運旱系列小麥品種(系)品質功能基因KASP標記檢測

王 倩, 任文斌, 趙智勇

(山西農業大學棉花研究所,運城 044000)

旱地小麥的發展緩解了我國因為干旱帶來的糧食問題。晉麥47,作為運旱系列小麥品種之一,1998年通過國家品種審定,連續多年作為黃淮海麥區旱地區試對照品種,具有旱作豐產性、生態適應性等優良特性[1]。近年來,運旱系列小麥品系多次通過山西省品種審定以及國家品種審定,產量和農藝性狀表現優良。王曉民等[2]分析研究了運旱系列小麥品種HMW-GS(高分子質量麥谷蛋白亞基)的組成和品質,結果顯示運旱系列小麥里存在優質亞基,但仍有改善空間。于章龍等[3]從品質和加工特性方面分析研究了運旱系列小麥品種,結果顯示運旱系列供試小麥品種沉淀值較高、穩定時間較長,表明運旱系列小麥品種有較高的加工品質特性。其他關于運旱系列小麥的報道多為栽培技術和品種特性方面[4-8],關于運旱系列小麥分子層面的研究鮮有報道。本研究通過分子標記的手段,分析運旱系列小麥有關品質基因,挖掘運旱系列小麥分子潛力,為山西省乃至全國旱地小麥的選育提供育種信息。

競爭性等位基因特異性PCR技術(Kompetitive Allele-Specific PCR)是基于 SNP和Indel位點開發的一款自動化、高通量檢測的分子標記。作為新一代的SNP檢測技術,它具有較高的準確性、較強的位點適應性、以及適合大樣本檢測等優點,可對大多數作物基因組DNA中的SNP和特定位點上的Indel進行精準的雙等位基因判斷[9,10]。目前,多個小麥農藝性狀相關基因等位變異的KASP功能標記已開發出來[11]。與小麥品質相關的KASP功能標記已在不同地區小麥品種(系)中得到應用[12,13]。

高分子質量麥谷蛋白亞基HMW-GS和低分子質量麥谷蛋白亞基LMW-GS分別影響面團的彈性和延展性[14-18]。Glu-A1位點的Ax2*亞基主要影響面團的強度和面包的烘烤質量[19];Glu-B1位點的Bx17+By18、Bx13+By16和Bx7+By8亞基影響面團的黏彈性和面包的體積等[20,21];Glu-D1位點的Dx5+Dy10亞基主要影響面團的黏彈性[22]。Puroindoline a和Puroindoline b蛋白調控小麥籽粒硬度,影響小麥最終制粉品質[23]。Pina和Pinb2個主效基因存在多種變異,Pina-D1和Pinb-D1是存在較為廣泛的類型[24],能夠精細調控籽粒硬度大小。小麥籽粒中的多酚氧化酶(PPO)[25]、脂肪氧化酶(LOX)[26,27]和過氧化物酶(POD)[28]等控制β-類胡蘿卜素和葉黃素發生變化,導致小麥粉色澤改變,從而影響小麥品質。不僅影響食品外觀和色澤,也會使食品營養價值有不同程度的降低。淀粉是小麥籽粒的重要組成部分,Wx蛋白缺失會改變小麥膨脹特性,以及導致淀粉糊化[29-31]。1RS/1BL易位系是小麥1B染色體的短臂被黑麥1R染色體短臂取代[32],對小麥品質具有負面效應,主要影響小麥加工品質[33,34]。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥由山西農業大學棉花研究所旱地小麥課題組提供,包括晉麥47在內共計24份旱地小麥品種(系)。實驗材料于2020—2022年統一種植在山西農業大學棉花研究所南華實驗基地。每份材料種1行,行長1 m,行距0.25 m。

