2025年9月23日 5:06 星期二
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甘肃省小麦地方品种春化、光周期基因分布频率及冬春性分析  PDF

    杨芳萍 1
    ✉
    郭莹 1
    吕迎春 2
    董亚超 3
    李玥 4
    化青春 1
    虎梦霞 1
    刘金栋 3
    ✉
1. 甘肃省农业科学院小麦研究所, 兰州 730070; 2. 甘肃省农业科学院科研管理处 ,兰州 730070; 3. 中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081; 4. 甘肃省农业科学院作物研究所,兰州 730070

最近更新:2023-10-31

DOI:10.13430/j.cnki.jpgr.20230320003

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目录contents
摘要
关键词
1 材料与方法
1.1 供试材料
1.2 DNA提取及STS标记检测
1.3 冬春性、光周期敏感性划分及冬春一致性评判标准
2 结果与分析
2.1 地方品种春化和光周期基因等位变异
2.2 地方品种春化和光周期基因及其组合分布频率
2.3 基于资源目录记载的冬春性和Vrn-1显隐性等位变异推测的冬春性的一致性分析
2.4 冬春性优异地方种质资源筛选
3 讨论
3.1 甘肃地方品种春化基因等位变异类型的丰富性及不同区域的分布频率
3.2 甘肃地方品种光周期基因Ppd-D1位点非敏感等位变异Ppd-D1a的分布频率
3.3 春化基因等位变异分布与冬春性划分一致性比较
3.4 甘肃省地方品种的冬春性分布
参考文献

摘要

地方品种资源是小麦新品种选育的重要亲本来源,充分应用其优异性状对于育种实践具有重要意义。本研究利用分子标记检测甘肃省种质库地方品种春化(Vrn-A1、Vrn-B1、VrnD1和Vrn-B3)和光周期(Ppd-D1)基因的等位变异。结果表明:(1)445份地方品种共携带6种春化基因显性等位变异,分布频率差异较大,分别为Vrn-A1a (2.5%)、Vrn-B1a (11.0%)、Vrn-B1b (1.6%)、Vrn-B1c (0.5%)、Vrn-D1 (67.4%)和Vrn-B3(0.5%);在检测材料中光周期非敏感等位变异Ppd-D1a分布频率为17.8%。(2)除Vrn-B1a+Vrn-D1外,其余显性春化基因等位变异组合的材料全部分布在春麦区;从春麦区到冬麦区,春化基因显性等位变异分布频率呈降低趋势,而隐性等位变异频率呈升高趋势;Ppd-D1a在甘肃省不同麦区均有分布,且冬麦区分布频率远高于春麦区。陇东旱塬冬麦区分布频率最高(35.6%),洮岷高寒春麦区分布频率最低(5.1%)。(3)比较基于资源目录记载的冬春性和春化基因显性等位变异推断的冬春性的一致性,发现春性和弱冬性品种的一致性较高,冬性和强冬性品种的一致性较低,从甘肃省春麦区到冬麦区,一致性逐渐降低。(4)筛选出83、119和82份地方品种,可分别在春麦区(甘肃省中西部及洮岷高寒春麦区等)、冬季较为温暖的秋播冬麦区(陇南嘉陵江上游、天水南部渭河上游等)及较为寒冷的冬麦区(如平凉、庆阳的泾河流域及天水、定西的北部等)的育种中广泛应用。研究结果为现代小麦育种中发掘利用优异地方种质资源提供参考。

关键词

小麦; 甘肃地方品种; 春化基因; 光周期基因; 等位变异; 冬春性

小麦是我国主要粮食作物,随着气候和环境的变化,小麦品种需不断更新换代。优异种质资源是选育丰产、广适、优良品种的物质基础。现代育种的种质资源极度狭窄,亟需从近缘种和地方品种中挖掘优异种质,以拓展育种亲本基因种类,为丰产抗病广适新品种培育奠定基础。提高产量始终是国内小麦育种的重要目标。除产量潜力外,产量及其稳定性还受适应性、抗病性及抗寒性等影响。微调适应性相关基因对提升小麦产量潜力至关重要[

