黄淮麦区小麦粒重基因等位变异的分子鉴定及育种应用

采用特异性引物PCR扩增方法对183份黄淮海麦区的小麦品种(系)的粒重基因TaCwi-A1、TaGw8-B1和TaGS-D1的等位变异进行分子鉴定,并结合2016—2017和2017—2018年度的千粒重表型数据,分析不同等位变异类型对小麦粒重的影响,从而找出优势基因型组合。结果表明,不同年份间参试品种(系)的千粒重差异达到极显著水平(P<0.01);TaCwi-A1位点上发现TaCwi-A1a和TaCwi-A1b两种等位变异,其分布频率分别为66.7%和33.3%;TaGw8-B1位点上TaGw8-B1a等位变异分布频率较高,为94.5%,而TaGw8-B1b等位变异分布频率极低,仅为5.5%;TaGS-D1位点上发现TaGS-D1a和TaGS-D1b两种等位变异,其分布频率分别为79.8%和20.2%。不同等位变异组合的品种千粒重存在显著差异(P<0.05),其中具有3个高千粒重等位变异组合TaCwi-A1a/TaGS-D1a/TaGw8-B1a品种的平均千粒重最高,与具有TaCwi-A1b/TaGS-D1a/TaGw8-B1a品种的平均千粒重差异不显著,但是显著高于其他组合(P<0.05)。TaCwi-A1a/TaGS-D1a/TaGw8-B1b基因型组合小麦品种(系)的平均千粒重最低。TaCwi-A1、TaGw8-B1和TaGS-D1位点上的不同等位变异均会导致小麦千粒重的显著变化,其中TaGw8-B1和TaGS-D1位点上的等位变异对小麦粒重的影响更为重要。在参试材料中没有发现具有3个低千粒重等位变异组合TaCwi-A1b/TaGS-D1b/TaGw8-B1b的品种,在7种不同等位变异组合中,具有3个高千粒重等位变异组合TaCwi-A1a/TaGS-D1a/TaGw8-B1a品种的平均千粒重最高,是优势基因型组合。

小麦粒重基因TaGW2-6A编码区等位变异与抗旱性的关系

[目的]小麦籽粒大小及其在水、旱两种生态环境下的稳定性直接影响小麦的产量,研究小麦粒重与抗旱性的关系对品种高产稳产具有重要意义。探究粒重相关基因不同等位变异的抗旱性,进而确定抗旱高产的优异等位变异基因型,为利用该基因型进行小麦抗旱高产品种分子标记辅助选择及性状的遗传改良提供理论依据。[方法]以小麦粒重基因Ta GW2-6A编码区不同等位变异的中国春和兰考大粒(977 bp多一个"T"碱基插入)为亲本构建的含有325个株系的RIL群体为研究材料,依据序列"T"碱基插入设计引物,利用高分辨率熔解曲线分析技术(high resolution melting curve,HRM)鉴定RIL群体中Ta GW2-6A编码区不同等位变异基因型,并对其PCR产物进行测序分析。在水、旱两种生态环境下,测定小麦开花期、灌浆中期和乳熟期的叶绿素荧光参数、茎秆可溶性糖含量、抗旱指数等与抗旱紧密相关的指标,考察粒长、粒宽、千粒重等粒重相关性状,并研究这些抗旱相关指标及粒重相关性状与小麦粒重基因Ta GW2-6A编码区不同等位变异基因型之间的相关性。[结果]高分辨率熔解曲线分析技术可以准确地将小麦RIL群体按Ta GW2-6A编码区不同等位变异分为兰考大粒基因型(TT)、中国春基因型(tt)以及杂合基因型(Tt),且PCR产物测序结果显示高分辨率熔解曲线的差异是由"T"碱基插入引起的。水、旱两种生态环境下,RIL群体中TT、Tt基因型材料与tt基因型材料相比,粒长、粒宽、千粒重等粒重相关性状以及叶绿素荧光参数、茎秆可溶性糖相关性状、抗旱指数等抗旱相关指标的差异普遍达到显著或极显著水平。旱胁迫下,小麦RIL群体不同基因型材料的粒长、粒宽、千粒重等粒重相关性状、叶绿素荧光参数除初始荧光Fo外均有所降低,而茎秆可溶性糖含量则有所增加。但TT、Tt基因型材料的粒长、粒宽、千粒重及叶绿素荧光参数的下降幅度普遍比tt基因型材料小,而茎秆可溶性糖的增加幅度比tt基因型材料大。旱胁迫下,tt基因型的茎秆可溶性糖积累效率(accumulation efficiency of stem soluble sugar content,AESSC)和转运效率(remobilization efficiency of stem soluble sugar content,RESSC)有所降低,而TT、Tt基因型的茎秆可溶性糖积累效率和转运效率则有所提高。[结论]小麦粒重基因Ta GW2-6A编码区"T"碱基插入等位变异是大粒的优异等位变异,与此同时,该等位变异也是抗旱的优异等位变异,且抗旱能力与晋麦47相近。