1.2 基因組DNA的提取

在實驗材料幼苗期進行田間取樣。每行取2～3個不同幼苗葉片混合為1個樣品。采用DNA提取試劑盒(北京天根生化科技有限公司)提取小麥葉片的基因組DNA。

1.3 KASP標記檢測

將提取好的基因組DNA樣品委托華智生物技術有限公司進行KASP標記檢測。KASP標記所用的引物和方法參照Rasheed等[11],相關基因標記引物見表1。

表1 KASP標記等位變異和引物

續表1

2 結果與分析

2.1 高分子質量麥谷蛋白基因檢測

對與高分子質量麥谷蛋白基因相關,分別位于Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位點,共計4個基因進行檢測(表1)。在Glu-A1位點,采用1個KASP標記檢測供試材料Ax-null、Ax1、Ax2*3個亞基的含有情況。結果表明(表2),20份供試材料在Glu-A1位點為優質亞基基因,即Glu-Ax1/Glu-Ax2*(Ax1/Ax2*),占比83.33%。其余4份供試材料在該位點表現為Glu-Ax-null(Ax-null)。在Glu-B1位點,采用2個KASP標記分別檢測供試材料是否含有優質亞基Bx7OE和優質亞基Bx13。結果表明,僅有1份材料檢測出Glu-Bx7OE基因。24份材料均未檢測出Glu-Bx13基因。在Glu-D1位點,采用1個KASP標記檢測供試材料是否含有優質亞基Dx5+Dy10。結果表明24份供試材料中有8份材料檢測出優質亞基Dx5+Dy10基因,即Glu-D1d(Dx5+Dy10),占比33.33%。

24份供試材料中,Glu-1有3個位點均為優質亞基基因的材料沒有。2個位點為優質亞基基因的組合材料有7份,占比29.17%,即Glu-Ax1/Glu-Ax2*(Ax1/Ax2*)+Glu-D1d(Dx5+Dy10)或Glu-Bx7OE(Bx7OE)+Glu-D1d(Dx5+Dy10)(表3)。高分子質量麥谷蛋白基因檢測結果說明,運旱系列小麥品種(系)在麥谷蛋白基因改良上還有很大上升空間。

表2 品質性狀基因的優異等位變異

2.2 籽粒硬度基因檢測

利用與籽粒硬度基因Pinb-D1、Pinb2-V和Pina-D1相關的3個KASP標記分別檢測24份供試材料。在Pinb-D1位點,突變型Pinb-D1b較野生型Pinb-D1a具有更高的籽粒硬度。22份供試材料檢測結果為Pinb-D1b硬度基因突變類型,占比91.67%(表2)。其余2份為Pinb-D1a軟質野生型。在Pinb2-V位點,Pinb-B2b等位變異類型較Pinb-B2a類型具有更高的籽粒硬度。6份供試材料檢測結果為Pinb-B2b等位變異類型,占比25.00%。其余均為Pinb-B2a基因型。同時在這2個位點表現為硬度基因型的材料僅有1份(表3)。在Pina-D1位點所有材料均未檢測到Pina-D1b硬度基因突變類型,全部表現為軟質Pina-D1a軟質基因型。

2.3 小麥粉色澤相關基因檢測

利用與小麥粉色澤相關氧化酶基因Ppo-A1、Ppo-D1、Lox-B1和TaPod-A1相關的4個KASP標記檢測24份供試材料。低多酚氧化酶活性等位變異Ppo-A1b和Ppo-D1a、高脂肪氧化酶活性等位變異Lox-B1a和低過氧化物酶活性等位變異TaPod-A1b為優異等位變異。表2表明,僅有3份材料檢測結果為低多酚氧化酶活性優異等位變異Ppo-A1b,占比12.50%;4份材料檢測結果為低多酚氧化酶活性優異等位變異Ppo-D1a,占比16.67%;22份材料檢測結果為高脂肪氧化酶活性優異等位變異Lox-B1a,占比91.67%;1份材料檢測結果為低過氧化物酶活性優異等位變異TaPod-A1b,占比4.17%。分析檢測結果,4個氧化酶基因均表現為優異等位變異的材料沒有。3個氧化酶基因表現為優異等位變異的材料有2份(表3),即Ppo-A1b+Ppo-D1a+Lox-B1a和Ppo-A1b+Lox-B1a+TaPod-A1b。2個氧化酶基因表現為優異等位變異的材料有4份,即Ppo-D1a+Lox-B1a和Ppo-A1b+TaPod-A1b。

2.4 糯性基因檢測

利用與Wx蛋白基因Wx-B1相關的1個KASP標記檢測24份供試材料。突變型Wx-B1b較野生型Wx-B1a表現為糯性。結果表明(表2),僅有2份材料檢測結果表現為突變型Wx-B1b,占比8.33%。15份材料結果表現為野生型Wx-B1a,占比62.50%。另外,有7份材料在該位點的檢測表現為雜合型。

