熊 君 杨 珂 易晓余 许 珂 匡成浩张志鹏 陈国跃 李 伟

(1四川农业大学小麦研究所,四川 成都 611130;2四川农业大学农学院,四川 成都 611130)

小麦(Triticum aestivumL.)是世界主要粮食作物之一,在农业生产和国民经济中发挥着重要作用。我国小麦种植面积位于世界前列,但小麦的单产能力与世界发达国家相比还存在不足[1]。选育高产、抗病、优质和广适应性的小麦新品种始终是育种工作的主要目标。影响小麦产量的3个主要因素是单位面积有效穗数、穗粒数和千粒重。由于育种过程中对产量因素的偏重不同,形成了依靠提高单位面积有效穗的“穗数型”、以提高穗粒数或千粒重的“穗重型”和兼顾产量三因素的“中间型”等小麦高产品种类型。其中,在一定粒重基础上,以小穗数目为突破口,进行多小穗类型小麦超高产育种,创制或改良特异多小穗小麦新种质,是近年来国内小麦育种工作者普遍关注的问题之一[2-4]。四川盆地的小麦生长发育具有分蘖期短、幼穗分化期和灌浆期长的特点,优势在于多花多实[5],选育“穗重型”和“中间型”小麦新品种相对容易。

多小穗种质10-A是利用黑麦(Secale cerealL.)基因资源创制的每穗小穗数多年稳定超过26个的不分枝普通小麦多小穗品系[6-7]。10-A 具有小穗分化持续期长和小穗分化速率高等特性,前一个特性在F1中不能表现,而后一个特性不仅能在F1中表达,且出现较强的杂种优势[8]。魏育明等[9]应用荧光原位杂交和RFLP 标记对10-A 进行检测,发现其属于1RS/1BL 易位系。对10-A及其改良系的研究结果表明,吲哚乙酸、玉米素、赤霉酸和脱落酸等内源激素可能是通过调控小麦10-A及其改良系的单棱分化和二棱分化持续时间长短来影响其小穗数的[10]。研究学者利用“中国春”和“阿勃”两套单体系列对10-A 进行染色体定位分析,发现10-A的1B 染色体上具有控制小穗数目、穗粒数、可育小花数、抽穗期、穗长、单株籽粒产量等重要农艺性状的主效基因[11-16]。前人将10-A 进行遗传改良后,选育了一批大粒、多小穗的大穗型高产类型小麦新品系[17-18],其中95-7(异源2号)在四川盆地的生产条件下亩产可以稳产千斤[19],展现出了10-A 在小麦高产育种中的良好的应用前景。

诱变技术已广泛应用于农作物新材料创制和优良新品种培育[20],可使植物产生自然界原本没有或一般常规方法难以获得的新性状[21]。甲基磺酸乙酯(ethylmethamesulfonate,EMS)是诱变育种中常用且效果好的化学诱变剂[22-23]。目前,EMS诱变技术已被应用在大麦[24-25]、玉米[26-27]、水稻[28-29]、小麦[30-31]和油菜[32]中,可利用EMS诱变技术构建不同的突变体库。此外,EMS诱变技术在植物功能基因组学研究中也发挥了重要作用。赵天祥等[33]利用EMS诱变处理小麦品种偃展4110种子,获得了丰富且与生物学特性和主要农艺性状相关的变异类型。薛芳等[34]从春小麦新春11种子的EMS诱变群体中筛选出了7个抗性淀粉含量高且综合性状优良的突变家系。李晓等[35]在EMS诱变后的小麦京411 M2突变群体中,利用定向诱导基因组局部损伤技术检测获得了Wx-A1基因的7个点突变。陈竹锋等[36]在籼稻黄华占EMS诱变群体中筛出了一个单基因控制的隐性核不育的水稻雄性不育突变体osms55,并利用改进的MutMap方法成功克隆了该雄性不育基因。

为了进一步改良和利用小麦多小穗品系10-A,深入了解其农艺性状遗传规律,四川农业大学小麦研究所前期利用EMS对多小穗小麦种质10-A的种子进行诱变,经多代选择获得了一批表现稳定的突变株系。本研究对10-A的EMS 突变株系的农艺性状进行评价,旨在为深入了解群体变异情况,进一步利用10-A及其突变株系提供指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料及前处理

