（图2C）和T1AS·1PL（图2D）两种易位类型，同时携带有冰草特异着丝粒信号和小麦特异着丝粒信号，均为融合着丝粒。以上结果表明，两种易位系为小麦-冰草1PS和1PL罗伯逊易位系。

图2  小麦-冰草1P/1A纯合易位系GISH鉴定

Fig.2  The identification of 1P/1A homozygous translocation lines by GISH

A：T1PS·1AL易位系的GISH鉴定；B：T1AS·1PL易位系的GISH鉴定；C：T1PS·1AL易位系的着丝粒鉴定；D：T1AS·1PL易位系的着丝粒鉴定；蓝色区域为DAPI（4′，6-二脒基-2-苯基吲哚）染色的小麦染色体，gDNA-Z559代表外源冰草染色体，Oligo-CCS1为小麦着丝粒探针，pAcCR1为外源冰草着丝粒探针

A： The identification of translocation line T1PS·1AL by GISH；B： The identification of translocation line T1AS·1PL by GISH；C： The centromere identification of translocation line T1PS·1AL；D： The centromere identification of translocation line T1AS·1PL；The wheat chromosomes are in blue stained by 4′，6-diamidino-2-phenylindole （DAPI）. gDNA-Z559 represents A. cristatum chromosome；Oligo-CCS1 is the specfic centromere probe of wheat， pAcCR1 is the specfic centromere probe of A. cristatum

2.2 T1PS·1AL和T1AS·1PL易位系KASP特异分子标记的开发

为了检测小麦和冰草染色体，提高分离群体的外源染色体跟踪检测效率，设计出KASP共显性标记，区分发生易位和替换的目标染色体，从而将后代划分为纯合易位系、杂合易位系和不含易位片段3种基因型。为了覆盖冰草1P染色体的不同区间，在冰草1P长、短臂上共设计了33组特异性KASP分子标记，平均每30 Mb物理距离保留一组。经过至少96个测试样本的验证后，筛选出多态性好、分型理想的KASP标记13组，包括1P短臂8组，1P长臂5组，覆盖冰草1P染色体基因组共605.1 Mb的物理距离（图3A），引物序列见表1。

图3  冰草1P和小麦1A染色体共显性KASP引物开发及验证结果

Fig.3  Development and verification results of codominant KASP primers for A. cristatum chromosome 1P and wheat chromosome 1A

A：冰草1P染色体KASP引物，左边数字为冰草1P染色体的物理图谱，右边为标记分布，中间圆形环代表冰草1P染色体的着丝粒；B：冰草1P短臂引物1PS-16290验证1PS易位群体的部分结果；C：冰草1P长臂引物1PL-31030验证1PL易位群体的部分结果；FAM信号（蓝色）代表冰草P基因型，HEX信号（红色）代表小麦A基因型，绿色信号为小麦/冰草杂合信号（W∶P）

A： KASP primers distribute on A. cristatum chromosome 1P；The number on the left is the physical map of A. cristatum chromosome 1P， the right is the markers distribution， and the circular ring in the middle represents the centromere of A. cristatum chromosome 1P； B： Partial results from the 1PS translocation population verified by the 1P short-arm primer 1PS-16290； C： Partial results from the 1PL translocation population verified by the 1P long-arm primer 1PL-31030；FAM signal （blue） represents the P genotype of A. cristatum， HEX signal （red） represents the A genotype of wheat， and green signal is a hybrid signal of wheat/ A. cristatum （W∶P）

如图3B、3C，对14个冰草1P易位系分离群体利用BMG LABTECH FLUO star Omega SNP完成荧光信号读取，采用Cluster caller软件（LGC， Queens Road， Teddington， Middlesex， TW11 0LY， 英国）进行基因分型。黑色圆点为NTC即ddH2O，阳性对照为冰草Z559，阴性对照为小麦Fukuho，杂合对照为冰草Z559、小麦DNA按1∶1等摩尔比例混合。结果表明，开发的特异性KASP分子标记在鉴定小麦-冰草1P易位系中具有可靠性。

