引自CIMMYT六倍体小黑麦农艺、品质性状调查及抗病性评价

2016-05-14马莹雪王鑫胡立芹王洪刚

山东农业科学 2016年7期

马莹雪王鑫胡立芹王洪刚

摘要：为将小黑麦优异基因应用于栽培小麦育种工作提供理论依据，本研究以222份引自国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）的六倍体小黑麦为材料，对其3种主要病害抗性、6个农艺性状和8个品质性状进行了调查研究。结果表明，供试小黑麦均高抗小麦条锈病、叶锈病和白粉病；其农艺性状的平均变异系数和多样性指数分别为15.12%和2.05；其品质性状的平均变异系数和多样性指数分别为11.96%和2.02；聚类分析发现，供试小黑麦被分为6大类，不同类群的农艺和品质性状上存在明显差异。这说明引进小黑麦的抗性优良、农艺和品质性状遗传多样性丰富，可以应用于栽培小麦的遗传改良。

关键词：六倍体小黑麦；农艺性状；品质性状；抗病性

中图分类号：S512.402文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）07-0010-08

在小麦品种遗传改良过程中，由于较长时期以来集中利用少数亲本材料，导致育成小麦品种的遗传多样性降低[1]。从小麦近缘植物中鉴定挖掘有益基因，并将其转移进小麦遗传背景，创制新型小麦种质材料，对于拓宽小麦的遗传基础，丰富其遗传多样性具有重要意义，现已成为小麦品种遗传改良的重要手段[2]。

黑麦属于禾本科小麦族小麦亚族，是小麦的三级基因源[3]，蕴藏着许多对小麦遗传改良具有重要价值的优良基因。世界各国对其开展了大量研究，创制了一系列小麦-黑麦双二倍体、异附加系、异代换系和易位系。我国从20世纪50年代开始八倍体小黑麦（AABBDDRR）的育种工作。鲍文奎等创制了4 700多个小黑麦原始品系，选育出小黑麦2号、小黑麦3号、劲松5号、黔中1号等小黑麦品种在我国西南山区种植[4]。加拿大和匈牙利等国在20世纪60年代育成了六倍体小黑麦（AABBRR）Rosner、小黑麦57 号等品种。1968年，国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）与加拿大合作育成了六倍体小黑麦品种Armadilo，它具有高产、早熟和营养品质好等优点，实现了小黑麦品种改良的重大突破，以它为材料许多国家育成了多种六倍体小黑麦新种质[5]。1BL/1RS易位系是利用黑麦进行小麦品种改良最成功的范例[6] ，它将1RS上携带的Pm8、Yr9、Lr26、Sr31等抗病基因和与丰产性及适应性有关的基因转移进栽培小麦[7]，在国内外小麦育种中被广泛利用，极大地促进了小麦育种和生产水平的提高。周阳等[8]研究发现我国20世纪80年代以后育成品种中有38%是1BL/1RS易位系，其中黄淮冬麦区为42%。

六倍体小黑麦将小麦的早熟、优质和黑麦的多小穗、抗逆性强、适应性广、赖氨酸含量高等特点结合在一起，且它与普通小麦杂交更易成功，因此，它常作为黑麦优良基因向小麦转移的桥梁亲本。近年来，国内外学者已对六倍体小黑麦的多样性开展了研究。Igrejas等[9]分析了葡萄牙小黑麦品种贮藏蛋白的亚基组成，发现品种间存在较高的多样性。Amiour等[10]通过分析134份欧洲种植小黑麦的谷氨酸和黑麦碱位点的多样性，揭示了两个集群的起源：即冬性小黑麦大部分来自欧洲，春性小黑麦基本来自CIMMYT。周福平等[11]利用RAPD标记对10份小黑麦、1份普通小麦和1份黑麦的遗传多样性进行了分析。王曙光等[12]分析了中国新疆和波兰六倍体小黑麦品种在Glu-1位点的多态性，发现波兰品种的遗传变异更丰富。胡立芹等[13，14]对111份六倍体小黑麦的农艺性状和品质性状进行了分析，证明它们具有较丰富的多样性；利用100对SSR引物对339份小黑麦进行遗传多样性分析，共检测出323个等位变异。