表3 小麥品質相關基因優異等位變異組合

2.5 1RS/1BL和1RS/1AL易位系檢測

利用2個KASP標記檢測24份供試材料是否含有1RS/1BL和1RS/1AL易位系。檢測結果表明,24份供試材料均未檢測出1RS/1BL和1RS/1AL易位系。

3 討論

KASP是基于功能標記基礎開發的高通量標記檢測技術,目前已廣泛用于小麥種質資源各類性狀的檢測[35,36]。王志偉等[37,38]利用KASP標記分別檢測云南小麥品種銹病抗性、赤霉病抗性、株高和粒重相關功能基因,為云南小麥育種提供育種信息。王君嬋等[12]等利用KASP標記檢測揚麥系列品種(系)重要性狀功能基因,結果表明揚麥系列品種(系)中存在粒重、穗發芽等重要性狀的功能基因,為之后的揚麥品種選育提供信息,在一定程度上縮短小麥育種周期以及提高小麥育種效率。單子龍等[13]利用KASP標記檢測河北省小麥品質相關功能基因,為河北省小麥品質改良提供了思路和參考。本研究利用14個與品質相關的KASP標記對運旱系列小麥品種(系)進行檢測。高分子質量麥谷蛋白基因檢測結果表明,運旱系列小麥仍有改良空間。Glu-A1位點,含有優質亞基基因的材料占比較高,在之后的小麥育種中可以利用。Glu-B1和Glu-D1位點,含有優質亞基基因的材料份數極少。在今后的育種過程中,可以通過引種和標記跟蹤等手段提高優質亞基基因的頻率。根據籽粒硬度基因檢測結果,Pinb-D1和Pinb2-V位點的優異等位變異可以在之后的育種中加以利用。尤其在2個位點均為優異等位變異的材料運旱1929,在之后的育種可以將其作為親本材料,用于雜交組配。在Pina-D1位點,未檢測到硬度基因突變類型的材料,表明運旱系列小麥在該位點的改良上具有很大的上升空間。所有供試材料均為檢測出1RS/1BL和1RS/1AL易位系,表明運旱系列小麥的加工品質并不受1RS/1BL和1RS/1AL易位系影響[39]。小麥粉色澤相關基因、Wx蛋白基因檢測結果也表明,運旱系列小麥在有關品質基因的改良上仍存在潛力。

運旱618是國家審定的強筋小麥品種。KASP標記檢測結果表明,運旱618相關品質基因并非全部為優異等位變異。所有供試材料檢測結果也表明,運旱系列小麥所含有的優異等位變異較少。但小麥農藝性狀通常受基因和環境以及二者相互作用影響。小麥品質性狀也不例外。不同品質性狀受基因控制和環境影響程度不同。更受基因控制的品質性狀有籽粒硬度、小麥粉色澤以及蛋白質的質量等。而蛋白質的含量則受環境因素影響較大。在相同的環境條件下,品種遺傳特性就成為決定品質優劣的關鍵因素。品種遺傳特性即品種本身含有的相關基因。不同基因以及基因的不同等位變異對品質性狀的影響不同。因此,想要選育品質好的品種,需要清楚哪些基因和變異是育種家需要的。

另外,根據小麥的不同用途,其所要求的小麥品質也不相同。運旱618屬于強筋小麥,更適用于用作各類面包的原料和制作面條等。運旱22-33屬中筋品種,更適合用于制作蛋糕和饅頭等。了解清楚小麥品種所含有的品質相關基因,以及小麥的品質狀況,不僅能幫助育種家快速培育出品質好的品種,也能更有針對性的根據不同用途選育出不同品質的小麥品種。

4 結論

實驗共檢測24份運旱系列小麥品種(系),含有高分子質量麥谷蛋白優質亞基基因Glu-Ax1/Glu-Ax2*的材料共20份,含有優質亞基基因Glu-Bx7OE僅有1份,含有優質亞基基因Glu-D1d(Dx5+Dy10)有8份;22份供試材料為Pinb-D1b硬度基因突變類型,6份供試材料為Pinb-B2b等位變異類型;3份材料為低多酚氧化酶活性優異等位變異Ppo-A1b,4份材料為低多酚氧化酶活性優異等位變異Ppo-D1a,22份材為高脂肪氧化酶活性優異等位變異Lox-B1a,1份材料為低過氧化物酶活性優異等位變異TaPod-A1b;2份材料為糯性基因突變型Wx-B1b;全部供試材料均未檢測出1RS/1BL和1RS/1AL易位系。