小麦矮轩基因Rht13对重要农艺性状和抗旱性的效应

发布时间：2019-06-10 19:55

【摘要】：赤霉素不敏感型矮秆基因Rht-B1b(Rht1)和Rht-D1b(Rht2)在小麦生产中的应用极大地提高了世界小麦产量。然而,目前生产上应用的矮秆基因主要集中在Rht-B1b、Rht-D1b和Rht8,矮秆基因和矮源的利用较为单一,同时其在应用过程中还存在一些问题,制约了小麦产量的持续提升。因此,发掘利用其他矮秆基因对进一步提升小麦的产量潜力具有重要的理论和实践意义。研究表明,赤霉素敏感型矮秆基因,如Rht4、Rht5、Rht12和Rht13等降秆效应较强,同时具有一定的增产潜力。为此,本研究对矮秆基因Rht13、Rht-D1b(Rht2)和Rht8及其互作对小麦重要农艺性状的效应进行了较为全面的比较分析,以促进Rht13在小麦育种中的合理利用。本研究利用赤霉素敏感型矮秆基因Rht13的供体亲本Magnif M1分别与中国冬性小麦品种丰产3号(不含矮秆基因)、西农223(含Rht-D1b)和晋麦47(Rht8)杂交,通过分子标记辅助选择,筛选矮秆基因纯合的F2代单株,以基因型纯合的F2代单株,构建的F2:3、F3:4及F4:5群体株系为材料,调查各纯合基因型的株高、胚芽鞘、根系性状及产量相关性状,以明确Rht13及其与Rht-D1b或Rht8互作对各性状的效应。同时,在抗旱棚控水条件下,以Magnif M1分别与西农223和晋麦47杂交构建的F3:4和F4:5纯合基因型株系为材料,分析Rht13对小麦抗旱性的效应,取得的主要结果如下:1.矮秆基因Rht13的效应分析丰产3号与Magnif M1杂交F2代群体、F2:3和F3:4代高、矮秆纯合基因型单株和株系的农艺性状,结果表明Rht13通过缩短各个茎节的长度来降低株高,最终矮秆系的株高较高秆系平均降低了21.6cm(21.5%)。Rht13在缩短各个茎节长度的同时,也显著缩小各个茎节直径(除倒五茎节)。Rht13不影响旗叶相对叶绿素含量,增加了小麦旗叶长度、缩小了旗叶宽度,但对旗叶面积影响不大。另外Rht13对小麦胚芽鞘长度和根系性状无不良效应,并可在一定程度上增加胚芽鞘长度(0.15cm,3.0%)、苗期根总长(2.9cm,3.8%)和根表面积(0.03cm2,0.3%)。Rht13减少了小穗数(1.7个,9.1%)和穗粒数(4.8个,11.0%),但增加了单株穗数(11.3%)、千粒重(3.1%)和单株生物量(2.2%),矮秆系的单株产量和收获指数与高秆系差异不显著。2.Rht13和Rht-D1b及其互作的效应分析西农223与Magnif M1杂交F2:3、F3:4、F4:5代纯合基因型株系的农艺性状,结果表明Rht-D1b的降秆效应比Rht13要大,二者通过抑制不同茎节的伸长最终可分别降低株高达19.3%和15.4%,而二者互作显著降低株高达34.1%。Rht13缩短各个茎节的直径,Rht-D1b仅缩短倒四和基部茎节的直径,二者互作会显著缩短各个茎节直径。Rht-D1b与Rht13互作显著缩短穗叶距,不利于麦穗的正常抽出。Rht-D1b增加了旗叶长宽和相对叶绿素含量;Rht13不影响旗叶相对叶绿素含量,增加了旗叶长度(0.6cm,3.4%),显著缩小旗叶宽度(0.2cm,11.1%),但对旗叶面积的影响不大;Rht-D1b可部分补偿Rht13对旗叶宽度的不利效应。Rht13不影响小麦胚芽鞘和根系性状,而Rht-D1b显著缩短小麦胚芽鞘长度、减小根表面积和根体积;同时Rht13可部分补偿Rht-D1b对胚芽鞘和根系的不利效应。Rht-D1b显著缩短穗长(12.5%)、减少小穗数(11.0%),降低单株生物量和单株产量;Rht13不影响穗长、小穗数和单株穗数,但显著降低千粒重、减小种子体积,最终Rht13矮秆系的单株生物量和单株产量较高秆系显著降低;二者互作会显著减少穗粒数。