参考文献 1
百度学术    
1],适应性主要由春化、光周期和早熟基因决定[
参考文献 2-3
2-3]。研究春化、光周期基因等位变异组成及其效应对小麦引种、育种及生产布局具有重要意义。国内外在春化、光周期基因定位、效应和分子标记开发等领域开展了广泛研究,每个小麦基因组至少包含Vrn-1、Vrn-2和Vrn-3(Vrn-B3为主要基因)等春化基因位点[
参考文献 4
百度学术    
4]。春性由一个或几个Vrn-1位点(Vrn-A1、Vrn-B1、VrnD1)显性等位基因控制,同源基因分别位于染色体5A、5B、5D长臂[
参考文献 5-6
5-6]。Vrn-3位点的显性等位变异减少春化需求[
参考文献 6
百度学术    
6],Vrn-2位点的隐性等位变异加速开花[
参考文献 7-8
7-8]。Vrn-B3的部分同源基因位于7A、7B和7D染色体[
参考文献 9
百度学术    
9]。Vrn-1、Vrn-B3基因已被克隆,其分子标记也已开发[
参考文献 6
百度学术    
6,
参考文献 9-11
9-11
],并广泛用于品种检测[
参考文献 12-14
12-14]。Vrn1是小麦抗寒性的关键性遗传调控位点之一,显性基因Vrn1的存在会显著降低品种的抗寒性,具有2个或3个Vrn1显性基因的品种一般抗寒性都很弱,携带对应隐性等位变异的材料对低温较迟钝,而3个位点均为隐性基因的品种具有强的抗寒性[
参考文献 15-17
15-17]。光周期基因包括Ppd-D1(Ppd1)、Ppd-B1(Ppd2)和Ppd-A1(Ppd3),分别位于染色体2D、2B和2A,其中Ppd-D1位点作用最强,其次是Ppd-B1位点[
参考文献 18
百度学术    
18]。Beales等[
参考文献 19
百度学术    
19]克隆了小麦Ppd基因,在Ppd-D1基因序列中发现编码序列上游存在2089 bp的缺失,并开发了Ppd-D1的功能标记,并已成功用于小麦光周期基因检测[
参考文献 20-21
20-21]。

甘肃省地域狭长,气候类型复杂多变,西北部和东南部适宜种植品种的冬春性差异较大。河西灌溉春麦区、中部干旱春麦区、洮岷高寒春麦区及嘉陵江上游冬麦区、渭河上游冬麦区、陇东旱塬冬麦区的种质资源,从春性向冬性过渡[

参考文献 22-23
22-23]。冬季和春季冻害常有发生,了解不同麦区小麦品种,特别是地方品种的春化、光周期基因的等位变异类型、组合及其与冬春性的关系,对选育抗寒性优良新品种和预防冬春季冻害意义重大。甘肃省不同生态区域育成品种的春化、光周期基因分布状况早有报道[
参考文献 24
百度学术    
24],但小麦地方品种春化和光周期基因的分布不明确。本研究利用春化、光周期基因的特异性分子标记对甘肃省小麦地方品种的春化和光周期基因等位变异进行检测,以明确其春化和光周期基因等位变异类型及其分布特点,进一步比较小麦资源目录记载的冬春性与春化基因显性等位变异推导的冬春性,并评判一致性,同时筛选优异地方种质资源,为其在甘肃及类似生态区域育种及生产中应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

从甘肃省农作物种质资源库获取小麦地方品种445份,其中,河西灌溉区春小麦117份,中部旱地春小麦47份,洮岷高寒区春小麦39份,渭河上游冬小麦46份,陇东旱塬冬小麦45份,嘉陵江上游冬小麦50份,另外101份未标注种植区域。以上地方品种于2021年10月统一秋播于甘肃省农业科学院清水试验站,每份材料种植1行,行长2.0 m,行距20 cm,在腊熟期去杂去劣,取长相一致,相似度达到95%以上植株的籽粒进行春化和光周期基因检测。

1.2 DNA提取及STS标记检测

采用Yan等[

参考文献 6
百度学术    
6,
参考文献 9
百度学术    
9
]、Milec等[
参考文献 10
百度学术    
10]、Fu等[
参考文献 11
百度学术    
11]及Beales等[
参考文献 19
百度学术    
19]设计的特异性引物,进行春化基因(Vrn-A1、Vrn-B1、Vrn-D1、Vrn-B3位点)和光周期基因(Ppd-D1位点)等位变异检测。引物由上海生工生物工程公司合成。取成熟期籽粒提取DNA,DNA提取和STS检测方法同杨芳萍等[
参考文献 14
百度学术    
14]。依据Zhang等[
参考文献 12
百度学术    
12]报道的方法确定不同春化基因类型,依据Beales等[
参考文献 19
百度学术    
19]的方法确定Ppd-D1位点等位变异类型Ppd-D1a和Ppd-D1b,引物和扩增片段见表1。

表1  Vrn-1、Vrn-B3和Ppd-D1基因引物序列及相关信息
Table 1  Primer sequence and related information at Vrn-1、Vrn-B3 and Ppd-D1 loci

基因名称

Gene name

标记名称

Marker name

引物序列(5′-3′)

Primer sequence (5'-3')

等位变异(显/隐性)

Allelic variation

(dominant/recessive)

扩增片段(bp)

