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小麦骨干亲本碧蚂4号及其衍生品种的条锈病抗性、蛋白质组成及SSR分析

徐鑫  
【摘要】: 骨干亲本在我国作物育种和生产中发挥了至关重要的作用,但目前对于骨干亲本的形成和遗传基础尚缺乏系统的理论研究,难以进行早期预测和高效利用。因此,阐明骨干亲本及其系谱品种条锈病抗性、胚乳贮藏蛋白组成及重要染色体的遗传和分布特征,对于全面解析骨干亲本形成原因和实现作物超高产、高效育种的新目标具有重大的理论和实践意义。 本研究以小麦骨干亲本碧蚂4号衍生的80个不同世代品种、系谱涉及的18个中间亲本、碧蚂4号6个姊妹系及其亲本共106个品种(系)为材料,利用国内外23个小麦条锈菌生理小种对77个品种进行苗期条锈病抗性鉴定和基因推导;利用十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)和酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳(A-PAGE)技术对供试品种高分子量谷蛋白和醇溶蛋白组成进行鉴定;分别采用48、26和25对SSR引物对携带较多抗病、胚乳贮藏蛋白基因位点及其他重要农艺性状相关基因和QTL的2A(Yr1等)、1B(Yr9、Glu-B1和Gli-B1等)和1D(Glu-D1和Gli-D1等)染色体进行分子标记分析,并结合五个生态区获得的穗长、小穗数、穗粒数、千粒重、有效分蘖、株高和产量等7个重要农艺性状的表型数据进行关联测验。获得主要结果如下: 1.碧蚂4号衍生系谱品种条锈病苗期抗性鉴定和基因推导 (1)碧蚂4号衍生系谱品种中存在5个已知条锈病抗性基因和其他未知基因。碧蚂4号等18个品种携带Yr1基因,占所有供试品种的25.7%;丰抗1号等9个品种携带Yr9基因;冀麦23可能携带Yr2、Yr25和YrHVII基因。 (2)碧蚂4号含有Yr1基因,它的13个一代衍生品种中有4个(30.8%)含有Yr1,30个抗性鉴定的二代品种中有11个(36.7%)也含有Yr1,而且系谱分析表明,一代衍生品种的其他3个中间亲本和二代衍生品种的11个中间亲本品种均不具有Yr1基因。另外,在4个抗性鉴定的碧蚂4号三代衍生品种中,有芒红7号含有Yr1基因,其余3个(75%)品种均继承了洛夫林10号的Yr9基因;在8个抗性鉴定的碧蚂4号四代衍生品种中,京411含有Yr1基因,4个(50%)洛夫林10号的后代品种含有Yr9基因。以上分析表明,碧蚂4号携带的Yr1基因在其衍生的一代和二代品种受到了一定程度的选择,而在衍生的三代和四代品种中,洛夫林10号携带的Yr9基因比例较高,但个别品种仍含有Yr1基因。 (3)分析碧蚂4号及其衍生品种对不同条锈菌生理小种的反应型,发现碧蚂4号抗性在衍生品种表现明显的优先遗传。碧蚂4号对13个生理小种表现为抗病,小种间它的衍生后代中表现抗病的品种数为36~49个,而对于碧蚂4号表现为感病的10个生理小种,小种间它的衍生后代中表现抗病的品种数仅为7~28个。 (4)对碧蚂4号衍生系谱涉及的北京14系选品种和不同姊妹系品种及其亲本苗期条锈病抗谱比较分析,发现系选品种间和相同亲本组合衍生的不同品种的条锈病抗谱表现不同程度的差异。衍生品种中存在与亲本不一致的现象,同样系选品种也存在与北京14不一致的情况。 2.供试品种麦谷蛋白和醇溶蛋白组成分析 (1)高分子量谷蛋白亚基(HMW-GS)组成分析表明,碧蚂4号HMW-GS组成分别为Null,7+8,2+12。