小麦创新种质“普冰2011”姊妹系的遗传分析与利用探讨

摘要

远缘杂交是小麦改良的重要途径之一，但在获得稳定创新种质的过程中，通常会衍生出众多的姊妹系，如何科学地处理这些姊妹系并明确其用途是一个迫切需要解决的问题。本研究以小麦-冰草(Agropyron cristatum，2n=4x=28，PPPP)远缘杂交过程中，获得的205个“普冰2011”创新种质姊妹系为材料，通过常规育种中的农艺性状评价、白粉病和条锈病抗性鉴定、高分子量谷蛋白亚基组成(HMW-GS)分析、春化基因组成和光周期基因检测以及小麦90K SNP芯片分析，试图为创新种质中不同姊妹系的有效利用提供理论指导。
　　1、普冰2011姊妹系的农艺性状评价。2012～2014年在北京顺义和河南新乡主要考察了205个姊妹系的株高、有效分蘖、穗下茎、穗长、小穗数、不育小穗数、小穗粒数、穗粒数、千粒重、旗叶长度和旗叶宽度等，并调查材料的抽穗期、开花期和抗寒性。通过BLUP分析和遗传相似性分析发现，普冰2011不同姊妹系间相似性很高，遗传相似系数范围为0.985～0.999;然而，不同姊妹系在单一性状上的表现呈现出一定的差异，不同性状的变异系数范围为0.54％～20.21％，其中不育小穗数和有效分蘖的变异系数最大，分别为14.44％和20.21％。205个姊妹系中，普冰2011-2田间表现优良，性状突出，株高71.4cm、有效分蘖为12.8，穗粒数为55，千粒重为45.06g，旗叶偏宽(1.8cm)，抗寒性较好（越冬返青率＞95％）;此外，5个姊妹系的分蘖力旺盛，单株有效分蘖为19.2～22.2;20个姊妹系的不育小穗数低，均为1.3。这些材料可为小麦新品种的选育和改良提供优良的种质资源。
　　2、普冰2011姊妹系的抗病性鉴定。采用苗期分生理小种、成株期接种混合生理小种的方法鉴定205个姊妹系的白粉病和条锈病抗性。结果表明，203个姊妹系苗期对白粉病、条锈病的不同生理小种均表现感病，反应型为3～4级，而成株期对白粉病、条锈病均表现抗病，抗病等级为抗、中抗或高抗。另外两个姊妹系2011-2和2011-158，对白粉病的苗期和成株期抗性与上述203个姊妹系一致，而对条锈病的抗性表现出差异，2011-2苗期抗条锈病生理小种条中31、条中32、条中33，反应型分别为1、0;和2级，成株期表现为感病;2011-158苗期抗条锈病生理小种条中33，反应型为2级，成株期表现为抗病。因此，普冰2011姊妹系普遍携带白粉病和条锈病抗性基因，可作为抗病亲本改良现代小麦新品种，为小麦持久抗病性育种和抗病基因的挖掘提供优良的基因资源。
　　3、普冰2011姊妹系的HMW-GS组成分析。采用SDS-PAGE方法检测205个普冰2011姊妹系的高分子量谷蛋白亚基组成。结果表明，普冰2011姊妹系具有一定的多态性，共发现5种亚基类型和3种不同的亚基组合形式。112份材料含有优质亚基5+10，其中4份材料同时含有优质亚基2*和5+10，205份材料在Glu-B1位点上均检测到7*+9亚基。普冰2011姊妹系中含有优质亚基的材料，为培育优质小麦新品种提供优良资源。
　　4、普冰2011姊妹系的春化基因和光周期基因检测。利用分子标记检测发现，205个普冰2011姊妹系存在两种春化基因组成类型，其中204个姊妹系的基因型组成为（vrn-A1，vrn-B1，vrn-D1，vrn-B3），其发育特性为半冬性，2011-2的基因型组成为（vrn-A1，vrn-B1，Vrn-D1，vrn-B3），其发育特性为弱春性;205个姊妹系的光周期基因在Ppd-D1位点均为Ppd-D1口，为光不敏感型材料。除2011-2为弱春性外，普冰2011姊妹系主要为半冬性材料，且对光周期不敏感，适应性较广。
　　5、普冰2011姊妹系的产量试验。2013～2014年在北京顺义和河南新乡对普冰2011姊妹系进行产量试验（收获小区面积为0.9m2），205份材料平均产量为640g，高于对照品种京冬8号(460g)、偃展4110(596g)，变化范围为518～787g，变异系数为7.89％。利用GGE双标图对其进行高产、稳产分析表明，7个姊妹系(2011-2、34、159、96、29、14、112)的小区产量较高，为727～787g，稳定性较好，抗倒伏，是优良的育种材料，可直接用于生产实践。
　　6、普冰2011姊妹系的SNP检测。选用普冰2011姊妹系中在株高、相对穗下茎、小穗数、穗密度、不育小穗数、小穗粒数、穗粒数、千粒重、小区产量、有效分蘖、旗叶长度、旗叶宽度、旗叶面积、抽穗期、开花期和抗寒性等17个性状表现上具有极显著差异(P＜0.001)的材料建立34个混池，利用小麦90K SNP芯片检测。分析发现，普冰2011姊妹系中共有852个与株高等17个不同性状相关的纯合差异位点，主要分布在2A(93)、3A(157)、5A(25)、2B(69)、3B(30)、5B(34)、6B(24)、3D(22)染色体上，其中465个位点分别与3～10个性状相关，为多效位点。可见，利用姊妹系混池进行SNP检测能够快速高效地获得与目标性状相关的位点，为目标性状相关QTL定位提供高效便捷的方法。
　　7、普冰2011姊妹系的综合分析。根据有效分蘖多、不育小穗数低、优质、抗病性好，广适性强和产量高等指标，对205个普冰2011姊妹系进行综合分析，普冰2011-2发育特性为弱春性，在田间表型与其它姊妹系之间存在一定差异，产量高、籽粒饱满、小穗粒数(3.9)较多，旗叶短宽，主要适宜播种地区为我国黄淮冬麦区和长江中下游冬麦区。2011-14和2011-34为冬性材料，小区产量较高，分别为729g和743g，稳定性好、抗倒伏，其中2011-14含优质亚基5+10，二者主要适宜播种地区为黄淮冬麦区。上述3个姊妹系田间表现稳定，可直接用于生产实践。另外，普冰2011姊妹系中不育小穗数低、含优质亚基和具有苗期抗病性的材料可作为亲本，用于小麦新品种的改良。
　　综上所述，普冰2011姊妹系中存在丰富的变异类型，具有有效分蘖旺盛、低不育小穗数、抗病性好、含有优质亚基2*和5+10、高产稳产、适应性广等优良性状，为小麦高产、广适、优质、抗病小麦新品种的选育和改良提供广阔的空间。因此，在远缘杂交创新种质过程中，围绕目标性状，保留较多的姊妹系，对于促进创新种质的有效利用将是有益的。