Amplified fragment

参考文献

Reference

Vrn-A1 Vrn1-AF GAAAGGAAAAATTCTGCTCG Vrn-A1a (显性) 965+876 [
参考文献 6
百度学术    
6
]
Vrn1-Int1R GCAGGAAATCGAAATCGAAG Vrn-A1b (显性) 714
Vrn-A1c (显性) 734
vrn-A1 (隐性) 734
Intr1-A-F2 AGCCTCCACGGTTTGAAAGTAA Vrn-A1c (显性) 1170 [
参考文献 11
百度学术    
11
]
Intr1-A-R3 AAGTAAGACAACACGAATGTGAGA
Intr1-C-F GCACTCCTAACCCACTAACC vrn-A1 (隐性) 1068 [
参考文献 11
百度学术    
11
]
Intr1-AB-R TCATCCATCATCAAGGCAAA
Vrn-D1 Intr1-D-F GTTGTCTGCCTCATCAAATCC [
参考文献 11
百度学术    
11
]
Intr1-D-R3 GGTCACTGGTGGTCTGTGC Vrn-D1 (显性) 1671
Intr1-D-R4 AAATGAAAAGGAACGAGAGCG vrn-D1 (隐性) 997
Vrn-B3 Vrn4-B-INS-F CATAATGCCAAGCCGGTGAGTAC Vrn-B3 (显性) 1200 [
参考文献 9
百度学术    
9
]
Vrn4-B-INS-R ATGTCTGCCAATTAGCTAGC
Vrn4-BNOINS-F ATGCTTTCGCTTGCCATCC vrn-B3 (隐性) 1140 [
参考文献 9
百度学术    
9
]
Vrn4-BNOINS-R CTATCCCTACCGGCCATTAG
Vrn-B1 Intr1-B-F CAAGTGGAACGGTTAGGACA Vrn-B1a (显性) 709 +1235 [
参考文献 10-11
10-11
]
Ex1-B-F3 GAAGCGGATCGAGAACAAGA Vrn-B1b (显性) 673+1199 [
参考文献 10-11
10-11
]
Intr1-B-R3 CTCATGCCAAAAATTGAAGATGA Vrn-B1c (显性) 849 [
参考文献 10-11
10-11
]
Intr1-B-R4 CAAATGAAAAGGAATGAGAGCA vrn-B1 (隐性) 1149 [
参考文献 10-11
10-11
]
Ppd-D1 TaPpd-D1-F1 ACGCCTCCCACTACACTG [
参考文献 19
百度学术    
19
]
TaPpd-D1-R1 TGTTGGTTCAAACAGAGAGC Ppd-D1b (光周期敏感) 414 [
参考文献 19
百度学术    
19
]
TaPpd-D1-R2 CACTGGTGGTAGCTGAGATT Ppd-D1a (光周期不敏感) 288

1.3 冬春性、光周期敏感性划分及冬春一致性评判标准

基于春化基因等位变异的显隐性推测小麦的冬春性,Vrn-1的3个基因中有1个(Vrn-A1和Vrn-D1位点)或1个以上为显性等位变异时,表现为春性[

参考文献 12
百度学术    
12];3个基因全为隐性且春播后正常拔节或vrn-A1+vrn-D1+Vrn-B1组合时为冬性[
参考文献 12
百度学术    
12],Vrn-1位点的3个基因全为隐性且不能正常拔节的材料为强冬性。因显性等位变异Vrn-B1或Vrn-D1需要部分春化,Vrn-Ala对Vrn-B1或Vrn-D1有上位作用,将春性品种进一步区分为春性(具Vrn-Ala等位变异)和弱冬性(仅携带显性等位变异Vrn-B1或Vrn-D1)。基于甘肃省小麦地方品种资源目录记载的冬春性,将检测材料分为春性、弱冬性、冬性和强冬性。冬春性一致性依据标记检测的冬春性各类型材料数与甘肃省目录中记载的对应类型材料数的比值进行评判。光周期非敏感性评判基于标记检测结果,携带Ppd-D1a的材料为光周期非敏感型,携带Ppd-D1b的材料为光周期敏感型。

2 结果与分析

2.1 地方品种春化和光周期基因等位变异

用引物Vrn1-AF和Vrn1-Int1R检测Vrn-A1位点的等位变异,445份地方品种2份扩增失败,11份扩增出965 bp和876 bp条带,说明这11份品种携带显性等位变异Vrn-A1a,432份扩增出734 bp带型。扩增出734 bp带型品种的Vrn-A1位点可能是显性Vrn-A1c或隐性vrn-A1等位变异,结合引物对Intr1-A-F2+Intr1-A-R3及Intr1-C-F+Intr1-AB-R,仅扩增到1086 bp的带型,说明这432份品种携带vrn-A1隐性等位变异。

用引物Intr1-B-F+Ex1-B-F3和Intr1-B-R3+Intr1-B-R4进行多重PCR检测Vrn-B1位点的等位变异,445份品种中11份扩增失败;49份扩增出709 bp和1235 bp的带型,说明这些材料携带显性等位变异Vrn-B1a;7份扩增出673 bp和1199 bp的带型,携带等位变异Vrn-B1b;2份扩增出849 bp带型,携带Vrn-B1c等位变异;376份扩增出1149 bp带型,携带隐性等位变异vrn-B1。显性等位变异Vrn-B1a、Vrn-B1b和Vrn-B1c分布频率分别为11.0%、1.6%和0.5%,隐性等位变异vrn-B1分布频率为84.5%。