2.3 冰草T1PS·1AL易位染色体的遗传效应分析

在1P染色体长臂、短臂导入包括百农207、西农979等7个背景的小麦品种后，利用开发的KASP分子标记对F2分离群体植株进行基因分型。通过生育期和产量性状的考察，发现1P长臂和短臂不同易位类型在小麦不同背景下表现出不同的差异，并且即使在同一种易位类型中，不同背景的小麦性状所受到的影响也不完全一致。

对短臂易位类型的纯合阳性（P∶P）和阴性（W∶W）F2植株各性状进行分析后发现，在倒三叶长性状上，川麦104、漯麦163、百农207、西农979群体的纯合阳性植株较纯合阴性植株降低且差异显著，藁城8901、宁麦资126群体也有降低，降低范围在0.6~1.4 cm，说明导入1PS短臂后在这6个小麦背景下可适当降低倒三叶长，改良叶型（表2）。川麦104、西农979群体在旗叶宽、倒二叶宽上表现出显著增加的趋势，百农207、西农979群体显著提高倒三叶宽，其余背景未有明显变化。因此，1PS染色体上可能存在降低倒三叶长的基因。

表2  冰草1PS染色体导入不同小麦背景对叶型的影响
Table 2  Genetic analysis of leaf pattern on different A. cristatum chromosome 1PS segregation populations

序号

Number

品种

Variety

类型

Type

旗叶长（cm）

Length of

flag leaf

旗叶宽（cm）

Width of

flag leaf

倒二叶长（cm）

Length of

top second leaf

倒二叶宽（cm）

Width of

top second leaf

倒三叶长（cm）

Length of

top third leaf

倒三叶宽（cm）

Width of

top third leaf

1 川麦104 P∶P 18.46±3.08 1.96±0.18* 23.58±2.62 1.72±0.16* 21.45±2.57* 1.46±0.14
W∶W 18.27±2.81 1.87±0.18 23.64±2.91 1.65±0.15 22.77±2.57 1.42±0.16
2 藁城8901 P∶P 15.12±2.44 1.71±0.26 21.74±2.55 1.53±0.18 20.90±1.36 1.33±0.12
W∶W 14.63±2.39 1.66±0.21 21.20±2.34 1.51±0.13 21.65±2.29 1.34±0.12
3 漯麦163 P∶P 15.34±2.96 1.87±0.28 21.27±2.60 1.72±0.13 19.43±1.92* 1.44±0.14
W∶W 15.77±2.78 1.83±0.23 22.14±2.34 1.66±0.20 20.83±2.38 1.43±0.19
4 宁麦资126 P∶P 15.61±2.47 1.88±0.20 22.63±2.24 1.72±0.14 21.78±2.41 1.47±0.14
W∶W 16.01±3.11 1.89±0.20 22.36±2.26 1.70±0.18 22.35±2.45 1.50±0.16
5 百农207 P∶P 15.35±2.45 2.09±0.16 20.83±2.25 1.83±0.14* 18.13±2.01** 1.66±0.13*
W∶W 16.01±2.53 2.02±0.22 21.29±2.28 1.76±0.14 19.35±1.80 1.60±0.12
6 西农979 P∶P 15.91±2.86 1.96±0.20** 21.48±2.50 1.73±0.14** 18.92±2.02* 1.55±0.14**
W∶W 15.80±3.01 1.85±0.18 21.58±2.79 1.65±0.14 19.61±2.28 1.49±0.14
7 中麦578 P∶P 16.86±2.80 1.80±0.24 21.91±2.45 1.56±0.14 20.37±1.96 1.35±0.17
W∶W 16.43±2.47 1.76±0.23 21.39±1.96 1.56±0.18 20.09±2.02 1.35±0.16

表中数据为平均值±标准差；*代表在P<0.05水平上差异显著；**代表在P<0.01水平上差异显著；下同

The data in the table are the mean ± SD；* indicates a significant difference at the P<0.05 level；** indicates a significant difference at the P<0.01 level；The same as below