本研究对引自国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）的222份六倍体小黑麦的主要抗病性、农艺和品质性状进行调查分析，以便为其在小麦遗传改良中的有效利用提供参考依据。

1材料与方法

1.1供试材料

供试材料为222份引自国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）的六倍体小黑麦（表1）。

1.2试验方法

1.2.1抗病性鉴定2013年10月将供试小黑麦穴播于山东农业大学农学实验站，每行5穴，每穴定植5株，行长2.5 m，行距20 cm，随机排列。管理同大田。在田间以感病小麦品种辉县红为对照种植感染行，于拔节期利用注射法在辉县红中接种条锈病混合菌种（条中32和条中33）。待辉县红充分发病后，按照0～4级分级标准记载供试小黑麦的条锈病反应型；白粉病和叶锈病的抗性调查是在田间自然发病条件下，以辉县红为对照，按照0～4级分级标准分别记载反应型，条锈病和白粉病的记载标准参照徐林涛[15] 的方法，叶锈病的记载标准按照《小麦抗叶锈病评价技术规范》[16]。

1.2.2农艺性状调查收获时将每穴材料连根挖出，考察单株穗数、株高、穗长、每穗小穗数和穗粒数，脱粒干燥后测量千粒重，具体标准参照《小麦种质资源描述规范和数据标准》[17]。

1.2.3品质性状测定利用瑞士Perten公司生产的DA7200近红外分析仪测定供试小黑麦籽粒的主要品质性状，小麦近红外光谱校准曲线由农业部谷物品质监督检验测试中心（泰安）提供，结果由系统软件自动分析。

1.3数据分析

利用Microsoft Excel软件计算性状的平均值、标准差和变异系数等；多样性指数H′的计算参照胡立芹等[13]的方法；应用DPS Version 7.05软件计算供试材料之间的遗传距离，采用UPGMA法按欧式距离对材料进行聚类分析。

2结果与分析

2.1供试小黑麦抗病性表现

在乳熟期进行抗病性调查发现，辉县红对条锈病、白粉病和叶锈病表现感染，反应型分别达到4、3、4级，而供试小黑麦对上述病害均表现免疫或近免疫，反应型均为0级。说明供试小黑麦对上述3种小麦病害具有良好的田间抗性。

2.2供试小黑麦主要农艺性状的多样性分析

2.2.1农艺性状特点调查结果表明，供试六倍体小黑麦的株高、单株穗数、穗长、每穗小穗数、穗粒数和千粒重的平均值分别为115.8 cm、9.9个、12.0 cm、24.9个、63.0粒和45.5 g（表2），总体表现为植株较高、穗大粒多。根据六倍体小黑麦6个农艺性状的频数分布（图1）可以看出，大部

分材料的性状值集中在一定的范围内，如77.9%的材料单株穗数在7.0～13.0个之间，83.8%的材料株高在106.0～130.0 cm之间，84.2%的材料穗长在10.0～14.5 cm之间，85.1%的材料每穗小穗数在21.5～29.5之间，72.5%的材料穗粒数在52.5～76.5之间，80.2%的材料千粒重在38.0～56.0 g之间。

2.2.2农艺性状的多样性各性状在供试材料间存在广泛的变异，变异范围为7.17%～26.73%，平均变异系数为15.12%；变异系数最大的是单株穗数，其它的依次为穗粒数﹥千粒重﹥穗长﹥每穗小穗数﹥株高（表2）。平均多样性指数为2.05，除单株穗数的多样性指数为2.00外，其余5个性状的多样性指数均大于2.00，说明供试材料的遗传多样性丰富。其中，穗长和千粒重的多样性指数最高，分别达2.09和2.08，说明这些六倍体小黑麦的穗长和千粒重多样性最好。