苦荞粒重基因FtGW8的生物信息学分析

种子大小和重量是荞麦产量构成的关键因素。该研究基于水稻粒重基因GW8,对苦荞粒重基因进行了生物信息学分析,结果表明,苦荞粒重FtGW8基因CDS序列长768bp,编码的蛋白质包含255个氨基酸,分子量为27.97kD,等电点为9.5,属于亲水性蛋白,具有跨膜结构,与水稻GW8蛋白相似。预测FtGW8蛋白定位于细胞核内,其二级结构主要由α螺旋和无规则卷曲组成,预测的三级结构与二级结构基本一致。蛋白功能分析发现,FtGW8和水稻GW8蛋白均具有SBP功能域,表明其可能具有控制粒重的功能。该研究为苦荞粒重基因的克隆奠定了基础。

小麦粒重基因等位变异的高通量分子检测及组合分析

TaCwi-A1、TaGW2-6A及TaSus2-2B基因是调控小麦粒重的基因,目前已发现TaCwi-A1基因存在TaCwi-A1a和TaCwi-A1b两种等位变异,TaGW2-6A存在启动子区Hap-6A-A和Hap-6A-G及编码区一个T碱基插入等位变异,TaSus2-2B存在SUS2-2B-H和SUS2-2B-L两种等位变异。为了探究小麦粒重基因的综合效应,为粒重基因的分子辅助聚合育种提供方法依据与优异材料,本研究利用高分辨率熔解曲线分析(high-resolution melting curve analysis,HRM)技术分别检测了上述4个位点在262份小麦微核心种质材料中的变异类型,分析了不同变异及变异组合与粒长、粒宽和千粒重的相关性,并对变异组合在我国十个麦区的分布情况进行了分析。结果表明,TaCwi-A1a单倍型品种的千粒重显著高于TaCwi-A1b(P<0.05);Hap-6A-A单倍型与Hap-6A-G单倍型品种的粒长、粒宽及千粒重均无显著差异,T碱基插入等位变异(命名为TT单倍型)材料的粒宽和千粒重显著高于无T碱基插入等位变异(tt)材料(P<0.05);SUS2-2B-H单倍型品种的粒长和粒宽显著(P<0.05)高于SUS2-2B-L单倍型品种,千粒重极显著(P<0.01)高于SUS2-2B-L单倍型品种。对变异组合的分析表明,262份材料中仅出现了8种组合类型,变异组合与粒长及千粒重呈极显著相关(P<0.01),与粒宽相关不显著,其中Ⅳ型组合(TaCwi-A1a/Hap-6A-G/tt/SUS2-2B-H)为最优组合,Ⅲ型组合(TaCwi-A1a/Hap-6A-G/TT/SUS2-2B-L)为最差组合。我国十个麦区中七个麦区Ⅲ型组合分布频率最高,仅青藏麦区Ⅳ型组合分布频率较高。

