小麦矮秆基因的研究进展

1小麦矮秆基因的研究进展康苏花1，兰素缺2，李杏普2，柏峰1(1河北师范大学生命科学学院，河北石家庄050016；2河北省农林科学院粮油作物所，河北石家庄050031)摘要：概述了小麦矮秆基因的种类、我国小麦品种矮秆基因的矮源和主要矮秆基因在我国不同麦区的分布，主要总结了生产中常见的小麦矮秆基因的分子标记及其研究进展。关键词：小麦；矮秆基因；矮源；分子标记中图分类号：Q94自20世纪60年代国际玉米、小麦改良中心（CIMMYT）的BorlaugNE博士发起的世界第一次“绿色革命”[1]，“农林10号”矮秆基因被用于小麦育种以来，矮秆基因的研究被越来越多的育种专家重视。自从1935年日本农民发现地方矮秆品种“达摩”以后，世界上相继出现了5-6个矮源品种，科学家对其所含的矮秆基因进行了遗传鉴定分析，目前定名的矮秆基因有25个之多，它们大多由突变产生，小麦最终株高除决定于所携带的矮秆基因外，还受矮秆基因的遗传背景和环境条件的影响。由于矮秆基因大多是隐性遗传，利用分子标记选择可提早获得具有矮秆基因的个体。1小麦矮秆基因1.1小麦矮秆基因的种类小麦株高既受矮化基因和遗传背景的控制[2,3]，又受环境条件的影响。矮化基因分Rht（主效降低株高基因，约25个），D（草丛型矮生基因，至少有4个）和Us（单茎矮生基因，有2个）3种，通常提到的矮秆基因专指Rht类型的基因[4,5]。另外控制春化、光周期反应、穗的芒性和茎秆实心程度等性状的基因对株高也有间接影响[6]。到目前为止，已经明确的小麦矮秆基因大约有25个。1988年国际小麦遗传学大会确定了小麦矮秆基因的命名规则，把定位在4B和4D染色体上的矮秆基因用新名称表示，定位在其它染色体上的或尚未定位的矮秆基因仍然用原来的名称[5]。1.2我国小麦品种的矮源从20世纪50年代，抗病、早熟、矮秆、抗倒伏和高产一直是中国小麦育种的目标，这期间发生了6~7次大的品种更换，株高从120cm降到70cm。株高的降低与矮秆、半矮秆品种的选育和推广利用分不开，1964年在山东推广了“蚰包麦”，1971年在陕西推广了“矮丰3号”。目前在黄淮冬麦区推广的品种均属矮秆品种。近10年北部冬麦区和西南冬麦区的株高也明显降低[7]。基金项目：河北省自然科学基金“小麦新矮秆基因发掘、定位及其育种价值研究”(C200500637)作者简介：康苏花，(1983-)，女，河北省平山县，在读硕士，研究方向为遗传学，联系电话：[phone]，Email：[e-mail]通讯作者：李杏普，（1957-），女，研究员，主要从事小麦遗传资源研究，Email：[e-mail]柏峰，(1960-)，男，副教授，硕士生导师，主要从事作物遗传育种和果蝇突变体遗传学的研究，Email：[e-mail]2在育种上应用最广泛的矮秆基因是来源于“农林10（Norin10）”的Rht-B1b，Rht-D1b和来源于“Akakomugi”的Rht8，Rht9。世界上一半以上的小麦品种具有它们的矮源血统[8~11]。我国常用的矮秆基因有Rht-B1b，Rht-D1b，Rht-B1d和Rht8[12~14]。贾继增等[12]通过对GA3反应特性和系谱跟踪等技术对我国推广的矮秆、半矮秆小麦品种的研究，认为我国小麦的矮源主要有4个：1）朝鲜的“水源86”和日本的“农林10”，均含有Rht-B1b和Rht-D1b矮秆基因。2）意大利的“St2422/464”，含有Rht-B1b矮秆基因。3）“辉县红”和“蚰包”，与Rht-D1b基因位点相同或相近。4）外引的“阿夫”、“南大2419”、“中农28”、“矮粒多”等，含Rht8和Rht9矮秆基因。生产上推广的92个矮秆、半矮秆品种中有23个含“水源86”血缘，占总数的25％，24个含“St2422/464”血缘，占总数的26％，15个含“农林10”血缘，占16.3％，9个含“蚰包”血缘，占9.8％，11个含“辉县红”血缘，占12％，另外有9个是人工诱变产生的，占9.8％[12]。