以引物对Intr1-D-F、Intr1-D-R3和Intr1-D-R4进行多重PCR检测Vrn-D1位点的等位变异,38份扩增失败,300份扩增出1671 bp的带型,107份扩增出997 bp特异带型,表明67.4%的品种携带显性等位变异Vrn-D1,24.0%的品种携带隐性等位变异vrn-D1。

用引物Vrn4-B-INS-F和Vrn4-B-INS-R检测Vrn-B3位点等位变异,445份地方品种中2份扩增出1200 bp的特异带型,表明这2份携带显性等位变异Vrn-B3(无芒大白麦,白金塔);用互补引物Vrn4-BNOINS-F和Vrn4-BNOINS-R扩增其余材料,均扩增出1140 bp的特异带型,说明除2份携带显性等位变异Vrn-B3外,其余均携带vrn-B3隐性等位变异。

用引物对TaPpd-D1-F1、TaPpd-D1-R1和TaPpd-D1-R2进行多重PCR检测Ppd-D1位点等位变异,46份扩增失败,79份扩增出288 bp的带型,为光周期非敏感等位变异Ppd-D1a(17.8%),320份材料扩增出414 bp的带型,为光周期敏感等位变异Ppd-D1b(71.9%)。

2.2 地方品种春化和光周期基因及其组合分布频率

445份地方品种中发现6种春化基因显性等位变异Vrn-A1a、Vrn-B1a、Vrn-B1b、Vrn-B1c、Vrn-D1和Vrn-B3的频率分别为2.5%、11.0%、1.6%、0.5%、67.4%和0.5%(表2)。其中Vrn-D1的分布频率最高,其次是Vrn-B1a,其余显性等位变异分布频率均很低。携带1个春化显性等位变异的材料265份,分别为Vrn-A1a(4份)、Vrn-B1a(4份)、Vrn-B1b(3份)、Vrn-B1c(1份)、Vrn-D1(251份)和Vrn-B3(2份)。2个或3个显性等位变异组合有Vrn-A1a+Vrn-B1a(4份,0.9%)、Vrn-A1a+Vrn-D1(2份,0.5%)、Vrn-B1a+Vrn-D1(40份,9.0%)、Vrn-B1b+Vrn-D1(3份,0.7%)和Vrn-B1a+Vrn-D1+Vrn-B3(1份,0.2%)、Vrn-B1a+Vrn-B3(1份,0.2%)。携带全隐性等位变异vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1+vrn-B3的材料87份(19.6%)。

表2  地方品种春化和光周期基因及其组合在甘肃不同麦区的分布频率
Table 2  The frequency distribution of vernalization and photoperiod genes and their combination in landrace wheat varieties from different wheat regions in Gansu

基因类型

Gene type

品种数

No. of variety

总频率(%)

Total frequency

品种数/频率 (%)

No. of variety/ Frequency

河西

灌溉

春麦区

HISWR

中部

旱地

春麦区CDSWR

洮岷高寒春麦区

HCTSWR

渭河上游

冬麦区

UWRWWR

陇东旱塬

冬麦区

LDDTWWR

嘉陵江

上游冬麦

UJRWWR

未标明种植

麦区PANM

Vrn-A1a 11 2.5 1/0.9 1/2.1 4/10.3 1/2.0 4/4.0
Vrn-B1a 49 11.0 25/21.4 2/4.3 2/5.1 3/6.7 2/4.0 14/10.9
Vrn-B1b 7 1.6 6/5.1 1/1.0
Vrn-B1c 2 0.5 1/0.9 1/2.0
Vrn-D1 300 67.4 90/76.9 39/83.0 28/71.8 21/45.7 15/33.3 26/52.0 81/80.2
Vrn-B3 2 0.5 1/0.9 1/1.0
Ppd-D1a 79 17.8 11/9.4 6/12.8 2/5.1 9/19.6 16/35.6 17/34.0 18/17.8
Vrn-A1a+Vrn-B1a 4 0.9 4/4.0
Vrn-A1a+Vrn-D1 2 0.5 1/0.9 1/2.6
Vrn-B1a+Vrn-D1 40 9.0 23/19.7 1/2.1 2/5.1 1/2.2 2/2.0 5/10.0 6/5.9
Vrn-B1b+Vrn-D1 3 0.7 3/2.6
Vrn-B1a+Vrn-D1+Vrn-B3 1 0.2 1/1.0
Vrn-B1a+Vrn-B3 1 0.2 1/0.9
vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1+vrn-B3 87 19.6 9/7.7 2/4.3 3/7.7 21/45.7 25/55.6 21/42.0 6/5.9
(vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1+vrn-B3)/Ppd-D1a 30 6.7 1/0.9 2/4.3 0/0 3/6.5 15/33.3 4/8.0 5/5.0
(vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1+vrn-B3)/Ppd-D1b 57 12.8 8/6.8 3/7.7 18/39.1 10/22.2 17/34.0 1/1.0