试验材料小麦多小穗品系10-A种子,由四川农业大学小麦研究所提供。

2013年10月用0.8%EMS诱变剂处理小麦多小穗品系10-A种子(2万粒),然后播种于田间,生长期不加选择,成熟时将M1每株主穗上种子收获并混合。2014年10月播种M2,单粒点播,生长期间选择植株表型变异单株,成熟收获后,分单株脱粒;2015年10月下旬分单株播种M3,每株播种2行,种成株系,并从各株系中继续进行单株选择;2016年10月播种上一年收获的各单株籽粒,并种植对照10-A(control,CK),每单株种子播种3行,共有222个M4突变株系。试验地为四川农业大学小麦所温江惠和村试验农场,播种行长为2 m,行距为0.3 m,采用单行单窝点播法,株距为0.1 m。田间管理参照大田生产,生长期间未发生倒伏和严重的病虫害。所有供试材料均由四川农业大学小麦研究所提供。

1.2 农艺性状指标的测定

在小麦灌浆期前后开始调查各突变株系的田间农艺性状,各株系分别调查3行,每行调查3株,取3株性状平均值进行分析。将222个突变株系按编号依次命名为AM-1～AM-222。农艺性状指标包括抽穗期、株高、穗长、总小穗数、总分蘖数、有效分蘖数、穗粒数、单株产量和千粒重。性状调查标准参照李立会等[37]的方法,具体测定方法如下:

抽穗期(d):从播种到穗子顶端或一侧旗叶鞘伸出穗长度一半时的时间;

株高(cm):从地面至穗的顶端,不连芒;

穗长(cm):自穗轴基部量至穗顶端,不连芒;

总小穗数(个):成熟期,测量主茎穗的小穗数(含不育小穗);

总分蘖数(个):在地下或近地面处所生的所有的分枝数目;

有效分蘖数(个):在地下或近地面处所生的能抽穗结实的分枝数目;

穗粒数(粒):每个材料随机选取3 穗分别脱粒,计算平均值;

单株产量(g):成熟期,取单株所有结实小穗脱粒晒干称重;

千粒重(g):脱粒晒干后每个材料随机取1 000粒种子称重,重复3 次。

茎杆和穗蜡质在开花至灌浆期,分别以植株茎秆和穗部为观测对象,在一致的自然光照条件下,采用目测法观察茎秆和穗部表面蜡质的有无和多少。籽粒直线长度(average straight length of seeds)、籽粒直线宽度(average straight width of seeds)、籽粒投影面积(average projection area of seeds) 等3项性状通过EPSON110000XL 彩色图像扫描仪(精工爱普生株式会社,日本)扫描样品籽粒,每份样品随机选择30粒进行扫描,若籽粒数目不足30粒,将扫描样品袋内所有籽粒;扫描后获得的图片经WinSEEDLE2012a软件分析获得其表型值。

1.3 数据分析

所有数据采用Microsoft Office Excel 2013 进行整理。对各农艺性状进行单因素方差分析,SSR(shortest significant ranges)多重比较分析,简单相关分析和聚类分析。聚类分析采用欧式距离法,类平均法聚类。数据分析采用IBM SPSS Statistics 20.0和DPS 13.5软件。

2 结果与分析

2.1 EMS 突变株系表观性状分析

亲本小麦多小穗品系10-A 茎秆和穗有明显的蜡质层,而突变株系中有65个突变株系的茎秆和穗蜡质层不明显,其中,AM-1、AM-2、AM-115、AM-116、AM-141、AM-154和AM-171 这7个群体穗无蜡质层(图1-A)。亲本小麦多小穗品系10-A 生长期叶片呈现正常绿色,而在10-A 突变株系中AM-116、AM-128、AM-171和AM-172的突变株系叶片呈现深绿色,AM-29和AM-35的叶片呈现浅绿色(图1-B)。10-A 突变株系中出现了与亲本小麦多小穗品系10-A的株高存在差异的株系(图1-C)。亲本小麦多小穗品系10-A为短芒穗,而10-A 突变株系中出现了不同穗型突变体(图1-D)。

