簇毛麦籽粒硬度基因和贮藏蛋白基因的染色体定位及易位系选育

【摘要】：品质改良是普通小麦遗传改良主要方向之一,籽粒硬度和胚乳贮藏蛋白是决定加工品质的主要遗传因素,二者均由主效基因控制。发掘、鉴定和聚合优异籽粒硬度基因和贮藏蛋白基因是品质改良主要技术手段,普通小麦近缘属种具有变异丰富的籽粒硬度基因和贮藏蛋白基因,从中挖掘和鉴定新的优异基因,是扩大普通小麦品质改良遗传基础行之有效的方法。簇毛麦在植物分类上属禾本科小麦族小麦亚族,是小麦的近缘属种之一。它除了具有抗白粉病、抗叶锈病和秆锈病、分蘖力强及多小穗等许多普通小麦需要的有利性状外,其种子蛋白质含量高达26%,特别是具有丰富的普通小麦所不具有的高分子量麦谷蛋白亚基等位变异,是普通小麦贮藏蛋白重要的遗传资源。本研究主要针对簇毛麦籽粒硬度基因和贮藏蛋白基因进行研究,目的为普通小麦品质改良提供新的优异基因资源。 1普通小麦-簇毛麦T5VS·5DL易位系选育及籽粒硬度分析 籽粒硬度主效基因Pina和Pinb位于普通小麦5D染色体短臂上且紧密连锁,当二者均为野生型时,分别编码puroindoline蛋白PINA和PINB,籽粒胚乳为软质。本研究采用60Co-γ射线照射硬粒小麦-簇毛麦双二倍体花粉,将其授予母本中国春并用中国春连续回交,综合利用染色体C-分带、基因组原位杂交(GISH)和分子标记技术,从BC4F2中选育出普通小麦-簇毛麦T5VS5DL纯合易位系(NAU415)。利用单粒籽粒硬度测定仪(SKCS)测试易位系籽粒硬度和扫描电镜(SEM)观察易位系籽粒胚乳显微结构,T5VS·5DL易位系的籽粒胚乳为软质结构。通过对NAU415×郑麦9405(硬质,Pina-D1b/Pinb-D1a) F2:3单株籽粒硬度测试结果进一步证实了软质胚乳性状与易位染色体相关,表明与普通小麦亲缘关系较远的簇毛麦5V染色体短臂上携带有籽粒硬度基因。T5VS·5DL易位染色体在普通小麦背景中传递正常,具有纯合易位染色体的材料其籽粒胚乳为软质,易位染色体对主要农艺性状无显著负效应,因此,T5VS·5DL易位系为弱筋小麦品质改良及拓展胚乳质地范围提供了新的基因资源。根据Pin基因的保守序列设计引物,利用PCR技术,分别从簇毛麦和T5VS·5DL易位系中分离克隆到Pina同源基因Dina (Genbank GU211902)和Pinb同源基因Dinb (Genbank GU211903). Dina基因的编码区长度为438bp,与中国春Pina-Dla (Genbank DQ363911)序列相比,同源性为92.6%,具有2个缺失位点及24个单核苷酸突变。DINA蛋白由144个氨基酸组成,与PINA蛋白相比,同源性为89%,具有相同的保守结构域(10个半胱氨酸残基组成的骨架结构及色氨酸富集区),但在色氨酸富集区第42位发生了氨基酸替换,由赖氨酸替换为精氨酸(Lys-42 to Arg). Dinb基因的编码区长度为444bp,与中国春Pinb-Dla (Genbank DQ363903)序列相比,同源性为93.3%,具有1个缺失位点及28个单核苷酸突变。DINB蛋白由147个氨基酸组成,与PINB蛋白相比,同源性为92%,具有相同的保守结构域(10个半胱氨酸残基组成的骨架结构及色氨酸富集区),同样在色氨酸富集区42位发生了氨基酸替换,由赖氨酸替换为精氨酸(Lys-42 to Arg).普通小麦Pin基因与簇毛麦Din基因的多态性及其与胚乳质地的关系,为研究籽粒硬度相关基因结构与功能之间的关系提供了基因资源。本研究根据Pin基因和Din基因序列差异开发的共显性分子标记Xcinau95-650及Xcinau96-530可以用于T5VS·5DL易位系的分子标记辅助选择育种,以加快簇毛麦籽粒硬度基因在弱筋小麦品质改良过程中的转移与利用。 2簇毛麦籽粒贮藏蛋白基因的染色体定位及易位系选育 贮藏蛋白是决定小麦加工品质主要因素之一,麦谷蛋白和麦醇溶蛋白分别决定面团的弹性和延展性,尤其是高分子量麦谷蛋白亚基的组成可以直接影响面粉的烘焙品质。簇毛麦1V染色体上具有Glu-V1、Glu-V3和Gli-V1贮藏蛋白基因,本研究综合利用染色体C-分带、基因组原位杂交(GISH)和分子标记技术从60Co-γ射线照射硬粒小麦-簇毛麦双二倍体花粉与母本中国春杂交,并用中国春连续回交的后代中选育了涉及簇毛麦1V染色体的易位系和端体系,包括簇毛麦1VL端二体异附加系、簇毛麦1VS单端体异附加系、普通小麦-簇毛麦1VS/W纯合易位系(NAU416)、普通小麦-簇毛麦1 VL/W纯合易位系(NAU417)以及普通小麦-簇毛麦1VL/W-W顶端纯合易位系(NAU418)。把簇毛麦贮藏蛋白位点Glu-V1、Glu-V3和Gli-V1定位于易位系NAU416所包含的簇毛麦染色体区段上。品质分析结果初步表明,易位系NAU416的籽粒粗蛋白含量、全麦粉湿面筋含量、干面筋含量、面筋指数及Zeleny沉降值均显著高于其轮回亲本中国春,表明簇毛麦Glu-V1、Glu-V3和Gli-VI贮藏蛋白基因导入普通小麦背景中能够显著提高总蛋白质含量和面筋质量,因此普通小麦-簇毛麦T1VS/W易位系(NAU416)可以用于改良普通小麦面包加工品质。簇毛麦1V染色体上除了具有贮藏蛋白基因位点外,还具有抗锈病基因位点,因此本研究所选育的易位系NAU416、NAU417及NAU418还可以进一步对抗锈病基因进行染色体定位。