刘 政，陈晓杰，胡银岗

(西北农林科技大学农学院/旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100)



春化及光周期基因的等位变异及其对冬小麦光合及产量性状的影响

刘 政，陈晓杰，胡银岗

(西北农林科技大学农学院/旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100)

摘要：为了解春化及光周期基因对小麦光合及产量性状的影响，在抗旱棚中对冬麦区广泛种植的58个冬小麦品种进行水分胁迫和正常灌水处理，在灌浆期调查其光合性状，收获后调查其产量性状，并利用分子标记检测其春化及光周期基因的等位变异，进而分析在正常灌水和水分胁迫下春化及光周期基因的等位变异对光合及产量性状的影响。结果表明，供试材料中春化基因 Vrn-B1和 Vrn-D1位点的出现频率分别为8.62%和43.10%，未检测到春化基因 Vrn-A1位点；光周期非敏感型位点 Ppd-D1a的出现频率为91.38%。充分灌水条件下，含有 vrn-D1位点的品种的净光合速率、蒸腾速率及单株生物量均较含有其显性位点的品种高，而在水分胁迫下，含有 vrn-D1位点的品种仍能维持较高胞间CO2浓度、单株生物量及单株籽粒产量，表明该基因型可能更适应干旱环境。综上所述，春化及光周期基因对光合及产量性状有一定影响，携带 vrn-D1位点的品种具有高且稳定的光合能力及产量水平，在小麦高光效育种中应注意利用。

关键词：小麦；春化基因；光周期基因；光合性状；产量性状

春化及光周期基因决定小麦对环境的适应能力，同时对小麦的生长发育及产量构成具有重要作用。小麦对春化的需求主要受春化基因 Vrn1、 Vrn2、 Vrn3等控制[1-3]，其中，研究较为深入的是 Vrn1基因，其包括 Vrn-A1、 Vrn-B1和 Vrn-D1共3个等位基因，分别位于小麦的5A、5B和5D染色体上[4,7-8]。这3个位点均为隐性即其组合类型为 vrn-A1、 vrn-B1和 vrn-D1时，小麦的发育特性为冬性[9]。此外，有研究表明，春化基因不同位点存在效应差异， Vrn-A1对 Vrn-B1、 Vrn-D1具有上位性效应[10]。小麦的光周期响应特性主要由位于2D、2B和2A染色体上的 Ppd-D1、 Ppd-B1和 Ppd-A1决定[13]。研究表明， Ppd-D1是小麦的主要光周期基因，与生物钟密切相关[14]； Ppd-D1可缩短生长发育进程，促进早开花。目前，春化基因 Vrn-A1、 Vrn-B1和 Vrn-D1及光周期基因 Ppd-D1已被克隆，可利用已开发的功能标记对不同小麦种质的等位变异进行检测[11-12,15]。春化及光周期基因不仅对小麦的抽穗期及开花期有较大影响，而且不同的春化基因组合和光周期基因组合对农艺性状及产量也有一定影响[16-17]。苗果园等[18]研究发现，春化基因对小麦的叶片数具有显著影响；Flood等[19]研究发现，春化基因影响作物生长发育相关性状，其等位类型和数量对小穗数也有重要影响；张国华等[20]发现， Vrn-A1与穗数形成具有显著相关性。另外，有研究表明，在不同地区，携带 Ppd-D1a的品种，其小穗数表现出相对降低的趋势[21]。然而，春化基因、光周期基因是否对小麦的光合性状也具有重要影响，其等位变异类型或组合是否会作用于光合效率并最终影响产量，这些方面的效应还不清楚。

因此，本研究以国内广泛种植的58个小麦品种为材料，采用分子标记检测其所携带的春化、光周期基因的等位变异；分别在正常灌水和水分胁迫条件下，分析春化、光周期基因不同等位变异对灌浆期光合性状及单株生物量、单株籽粒产量的影响，发掘对光合效率具有重要作用的等位变异类型，以期为小麦高光效种质的筛选及高光效育种提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