宁夏小麦种质资源粒重基因KASP标记检测及验证

为挖掘高粒重小麦种质资源,连续2年在宁夏引黄灌区生态条件下测定了209份小麦种质资源的千粒重、粒长、粒宽和粒厚4个籽粒相关性状,同时用4个粒重相关基因TaGW2-6B、TaGASR、TaGS-D1和TaCWI-4A的KASP标记对参试材料进行基因型检测。结果表明,宁夏小麦种质资源籽粒表型性状较丰富。千粒重、粒长、粒宽和粒厚分布范围分别为29.73~56.25 g、5.82~7.57 mm、2.87~3.83 mm和2.74~3.55 mm。4个基因标记分别将参试材料区分为两种单倍型:TaGW2-6B将参试材料区分为Hap-6B-1和Others两种单倍型,其中优异单倍型Hap-6B-1的频率为62.44%;TaGASR将参试材料区分为H1c和H1c/H1g两种单倍型,其中优异单倍型H1c频率为93.10%;TaCWI-4A-1523将参试材料区分为Hap-4A-C和Hap-4A-T两种单倍型,其中优异单倍型Hap-4A-C频率为76.41%;TaGS-D1将参试材料区分为Ta GS-D1a和TaGS-D1b两种单倍型,其中优异单倍型TaGS-D1a频率为86.50%。TaGW2-6B与千粒重显著相关,与粒宽和粒厚极显著相关;TaGASR与千粒重和粒长极显著相关,与粒宽显著相关;TaCWI-4A与千粒重、粒宽和粒厚显著相关。宁夏小麦种质资源粒重基因主要包括7种优异单倍型组合,其中,Hap-6B-1+H1c+Hap-4A-C+TaGS-D1a组合对千粒重、粒宽和粒厚有显著的正向调控作用,Hap-4AC+TaGS-D1a组合对粒长有显著的正向调控作用。因此,在宁夏引黄灌区生态条件下TaGW2-6B、TaGASR和TaCWI-4A能够较好地区分小麦粒重大小,可用于粒重性状选择。在209份参试材料中,共筛选到14份千粒重大于50 g的高粒重材料,其中有9份材料聚合了4个粒重相关基因的优异单倍型。

3个粒重基因在青海高原春小麦品种中的分布

为了解青海高原地区春小麦品种中粒重基因的分布情况,采用KASP标记检测3个粒重基因( TaCwi-A1、 TaGW2-6A和 TaTGW6-4A)等位变异在青海高原地区主栽的49个小麦品种中的分布,并结合千粒重表型,分析不同等位变异组合对小麦粒重的影响,探索最优基因型。结果显示,49个品种的千粒重在不同年度均存在显著差异;TaCwi-A1位点存在 TaCwi-A1a和 TaCwi-A1b两种等位变异,分布频率分别为69.39%和30.61%;TaGW2-6A位点存在 Hap-6A-A和 Hap-6A-B两种等位变异,分布频率分别为46.94%和53.06%;TaTGW6-4A位点存在 TaTGW6-4Aa和 TaTGW6-4Ab两种等位变异,分布频率分别为97.96%和2.04%。 TaCwi-A1、 TaGW2-6A和 TaTGW6-4A位点的不同等位变异均会导致小麦千粒重发生显著变化,其中, TaCwi-A1位点的等位变异对小麦千粒重影响较为重要。49个小麦品种中, TaCwi-A1a/ Hap-6A-A/ TaTGW-6-4Aa等位变异组合类型的品种的分布频率为32.65%,其千粒重最高,显著高于其他等位变异组合类型的品种,是青海高原地区优异的基因型组合。

株高、粒重及抗病相关基因在不同国家小麦品种中的分布

利用分子标记对来自21个国家的745份小麦品种的株高(Rht-B1b和Rht-D1b)、粒重相关基因(TaCwi-A1a和Hap-6A-A)和Lr34/Yr18/Pm38基因进行检测。结果表明:(1)在745份品种中,42.1%和28.7%的材料分别携带Rht-B1b和Rht-D1b等位变异,分布频率在不同国家差异很大。一般来说,来自同一个国家的材料主要携带矮秆基因Rht-B1b或Rht-D1b之一,只有意大利和澳大利亚这两种矮秆基因的频率均较高,而高纬度地区如加拿大和俄罗斯等对株高要求不严,矮秆基因分布频率很低;(2)78.4%的材料携带TaCwi-A1a等位变异,除日本(50.0%)、德国(45.3%)和智利(48.8%)外,其他国家材料中TaCwi-A1a分布频率均很高。29.3%的材料在TaGW2-6A位点携带Hap-6A-A等位变异,主要分布在春性和弱冬性小麦品种中,而冬性和强冬性品种中Hap-6A-G分布较为广泛;(3)22.1%的材料携带Lr34/Yr18/Pm38,美国(18.5%)、乌克兰(28.6%)、俄罗斯(26.1%)、伊朗(20.0%)、土耳其(34.8%)、匈牙利(50.0%)、保加利亚(38.9%)、罗马尼亚(87.0%)、日本(80.0%)、加拿大(34.6%)和澳大利亚(44.6%)分布频率较高;(4)TaCwi-A1的分子标记CWI21和CWI22能很好区分等位变异TaCwi-A1a和TaCwi-A1b,TaGW2-6A的CAPS标记能很好区分Hap-6A-A和Hap-6A-G,准确性高、重复性好,可作为千粒重选择的有效标记。

