小麦BNS雄性不育中国春恢复基因的连锁群检测和QTL初步定位

BNS是一个新发现的温敏小麦雄性不育系,有良好的不育性和自身转换性,在杂交小麦利用和不育资源研究中有重要价值。为定位BNS的恢复基因,首先以BNS的高恢复系中国春为材料,创建BNS×中国春F2作图群体,建立自交结实率和花粉可育率两个表型BSA池;然后用中国春缺体-四体系检测恢复相关连锁群;最后用这些连锁群上的SSR分子标记筛选BSA池,用检测的连锁标记筛选F2作图群体,进一步定位恢复基因的QTL位点。结果表明,用BNS与中国春缺四体杂交,根据F1不育性检测到4个相关连锁群,分别是1A、1B、2B和7B;利用4个相关连锁群和4个非相关连锁群共8个染色体上的222对SSR分子标记筛选2对共4个BSA池,结果在3个相关连锁群上检测到8对连锁标记;用这8对连锁标记筛选F2群体210个个体植株,检测到5个QTL位点,位于1A、1B和2B染色体上。这些位点中,1个与自交结实率相关,2个与两个表型均相关,是主效QTL位点,另2个与花粉可育率相关,是微效QTL位点。这些结果为BNS恢复基因分子标记选择和精细定位奠定了基础。     

BNS小麦雄性不育性表现及其恢复性的研究

为研究来自河南的小麦温光敏雄性不育材料BNS在陕西关中地区用于杂交小麦育种的可能性,在陕西杨凌进行了BNS连续四年的分期播种试验和杂种F₁育性恢复测验。结果表明,BNS在10月17日以前播种的自交结实率平均值为1.41%,变幅为0.07%~4.96%,呈全不育至高不育,可进行BNS杂交种制种;11月18日以后播种的自交结实率平均值为68.23%,变幅为42.91%~98.96%,育性得到恢复,可进行BNS繁种;10月25日至11月10日之间播种BNS的自交结实率为17.48%~46.77%,表现为半不育特性。BNS的育性随播期的上述变化趋势年度间较稳定。测恢试验的78个杂种F₁组合中,3个组合的育性得到恢复,分别为BNS/9833、BNS/SN055525和BNS/CL0442,其自交结实率分别为118.54%、104.564%和102.021%,说明9833等三个材料携带对BNS的育性恢复基因。综上,BNS在陕西关中地区可同时实现繁种和制种,在普通小麦中亦能找到恢复源,因此在该地区具备应用于杂交小麦育种的潜力。     

小麦BNS雄性不育系晚霜冻抗性和低温不育特性观察

BNS是一个低温敏感型小麦雄性不育系,穗分化期间8 ℃以下低温可诱导其花粉败育。为了持续观察BNS的不育特性,于2017年秋季分期播种了BNS及其保持系郑麦366。2018年4月5日至6日该地区发生晚霜冻,草面温度-1.7 ℃,许多小麦品种受到冻害。抽穗后,观察BNS和郑麦366两个材料的冻害特征、穗分化进程和自交结实率,结果发现,10月9日正季播种的郑麦366冻害严重,受冻株率超过75%,11月18日播种的郑麦366未受冻;10月1日和11月17日播种的BNS未受冻,期间的5个播期均出现轻度冻害,受冻株率3.7%～5.4%;郑麦366和BNS两个品种冻害发生的温度敏感期均为药隔期至减数分裂期,并且冻害组织单位是整小穗,而非小花;10月1日和9日播种的BNS自交结实率分别为5.08%和10.41%,高于过去年份的结实率水平,分析发现是霜冻发生前12 d 连续15 ℃以上高温所诱导;BNS对低温敏感始于雌雄蕊分化始期,1周左右即可完成不育诱导,此后高温仅转换少部分小花为可育,后来的霜冻强低温也未能恢复BNS为完全不育。     