频率为检测到材料占不同来源地材料数的比例

The frequency is the proportion of detected materials to the number of varieties originate region;HISWR: Hexi irrigation spring wheat region; CDSWR: Central dry spring wheat region; HCTSWR: High and cold Taomin spring wheat area; UWRWWR: Winter wheat region of upper Wei River; LDDTWWR: Winter wheat area on the drought tableland of Longdong; UJRWWR: Upper Jialing River winter wheat region; PANM: Planting area not marked

春化基因等位变异及其组合在不同麦区内分布频率差异较大(表2)。Vrn-A1a主要分布在洮岷高寒春麦区(4份,10.3%),河西灌溉春麦区、中部旱地春麦区和嘉陵江上游冬麦区少有分布。除渭河上游冬麦区外,其余5个麦区均有Vrn-B1a分布,且河西灌溉春麦区分布频率(25份,21.4%)最高,其次为陇东旱塬冬麦区(3份,6.7%)和洮岷高寒春麦区(2份,5.1%),中部旱地春麦区(2份,4.3%)和嘉陵江上游冬麦区(2份,4.0%)较低。Vrn-B1b主要分布在河西灌溉春麦区(6份,5.1%)。Vrn-B1c主要分布在河西灌溉春麦区(1份,0.9%)和嘉陵江上游冬麦区(1份,2.0%)。Vrn-D1显性等位变异在6大麦区广泛分布,中部旱地春麦区最高(39份,83.0%),其次为河西灌溉春麦区(90份,76.9%)和洮岷高寒春麦区(28份,71.8%),嘉陵江上游冬麦区(26份,52.0%)、渭河上游冬麦区(21份,45.7%)和陇东旱塬冬麦区(15份,33.3%)较低。携带Vrn-B3显性等位变异的材料共2份,其中1份属于河西灌溉春麦区,1份未标明种植区。携带Vrn-A1a+Vrn-B1a的4份材料未标明种植区域(4.0%)。携带Vrn-A1a+Vrn-D1的2份材料,属于河西灌溉春麦区和洮岷高寒春麦区。携带Vrn-B1a+Vrn-D1的40份材料在不同麦区均有分布,河西灌溉春麦区(23份,19.7%)最高,嘉陵江上游冬麦区(5份,10.0%)高于洮岷高寒春麦区(2份,5.1%),渭河上游冬麦区(1份,2.2%)和中部旱地春麦区(1份,2.1%)均较低。携带Vrn-B1b+Vrn-D1的3份材料属河西灌溉春麦区(2.6%)。1份携带Vrn-B1a+Vrn-D1+Vrn-B3的材料未标明种植区。携带全隐性等位变异vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1+vrn-B3的87份材料在不同麦区均有分布,陇东旱塬冬麦区分布频率最高(25份,55.6%),中部旱地春麦区最低(2份,4.3%)。

河西灌溉春麦区、中部旱地春麦区和洮岷高寒春麦区,显性等位变异Vrn-D1分布频率均较高,其次是显性等位变异Vrn-B1a,Vrn-A1a、Vrn-B1b、Vrn-B1c和Vrn-B3分布频率均较低;渭河上游冬麦区、陇东旱塬冬麦区和嘉陵江上游冬麦区,同样是Vrn-D1分布频率最高,其次是Vrn-B1a,其余显性等位变异无分布或分布频率极低。

光周期基因非敏感等位变异Ppd-D1a的分布频率为17.8%(79份),在不同麦区均有分布,陇东旱塬冬麦区的分布频率(16份,35.6%)高于嘉陵江上游冬麦区(17份,34.0%),渭河上游冬麦区(9份,19.6%)高于中部旱地春麦区(6份,12.8%),河西灌溉春麦区(11份,9.4%)和洮岷高寒春麦区(2份,5.1%)较低。携带(vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1+vrn-B3)/Ppd-D1a的材料30份,除洮岷高寒春麦区外,其余5个麦区均有分布,且陇东旱塬冬麦区分布频率(15份,33.3%)最高,河西灌溉春麦区(1份,0.9%)最低。携带(vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1+vrn-B3)/Ppd-D1b组合的材料57份,除中部旱地春麦区外,其余5个麦区均有分布,且渭河上游冬麦区分布频率最高(18份,39.1%),河西灌溉春麦区(8份,6.8%)最低。3个春麦区中,中部旱地春麦区Ppd-D1a的分布频率(12.8%)高于河西灌溉春麦区(9.4%)和洮岷高寒春麦区(5.1%);3个冬麦区中,Ppd-D1a在陇东旱塬冬麦区(35.6%)和嘉陵江上游冬麦区的分布频率(34.0%)较高,渭河上游冬麦区的分布频率(19.6%)低。