目录

声明

摘要

英文缩略表

第一章 文献综述

1．1 远缘杂交在小麦改良中的应用

1．1．1 山羊草属在小麦改良中的应用

1．1．2 黑麦属在小麦改良中的应用

1．1．3 偃麦草属在小麦改良中的应用

1．1．4 簇毛麦属在小麦改良中的应用

1．1．5 冰草属在小麦改良中的应用

1．2 小麦育种中姊妹系的产生

1．3 姊妹系的育种效应分析

1．4 SNP分子标记技术及应用

第二章 论文设计

2．1 立题依据

2．2 研究目的与意义

2．3 实验材料

2．4 实验方法

2．4．1 农艺性状调查

2．4．2 抗病性鉴定

2．4．3 高分子量谷蛋白亚基(HMW-GS)检测

2．4．4 春化和光周期基因检测

2．4．5 普冰2011姊妹系的SNP检测

2．5 技术路线

2．6 预期目标

第三章 结果与分析

3．1 普冰2011姊妹系的主要农艺性状评价

3．2 普冰2011姊妹系的白粉病和条锈病抗性鉴定

3．3 普冰2011姊妹系的HMW-GS组成分析

3．4 普冰2011姊妹系的春化和光周期基因检测

3．5 普冰2011姊妹系的SNP检测

3．6 普冰2011姊妹系的小区产量分析

3．7 普冰2011姊妹系综合性状分析

3．7．1 高产、稳产育种材料分析

3．7．2 性状突出的亲本材料分析

第四章 讨论

4．1 姊妹系间具有丰富的遗传多样性

4．2 保留较多的姊妹系能够提高创新种质的利用效率

4．3 高代姊妹系有助于提高目标性状基因定位的效率

4．4 丰富的遗传多样性能够为育种提供广阔的选择空间

第五章 全文结论

参考文献

附录

致谢

作者简历