Rht13推迟小麦开花期约3天,而Rht-D1b可打破Rht13对开花期的推迟效应。Rht13对品质性状无不利效应,Rht-D1b可显著降低籽粒硬度。3.Rht13和Rht8及其互作的效应分析晋麦47与Magnif M1杂交F2代群体及F2:3、F3:4及F4:5代纯合基因型单株和株系的农艺性状,结果表明Rht13的降秆效应比Rht8要强,与高秆基因型相比,Rht13和Rht8可分别降低株高达25.7%和15.6%,二者互作的降秆效应最强,可降低株高达29.2%。同时,Rht13显著缩短穗叶距,不利于麦穗的正常抽出。Rht13和Rht8通过缩短不同茎节的长度来降低小麦株高,其中Rht13缩短各个茎节的长度,而Rht8仅显著缩短穗下茎节。Rht13对各茎节直径均表现为增加的作用,Rht8显著增加了基部茎节直径。Rht13不影响旗叶长宽及相对叶绿素含量;Rht8缩短旗叶长宽,同时显著增加旗叶相对叶绿素含量;二者互作强烈抑制旗叶生长,但不影响相对叶绿素含量。对胚芽鞘和根系性状的分析表明Rht13有利于胚芽鞘和根系的生长,Rht8对胚芽鞘及根系性状无不利影响。与高秆基因型相比,Rht13显著减少小穗数(11.2%)和穗粒数(15.7%),降低单株生物量和单株产量;Rht8可增加千粒重(15.1%),但缩短穗长(13.2%),减少小穗数(7.1%)和穗粒数(3.7%),降低单株生物量和产量,最终提高了收获指数;二者互作对单株生物量和产量的降低作用最强。Rht13推迟小麦开花期约2天,而Rht8可打破Rht13对开花期的推迟效应。Rht13增加了籽粒水分,淀粉和纤维素含量,但会导致其他品质性状变差;Rht8增加了籽粒淀粉含量,但对其他品质性状产生不利影响;二者互作对品质性状均产生不利影响。4.矮秆基因对小麦抗旱性的影响连续两年在抗旱棚控水条件下,分析在干旱胁迫下Rht13及其与Rht-D1b或Rht8互作对小麦形态、光合生理指标及产量性状的影响,结果发现在Magnif M1/西农223群体中,矮秆基因Rht13、Rht-D1b及Rht-D1b+Rht13几乎不影响净光合速率、气孔导度和蒸腾速率,但Rht-D1b和Rht13显著降低了胞间CO2浓度。在干旱处理下,Rht-D1b显著降低了穗长和小穗数,降低了单株生物量和单株产量;Rht13显著增加了单株穗数、最终增加了单株生物量和单株产量;而Rht-D1b+Rht13降低了单株生物量和单株产量。而在灌水处理下,Rht13显著降低了单株生物量和单株产量。在干旱处理下,在晋麦47/Magnif M1群体中,Rht8,Rht13及Rht8+Rht13降低了净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度;Rht8和Rht13降低了蒸腾速率,而Rht8+Rht13则略微提高了蒸腾速率。Rht13、Rht8及Rht8+Rht13对产量相关性状均表现较大的负向效应,单株穗数、千粒重、单株生物量及产量均降低。总之,以上结果表明,Rht13对株高的降低能力较大,且不影响胚芽鞘及根系性状,并可部分弥补Rht-D1b对胚芽鞘及根系性状的不利效应。Rht13对开花期的效应不同,但Rht-D1b或Rht8可打破Rht13推迟开花期的效应;Rht13对产量和品质性状的效应方向和强度也不同。Rht13在不同遗传背景下对干旱胁迫的响应不同,对小麦株高、光合生理及产量性状的影响也不同。因此,在小麦育种中,应注意考虑实际环境条件及遗传背景的影响,并考虑其与不同基因的互作效应。
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【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S512.1

【参考文献】