2.2 EMS 突变株系农艺性状分析

由表1可知,各农艺性状在材料间存在丰富的变异。突变株系的平均株高为81.94 cm,变幅为75.07 cm,有90份突变系的株高超过小麦多小穗品系10-A。群体平均穗长为14.88 cm,群体中穗长大于10-A(14.3 cm)的突变株系占64.57%,其中突变株系AM-93 穗长最长,为21.13 cm;突变株系AM-27 穗长最短,为9.97 cm。突变株系小穗数的平均值为25.78个,共有58份突变株系的小穗数超过10-A(27个),其中AM-89 小穗数高达32个,而AM-92 总小穗数仅有11个。突变株系总分蘖数的平均值为6个,有11份突变株系的总分蘖数超过10-A,其中突变株系AM-92 分蘖数最多,达到17个。突变株系平均有效分蘖数为5.78个,其中AM-62、AM-77、AM-92、AM-93、AM-94和AM-217的有效分蘖数均超过10-A,AM-217的有效分蘖数多达16个。突变株系穗粒数的平均值为42.08个,变幅为58,有188份突变株系的穗粒数超过10-A(33粒),其中8份突变株系的穗粒数超过60粒,AM-87的穗粒数多达70粒。突变株系千粒重的平均值为25.40 g,有21份突变株系的千粒重大于10-A,其中千粒重超过45 g的有2份,最高的为AM-160,达58.54 g。突变株系籽粒直线长的平均值为6.60 mm,51.12%的突变株系籽粒长超过10-A(6.61 mm),其中AM-184的籽粒最长,达7.51 mm。突变株系籽粒直线宽的平均值为2.76 mm,66.82%突变株系的籽粒直线宽大于10-A(2.64 mm),其中最宽的为AM-1,达3.55 mm。突变株系籽粒投影面积的平均值为13.87 mm2,变幅为9.23 mm2,共有121份突变株系大于10-A(13.47 mm2),其中最大的为AM-172,达19.07 mm2。突变株系单株产量的平均值为4.49 g,有32份突变株系高于10-A(6.63 g),其中AM-128的单株产量最高,达到15.21 g。突变株系平均抽穗期为159.30 d,其中17%突变株系的抽穗期比10-A(155 d)短,AM-8的抽穗期最短,为131 d。

表1 EMS 突变株系的农艺性状Table1 Agronomic traits of EMS mutagenic lines

图1 EMS 突变株系的表观性状Fig.1 Phenotype of EMS mutagenic lines

突变株系各性状间变异系数大小依次为:单株产量＞总分蘖数＞有效分蘖数＞千粒重＞穗粒数＞株高＞穗长＞籽粒投影面积＞小穗数＞籽粒直线宽＞抽穗期＞籽粒直线长。变异系数大于20%的有单株产量、总分蘖数、有效分蘖数、千粒重和穗粒数,表明这些性状受诱变影响较大,变异类型丰富;变异系数小于10%的有小穗数、籽粒直线宽、抽穗期和籽粒直线长,表明这些性状受诱变影响较小。综上,EMS诱变使多小穗种质10-A的突变株系获得了丰富的农艺性状变异,并使突变株系有了更大的选择空间。

表2 EMS 突变株系的农艺性状指标间的简单相关系数Table2 Simple correlation coefficients of agronomic traits of EMS mutagenic lines

2.2.1 EMS 突变株系农艺性状指标的多重比较分析 小麦多小穗品系10-A及其突变株系农艺性状指标的多重比较分析表明,突变株系中,在株高、穗长、小穗数、总分蘖数、有效分蘖数、穗粒数、单株产量等性状指标上均存在与10-A 差异显著或极显著的材料(未列图表)。在株高上,突变株系中有35份材料与10-A 差异显著,其中有20份材料极显著大于10-A;有13份材料的株高显著小于10-A,有8份材料极显著小于10-A,分别为AM-128、AM-27、AM-181、AM-207、AM-26、AM-206、AM-73、AM-92。在穗长上,突变株系中共有5份材料与10-A 存在极显著差异,其中,极显著高于10-A的有AM-93、AM-220和AM-176;极显著低于10-A的有AM-92和AM-27。在小穗数上,突变株系AM-93的小穗数极显著高于10-A。在单株总分蘖数上,突变株系中有19份材料的总分蘖数显著小于10-A。在单株有效分蘖数上,突变株系AM-217的有效分蘖数显著大于10-A。在穗粒数上,突变株系中有8份材料与10-A 差异显著,分别为AM-87、AM-48、AM-62、AM-49、AM-106、AM-104、AM-95、AM-134,且AM-87与10-A 在穗粒数上差异极显著。在单株产量上,突变株系中有6份材料与10-A 差异显著,其中AM-128、AM-218和AM-62 极显著大于10-A。