张晓科[6]对我国不同麦区的263分小麦品种研究得出，Rht-B1b的基因供体为“郑引4号”和“农林10”；Rht-D1b的基因供体为“农林10”、“水源86”、“辉县红”和“蚰包麦”；Rht8的基因供体为“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。1.3矮秆基因在我国的分布情况在20世纪上半叶，“农林10”、“Saitama27”和“Akakomugi”携带的矮秆基因引入意大利、美国和墨西哥（CIMMTY）小麦，随后又导入美洲、欧洲和亚洲小麦品种[15]。矮秆基因的广泛利用，降低了株高，提高了收获指数，增强了抗倒伏性，最终提高了小麦产量。进一步研究发现，矮秆基因在不同国家和地区小麦中的分布不同[9,11,16]，与矮秆基因本身作用大小和遗传背景有关，也与环境条件分不开。多位学者对Rht-B1b和Rht-D1b基因在我国的分布进行了研究，郭保宏等[13]的研究材料为我国76个优良矮秆小麦品种（系），张晓科[6]对我国不同麦区的263份小麦品种进行了研究，杨松杰等[17]也对Rht-B1b和Rht-D1b基因在全国的平均分布频率进行了研究。他们对Rht-B1b的研究结果比较相似，分别为21％，23.6％和24.3％，主要分布在河南、陕西和河北；但是郭保宏等[13]对Rht-D1b的研究结果为72％，与张晓科[6]（42.6％）和杨松杰等[17]（46.9％）有些出入，造成这种差异的原因可能是研究材料的量不够大或者是取材范围不够广泛。Rht-D1b的分布山东最多，河北、河南、北京次之，其它省较少。周阳等[18]通过GA3标记、系谱分析等方法研究得出我国164个品种中约42.0％含有Rht8，与张晓科[6]的分析结果（41.8％）接近，不同生态区分布频率不同，约20.5％的品种同时含Rht8和对GA3不敏感矮秆基因。我国生产上利用的矮源研究较多的是Rht-B1b，Rht-D1b和Rht8，不同麦区3个矮秆基因的分布频率大小不同[6]。Rht-B1b基因在新疆春麦区（Ⅴ）高达62.5％，长江中下游冬麦区（Ⅲ）为45.0％，北部冬麦区（Ⅰ）、黄淮冬麦区（Ⅱ）和西北春麦区（Ⅷ）分别为25.0％，26.3％和25.0％，北部春麦区（Ⅶ）和西南冬麦区（Ⅳ）分别为9.1％和8.1％，东北春麦区3（Ⅵ）试验材料未携带Rht-B1b基因。Rht-D1b基因在麦区Ⅶ和Ⅱ分别为72.7％和60.2％，麦区Ⅳ，Ⅷ和Ⅰ分别为35.1％，37.5％和29.5％；麦区Ⅲ和Ⅴ分别为15.0％和12.5％，麦区Ⅵ试验材料未携带Rht-D1b基因。矮秆基因Rht8在麦区Ⅳ高达51.4％；麦区Ⅰ和Ⅱ分别为45.5％和49.2％；麦区Ⅲ和Ⅴ分别为30.0％和25.0％；麦区Ⅶ和Ⅷ较低，为18.2％和12.5％；麦区Ⅵ最低为11.8％。在4个秋播冬麦区Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ中，Rht-B1b基因频率为32.2％，Rht-D1b基因为53.4％，Rht8基因为41.8％。2小麦矮秆基因的分子标记Rht-B1b，Rht-D1b和Rht8等矮秆基因在世界范围广泛应用，增强了小麦品种在高肥水条件下的抗倒伏性，大幅度提高了小麦产量，也推动了小麦矮秆基因的研究。由于小麦多倍体特性和株高性状的数量特性，小麦矮秆基因的直接鉴定并不容易。常用矮秆基因的鉴定方法有系谱追踪法、单体分析法、测交分析法、赤霉酸（GA3）鉴定法、培育近等位基因系或诱导加倍单倍体品系和分子标记鉴定技术。2.1小麦矮秆基因的分子标记研究进展以前矮秆基因的定位需要与非整倍体杂交、GA3反应等方法结合，推导未知材料矮秆基因型还需要进行与已知基因型材料的杂交后代鉴定。分子遗传学的发展不但使矮秆基因定位和矮秆基因型检测过程工作量减少，而且还可以进行染色体物理与遗传图谱的精致构建，获得株高性状紧密连锁的标记，为小麦矮秆基因研究和矮化育种提供理论依据，提高常规育种选育的效率。