温敏雄性不育小麦BNS366花粉败育的细胞学观察

为了明确温敏雄性不育小麦BNS366雄性败育的细胞学机理,采用醋酸洋红染色法观察减数分裂和小孢子发育过程,用1%I2-KI溶液染色进行花粉育性统计;以温敏不育系BNS和常规品种扬麦13作为对照。结果表明,BNS366的减数分裂和小孢子发育过程与BNS完全一致,即:在减数分裂过程中,中期Ⅰ染色体出现滞后现象,在形成二分体和四分体时细胞质分裂不均匀,出现三孢现象;小孢子发育过程中,只观察到单核靠边期,最后核物质解体出现空孢现象。而扬麦13在减数分裂过程中染色体表现正常,小孢子发育过程中,观察到单核期→双核期→三核期。开花期,BNS366和BNS花粉均表现典败和圆败,扬麦13可育。减数分裂表现出的异常行为是导致BNS366花粉败育的原因之一,单核靠边期是其败育的关键时期。     

小麦雄性不育的育性基因定位研究进展

本文综述了多年来小麦雄性不育的育性基因（不育基因和恢复基因）定位方法和研究进展,诸如单体定位,缺（体）－四（体）定位,端体定位,缺失系物理图谱定位以及分子标记等。同时总结了各种不育类型（ＣＭＳ,细胞核雄性不育,光温敏雄性不育）的育性基因定位的研究结果。     

染色体工程技术在小麦雄性不育研究和杂种优势利用中的应用

染色体工程技术主要包括染色体的添加、削减和代换。随着科学技术的不断发展，现代生物技术亦融入到染色体工程技术，赋予染色体工程以新的内容，不仅包括在染色体组、染色体和染色体片段水平上所进行的染色体遗传操作，而且涵盖了染色体原位杂交、染色体微切割和人工染色体等新技术。本文阐述了染色体工程技术在小麦雄，巨不育研究和杂种优势利用中的应用，其主要有：(1)育性基因的定位，如育性基因的单体、缺体、端体和缺四体分析等；(2)外源育性基因的染色体鉴定；(3)核型雄性不育的染色体保持技术；(4)育性载体染色体的定向替换等。本文还对染色体工程技术研究应用进展进行了分析与展望。     

小麦雄性不育的育性基因定位研究进展

本文综述了多年来小麦雄性不育的育性基因（不育基因和恢复基因）定位方法和研究进展,诸如单体定位、缺（体）—四（体）定位、端体定位、缺失系物理图谱定位以及分子标记等。同时总结了各种不育类型（ＣＭＳ、细胞核雄性不育、光温敏雄性不育）的育性基因定位的新近研究结果。     

小麦温敏雄性不育系BNS366小孢子发育和花粉育性检测方法研究

为了建立温敏雄性不育小麦BNS366小孢子发育和花粉育性的检测方法,以郑麦366作为对照,采用I₂-KI法、醋酸洋红法、苏木精法和改良苯酚品红法染色观察小孢子发育过程,进行花粉可育率和自交结实率统计。结果表明,BNS366小孢子败育时期为单核靠边期至二核期。I₂-KI法能清晰反映淀粉积累情况,但郑麦366在三核期和开花期看不到细胞核,其花粉可育率极显著高于自交结实率,操作最简便。醋酸洋红法能清晰显示细胞核,郑麦366花粉可育率与自交结实率一致,能够看到内容物的积累,但不清晰,操作简便。苏木精法在单核期和二核期染色效果最好,操作较复杂。改良苯酚品红法对细胞核和内容物的染色效果均不理想。因此,观察淀粉的积累情况以I₂-KI法最好,观察细胞核的变化和检测花粉育性均以醋酸洋红法最好。     

小麦雄性不育系AL18A育性恢复基因的QTL定位

为加快AL型杂交小麦的发展,以不育系AL18A、恢复系99AR144-1及二者杂交F2代群体为材料,选用SSR标记和分离群体分组分析法进行育性恢复基因的QTL定位。结果表明,育性恢复由主效和微效基因共同控制,采用复合区间作图法分析,在1B染色体上检测到了1个主效恢复基因QTLqRf-1B-1,在5AL染色体上检测到了1个微效QTLqRf-5A-1。qRf-1B-1位于SSR标记Xbarc8与Xgwm413之间,与两标记的遗传距离分别为0.85cM和2.00cM,LOD值为14.06,加性效应为18.87,可解释22.43%的表型变异;qRf-5A-1位于SSR标记Xgwm595与Xgwm410之间,与两标记的遗传距离分别为10.00cM和0.10cM,LOD值为3.18,加性效应为12.32,可解释5.44%的表型变异。     