2.2.2 EMS 突变株系农艺性状指标的相关性分析 对9个农艺性状和3个籽粒性状进行了简单相关分析(表2),发现大多数农艺性状间达到显著或极显著相关。其中,株高与单株产量、千粒重、籽粒投影面积呈极显著正相关。穗长与小穗数、穗粒数、抽穗期呈极显著正相关;穗长与单株产量、千粒重、籽粒投影面积呈极显著负相关。小穗数与穗粒数呈极显著正相关;小穗数与千粒重、籽粒投影面积呈极显著负相关。穗粒数与单株产量呈极显著正相关。千粒重与籽粒直线长、籽粒直线宽、籽粒投影面积达到极显著正相关水平。此外,在10-A及其突变株系的群体中,随着株高的增加,单株产量、千粒重、籽粒直线长、籽粒直线宽、籽粒投影面积、有效分蘖数有增加的趋势;随着穗长的增加,小穗数、穗粒数有增加的趋势;随着小穗数的增多,穗粒数有增加的趋势,表明这些性状之间存在着紧密的联系。

2.3 EMS 突变株系聚类分析

由图2可知,在欧式距离1.38 处,小麦多小穗品系10-A及其突变株系被聚为七类。类Ⅰ包含193份材料,其中包括10-A和192份突变株系。类Ⅰ可进一步分为5个亚类,其中类ⅠA 包含1份材料,为AM-160;类ⅠB 包含5份材料;类ⅠC 包含3份材料;类ⅠD 包含17份材料;类ⅠE 包含167份材料,亲本10-A也被聚为该亚类。类Ⅱ包含25份突变株系。类Ⅲ、类Ⅳ、类Ⅴ、类Ⅵ和类Ⅶ均只包含1份突变株系,分别为AM-62、AM-93、AM-222、AM-217和AM-92,说明这5个突变株系的性状表现明显区别于其他材料。

由表3可知,各类群突变株系的农艺性状特征存在差异。类Ⅰ中,类ⅠA材料的千粒重最高,为58.54 g;类ⅠB材料的平均籽粒直线长最长,为7.18 mm;单穗穗粒数最低,为18粒;类ⅠC材料的单穗穗粒数较高,籽粒投影面积较大,分蘖数及有效分蘖数最少;类ⅠD材料的株高较低,为69.75 cm,抗倒伏性较好;类ⅠE材料中包括亲本10-A,其平均株高为80.51 cm,整体性状表现均较接近10-A,性状发生的变异较小。类Ⅱ材料的抽穗期最短。类Ⅲ材料AM-62的株高最高,为124.10 cm,抗倒伏性弱;单穗穗粒数最多,为66.3粒。类Ⅳ材料AM-93的穗长最长,为21.13 cm;小穗数最多,为32.3个。类Ⅴ材料AM-222的籽粒投影面积最大,为17.24 mm2;抽穗期最长,为175 d。类Ⅵ材料AM-217的株高较低,为77.70 cm,抗倒伏性较好;单株产量最低,为1.35 g;籽粒直线宽最低,为2.14 mm;籽粒投影面积最小,为9.84 mm2。类Ⅶ材料AM-92的株高最低,为49.03 cm;穗长最短,为10.03 cm。

