小麦矮秆基因Rht4对重要性状的效应分析及其精细定位

摘要

矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b在世界范围内广泛使用，引发了第一次绿色革命，极大地提高了小麦产量，为解决世界粮食问题作出了巨大贡献。但是现今生产上仍以Rht-B1b和Rht-D1b为主，限制了小麦的可持续发展。而且Rht-B1b和Rht-D1b对胚芽鞘长度、根系性状等有不利影响，使其在旱区小麦生产中的利用受到限制。因此，研究和利用新的矮秆基因对小麦生产至关重要。本研究探究几个赤霉素敏感型矮秆基因对外源赤霉素及油菜素内酯的响应，进一步研究矮秆基因Rht4对重要性状的效应并对Rht4进行精细定位，为促进其合理利用奠定基础。取得的主要研究结果如下： 1. 小麦主要矮秆基因苗期对外源赤霉素（GA）及油菜素内酯（BR）的响应及赤霉素生物合成部分关键酶基因的表达分析 几个主要矮秆基因的供体亲本Akagomugi（Rht8，Rht9）、Burt ert 937（Rht4）、Granato（Rht9）、Magnif M1（Rht13）、Castel Porziano（Rht14）、Karcagi（Rht12）、Durox（Rht15）和Icaro（Rht18）和西峰20均对外源赤霉素和油菜素内酯表现为敏感，而西农 223（Rht-D1b）对赤霉素表现不敏感，晋麦 47（Rht8）对油菜素内酯表现不敏感。赤霉素处理后，Akagomugi、Burt ert 937、晋麦47、Granato、MagnifM1、CastelpoPorziano、西峰20的最大根长显著或极显著高于对照组，Karcagi、Durox和Icaro的最大根长也高于对照但是差异不显著，而西农 223 没有差异。油菜素内酯处理后， Akagomugi、Burt ert 937、晋麦47、Granato、Karcagi、CastelPorziano、Icaro、西峰20和西农 223 的最大根长较对照有所缩短，其中 Akagomugi、Karcagi、Icaro和西农 223达到显著水平，MagnifM1和Durox没有差异。说明赤霉素对根长有促进作用，然而油菜素内酯对根系具有抑制作用。进一步分析发现，油菜素内酯可能参与调控赤霉素生物合成，共同作用，使Burt ert 937、Granato、CastelPorziano和西峰20的细胞长度明显增加，而对Karcagi、Durox没有影响；但使Magnif M1和Icaro的细胞长度明显减小，推测这几个赤霉素敏感型矮秆基因可能是赤霉素合成途径缺陷导致的矮化。 此外，通过对 Rht4 矮秆株系及亲本茎秆赤霉素合成途径中几种主要赤霉素含量测定以及其关键酶基因的表达分析，表明矮秆株系中具有生物活性的赤霉素含量是高秆亲本的14倍，且GA3ox上调表达，推测矮秆基因Rht4可能是赤霉素合成途径异常导致的株高降低。 2. 矮秆基因Rht4的遗传效应 利用矮秆基因Rht4供体亲本与普通小麦品种西峰20和晋麦47分别杂交得到的F4、F5和F6株系，分析了矮秆基因Rht4和Rht4+Rht8对苗期活力、株高相关性状、产量相关性状以及品质相关性状的效应。结果表明Rht4缩短了叶片、叶鞘和茎秆的细胞长度，但增加了种皮的细胞长，且Rht4对胚芽鞘长和根系性状没有不利效应。Rht4通过缩短茎节长度显著降低株高，但是没有缩短穗下茎和穗长。Rht4也降低了茎节直径和壁厚，但是Rht4+Rht8只缩短茎节直径，对壁厚没有显著效应。旗叶大小在Rht4株系中表现为旗叶长宽和叶面积的增加，SPAD值在三个时期均有增加，但是当与Rht8互作时，SPAD值仅在开花期有所增加。Rht4增加了种子长，降低种子宽，与Rht8互作时增加了种子厚度。产量性状上，Rht4对产量有不利的效应，但是Rht4+Rht8株系中有效分蘖和粒重的增加弥补了穗粒数的降低，使产量和生物量增加。此外分析发现Rht4增加了总蛋白含量，降低了淀粉含量，矮秆株系的高分子量谷蛋白亚基组成受双亲遗传，表现更丰富。Rht4株系的穗发芽抗性低，但是与Rht8互作时，抗性增加。以上结果表明Rht4与Rht8结合利用，可以弥补Rht4的不利性状，降低株高，提高产量。 3. 矮秆基因Rht4的精细定位及KASP标记开发 为了进一步揭示Rht4的遗传特性，利用Rht4供体亲本与晋麦47杂交的181个F2单株进行遗传定位，并开发分子标记。通过 BSA 策略结合 90K 芯片分析，筛选出 2B染色体上的纯合差异SNP，结合已有的与Rht4连锁的SSR标记，开发其特异KASP标记、CAPS标记。通过181个F2单株的分型分析，进一步将矮秆基因Rht4定位于2BL染色体末端CAPS1和IWB36409的14cM之间，且LOD值在Barc159和IWB29265的2cM之间最高。KASP标记IWB29265和IWB45069可以将具有矮秆基因Rht4的株系100%检测为阳性，但在自然群体中不具有特异性，因此在确认其亲本系谱中有Rht4的供体时，可以利用这两个标记进行辅助选择，此外Rht4主效QTL位点处的标记位于水稻OS04T0673000和OS04T0686200的0.72Mb之间，位于二穗短柄草BRADI5G25850和BRADI5G26867的0.75Mb之间。 以上结果表明矮秆基因Rht4使植物内源赤霉素含量增加，同时正调控GA3ox基因的表达，可能是赤霉素合成途径异常导致的矮化。矮秆基因 Rht4 缩短茎节长度导致株高降低，茎秆、叶鞘细胞也缩短，且增加籽粒长度。Rht4对苗期活力没有不利影响，增加旗叶大小和 SPAD 值，可能提高植物光合潜力。Rht4 对产量有不利的效应，但是Rht4+Rht8可显著增加产量，显著增加成穗数和粒重；Rht4增加了籽粒总蛋白含量，降低了淀粉含量。Rht4+Rht8提高了穗发芽的抗性。因此，在生产上利用矮秆基因Rht4时，应注意其不利效应及遗传背景的影响，并考虑将矮秆基因Rht4与Rht8等其他矮秆基因结合利用，以发挥其降秆优势以及光合潜力优势，弥补其不利效应。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1小麦矮秆基因的起源与利用

1.2小麦矮秆基因分类

1.3矮秆基因的遗传效应研究

1.4小麦矮秆基因的克隆及其作用机制研究

1.5小麦遗传图谱构建及重要性状基因定位研究

1.6小麦矮秆基因的分子标记开发与利用

1.7主要内容及技术路线

第二章 小麦矮秆基因Rht4对外源赤霉素（GA）及油菜素内酯（BR）的响应及赤霉素生物合成部分关键酶基因的表达分析

2.1材料与方法

2.2结果与分析

2.3讨论

2.4小结

第三章 矮秆基因Rht4对小麦重要农艺性状的遗传效应

3.1试验材料与方法

3.2试验结果

3.3讨论

3.4 小结

第四章 Rht4的图谱构建及标记开发

4.1材料与方法

4.2结果与分析

4.3讨论

4.4小结

第五章 全文总结

5.1本研究的主要结论

参考文献

致谢

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