对株型分析发现，藁城8901、漯麦163、宁麦资126、百农207及中麦578群体中阳性植株的株高较阴性植株显著降低，其余两个背景也有下降，整体降低水平在3~8 cm（图4A）。有效分蘖在川麦104群体中阳性植株较阴性植株显著下降，其他6个品种没有表现显著差异（图4B）。川麦104群体的穗部性状在导入1PS后无明显变化，而漯麦163群体在小穗粒数、穗粒数和千粒重均显著降低，说明漯麦163对于冰草1PS来说可能不适合作为基础研究材料（图4D~F）。此外，百农207群体在小穗数和千粒重方面也有降低（图4C、F）。从现有数据分析，1PS的导入在某些背景如漯麦163、百农207中对产量性状略有影响，在某些背景如川麦104、西农979中并无明显变化，但总体上产量性状不受影响。

图4  1PS易位系的遗传效应分析

Fig.4  Genetic effect analysis of 1PS translocation line

W∶W表示纯合阳性植株；P∶P表示纯合阴性植株；黄色圆点代表群体内单株；下同

W∶W indicates homozygous positive plants； P∶P indicates homozygous positive plants； The yellow dots are the individual plants of different populations； The same as below

2.4 T1AS·1PL易位染色体的遗传效应分析

冰草1PL导入小麦后，7个小麦背景均表现出在旗叶宽、倒二叶宽、倒三叶宽等叶型上纯合阳性较阴性植株有显著下降的趋势。对于旗叶长，百农607、漯麦163、西农979、百农207群体纯合阳性植株显著降低，藁城8901、宁麦资126群体有降低但未达显著。另外，漯麦163、西农979及百农207群体倒二叶长也显著缩短，分别降低了1.37 cm、1.9 cm和0.85 cm（表3）。

表3  冰草1PL染色体导入不同小麦背景对叶型的影响
Table 3  Genetic analysis of leaf pattern on different A. cristatum chromosome 1PL segregation populations

序号

Number

品种

Variety

类型

Type

旗叶长（cm）

Length of

flag leaf

旗叶宽（cm）

Width of

flag leaf

倒二叶长（cm）

Length of

top second leaf

倒二叶宽（cm）

Width of

top second leaf

倒三叶长（cm）

Length of

top third leaf

倒三叶宽（cm）

Width of

top third leaf

1 百农607 P∶P 14.91±2.00* 1.81±0.16** 19.32±1.88 1.62±0.13** 19.59±1.82 1.46±0.14**
W∶W 16.06±2.03 2.05±0.15 20.02±1.56 1.78±0.11 19.74±1.77 1.53±0.12
2 藁城8901 P∶P 15.23±2.53 1.70±0.17** 20.44±2.15 1.54±0.10** 19.95±2.32 1.37±0.13*
W∶W 16.09±2.60 1.85±0.19 20.84±2.01 1.65±0.12 20.32±1.75 1.43±0.11
3 漯麦163 P∶P 14.27±2.45** 1.54±0.14** 20.21±2.14** 1.48±0.11** 20.36±2.14 1.36±0.11**
W∶W 16.04±2.89 1.77±0.19 21.58±2.57 1.61±0.14 21.00±2.23 1.45±0.11
4 宁麦资126 P∶P 14.95±2.80 1.61±0.15** 21.71±2.68 1.55±0.12** 22.52±2.55 1.43±0.11
W∶W 16.02±2.97 1.80±0.19 22.61±2.66 1.65±0.13 22.57±2.53 1.48±0.14
5 百农207 P∶P 16.35±2.64** 1.88±0.18** 23.11±2.65* 1.73±0.17** 22.69±1.98 1.60±0.13**
W∶W 18.05±3.13 2.12±0.20 23.96±2.38 1.87±0.15 21.95±2.33 1.68±0.14
6 西农979 P∶P 13.98±2.65** 1.59±0.17** 18.30±2.11** 1.50±0.12** 18.60±1.95** 1.41±0.12**
W∶W 16.15±2.46 1.81±0.18 20.20±2.23 1.66±0.13 19.98±1.99 1.50±0.13
7 中麦578 P∶P 15.51±2.50 1.68±0.15** 20.43±2.36 1.53±0.10** 20.18±1.53 1.38±0.08**
W∶W 16.08±2.13 1.82±0.14 21.19±2.21 1.64±0.13 20.88±1.68 1.45±0.10