供试材料共计58份(表1)，其中，29份来自北部冬麦区，28份来自黄淮冬麦区，1份来自西南冬麦区，为各麦区广泛应用的品种。以上材料均由本课题组搜集保存。

1.2试验设计

供试材料于2012年10月种植于西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院内的抗旱棚，双因素随机区组设计，2行区，行长1.0 m，行距25.0 cm，株距6.7 cm，人工点播种植，2次重复。设水分胁迫和充分灌溉两个处理，其中，充分灌溉处理分别于小麦越冬期(600 m3·hm-2)、返青期(600 m3·hm-2)和孕穗期(800 m3·hm-2)进行补充灌溉，水分胁迫处理仅在越冬期(600 m3·hm-2)和返青期(600 m3·hm-2)进行补充灌溉。

1.3春化及光周期基因检测

小麦基因组DNA的提取采用CTAB法[5]。利用已开发的春化基因 Vrn-A1、 Vrn-B1和 Vrn-D1及光周期基因 Ppd-D1的特异STS引物检测参试品种的等位基因位点[4]，引物名称及序列、PCR反应体系及程序等参照文献[6]。

1.4光合性状的测定

灌浆中期晴天上午8:30-11:30，使用LI-6400光合仪(LI-COR，USA)测量小麦旗叶的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度，测定时采用内置光源，光强设为1 000 μmol·m-2·s-1，每个材料测定3次取平均值。

1.5产量性状的测定

植株成熟后，每个小区随机选取10株，晒干，测定单株生物学产量，后脱粒测定单株籽粒产量，取10株的平均值。

1.6数据分析

利用Excel 2013和SPSS 20.0统计软件进行数据整理分析，使用t-检验分析基因的显隐性位点及其组合对小麦光合及产量性状的影响。

2结果与分析

2.1供试材料春化及光周期基因的等位变异分布

分子标记检测结果(表1)发现，所有供试材料均含有 vrn-A1；有5份材料含有 Vrn-B1，25份材料含有 Vrn-D1，占所有供试材料的8.62%和43.10%；其中，3份材料同时含有 Vrn-B1和 Vrn-D1。有53份材料含有光周期非敏感型基因 Ppd-D1a，占所有供试材料的91.38%。将供试材料按所含春化及光周期基因的等位变异类型进行分类，结果发现，29份材料中存在 Ppd-D1a+ vrn-A1+ vrn-B1+ vrn-D1基因组合，19份材料中存在 Ppd-D1a+ vrn-A1+ vrn-B1+ Vrn-D1基因组合，2份材料中存在 Ppd-D1a+ vrn-A1+ Vrn-B1+ vrn-D1基因组合，3份材料中存在 Ppd-D1a+ vrn-A1+ Vrn-B1+ Vrn-D1基因组合，2份材料中存在 Ppd-D1b+ vrn-A1+ vrn-B1+ vrn-D1基因组合，3份材料中存在 Ppd-D1b+ vrn-A1+ vrn-B1+ Vrn-D1基因组合。

表1　 供试材料及其春化及光周期基因的等位变异

Ⅰ:北部冬麦区；Ⅱ:黄淮冬麦区；Ⅲ:西南冬麦区

Ⅰ:North winter wheat region; Ⅱ:Huang-huai winter wheat region; Ⅲ:Southwestern winter wheat region

2.2春化基因 Vrn1的等位变异对光合性状的影响

由表2、表3可以看出，在充分灌溉条件下， Vrn-B1对各光合性状没有显著影响；而在水分胁迫条件下，携带 Vrn-B1的品种的净光合速率极显著高于携带 vrn-B1的品种，但对气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率影响不显著。在充分灌溉条件下，携带 Vrn-D1的品种的净光合速率及蒸腾速率均极显著低于携带 vrn-D1的品种，而对气孔导度和胞间CO2浓度的影响不显著；在水分胁迫条件下，携带 Vrn-D1的品种的胞间CO2浓度显著低于携带 vrn-D1的品种，而对净光合速率、气孔导度和蒸腾速率的影响不显著。