2.3 基于资源目录记载的冬春性和Vrn-1显隐性等位变异推测的冬春性的一致性分析

按照甘肃省地方品种资源目录记载的冬春性,445份材料中83份为春性,占比18.7%;175份为弱冬性,占比39.3%;63份为冬性,占比14.2%;42份为强冬性,占比18.4%;82份未记载冬春性,占比18.4%(表3)。资源目录记载的83份春性材料全部分布于春麦区,其中Vrn-A1a、Vrn-B1a 、Vrn-D1和Vrn-B3的频率分别为3.6%、15.7% 、85.5%和1.2%;这些材料全部携带春化基因显性等位变异,与基于资源目录记载的春性材料一致率为100%。资源目录记载的175份弱冬性材料主要分布于春麦区和嘉陵江上游冬麦区,其中Vrn-A1a、Vrn-B1a、Vrn-B1b、Vrn-B1c和Vrn-D1的频率分别为2.9%、13.1%、3.4%、1.1%、69.1%,Vrn-1位点全隐性等位变异频率为14.3%;其中126份基因型具有Vrn-B1a、Vrn-B1b、Vrn-B1c和Vrn-D1显性等位变异,其一致性达72.0%。资源目录记载的冬性材料主要分布在冬麦区,其中vrn-A1+vrn-D1+Vrn-B1和Vrn-1的3个位点全隐性且春播后正常拔节的频率分别为4.8%(3份)和63.5%(40份),基因型推测和资源目录记载的冬性品种一致率达68.3%。资源目录记载的强冬性材料主要分布在冬麦区,其中Vrn-1的3个位点全隐性且不能正常拔节的频率64.3%(27份),即基因型推断与资源目录记载的强冬性品种一致性达64.3%。从春性到强冬性,春化基因显性等位变异分布频率逐渐降低,Vrn-1 3个位点全隐性分布频率逐渐升高。基于基因型推测的冬春性与资源目录记载的冬春性的一致性较高(64.3%~100.0%),从春性到强冬性,一致率逐渐降低。

表3  地方品种冬春性及Vrn-1等位变异的分布频率
Table 3  Frequency of dominant allelic variation and all recessive allelic combinations at Vrn-1 loci and winter-spring nature from Gansu landrace wheat

类型

Type

材料数Number

频率(%)

Frequency

Vrn-A1aVrn-B1aVrn-B1bVrn-B1c
材料数Number

频率(%)

Frequency

材料数

Number

频率(%)

Frequency

材料数

Number

频率(%)

Frequency

材料数

Number

频率(%)

Frequency

春性Spring 83 18.7 3 3.6 13 15.7 0 0 0 0
弱冬性Weak winter 175 39.3 5 2.9 23 13.1 6 3.4 2 1.1
冬性Winter 63 14.2 0 0 3 4.8 0 0 0 0
强冬性Strong winter 42 9.4 0 0 1 2.4 0 0 0 0

未区分

Un-discrimination

82 18.4 3 3.7 9 11.0 1 1.2 0 0

类型

Type

Vrn-D1 Vrn-B3 vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1

基因推测材料数

No. of accessions

based on genotype

一致性(%)

Consistency

材料数Number

频率(%)

Frequency

材料数Number

频率(%)

Frequency

材料数Number

频率(%)

Frequency

春性Spring 71 85.5 1 1.2 0 0 83 100.0
弱冬性Weak winter 121 69.1 0 0 24 13.7 126 72.0
冬性Winter 22 34.9 0 0 40 63.5 43 68.3
强冬性Strong winter 15 35.7 0 0 27 64.3 28 64.3

未区分

Un-discrimination

71 86.6 1 1.2 3 3.7

2.4 冬春性优异地方种质资源筛选

甘肃省地域狭长,西北部和东南部适宜种植品种的冬春性差异较大。中西部种植品种春性强、抽穗早,生长后期可避开干热风的危害;东南部麦区春性逐渐变弱(陇南麦区),冬性渐强(定西、天水南部等),以上区域种植的小麦由春性向弱冬性过度,早抽穗适期灌浆,可避免后期高温青干逼熟;靠近定西、天水东北边的渭河上游及平凉、庆阳泾河流域的陇东旱塬区域冬季较为寒冷,种植区域11月份至次年1月份温度能满足春化需求,完成营养生长向生殖生长的转变,不仅确保小麦成长正常,且避免倒春寒产生的冻害,这些区域种植的小麦为冬性和强冬性。依据春化显性等位变异Vrn-A1对Vrn-B1和Vrn-D1的上位作用、携带vrn-D1的材料抗寒性强等信息及资源目录记载的冬春性,筛选出284份优异地方种质资源(详见https://doi.org/10.13430/j.cnki.jpgr.20230320003,附表1),其中83份春性强的品种,主要来源于甘肃中西部春麦区,可在中西部春麦区及类似生态区域应用;119份仅携带显性等位变异Vrn-D1的弱冬性品种,主要来自甘肃省中西部春麦区及东南部秋播冬麦区,可在东南部较为温暖区域使用;82份冬性及强冬性的品种,主要来自陇东旱塬及渭河上游冬麦区,抗寒性强,可在较为寒冷的渭河上游、陇东旱塬冬麦区充分应用,以这些品种为亲本选育新品种或在生产中应用,可避免冬季和春季冻害发生。