藁城8901、西农979和中麦578群体的阳性植株株高较阴性植株显著下降，其他背景中也有降低，但未达到显著水平（图5A）。百农607、藁城8901、漯麦163群体的有效分蘖在阳性植株中显著增加（图5B）。根据收获后对产量性状的考察，7个品种的小麦导入1PL后对千粒重均表现出显著的负效应（图5F）。小穗粒数和穗粒数的数据表明，百农607、藁城8901、西农979、百农207背景中这些性状都显著降低（图5D、E）。冰草1PL导入小麦后，明显影响小麦的叶型，使受体小麦叶片变窄、叶长变短和株高降低，但是同样对穗粒数、千粒重等产量性状产生了负效应，说明1PL上存在株型改良基因的同时，还携带对产量性状不利的基因，生产上若要利用1PL上的有利基因必须先摒除这些不利基因所带来的连锁累赘。

图5  1PL易位系的遗传效应分析

Fig.5  Genetic effect analysis of 1PL translocation line

2.5 株型改良优异单株的选择

本研究发现1PS易位片段具有降低株高和倒三叶长度的显著效应，1PL易位片段同时具有降低株高、减小旗叶、倒二叶叶片大小的效应。为了在F2分离群体中筛选出株型明显改变，产量性状不受影响的单株，通过筛选旗叶明显变小、株高降低，但是有效分蘖、穗粒数、千粒重保持在受体小麦品种水平之上的单株，以便选出携带外源冰草1PS和1PL易位片段、株型明显改良的优异单株，供未来育种利用。结果发现，从14个F2分离群体中选出符合目标性状的单株75个（详见https：//doi.org/10.13430/j.cnki.jpgr. 20230810002，附表2）。其中，百农607背景下的单株6个，川麦104背景下的单株9个，藁城8901背景下的单株5个，漯麦163背景下的单株8个，宁麦资126背景下的单株10个，百农207背景下的单株2个，西农979背景下的单株15个，中麦578背景下的单株20个。筛选单株规则如图6，以百农207和西农979的群体为例且仅列出部分性状。在百农207群体中挑选出株高在68 cm以下、千粒重在45 g以上，并且其他性状保持在受体亲本以上的1PS单株作为优良易位单株（图6A）。在西农979群体中挑选出旗叶长在16 cm以下、千粒重在40 g以上，并且其他性状保持在受体亲本以上的1PL纯合阳性单株作为优良易位单株（图6B）。若将这些优良单株保存并加以利用，可以进一步分析其保持优良性状的原因，挖掘冰草1P染色体潜在的有利基因，未来也可作为改良现有品种或培育新品种的中间桥梁材料。

图6  部分株型改良的纯合易位植株的筛选

Fig.6  Some excellent individual plants with plant type improvement

蓝色和紫色虚线的左上角为选择范围；粉色圆点为选出的优良单株；黑色圆点为群体内单株

The upper left corner of the blue and purple dotted lines is the selection range； The pink dots are the selected excellent individual plants； The black dots are the individual plants of different populations

3 讨论

3.1 冰草1P染色体的遗传效应受不同小麦背景影响

Wang等［

20］报道，冰草1P附加系在导入到不同小麦背景中时，主要影响的性状有旗叶、株高及产量性状中的千粒重等。但是，冰草1PS和1PL易位到小麦1A染色体上的遗传效应还不清楚。为了阐明T1PS·1AL和T1AS·1PL易位系在小麦遗传改良中的利用价值，本研究将冰草1PS和1PL易位染色体同时转育到8个小麦品种中，对F2分离后代的株叶型和产量性状进行了详细的评价。结果显示，1PS易位片段的遗传效应主要表现在倒三叶长和株高的降低上，同时产量性状整体水平上保持不变，但是1PS易位系对旗叶的效应未在本研究中体现，这可能与本研究使用的分离群体代数偏低有关，而Wang等［20］报道所用研究材料为回交5代以上的近等基因系。冰草1PL易位系在7个小麦背景中的表现较明显，改良了株叶型，使旗叶、倒二叶、倒三叶适当变小，株高略有降低，产量性状降低，整体表现与前人研究一致。本研究虽然只有一个年度的分析数据，但是通过对小麦-冰草1PS和1PL易位系在8个小麦品种背景，共14个F2遗传分离群体2533个单株进行表型、基因型的检测和显著性测验，以样本的大数据量弥补只有一个年度重复的不足。