在Glu-B1位点,碧蚂4号的7+8亚基与一代衍生品种的3个亲本均不同,其在一代品种的遗传频率高达84.6%;6个(54.5%)二代衍生品种的中间亲本与碧蚂4号亚基相同,该代7+8亚基的频率仍高达64.1%;三代和四代衍生品种的5个亲本中只有2个含有7+8亚基,这两个世代7+8亚基频率明显降低,而7+9成为主要类型,频率分别为69.2%和64.3%。在Glu-A1和Glu-D1位点,各有11(64.7%)个中间亲本与碧蚂4号亚基相同,它们分布于不同子代涉及的中间亲本中,Null和2+12在4个世代品种的遗传频率均不小于76.9%。 (2)醇溶蛋白组成分析表明,碧蚂4号有16条醇溶蛋白谱带,其中谱带Gli64.5为碧蚂4号特异带,在衍生品种的遗传频率为11.3%;Gli16.7、Gli18.9、Gli47.7、Gli56.7、Gli62.2、Gli66.9、Gli74.3和Gli81.7八条带在碧蚂4号4个衍生世代的遗传频率都很高,频率变异范围为59.0~100%,系谱分析发现4个世代涉及的多数中间亲本均具有与碧蚂4号相同的谱带;而谱带Gli20.9、Gli28.1、Gli30.0、Gli33.0和Gli52.3均只在个别世代占主导地位。 3.SSR分子标记分析 (1)以碧蚂4号各衍生品种的育成系谱为基础,对碧蚂4号等位变异的遗传分别进行比较分析,结果表明,碧蚂4号等位变异在衍生品种的遗传存在明显的区段效应,但不同衍生品种系谱之间及系谱内不同世代品种间选择的碧蚂4号位点、区段表现不同,这可能说明不同遗传区段对品种的贡献不同,而且不同品种系谱和不同育种目标等亦影响区段的选择效应。碧蚂4号衍生品种主要分布于黄淮冬麦区和北方冬麦区,分别有33和47个。比较也发现,2A染色体上的Xgwm515和Xgwm249位点,1B染色体上的Xgwm124位点以及1D染色体上的Xcfd65和Xcfd282位点为北方冬麦区品种共同的碧蚂4号位点,它们可能在该生态区品种形成中起着更为重要的作用。 (2)关联测验表明,31对(39.2%)SSR引物与穗长、小穗数、穗粒数、千粒重、有效分蘖数、产量和株高等性状相关。等位变异效应解析发现,不同性状相关位点碧蚂4号等位变异同时表现“增效”和“减效”,这可能和位点、性状之间互作有关。 4.碧蚂4号和碧蚂1号比较分析 比较碧蚂4号和碧蚂1号对不同条锈菌生理小种的反应型,发现碧蚂1号对16个小种表现为抗病,而碧蚂4号对其中13个小种表现为抗病,基因推导结果表明二者均含有Yr1;同时,与碧蚂1号相比,碧蚂4号具有8条特有醇溶蛋白谱带,其中Gli74.3和Gli81.7在其衍生品种高频率分布,Gli20.9受到一定的选择。碧蚂4号和碧蚂1号具有相同的麦谷蛋白组成。 骨干亲本碧蚂4号和大面积推广品种碧蚂1号在Yr1和Glu-B1位点具有相同的组成,但其附近的染色体区域存在差异,且碧蚂4号在衍生品种存在与农艺性状相关的高频遗传区段和位点。另外,SSR及关联检测结果表明碧蚂4号编码醇溶蛋白基因位点Gli-1和Gli-2所在1DS和6DS远端存在与农艺性状相关的高频遗传区段,6AS和6BS远端各存在1个4代遗传的位点,碧蚂4号特异的高频遗传醇溶蛋白组成很可能与这些区段或位点相关。 综上所述,碧蚂4号具有的条锈病抗性基因Yr1可能是其成为骨干亲本的重要特征,而且抗性基因在被选择的同时也间接选择了蛋白相关位点Glu-B1、Gli-1和Gli-2等,碧蚂4号相关染色体区域具有在衍生品种高频遗传且与重要农艺性状相关的染色体区段,这些区段很可能是碧蚂4号成为骨干亲本的重要特征。


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