3 讨论

小麦的突变体库为小麦农艺性状的解析和相关基因功能研究奠定基础,有助于现代育种材料的筛选和新种质的创制。通过EMS诱变可获得类型丰富的小麦突变体,徐艳花等[38]用浓度为0.8% EMS诱变剂处理豫农201种子,获得7类叶色突变类型;赵天祥等[33]用0.7%EMS和1.2%EMS 分别处理小麦品种偃展4110,获得能稳定遗传的极矮突变株、细叶突变株及有复小穗的突变株系;倪永静等[30]用0.4% EMS诱变国麦301,获得了黄化苗、黄条纹苗、近似球形的超紧凑穗,细长穗等突变株;李卫华等[39]用3种不同浓度的EMS诱变剂处理小麦品种新春11号籽粒,发现0.3% EMS对小麦分蘖及株高有良好的正向诱变效果,0.5% EMS 诱导的小麦早熟效果明显,EMS 浓度达0.7%时,M2锈病严重,但可正向诱变小麦的穗长、穗粒数和粒重,有利于筛选大穗突变类型。本试验用0.8%EMS 处理了2万粒10-A种子,获得了不同叶、穗、茎杆、籽粒等突变类型。部分突变株系与10-A在株高、穗长、总小穗数、总分蘖数、有效分蘖数、穗粒数、单株产量这7个农艺性状上差异显著,其中突变系小穗数的变化范围为11～32个,出现了寡小穗数的突变株系,为进一步研究小穗数性状的形成奠定了材料基础。本试验中超过64%的M4突变株系在穗长或穗粒数上高于亲本10-A,同时,籽粒投影面积、籽粒直线长、直线宽超过10-A的M4突变株系比例也达50%以上,表明0.8%EMS对小麦穗长、穗粒数及籽粒大小有良好的正向诱导效果,与李卫华等[39]的研究结果相似。

表3 各类群突变株系的农艺性状指标分析Table3 Agronomic traits of the mutagenic lines between different clustering groups

图2 EMS 突变株系的系统聚类图Fig.2 The cluster dendrogram of EMS mutagenic lines

小麦多小穗品系10-A是利用染色体工程方法向小麦中导入黑麦异源基因创制的小麦多小穗新材料[6],但其存在晚熟、穗粒数少和粒重低等突出不良性状。前人研究表明,小麦多小穗品系10-A是晚抽穗期(179.68 d)、少穗粒数(29.73粒/穗)、低千粒重(15.20 g)的多小穗(34.58个/穗)系[40]。本试验结果表明,10-A及其突变株系在12项农艺性状上均发生了不同程度的变异,突变株系的抽穗期平均为159.30 d,相对10-A 提前了约20 d;穗粒数平均为42.08粒,千粒重平均为25.40 g,小穗数平均为25.78个,说明其突变株系整体的穗粒数和粒重得到了显著提高,多小穗数的特性得到了保持。相关性分析表明,在10-A及其突变株系中,株高与单株产量、千粒重、籽粒直线长、籽粒直线宽、籽粒投影面积、抽穗期呈正相关,这与庄萍萍等[41]的研究结果相同。此外,随着株高的增加,有效分蘖数有增加的趋势,本试验所产生的植株较高的突变株系具有改良10-A粒重低相关不良性状的潜力。穗粒数、千粒重、籽粒直线宽、籽粒直线长、籽粒投影面积均与穗长呈正相关,表明穗长较长的突变品系为改良10-A 固有不良性状(穗粒数少、粒重低)提供了可能。

为了解小麦多小穗品系10-A及其突变株系在农艺性状上的关系,以便更好地应用于育种研究,本研究针对供试材料的农艺性状进行了聚类分析。综合考虑各类材料,类Ⅰ中类ⅠA和类ⅠC材料的综合性状较优越,其株高较低、易抗倒伏,穗粒数和千粒重都较高,是相对理想的育种材料;类Ⅱ材料的抽穗期最短,适合从中选育早熟材料;类Ⅲ材料(AM-62)高杆高产,适用于饲草型材料的选育;类Ⅳ材料(AM-93),可用于多小穗材料的选育;类Ⅶ材料(AM-92)的株高最矮,适用于矮化育种。在今后的育种工作中,可根据不同类材料的不同性状的突出特性对其进行育种利用和开展相应研究。

4 结论

本研究创制了小麦多小穗品系10-A的222个EMS 突变株系,突变株系在农艺性状和籽粒性状上表现出丰富的变异。部分突变株系在熟期、穗粒数和千粒重等方面优于10-A。本研究还获得了7种不同类型的特征材料,其中ⅠA类和ⅠC类材料的综合性状较优,是相对理想的育种材料;Ⅱ类材料的抽穗期最短,适合从中选育早熟材料;Ⅳ类材料(AM-93)可用于多小穗材料的选育。本研究结果为进一步利用小麦多小穗品系10-A及其突变株系提供了指导,为相关基因功能研究和多小穗育种材料的创制奠定了基础。