作为光合作用的主要器官，旗叶、倒二叶、倒三叶的大小与产量性状密切相关。研究表明，旗叶的大小和生理特征共同决定光合效率和叶片功能期，在产量形成中起重要作用［

26］。倒二叶对株高、穗长有显著影响，倒三叶的性状影响群体的光合性能。对于小麦来说，减少叶片大小可以减少相互遮光，是提高产量的一个好方法［27］。小麦株高与其抗倒伏能力、产量性状具有相关性，株高过高在高水肥条件下降低抗逆能力，株高过矮不利于对养分的吸收，影响灌浆，而适宜的株高可提高分蘖能力、增加千粒重等［28-29］。在不同小麦背景中，冰草1P易位系有降低小麦叶片大小及株高的效应，说明冰草1P易位系在育种改良株叶型中具有利用价值，可以作为改良小麦的一种创新资源。在不同背景中，冰草1P易位系的表现不是完全一致的。本研究发现冰草1PS易位片段导入中麦578背景对叶型和株高性状影响很小，导入漯麦163背景有降低产量性状负效应，说明外源染色体的性状表达受亲本小麦遗传背景所影响。相比之下，冰草1PL在降低株高和叶片大小性状上受小麦遗传背景干扰较小，说明冰草1PL携带的影响株型改良外源基因表达更稳定。以上说明小麦-冰草1P易位系在不同小麦背景中的遗传效应一方面与冰草1P染色体携带的基因有关，另一方面也与小麦不同的品种特性有关。本研究筛选出一些携带外源冰草1PS和1PL易位片段的单株，其旗叶明显变小、株高降低，但是有效分蘖、穗粒数、千粒重保持在受体小麦品种水平之上，在未来育种利用上具有重要价值，这些创新种质可以作为创新资源分发到不同生态区的育种单位进行育种利用。

3.2 冰草1PS和1PL易位系在小麦遗传改良中的利用途径探讨

远缘杂交产生的易位系后代在育种上被广泛应用。最为成功的是小麦-黑麦T1BL·1RS易位系的利用，由于其对环境的广泛适应性和稳产性在小麦育种中做出了巨大贡献［

30］，在中国有近50%的冬小麦品种携带有1BL/1RS易位染色体［31］。小麦-簇毛麦易位系中，T1DL·1VS易位系显著增强面筋强度，提高小麦品质，1V染色体上含有贮藏蛋白基因［32］。对华山新麦草的研究发现，1Ns附加系携带抗叶锈病基因［33］。刘登才等［34］以小麦-长穗偃麦草二体附加系为材料，在赤霉病抗性鉴定中发现，1Ee染色体上有赤霉病的抗性基因。而在1Ee（1A）代换系中，1Ee染色体降低了旗叶长和旗叶宽，同时可以提高小麦品质，但对产量性状不利［35］。高大山羊草的1S1染色体上含有两个优质高分子量麦谷蛋白亚基，可以提高小麦品质［36］。本研究结果显示冰草1P染色体上存在降低株高和影响叶片大小的重要基因，充分利用和研究冰草1P外源染色体，阐明外源染色体的利用价值对未来小麦育种具有重要意义。基因组测序和细胞遗传学的研究表明，小麦族不同属的物种在第一同源群的进化相对保守，实践证明黑麦1R短臂被全世界小麦育种界广泛利用。因此建议冰草1PS也可以直接应用于育种，不需要再获得更小片段的易位系。本研究发现冰草1PL除了携带降低株高和叶片大小基因外，同时存在减少穗粒数、降低千粒重的明显不良连锁累赘。若未来要利用冰草1PL易位系，可以通过两种途径克服连锁累赘。一种是扩大易位系分离群体，在大群体中选出期望单株，与高千粒重和高穗粒数的亲本进行组配，可以选出产量综合性状好的个体。另外一种方法是利用辐照技术、ph1b突变体诱导方法创制更小片段的1PL易位系，确保只导入外源优异基因，去掉对产量性状具有负效应的区段，打破连锁累赘。

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