小麦温敏不育系BNS366育性转换的敏感期研究

为了确定BNS366育性转换的敏感时期和温光阈值,探寻杂交制种最佳时空区域,2011-2013年度在长沙进行了分期播种,研究了BNS366群体不同生育时期的气象因子与花粉败育率、自交不育度和自交实粒数等性状的相关关系。结果表明,播种-分蘖盛期的气温与育性呈极显著相关;拔节始期-孕穗始期的日平均气温、日最低气温和日长也与育性呈极显著相关。即BNS366育性受到播种-分蘖盛期和拔节始期-孕穗始期温光因子的影响。播种-分蘖盛期的日平均气温为17.1~21.7℃不育,日平均气温为14.0~16.2℃育性转换,日平均气温为5.5~6.2℃可育。BNS366育性转换的敏感时期为群体拔节始期-孕穗始期,即小花原基分化期-药隔形成期。育性转换的温光阈值:日平均气温6.6~8.10℃,日长10.92~11.18h不育;日平均气温8.13~10.72℃,日长11.40~11.53h育性转换;日平均气温15.5~18.4℃,日长11.75~12.33h完全可育。     

小麦穗粒数QTL整合与元分析

小麦穗粒数是由多基因控制的复杂数量性状。为发掘控制小麦穗粒数(KNS)的真实主效数量性状位点(quantitative trait loci, QTL),本研究利用生物信息学手段,借助小麦高密度分子标记遗传图谱,对来自不同遗传作图群体的控制小麦穗粒数的163个QTL位点进行图谱整合、映射和元分析。结果表明,目标性状QTL在小麦21条染色体上不均匀分布,在2B染色体上最多,在7D染色体上最少;建立控制小麦KNS的QTL一致性图谱,最终获得35个一致性QTL(meta quantitative trait loci, MQTL)位点及其紧密连锁的候选分子标记,置信区间最小可达到0.55 cM。     

基于小麦产量三要素的产量条件QTL分析

为了从单个QTL水平上解析产量与产量三要素的遗传基础,利用花培3号和豫麦57杂交获得的168个家系的DH群体及其遗传图谱,在5个环境下对产量进行了非条件QTL分析和基于产量三要素(穗粒数、千粒重和单位面积穗数)的条件QTL分析,共检测到9个非条件QTL和28个条件QTL。其中,检测到2个主效QTL(QY.sdau-4D和QY.sdau-6D.2),它们可分别解释15.77%和10.16%的表型变异。分别检测到6个"一因多效"QTL和11个微效QTL;其中,QYsdau-4D.2通过影响单位面积穗数、穗粒数和千粒重而影响产量,QYsdau-2D.1和QYsdau-3A.1能提高单位面积产量但不影响穗粒数,即单位面积产量和穗粒数在该位点上几乎没有关联。本研究结果为通过分子设计聚合高产有利基因提供了理论基础,对培育单位面积产量大幅度提高的小麦新品种具有重要意义。     

小麦CO-like基因TaCO9的克隆及分析

CO蛋白(CONSTANS)是光周期途径中重要的调控因子,为了从普通小麦中进一步挖掘COlike基因,利用同源克隆的方法得到与大麦HvCO9基因同源的小麦TaCO9基因。结果表明,在冬性品种西农889中,初步克隆得到TaCO9基因的三个同源序列,分别命名为TaCO9-1、TaCO9-2、TaCO9-3。其cDNA序列全长均为870bp,开放阅读框为1 977bp,编码289个氨基酸,含有CO-like蛋白家族典型的CCT结构域,但不含B-box结构域;而在春性品种中发现TaCO9-1序列的第二外显子区域有6个碱基的插入,利用中国春缺-四体材料将该序列定位于小麦的1A染色体,命名为TaCO9-1A。系统发育分析表明,TaCO9蛋白与水稻Ghd7及大麦HvCO9位于同一分支。空间结构分析表明,其CCT结构域的NF-YA2区域较为保守,而该区域与CCAAT box互作相关。本研究克隆得到的TaCO9基因可能是小麦CO-like基因家族的新成员,与大麦HvCO9基因的结构相似,可作为新的小麦光周期候选基因加以研究利用。     