表2　 Vrn-B1基因的等位变异对小麦光合性状的影响

不同大、小写字母表示等位变异间的差异分别在P<0.01和P<0.05水平上显著。下同

Different capital or small letters indicate significant difference between the two loci atP<0.01 orP<0.05 level,respectively;Pn：Net photosynthetic rate;Gs：Stomatal conductance;Ci：Intercellular CO2concentration;Tr：Transpiration rate.The same as in the following tables

表3　 Vrn-D1基因的等位变异对小麦光合性状的影响

2.3光周期基因 Ppd-D1的等位变异对光合性状的影响

分析结果(表4)表明，在充分灌溉和水分胁迫条件下，携带光周期不敏感基因 Ppd-D1a和光周期敏感基因 Ppd-D1b的品种的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度及蒸腾速率的差异均不显著。

表4　 Ppd-D1基因的等位变异对小麦光合性状的影响

2.4春化及光周期基因对产量性状的影响

分析结果(表5)表明，在两种水分条件下， Vrn-B1和 Ppd-D1对产量性状的影响均不显著，而携带 Vrn-D1的品种的单株生物量及单株籽粒产量均显著低于携带其隐性位点的品种，表明 vrn-D1对小麦的产量性状具有重要影响。

2.5春化基因、光周期基因等位变异组合对光合及产量性状的影响

2.5.1春化基因组合对光合及产量性状的影响

根据各品种春化基因的检测结果，对参试品种按照其等位变异进行分组，分析不同春化基因组合对光合及产量性状的影响。由于其他组合的品种数太少，因此主要比较春化基因 Vrn1均为隐性及 Vrn-D1为显性的效应。结果(表6)表明，在充分灌溉条件下， Vrn1均为隐性组品种的净光合速率及蒸腾速率极显著高于 Vrn-D1为显性组，分别高出7.49%和20.74%， Vrn1均为隐性组品种的单株籽粒产量也显著高于 Vrn-D1为显性组，其他性状的差异则不显著；在水分胁迫条件下， Vrn1均为隐性组品种的胞间CO2浓度及单株籽粒产量均显著高于 Vrn-D1为显性组，分别高出4.05%和13.46%。

表5　春化及光周期基因等位变异对产量性状的影响

表6　春化基因等位变异组合对光合及产量性状的影响

2.5.2春化及光周期基因组合对光合及产量性状的影响

根据春化及光周期基因检测结果，对参试品种按其等位变异进行分组，鉴于光周期基因敏感位点的品种数太少，光周期基因不敏感型 Ppd-D1a与 Vrn-B1组合(2个)及与 Vrn-B1和 Vrn-D1均为显性组合(3个)的品种太少，因此主要分析了 Ppd-D1a和 Vrn1均为隐性(29个)及 Ppd-D1a和 Vrn-D1为显性(19个)两个组合对光合及产量性状的效应。结果(表7)表明，在充分灌溉条件下，光周期不敏感基因 Ppd-D1a和 Vrn1均为隐性组合品种的净光合速率及蒸腾速率极显著高于 Ppd-D1a和 Vrn-D1为显性组合的品种，分别高出10.96%和28.04%。在水分胁迫条件下，光周期不敏感基因 Ppd-D1a和 Vrn1均为隐性组合品种的胞间CO2浓度显著高于 Ppd-D1a和 Vrn-D1为显性组合的品种，而单株生物量和单株籽粒产量等性状的差异不显著。