国内外矮秆基因研究应用的分子标记主要有RFLP，SSR，RAPD，STS等。其中RFLP标记应用的最多，其次是SSR标记和STS标记，RAPD标记应用的较少。2.1.1RFLP标记Rht-B1基因的分子标记：Blanco等[19]研究得出Xpsr622标记与Rht-B1b基因紧密连锁，遗传距离为1.8cM。Sourdille等[20,21]研究得出Rht-B1b基因与Xpsr144标记和Xglk556标记连锁，遗传距离分别为13.2cM和42.6cM。万平等[22]利用特有的回交22次的Rht-B1c近等基因系材料进行Rht-B1c基因的标记和定位，得出PSR584与Rht-B1c基因连锁，遗传距离为8.0cM。Borner等[23]对3个F2群体用RFLP方法标记得出Rht-B1c位于4BS染色体的着丝点区域，与RFLP标记Xpsr144相距11.9cM，与Xpsr584相距17.8cM。Rht-D1基因的分子标记：Gale等[24]研究发现Rht-D1基因位于Xpsr1871和Xubc821之间，与前者遗传距离为4cM，距离后者6cM。但是1999年，Peng等[25]的研究结果认为Rht-D1b基因与Xpsr1871和Xubc821标记的遗传距离分别为1cM和4cM。Sourdille等[20,21]研究得出Rht-D1b基因与Xglk578遗传距离为2.8cM。1998年，Cadalen等[26]发现Rht-D1b基因与Xfba211标记连锁。Borner等[23]对3个F2群体用RFLP方法标记得出了Rht-D1c与Xpsr921相距0.8cM，与Xmwg634相距1.5cM。Rht12基因的分子标记：1997年，Korzun等[27]用RFLP标记定位了4个与Rht12有关的位点，分别为Xpsr1201，Xwgx114，Xpsr164和Xmwg616，其中与Xpsr1201相距15.1cM，与β-Amy-1的遗传距离为2.5cM。42.1.2SSR标记和STS标记Rht-B1和Rht-D1基因的分子标记：Peng等[25]研究发现突变型Rht-B1b和Rht-D1b与野生型基因序列相比出现单一碱基突变，形成了TAG终止密码子，导致转录终止。Ellis等[28]根据等位基因序列差异，为基因位点Rht-B1和Rht-D1分别设计了两对STS特异性标记引物，用于这2个基因位点等位变异类型（野生型Rht-B1a与突变型Rht-B1b、野生型Rht-D1a与突变型Rht-D1b）的分子检测。这4对特异引物分别是BF-MR1与BF-WR1和DF-MR2与DF2-WR2。Borner等[23]研究得出Rht-D1c基因与WMS165标记松散连锁，遗传距离为28.0cM。Rht8基因的分子标记：Ellis等[29]利用DH和RIL群体进行QTL分析，得出Rht8位点与WC503标记位点紧密连锁。1998年，Korzun和Worland等[30,31]研究得出Rht8基因与WMS484，WMS296，WMS261这3个微卫星标记连锁，遗传距离分别为19.9，1.3，0.6cM。Worland等[32]利用WMS261标记检测了来自世界不同地区的870份资源后发现，该标记出现了15种等位变异类型，有165，174，192，194，195，196，197，201，202，203，204，205，207，210，215bp扩增条带，随后，Ahmad等[8]的研究结果也证实了这个结论。Liu等[33]利用Xgwm261标记分析了中国506份小麦材料，发现该位点有13种等位变异类型。Xgwm261在该位点上等位变异192bp的PCR扩增片段可作为Rht8的分子标记，结合微卫星标记Xgwm261产生的192bp片段和品种系谱分析，可以确定小麦品种是否含矮秆基因Rht8[31~35]。Rht12基因的分子标记：1997年，Korzun等[27]对114个F2代单株用STMS标记