3 讨论

3.1 甘肃地方品种春化基因等位变异类型的丰富性及不同区域的分布频率

445份地方品种中共发现6种春化等位变异,且分布频率差异较大,从河西灌溉春麦区、中部旱地春麦区、洮岷高寒春麦区、嘉陵江上游冬麦区、渭河上游冬麦区到陇东旱塬冬麦区,春化显性等位变异的频率依次降低,而隐性等位变异逐渐升高。仅1个春化显性等位变异组合有6种;2个或3个显性等位变异组合有6种,因显性等位变异分布频率低,导致携带以上显性等位变异组合的频率更低。2种以上显性变异组合中,除Vrn-B1a+Vrn-D1外,其余显性春化等位变异组合的材料全部分布在春麦区,而全隐性等位变异vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1+vrn-B3的分布频率从西南向东北呈上升趋势,且陇东旱塬冬麦区(55.6%)>渭河上游冬麦区(45.7%)>嘉陵江上游冬麦区(42.0%)>河西灌溉春麦区(7.7%)=洮岷高寒春麦区(7.7%)>中部旱地春麦区(4.3%)。春化基因的显性等位变异可以减少或消除小麦对低温春化作用的需求,其中,Vrn-A1位点显性等位变异无春化需求,Vrn-B1与Vrn-D1位点显性等位变异需要部分春化需求,且Vrn-A1位点对Vrn-B1与Vrn-D1位点有上位作用;说明甘肃大部分地方品种需要部分或较强的春化需求。

姜莹等[

参考文献 13
百度学术    
13]对国内153份地方小麦品种进行春化基因鉴定发现,显性Vrn-D1在所有的春化基因等位变异类型中所占的比例最高(60.9%),其次是Vrn-A1a(5.9%)和Vrn-B1(5.2%);而且春化显性等位变异主要在春麦区,从南方4大冬麦区向北方冬麦区Vrn-D1等位变异分布频率依次减低,中国冬麦区小麦地方品种由南到北对春化的要求依次增强。本研究中Vrn-D1、Vrn-B1、Vrn-A1a等显性等位变异类型和分布趋势和姜莹等[
参考文献 13
百度学术    
13]的研究结果基本一致,说明甘肃省地方品种从西南到东北春化需求增强。Zhang等[
参考文献 12
百度学术    
12]对278份育成小麦品种春化基因等位变异检测,Vrn-D1分布频率最高,其次是Vrn-A1、Vrn-B1和Vrn-B3,与本研究中4个春化基因显性位点的分布趋势基本相同,但分布频率差异较大。Derakhshana等[
参考文献 25
百度学术    
25]报道伊朗地方品种主要携带Vrn-D1(67.4%)和Vrn-B1(48.0%)显性等位变异,Vrn-B1分布频率远高于本研究该位点显性等位变异频率,可能与伊朗材料血缘不同有关。东北春麦区黑龙江育成品种Vrn-A1位点有3种显性等位变异[
参考文献 26
百度学术    
26],而本研究只有一种,表明东北春麦区的品种携带Vrn-A1显性等位变异的类型较本研究选用材料丰富,一方面可能与东北春麦区春化基因来源于育成品种有关,另外也可能与东北春麦区种植春小麦,不需要春化作用有关。张博等[
参考文献 24
百度学术    
24]对甘肃96份育成品种的春化位点Vrn-1和Vrn-B3进行了检测,认为春麦区存在Vrn-A1、Vrn-B1显性等位变异,冬麦区存在Vrn-B1和Vrn-D1显性等位变异,不存在Vrn-B3显性等位变异;与本研究结果相比,除Vrn-B3显性等位变异分布频率不同外,春麦区Vrn-A1、Vrn-B1显性等位变异和冬麦区中Vrn-B1和Vrn-D1显性等位变异种类和分布区域基本一致,说明地方品种春化基因类型较育成品种更丰富,显性等位变异分布区域一致,地方品种可充分应用于现代小麦育成品种改良。

3.2 甘肃地方品种光周期基因Ppd-D1位点非敏感等位变异Ppd-D1a的分布频率

甘肃地方品种非敏感等位变异Ppd-D1a冬麦区频率高于春麦区;全隐性春化基因组合vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1+vrn-B3结合Ppd-D1a的材料30份,除洮岷高寒春麦区外,其余不同麦区均有分布,且冬麦区高于春麦区;全隐性春化基因组合vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1+vrn-B3结合Ppd-D1b的材料共57份,冬麦区频率仍高于春麦区,但不同冬麦区和春麦区Ppd-D1a和Ppd-D1b的频率不同;从春麦区向冬麦区光周期非敏感基因Ppd-D1a频率逐步提高,春麦区Ppd-D1b的频率高于Ppd-D1a,不同冬麦区光周期基因等位变异处于互补型分布。