2.3供试小黑麦品质性状的多样性分析

2.3.1品质性状特点由表3可以看出，供试六倍体小黑麦的平均蛋白质含量、容重、湿面筋含量、面团稳定时间、面团形成时间、硬度、沉降值和出粉率的平均值分别为13.7%、828.7 g/L、29.9%、2.2 min、3.0 min、64.0%、29.4 mL和64.0%，平均容重较高，湿面筋含量、面团形成和稳定时间、沉降值相对较低。大部分小黑麦的品质性状也集中分布在一定区间内（图2），蛋白质含量和湿面筋含量主要集中分布在12.5%～15.5%和28.0%～32.0%区间；面团形成和稳定时间主要集中分布在1.0～4.0 min和2.4～3.6 min区间；容重、硬度、沉降值和出粉率分别集中分布在813.0～843.0 g/L、57.0%～72.0%、22.5～39.0 mL和62.4%～66.4%区间。

2.3.2品质性状多样性分析供试小黑麦的8个品质性状的变异系数在1.08%～43.04%之间，平均为11.96%。其中面团稳定时间的变异系数最大，为43.04%，多样性指数也较高，说明供试小黑麦的面团稳定时间差异较大且多样性好；容重的变异系数最小，但它的多样性指数最高，说明供试小黑麦的容重差异虽小，但多样性最丰富。8个品质性状的多样性指数在1.99～2.06之间，平均为2.02，表明供试小黑麦品质性状的多样性也很丰富，多样性指数的大小顺序为：容重>面团稳定时间、沉降值>面团形成时间>蛋白质含量、湿面筋含量、硬度>出粉率。

2.4供试小黑麦主要农艺和品质性状的聚类分析

利用DPS 7.05软件和UPGMA法，按欧氏距离对供试六倍体小黑麦的农艺和品质性状进行聚类分析，结果可在欧氏距离30.79处将222个材料分为6大类（图3、表4）：第Ⅰ类包括205个材料，占样品总数的92.3%，基本代表了总样品的平均表现。第Ⅱ类只包括1个材料即2006821，该材料的单株穗数、千粒重、容重、硬度和出粉率表现突出。第Ⅲ类包括2个材料，分别为2006811和2006812，该类材料的每穗小穗数、穗粒数和千粒重均显著高于总体平均值，同时株高最低。第Ⅳ类包括9个材料，即2006829、20068093、20068071、20068072、20068098、20068099、20068112、20058097和20068037，这些材料的每穗小穗数和穗粒数较多，同时蛋白质含量、湿面筋含量、面团形成时间和沉降值为各类群最高。第Ⅴ类有2个材料：20058068和20058081，它们的主要农艺性状（除穗粒数）值均高于总体均值，其中单株穗数接近总体均值的2倍，而各品质性状值却都低于总体均值。第Ⅵ类有3个材料：20006835、20068024和2006849，它们除千粒重外其它农艺性状值均高于总体均值，品质性状值略低于总体均值但高于第V类。

第Ⅰ类群的材料较多，又可在欧式距离25.00处分为A、B、C、D、E 5个亚类（图3、表5）：C和D亚类的农艺性状相对较好，A亚类稍优于C和D亚类，D亚类的株高较C亚类低。在品质性状方面，A亚类除蛋白质和湿面筋含量略高于第Ⅰ类均值外，其它指标都低于第Ⅰ类均值；而C亚类除蛋白质和湿面筋含量略低外，其它指标均等于或高于第Ⅰ类均值；D亚类的容重、硬度和出粉率稍高，其它指标低于平均水平；E亚类有一半的指标高于第Ⅰ类均值，其中千粒重和容重较高；B亚类的蛋白质含量、湿面筋含量、面团形成时间和沉降值为5个亚类中最高。