云南小麦品种(系)株高和粒重相关功能基因的KASP标记检测

利用矮秆基因Rht-B1、Rht-D1和千粒重功能基因TaCwi-A1、TaGW2-6A、TaSus2-2B的KASP标记,对云南省育成的42份小麦品种(系)进行单倍型检测,旨在筛选出含有目标基因的优异小麦种质,为云南省小麦产量相关性状的遗传改良提供材料和方法。结果表明,供试材料的株高基因组成分为5种类型,分别为Rht-B1a/Rht-D1a(40.48%)、Rht-B1a/Rht-D1b(23.81%)、Rht-B1a+197bp/Rht-D1a(4.76%)、Rht-B1b/Rht-D1a(28.57%)、Rht-B1b/Rht-D1b(2.38%)。供试材料中TaCwi-A1基因TaCwi-A1a高粒重单倍型的分布频率为42.86%,TaGW2-6A基因Hap-6A-A高粒重单倍型的分布频率为38.10%,TaSus2-2B基因Hap-H高粒重单倍型的分布频率为71.43%。5份品种(系)为3个千粒重基因的TaCwi-A1a/Hap-6A-A/Hap-H高粒重单倍型组合,频率为11.90%。研究表明,云南小麦品种(系)产量相关性状具有较好的遗传改良潜力。

普通小麦粒重相关基因克隆的研究进展

随着分子生物学特别是生物信息学和基因组学的发展,小麦粒重相关基因的克隆也取得了很大进展。本文主要介绍了与小麦粒重有关的TaGS5、TaGASR7、TaSus、TaWSC、Ta-6-SFT、TaGW2、TaCKX、TaTGW6、TaCWI、TaGS1基因以及TEF、SAP等家族基因TaTEF、TaSAP、TaSnRK2s的克隆及其功能研究的进展,以期为小麦高产育种提供参考。

河南省小麦品种(系)粒重相关基因等位变异的鉴定与分析

小麦粒重是影响小麦产量的重要因素之一,培育高粒重品种是小麦育种的重要目标之一。本研究以395份河南省小麦品种(系)为材料,结合2021-2023连续两年千粒重测定结果,利用分子标记技术对其粒重相关基因(TaCwi-A1、TaSus2-2B、TaGw8-B1、TaGS-D1)的等位变异进行了鉴定,分析4种粒重基因不同等位变异及其不同组合类型对千粒重的影响。结果表明,TaCwi-A1、TaSus2-2B、TaGw8-B1和TaGS-D1位点在供试材料中均存在2种等位变异,共具有15种不同粒重等位基因组合类型。综合分析不同粒重等位基因及其组合类型与千粒重关系,等位基因TaSus2-2Ba对粒重的正向作用效应显著,而等位基因TaCwi-A1a和TaGS-D1a分别对粒重的正向效应不显著。TaCwi-A1b+TaSus2-2Ba+TaGS-D1b+TaGw8-Bla、TaCwi-A1a+TaSus2-2Ba+TaGS-D1a+TaGw8-B1a、TaCwi-A1b+TaSus2-2Ba+TaGS-D1a+TaGw8-B1a这3种基因组合类型为小麦高粒重优势基因型。

大麦BAC文库三维混合池的构建与HvGW2筛选

【目的】从大麦BAC文库中快速筛选包含目的基因HvGW2的阳性BAC克隆。【方法】构建BAC文库三维混合池,设计2对HvGW2特异性引物,进行BAC文库筛选,对含有目的基因HvGW2的阳性BAC克隆进行测序,获得编码大麦GW2蛋白的基因组DNA序列,并与禾本科中的GW2进行同源进化分析。【结果】构建了大麦BAC文库的三维混合池160个,文库空载率为0.18%;筛选到含HvGW2的阳性BAC克隆3个,其中,BAC克隆196M02包含完整编码该基因的序列;HvGW2包含8个外显子和7个内含子,具有与其它植物GW2相似的结构特征和保守的功能结构域;同源进化分析结果显示,大麦与小麦的GW2蛋白同源性最高;序列分析发现,HvGW2第6内含子上包含2个不同类型的反转录转座子插入,从而使大麦比其它作物的GW2长度增加11.5 kb以上。【结论】通过构建三维混合池快速筛选包含目的基因的单个阳性BAC克隆,建立了大麦目标基因克隆的辅助平台;HvGW2基因组中位于内含子区的反转录转座子插入导致基因长度增加,可能是影响该基因转录水平的关键变异。