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株高是影响小麦产量的主要因子之一,矮秆基因的发现和利用大幅提升了世界小麦产量,并引发了第一次“绿色革命”,为解决世界粮食问题做出了巨大贡献。然而,目前生产上应用的小麦矮秆基因比较单一,主要为赤霉素不敏感型矮秆基因Rht1和Rht2,且其潜力已发挥殆尽,不利于产量和品质的持续提升;同时,研究也发现Rht1、Rht2会缩短胚芽鞘长度,影响苗期活力,尤其在干旱情况下会影响出苗和幼苗群体的建成;而赤霉素敏感型矮秆基因(Rht4、Rht5、Rht12、Rht13等)在降低株高的同时,对胚芽鞘长度等性状没有负面影响,重新认识这些矮秆基因,促进其合理利用,对进一步提高小麦生产潜力具有重要的理论和实践意义。赤霉素敏感型矮秆基因Rht12可显著降低株高(约45%),目前对其遗传效应、致矮机理等还不清楚,应用价值尚不明确。因此,本研究对Rht12进行较为全面的分析,为其合理利用奠定基础。研究以小麦赤霉素敏感型矮秆基因Rht12的供体亲本Karcagi分别与中国春性小麦品种宁春45(含Vrn-B1)和冬性品种晋麦47(含Ppd-D)进行杂交,通过分子标记辅助选择,以目的基因纯合的株系构建F2:3及F3:4遗传群体,调查各基因型的发育进程、株高、穗粒数、千粒重等相关农艺性状,以明确Rht12对各性状的效应及Rht12与Vrn-B1和Ppd-D的互作。同时,利用外源赤霉素(GA3)对Karcagi×宁春45的群体进行处理,分析了Rht12对外源GA3的反应,以揭示Rht12和赤霉素合成或信号转导间的可能关系,分析其致矮机理。另外,为了发掘更多的矮秆材料或矮秆基因,研究还构建了一个小麦EMS诱变群体(TILLING群体),并对其突变表型和突变频率进行了分析,初步鉴选了一批综合性状较好的矮秆突变体,为矮秆基因的深入研究和新矮秆材料的创制奠定了基础。本研究的主要结果如下:1.矮秆基因Rht12的遗传效应及其与Vrn-B1的互作通过两年、三个播期的试验,对Karcagi×宁春45的F2:3及F3:4各基因型纯合株系农艺性状的分析结果表明,Rht12可显著降低株高,矮秆系的株高比高秆系平均降低了47.6cm (38.3%),且这种致矮效应在苗期就表现出来;Rht12对茎节个数没有影响,其通过缩短每一茎节的长度来降低最终株高;其中,穗下茎的缩短幅度最大,较高秆系平均缩短了22cm (45%);Rht12在缩短茎节长度的同时,不影响茎节直径,但增加了茎节壁厚,有利于提高其抗倒伏能力。在产量组成性状方面,Rht12可显著增加有效分蘖数(2个);增加可育小花个数(10%),提高小花育性(13%),并最终增加了穗粒数,矮秆系的穗粒数比高秆系平均多4.1个(9.7%);然而,Rht12显著减小了种子体积,降低了千粒重(20%);最终,矮秆系的单株产量与高秆系无显著差异,但由于生物量较小,矮秆系的收获系数显著高于高秆系。同时,研究还发现Rht12可显著推迟小麦的幼穗发育进程,尤其是推迟了二棱期的出现,延长了营养生长的时间,其中,矮秆系(RRVV、RRvv)比高秆系(rrvv)晚到达二棱期约16天,且显性Vrn-B1不能打破Rht12的这一效应,最终,矮秆系比高秆系晚开花5~6天,导致其灌浆期较短,不利于充分灌浆。室内试验分析结果表明,Rht12对小麦胚芽鞘长度没有不利影响;苗期根系分析结果发现,Rht12尽管减少了初生根个数(2条)和初生根总长(6cm,9%),但显著增加了最大初生根长度(3cm,15%),有利于矮秆系在苗期吸取深层土壤中的水分。对Rht12与春化基因Vrn-B1的互作分析表明,春化基因Vrn-B1在高秆系中,可促进植株提前进入二棱期,表现出春性特性;而在矮秆系中,Vrn-B1促进幼穗发育的特性被完全掩盖,表明Rht12对春化基因Vrn-B1有上位性效应。2.矮秆基因Rht12与光周期基因Ppd-D1的互作效应为了改良Rht12的晚熟特性,试验引入了显性光周期基因Ppd-D1。对Karcagi×晋麦47的F2:3各纯合基因型株系的分析结果表明,Ppd-D1对营养生长时间(播种至二棱期)没有影响,矮秆系(无论含显性Ppd-D1还是隐性ppd-D1)仍需要较长的时间才能进入生殖生长阶段,其到达二棱期所经历的时间比高秆系多8天;然而,含显性Ppd-D1的矮秆系在生殖生长后期发育加快,仅需56.0天便到达开花期,而含隐性ppd-D1的矮秆系需60.5天才能到达开花期;含显性Ppd-D1的矮秆系要比含隐性ppd-D1的矮秆系早开花5天,仅比高秆系晚开花1~2天,基本上克服了Rht12延迟开花期的不利效应。在高秆系中,Ppd-D1也同样表现出促进早开花的特性,但其对植株到达二棱期所需的时长也没有影响。结果表明,尽管Ppd-D1不能打破Rht12延迟二棱期出现的不利效应,但其显著缩短了二棱期至开花期所用的时间,并促进植株早开花,因此,利用Ppd-D1来改良Rht12矮秆系的开花期是可行的。