3讨论与结论

1BL/1RS易位系在国内外小麦品种改良和小麦生产中发挥了非常重要的作用，然而由于病原菌小种的变化，含有1BL/1RS的大多数小麦品种对白粉病、条锈病等小麦重要病害的抗性相继丧失。并且在1RS上存在影响加工品质的黑麦碱（Sec-1）等基因位点，因此降低了1BL/1RS易位系在小麦品种改良中的利用价值。但是，目前黑麦在小麦品种遗传改良中的利用主要是1RS，且育成的含有1BL/1RS小麦品种的1RS来源大多数为“洛类”亲本，较为单一。因此，黑麦中的许多具有重要利用价值的优良基因可能尚未被发掘利用，广泛收集黑麦、小黑麦材料，对其进行鉴定评价，对于深入挖掘黑麦在小麦品种遗传改良中的潜力，具有十分重要的意义。本研究引进的222份六倍体小黑麦为深入挖掘黑麦基因组优异基因提供了素材，其抗病性鉴定结果显示，222份材料均高抗小麦条锈病、叶锈病和白粉病，可以作为抗源应用于小麦抗病育种中。

黑麦为异花授粉植物，且广泛分布于世界不同区域，因此，黑麦不同品种间甚至同一品种中都存在丰富的遗传多样性。尚海英[18]利用ISSR和RAMP标记分析黑麦属不同种及栽培黑麦不同地方品种的遗传多样性，发现确实存在较大遗传差异。任天恒[19]利用ISSR技术对黑麦属的5个种13个亚种共23份材料进行遗传多样性分析，发现无论是不同黑麦种、亚种，还是相同的黑麦亚种中的不同品种之间都具有很高的遗传多态性，表明黑麦属植物具有丰富的遗传多样性。安调过等[2]利用德国白与小偃6号杂交，选育出高抗条锈病、品质性状优于小偃6号和优质对照品种高优503的1BL/1RS新种质。宋振巧[20]利用绵阳11和3个黑麦自交系杂交，筛选到含有优质谷蛋白亚基、SDS沉淀值较高、农艺性状较好的种质材料。晏本菊等[21]也通过绵阳11与不同黑麦自交系杂交，筛选到黑麦碱基因表达缺失的1BL/1RS易位系。这表明，在小麦与黑麦杂种后代中可以选育出品质性状良好、综合双亲优良性状特点的材料。雷孟平等[22]从硬粒小麦-非洲黑麦双二倍体与小麦杂交后代中筛选出免疫条锈病的6R/6D代换系。曾兴权等[23]利用奥地利黑麦与普通小麦杂交，育成携带不同于Yr9的抗条锈病新基因的1R代换系。赵毓[24] 利用小麦-奥地利黑麦二倍体分别与阿勃1B和6B缺体系杂交，从后代中分别筛选出对白粉病和条锈病均免疫的1BL/1RS易位系和6A/6R代换系。符书兰等[25]从Kustro-绵阳11的双二倍体与绵阳11的杂交后代中筛选到抗白粉病的5R单体附加系。李方安等[26]获得了来自黑麦Kustro的免疫白粉病的6R单体附加系、6RL端体附加系和小片段渐渗系。说明不同来源黑麦的1R染色体或黑麦1R以外的其它染色体上可能携带新的优良基因。

本研究对引自国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）的222份六倍体小黑麦的6个农艺性状和8个品质性状进行了多样性分析，发现农艺和品质性状存在较大差异，具有丰富的多样性。聚类结果表明，多数材料被聚为一类，这与胡立芹等[13]的研究结果相似，这可能与合成六倍体小黑麦时所选用四倍体小麦或黑麦亲本有关；但本研究供试六倍体小黑麦的多样性指数更高，其中单株穗数、株高和穗粒数的多样性更为丰富。除此之外，田间调查还发现这批小黑麦还具有生长繁茂、穗大粒多、强秆抗倒等优良特点，值得利用染色体工程诱导后用于小麦遗传改良中。

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