小麦旗叶大小及穗部相关性状的QTL定位

为了发掘更多控制小麦旗叶大小及穗部相关性状的QTL,以兰考906和小偃81创制的133个F6~F7重组自交系为试验材料,在6个环境下利用SSR标记对旗叶大小及穗部相关性状进行QTL定位。结果表明,有202对SSR标记被用于构建遗传连锁图谱,图谱覆盖小麦21条染色体,全长1 678.93cM,标记间平均距离8.30cM。采用完备区间作图法共检测到30个QTL,分布在1B、2A、3D、4A、4B、4D、5D、6A、6B、6D和7D染色体上。其中,旗叶宽QTL有7个,穗长QTL有9个,小穗数QTL有5个,穗粒数QTL有5个,小穗着生密度QTL有4个,不同环境下单个QTL可解释的表型变异率为4.94%~23.14%,有14个QTL的表型贡献率大于10%,有8个QTL可在2个或2个以上环境中被检测到。其中,Qflw-4A在3个环境中被检测到,贡献率为10.13%~20.77%,是控制旗叶宽的稳定主效QTL;Qsl-4D.2在4个环境中被检测到,贡献率为12.58%~23.14%,是控制穗长的稳定主效QTL;Qker-5D在2个环境中被检测到,贡献率为11.44%~14.32%,是控制穗粒数的稳定主效QTL。这3个稳定主效QTL可作为改良叶宽和增加穗粒数的功能QTL作进一步研究。     

小麦隐性核不育保持系表达载体的构建及拟南芥遗传转化

利用小麦杂种优势能够创制稳定的雄性不育系。相比于细胞质雄性不育系和光温敏雄性不育系,细胞核雄性不育具有育性稳定、易恢复、不受环境影响等特点。小麦隐性核不育基因 ms1的克隆以及杂交制种技术(hybrid seed production technology, SPT)的开发,为雄性不育的保持和杂种优势利用奠定了基础。本研究将小麦花粉育性恢复基因 Ms1、花粉致死基因 ZmAA1、红色荧光蛋白基因 DsRed2及其特异性启动子和终止子连接到表达载体pGEII上,转化野生型拟南芥,得到6株转基因拟南芥。通过荧光显微镜观察拟南芥种子,发现野生型拟南芥种子表面平滑,不能发出红色荧光;而转基因种子表面呈现颗粒状,能够发出红色荧光。这说明表达载体构建成功,并能够在拟南芥中成功表达。这为创制人工小麦隐性核不育系奠定了理论和材料基础。     

温光敏核不育小麦C338S的育性表现及不同蘖位和花位的育性差异

为了解温光敏核不育小麦不同播期及不同蘖位、花位的育性变化,通过多年分期播种试验,研究了小麦温光敏细胞核雄性不育系C338S不同播期下的育性表现及不同蘖位和花位的育性差异。结果表明,随着播期的调整,C338S分别表现完全不育、高度不育、半不育、低不育、可育的不同育性状态,具有育性转换特性。主茎穗与分蘖穗之间、主茎穗不同部位的小穗之间以及不同位次的小花之间的育性存在差异。发育较晚的后生分蘖的育性高于主茎穗和早生分蘖;主茎穗的下部小穗育性>中部小穗>上部小穗;早播不育植株发育较晚的3、4位小花的育性较好,而晚播可育植株发育较早的1、2位小花的育性较高。     

小麦耐冷相关基因TaCTR的克隆及其表达特性分析

低温冷害是小麦生长发育过程中面临的重要非生物逆境因素。为了挖掘小麦耐冷功能基因,本研究采用同源克隆的方法从普通小麦品种小偃22中分离到一个耐冷相关基因TaCTR,该基因序列全长2 192 bp,含有12个外显子、11个内含子,编码区全长为1 407 bp,编码468个氨基酸,分子量约为53.43 kDa;系统进化树分析表明,该基因在进化关系上与山羊草最近;亚细胞定位结果显示,该基因编码的蛋白为膜蛋白;实时荧光定量PCR（RT-PCR）结果表明,TaCTR在不同品种、不同组织和不同发育阶段低温特异表达;在干旱、高盐及GA处理下,TaCTR的表达量显著上升,说明该基因可能参与调控小麦的抗逆反应。