另外,在Karcagi×晋麦47群体中,Rht12同样显著的降低了株高(约40cm;38%),其中,含显性Ppd-D1的矮秆系(RRPP)最矮,可能是因为Ppd-D1与矮秆基因Rht8紧密连锁的原因;Rht12增加了有效分蘖个数,并显著提高了主茎穗粒数,矮秆系的主茎穗粒数比高秆系平均多2.5粒(5.8%),其中,RRPP、rrPP的穗粒数分别小于RRpp和rrpp,可能是由于显性Ppd-D1缩短了生殖生长后期所经历的时间,使小花发育的时间有所减少,影响了可育小花的分化;Rht12降低了千粒重,矮秆系的千粒重比高秆系平均小6.7g(14.9%),其中,显性Ppd-D1不同程度的增加了千粒重,可能是因为其促进植株早开花,有利于充分灌浆;最终,矮秆系的单株产量较高秆系稍低,但其收获系数显著大于高秆系;这些结果与Karcagi×宁春45群体的一致。因此,在利用Rht12提高小麦抗倒伏性、增加穗粒数和有效分蘖育种时,还可利用显性光周期基因Ppd-D1改良其千粒重较小的不利效应。3.矮秆基因Rht12对外源赤霉素(GA3)的响应通过两年、三个播期的赤霉素喷施试验,分析了Rht12对外源GA3的响应,结果表明,外源GA3可在一定程度上抵消Rht12的效应,使矮秆系恢复高秆表型。GA3打破了Rht12对Vrn-B1的掩盖作用,促进矮秆系较早进入二棱期,使含显性Vrn-B1的矮秆材料(RRVV)表现出春性特性;GA3处理的矮秆系较未处理的早开花约7天,且仅比未处理的高秆系晚开花1天;而GA3处理的高秆系只比未处理的早开花1.5天,反应程度显著小于矮秆系。另外,GA3处理后,矮秆系表现出类似于高秆系的生长能力,苗期株高和干物质量的增长速度都显著高于未处理的矮秆系;同时,GA3处理恢复了矮秆系失去的获得较长茎节的能力,增加了各茎节长度,其中,穗下茎的长度比未处理的平均增长19.3cm(81.5%);GA3处理在增加茎节长度的同时,降低了茎节直径和壁厚,尤其是基部第一、第二茎节的直径和壁厚,显著降低了抗倒伏能力;GA3处理的矮秆系的株高比未处理的平均增加了40.7cm(53%),仅比高秆系矮5~10cm;而高秆系受GA3的影响要远小于矮秆系,株高仅增加了6.1cm(4.8%)。在产量组成性状方面,GA3处理弥补了Rht12降低千粒重的不利效应,增大了种子体积;不过,GA3处理减少了矮秆系的穗粒数和有效分蘖个数,并降低了单株产量和收获系数;而高秆系的产量组成性状并未受GA3显著影响。同时,油菜素内酯敏感性测定表明,Rht12不是BR缺陷型突变。因此,随着外源GA3对Rht12矮秆系各“矮化性状”的恢复,使其表现出类似于高秆系的表型,表明矮秆系的矮化特性很可能是其缺乏充足的内源赤霉素的结果,Rht12很可能是赤霉素合成缺陷型突变。4.小麦新矮秆突变体的筛选为发掘更多的矮秆突变体,构建了一个小麦品种晋麦47的EMS诱变群体(TILLING群体),对其表型变异和部分候选基因的突变体进行了调查与筛选。对M2突变群体的表型变异进行调查分析,发现了矮化、黄化、晚熟等丰富的变异类型,估算M2总的表型变异频率为4.2%;其中,矮秆半矮秆突变最多,占所有变异的32%。通过随机引物PCR扩增分析,估算M2在DNA水平上的突变频率约为1/35kb,即每35kb基因组序列中,就可能存在一个点突变;这些结果表明,该诱变群体不仅存在丰富的表型变异,其基因组水平上的变异更加丰富,为突变材料的选育及候选基因突变体的挖掘提供了有效的资源。进一步利用TILLING(Targeting Induced Local Lessions In Genomes,定向诱导基因组局部突变)技术对光周期基因Ppd-D1及矮秆基因Rht-D1等基因的突变位点进行了检测,发现了Ppd-D1的15个点突变,Rht-D1的3个点突变,这些突变主要为C到T、G到A的转换突变,个别突变引起了氨基酸的改变,可能会对蛋白功能产生破坏性影响;对Ppd-D1和Rht-D1的突变体进行分析,发现这些突变可能并不是引起表型变化的直接原因。同时,为了鉴选农艺性状较好的矮秆突变体,用野生型材料(晋麦47)与部分矮秆突变体进行回交,并从回交后代中选择择株高适宜且能稳定遗传、开花较早、农艺性状较好的矮秆材料,为进一步深入研究奠定了良好的基础;同时,部分矮化相关基因(如赤霉素合成或信号转导相关基因)的突变体TILLING筛选也正在进行。总之,以上研究结果表明,赤霉素敏感型矮秆基因Rht12可显著降低株高、增加有效分蘖、穗粒数和收获系数,且对苗期活力没有负面影响;但有较强的延迟幼穗发育的的不利效应,育种应用时可通过配合使用Ppd-D1等促进生长发育的基因,以克服其延迟开花的不利效应。Rht12对外源GA3反应敏感,且GA3可以恢复矮秆系的高秆表型,推测Rht12很可能作用于内源赤霉素合成相关途径,而非信号转导途径。另外,在构建的TILLING突变群体中发现了丰富的矮秆材料;相关基因的突变也在进一步筛选中,这些研究将促进小麦新矮秆基因的发现与利用。