Yang等[

参考文献 20
百度学术    
20]对国内926份地方和育成品种进行了Ppd-D1a检测,地方品种和改良种Ppd-D1a的分布频率分别为38.60%和90.60%,除新疆和甘肃西北高纬度地区的品种外,1970年以后的育成品种均携带Ppd-D1a非敏感等位变异,无论是地方品种还是育成品种携带该等位变异的频率均从北向南逐渐升高。本研究中Ppd-D1a分布频率和区域与Yang等[
参考文献 20
百度学术    
20]中的结果基本一致;但东北春麦区黑龙江省育成品种光周期非敏感等位变异Ppd-D1a的分布频率超过40.00%[
参考文献 26
百度学术    
26]。甘肃省育成品种[
参考文献 24
百度学术    
24]无论是春麦区还是冬麦区Ppd-D1a的频率均高于本研究结果。说明和其他国内外小麦育成品种一样,甘肃省和黑龙江的品种选育合理利用了光周期基因不敏感等位变异Ppd-D1a,从甘肃省的西北部到东南部频率逐步提高,促使小麦品种从北部到南部对光照的要求大大降低,不论是短日照还是长日照,携带Ppd-D1a等位变异的小麦均能正常抽穗,拓展了小麦的适宜种植区域。

3.3 春化基因等位变异分布与冬春性划分一致性比较

冬春性是小麦春化阶段的生长发育特性,春化发育至少受控于Vrn-1、Vrn-2和Vrn-3(Vrn-B3)的基因组位点[

参考文献 4
百度学术    
4]。Vrn-1是调控小麦春化作用的关键基因,由一个或几个(Vrn-A1、Vrn-B1、VrnD1)显性突变位点控制[
参考文献 5-6
5-6],春化基因显性位点Vrn-A1对Vrn-B1和Vrn-D1有上位作用,且有Vrn-A1>Vrn-B1>Vrn-D1的趋势[
参考文献 27-28
27-28],但Amo等[
参考文献 18
百度学术    
18]认为3个等位基因效应相似,可能与研究材料不同有关。姜莹等[
参考文献 13
百度学术    
13]对中国十大麦区153份地方品种的春化位点Vrn-A1、Vrn-B1、Vrn-D1和Vrn-B3等位变异的检测结果与记载表型的一致性分析表明,春麦区的一致性较高,冬麦区的一致性较低,与本研究结果基本一致,但本研究不同麦区的一致性频率较高,可能与将Vrn-B1和Vrn-D1归为弱冬性有关。张晓科等[
参考文献 29
百度学术    
29]的75份冬性小麦品种Vrn-A1的检测结果表明,97.30%的品种的春化基因型与生产中的冬性习性一致。该研究在冬小麦中检测的春化基因型与生产中的冬春性一致性高于本研究在冬小麦中的一致性,可能与材料类型不同有关。

春化和光周期基因对小麦的抽穗、开花影响较大,资源目录记载的冬春性类型与基于标记检测的春化显性等位变异和全隐性组合推测的冬春性的一致性,从春麦区到冬麦区逐渐降低。不一致性不仅与显性等位变异Vrn-A1、Vrn-B1和Vrn-D1对低温春化的敏感性和要求有关,也与光周期基因Ppd-A1、Ppd-B1、Ppd-D1非敏感或敏感等位变异有关[

参考文献 20-21
20-21]。本研究不一致材料大部分为Ppd-D1敏感型,由于Ppd-A1和Ppd-B1位点缺乏有效性标记,两位点等位变异未检测,而光周期位点敏感等位变异会导致抽穗和开花延迟[
参考文献 30
百度学术    
30],因此资源目录中抽穗期延迟品种的冬春性有可能将春性记录为冬性、冬性记录为强冬性,这一结论有待于进一步验证。

3.4 甘肃省地方品种的冬春性分布

低温胁迫是小麦广泛分布的最主要限制因素,处于黄淮海麦区的甘肃省天水、陇南、陇东等区域冬春季冻害常有发生,秋播冬麦区的耐低温小麦新品种选育应用必不可少[

参考文献 31
百度学术    
31]。春化、光周期等基因决定小麦的耐寒性,冬性小麦品种需置于小于等于4℃的低温4~8周,诱导开花。研究表明Vrn1是小麦抗寒性的关键性遗传调控位点之一,显性基因Vrn1的存在会显著降低品种的抗寒性,具有2个或3个Vrn1显性等位变异的品种一般抗寒性较差,且携带显性等位变异Vrn-A1a或Vrn-A1b的品种较携带Vrn-B1或Vrn-D1的品种对低温更敏感,携带对应隐性等位变异的材料对低温较迟钝,而3个位点均为隐性基因的品种具有强的抗寒性[
参考文献 29-31
29-31]。本研究依据春化显性等位变异分布及其资源目录冬春性记载,筛选出携带显性等位变异的83份春性、119份弱冬性(经基因型检测,仅携带Vrn-B1和Vrn-D1显性等位变异的材料)和40份冬性、42份强冬性地方品种材料。说明被检测材料中可利用的春性、弱冬性品种较冬性、强冬性品种更丰富,筛选出的以上地方品种,根据种植区域的要求,分别在甘肃省及类似生态条件的春性、弱冬性、冬性小麦育种中充分应用,以改良品种的抗寒性和丰产性。

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