3讨 论

目前，对春化和光周期基因效应的研究多集中在对抽穗期、环境适应性及产量性状等方面，而对其在光合相关性状的效应研究较少。研究表明，低温春化和光周期通过调控小麦的发育阶段、器官建成等因素而最终影响产量[27]。田芳慧等[28]发现，携带 Vrn-B1的品种产量较低。Flood等[19]研究发现，随着显性春化基因被隐性取代，品种表现为越来越强的冬性，其小穗数、产量潜力均呈现逐渐增加的趋势。Stelmakh[29]发现当品种携带两个春化基因的显性位点时，其在高温和干旱等逆境条件下均表现出更大的产量潜力。本研究发现，尽管在水分胁迫下 Vrn-B1对光合速率有显著影响，但对两种水分条件下的产量性状影响不显著，由于试验材料中含 Vrn-B1的品种较少，且多同时携带 Vrn-D1位点，上述结果可能是这两个显性基因的互作产生的。在充分灌溉条件 Vrn-D1降低光合速率和蒸腾速率，而水分胁迫条件下降低胞间CO2浓度，但在两种水分条件下均降低了小麦的单株生物量和单株籽粒产量。另有研究发现，小麦成熟期在不受外界条件影响的情况下， Vrn1均为隐性的冬性类型与产量构成性状显著正相关[28]。本研究的结果也表明， Vrn1均为隐性品种的单株籽粒产量较仅 Vrn-D1为显性的品种高。

表7　春化及光周期基因组合对光合及产量性状的影响

刘玉平等[30]对 Ppd-D1基因对冬小麦生育期和农艺性状影响的研究表明， Ppd-D1可加快冬小麦的生长发育进程，促进提早成熟，避开后期的不利环境。本研究发现，光周期不敏感基因 Ppd-D1a存在时， Vrn1均为隐性的冬性品种的净光合速率和蒸腾速率均显著高于仅 Vrn-D1为显性的品种，其产量也较高，但是差异不显著，这可能是春化及光周期基因共同作用的结果，因而推测这一组合可能有利于冬麦区产量的提高。

近年来，人们越来越关注光合速率对作物产量的影响，蒋高明等[31]研究认为，小麦关键生长发育期的光合速率与籽粒产量的形成具有重要影响。彭远英等[32]研究认为，开花期旗叶净光合速率的变化直接影响成熟期每穗粒数的多少，而灌浆初、后期旗叶的净光合速率决定了成熟期的产量形成。本研究中，在充分灌溉和水分胁迫条件下，携带 vrn-D1的品种的光合性能及单株产量显著高于携带 Vrn-D1的品种，说明携带 vrn-D1的品种可能更适应于本区域的气候条件，应在以后的高光效育种研究中予以重视。但由于本试验材料较少，所得的分析结果仍需进一步的验证。

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收稿日期：2016-01-29修回日期：2016-04-18

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目

通讯作者：胡银岗(E-mail：huyingang@126com)

中图分类号：S512.1；S330

文献标识码：A

文章编号：1009-1041(2016)06-0714-07

Effect of Allelic Variation of Vernalization and Photoperiod Genes on Photosynthetic and Yield Traits in Winter Wheat

LIU Zheng,CHEN Xiaojie,HU Yingang

(College of Agronomy,Northwest A&F University/State Key Laboratory of Drop Stress Biology for Arid Areas,Yangling,Shaanxi 712100,China)

Abstract:In this research,58 wheat cultivars were used to test the effects of allelic variations of Vrn1 and Ppd-D1 genes on photosynthetic and yield traits,by using STS markers of the corresponding genes. The experiment was conducted in rainout shelters,including two water treatments of water stressed and well watered,the photosynthetic and yield related traits were investigated. The results showed that all the wheat cultivars carried recessive Vrn-A1,and the frequency of dominant Vrn-B1 and Vrn-D1 was 8.62% and 43.10%,respectively,while the frequency of Ppd-D1a was 91.38%.Under well watered condition,cultivars with vrn-D1 had significantly better performance on photosynthetic rate,transpiration efficiency and biomass per plant than those with Vrn-D1; while under water stressed condition,cultivars with vrn-D1 maintained higher intercellular CO2 concentration,biomass per plant and grain yield per plant,indicating that cultivars with vrn-D1 may be more adapted to arid environments. In summary,cultivars with vrn-D1 had higher photosynthetic rate and yield,which might be used in wheat breeding for high photosynthetic efficiency.

Key words:Bread wheat; Vernalization genes; Photoperiod genes; Photosynthetic traits; Yield traits

网络出版时间：2016-05-30

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160530.1536.016.html

第一作者E-mail：lz570034121@126.com