中国小麦矮秆基因和春化基因分布及小麦品质相关性状多重PCR体系建立

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矮秆基因Rht-B1b(Rht1)、Rht-D1b(Rht2)和Rht8等的有效利用为小麦抗倒伏能力增强、收获指数增加和产量不断提高做出了重要贡献。春化基因决定小麦冬春习性,与品种生长发育和早熟性等有关。品质改良已成为我国小麦育种的主要目标之一,高低分子量谷蛋白亚基组成、1B/1R易位、籽粒硬度、直链淀粉含量、多酚氧化酶(PPO)活性和穗发芽抗性等性状与小麦加工品质密切相关。研究矮秆基因和春化基因在我国不同麦区分布规律,建立品质性状相关基因多重PCR体系,有助于明确我国小麦在不同地区适应性分子机理和开展小麦品质分子聚合育种。利用分子标记检测我国8个主要麦区263个小麦品种(系)3个矮秆基因Rht-B1b、Rht-D1b和Rht8组成,分析矮秆基因在不同麦区分布特点,结合系谱分析推导矮秆基因来源。利用分子标记检测8个主要麦区278个推广品种4个春化基因Vrn-A1、Vrn-B1、Vrn-D1和Vrn-B4组成,并在可控温室鉴定其中266个品种冬春习性,分析不同麦区品种冬春习性和春化基因组成分布特点。利用现有的品质性状相关基因的分子标记,建立适合不同品质类型品种评价和分子聚合育种的5个多重PCR体系,并用已知基因组成的品种(系)进行有效性验证。1.矮秆基因研究表明,所用分子标记可以准确检测我国小麦的3个矮秆基因。总体来讲,矮秆基因Rht-D1b和Rht8频率较高,分别占42.6%和41.8%,Rht-B1b频率较低,为23.6%。3个矮秆基因在不同麦区之间分布存在差异。在北部(Ⅰ)、黄淮(Ⅱ)、长江中下游(Ⅲ)和西南(Ⅳ)4个秋播冬麦区中,与1990年前相比,基因Rht-B1b的频率由8.6%提高到32.2%、Rht-D1b由36.2%增加到53.4%,但矮秆基因Rht8频率保持相对稳定。不同麦区矮秆基因分布频率可能与遗传背景和育种所用矮源有关。在我国小麦中,矮秆基因Rht-B1b来源于农林10和郑引4号,矮秆基因Rht-D1b来源于农林10号、水源86、辉县红和蚰包麦,Rht8基因来自阿夫、阿勃、中农28、郑引1号、郑引4号、无芒1号和洛夫林系列品种等。2.春化基因研究表明,本文所用的分子标记可以进行我国小麦春化基因组成的检测。显性春化基因Vrn-D1在我国小麦中频率最高,为37.8%;其次为显性基因Vrn-A1和Vrn-B1,分别为27.3%和26.3%;显性基因Vrn-B4频率最低,为0.7%。春性和冬性品种各占65.4%和34.6%,春性品种主要分布在东北(Ⅵ)、北部(Ⅶ)、西北(Ⅷ)3个春播春麦区及长江中下游(Ⅲ)、西南(Ⅳ)2个秋播麦区和新疆冬春麦区(Ⅹ);而冬性品种主要存在于北部(Ⅰ)和黄淮(Ⅱ)冬麦区及新疆冬春麦区(Ⅹ)。在温室鉴定为冬性的品种,其分子检测的4个春化基因位点均为隐性,而分子检测至少含4个显性春化基因之一的品种在温室鉴定为春性品种,即冬性品种4个春化基因组成完全相同,为隐性基因型,但春性品种间春化基因组成存在差异。春化基因组成和冬春习性差异与麦区不同有关。在北部冬麦区(Ⅰ),推广品种全为冬性品种,4个春化基因全为隐性。在黄淮麦区(Ⅱ),冬性(57.5%)高于春性品种(42.5%)比例,绝大部分春性品种含单一显性春化基因Vrn-B1(6.5%)或Vrn-D1(64.5%)。在长江中下游(Ⅲ)和西南(Ⅳ)麦区,品种几乎全为春性品种,一般含单一显性春化基因Vrn-D1。在3个春播的东北(Ⅵ)、北部(Ⅶ)和西北(Ⅷ)春麦区,所有品种属于春性,大多含对春化反应最不敏感的显性基因Vrn-A1,同时伴随有其他1~3个显性春化基因出现。在秋播和春播并存的新疆冬春麦区(Ⅹ),冬性和春性品种几乎各占一半,春性品种春化基因组成与春播麦区相似。同一麦区品种间基因组成差异可能与育种所用亲本有关。3.建立了品质性状相关分子标记的5套多重PCR体系。体系Ⅰ包括ω-secalin(1B/1R)、Vp1B3和Pinb-D1b三个基因的分子标记检测,可用于一般的品质检测;体系Ⅱ包括ω-secalin、Glu-B3、By8、Glu-A3d、Dx5和Pinb-D1b六个基因的检测,体系Ⅲ包括ω-secalin、Ax2~*、Bx17和Dx5四个基因的检测,体系Ⅱ和Ⅲ可用于强筋小麦品种的分子标记辅助选育;体系Ⅳ包括PPO-2A、PPO-2D和Wx-B1三个位点的检测,用于优质面条品种的分子标记辅助选择;体系V包括Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1三个位点的检测,可用于淀粉品质或糯小麦的选育。每个体系内的引物之间不存在相互抑制作用和错配,叶片和籽粒提取的DNA均可以获得稳定而可靠检测结果,实验成本低,效率高。获得我国不同麦区小麦矮秆基因、春化基因和冬春习性分布的特点,建立5套快速有效品质性状相关多重PCR的体系,对我国高产、优质、广适小麦品种选育和推广具有重要意义。
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