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硬粒小麦种质资源遗传评价及育种利用研究

王含彦  
【摘要】: 现代育种技术和栽培模式导致普通小麦基因大量流蚀,遗传基础日益狭窄,不仅导致小麦忍受生物胁迫和环境胁迫的能力急剧下降,而且严重制约小麦的进一步改良。从小麦近缘种属中发掘利用优异的基因资源,对于拓宽普通小麦的遗传基础以及具有重要意义。硬粒小麦(Triticum durum L,AABB)是普通小麦的二级基因源,携带丰富的改良小麦产量和品质的优异基因。本项研究基于形态学、生物化学及分子生物学技术对硬粒小麦种质资源进行了系统的遗传评价,并筛选出各具优势的硬粒小麦材料22份;选择蛋白质含量较高的硬粒小麦材料与普通小麦品种进行杂交,进一步尝试将硬粒小麦携带的优异基因转育到普通栽培小麦中。主要研究结果如下: 1.对101份硬粒小麦主要农艺性状和蛋白质含量进行了分析。结果表明,硬粒小麦农艺性状存在丰富的遗传变异,多分蘖及多小穗是硬粒小麦最有利用价值的农艺性状,而株高、千粒重和生育期成为限制其利用的因素。各性状间的相关分析揭示对于硬粒小麦不宜单纯增加千粒重,而应通过增加有效穗数、小穗数和蛋白质含量来达到提高产量与品质的双重目标基于农艺性状表现,供试材料可聚为四类,聚类结果与其地理来源并不完全一致。根据以上分析,筛选出22份综合性状较好或具有一个以上突出优良性状的材料,为进一步在育种中加以利用提供了新的物质基础。 2.利用生化指纹技术,对142份硬粒小麦的遗传多样性进行了评价。通过酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳技术(A-PAGE)检测到37条谱带,128种带型,表明硬粒小麦具有丰富的醇溶蛋白等位变异。聚类分析可将供试材料分为3大类,相同地理来源的材料能够部分地聚成一类或亚类,表明醇溶蛋白所揭示的遗传关系与地理来源有一定相关性。利用十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳技术(SDS-PAGE),共分离出14种高分子量麦谷蛋白亚基和15种亚基组合,优质亚基所占比例不高,并筛选出具有优质亚基组合的材料20份(2*、7+8组合17份,2*、14+15组合3份)。另外,还发现2份材料在Glu-Al和Glu-Bl位点亚基同时缺失,这类材料对于排除HMW-GS的影响,研究低分子量谷蛋白亚基和醇溶蛋白与硬粒小麦品质的关系具有重要的利用价值。 3.利用EST-SSR标记技术,对60份硬粒小麦遗传多样性进行了分析。结果表明,在25个有效扩增的eSSR标记中,三核苷酸重复类型为优势类型。B染色体组比A染色体组具有更高的等位变异数目和多态性信息含量(PIC)含量。Mantel-test显示A、B两染色体组标记的遗传相似系数矩阵存在极显著的线性相关(P<0.001),推测硬粒小麦群体两个染色体组所发生的遗传分化程度相似。分析分子方差(AMOVA)表明硬粒小麦在不同国家间(组间)和国家内(组内)均存在显著的遗传差异,但组内材料间的差异构成变异的主要来源。Shannon's信息指数和Gst(基因型/材料间遗传分化)值均表明,中国硬粒小麦群体的遗传多样性最高。根据材料间遗传相似系数进行的聚类分析,以及根据组间Nei's遗传距离构建的群体系统树图均表明,来自于加拿大和埃塞俄比亚硬粒小麦群体表现出相对独立的遗传特性。 4.利用基于α-醇溶蛋白基因序列保守区设计的引物,从硬粒小麦CItr5083中克隆得到3个不同的基因序列:DQ296195,DQ296196和DQ296197,其中DQ296195和DQ296196包含完整的编码区,而DQ296197由于编码区内单碱基突变(C→T)导致其产生提前终止密码子,故为假基因。推导氨基酸序列比较显示3个序列均具有典型的α-醇溶蛋白基因结构,也包括毒性序列(PSQQQP)。短肽片段PF(Y)PP(Q)是N-端重复区的特有重复单元,略不同于以前的报道.系统进化分析表明Gli2 Du2和Gli2 Du3与位于染色体6A上的醇溶蛋白基因聚在一起,而Gli2 Dul与位于染色体6B上的基因关系较近。 5.选择供试群体中蛋白质含量最高的硬粒小麦材料As295与普通小麦品种川农16进行远缘杂交,并分析其F_2和F_3代的农艺性状、蛋白质含量和细胞学表现。结果表明,F_2代的各农艺性状平均值接近于低值亲本。根据F_2代染色体数分布频率,推测具有19~21条染色体的配子具有更强的生活力,因此在F_3代可能产生较多具有全套A、B、D组染色体的单株。对F_3代(由具有42条染色体的F_2代单株产生)进行细胞学及形态学分析,结果说明对于As295/CN16这一特定组合而言,难以在低世代选择到表现稳定的材料。对此我们选择优异单株与其它普通小麦品种回交,并筛选出一些表现优良的组合,为进一步利用提供了物质基础。


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