黄淮小麦农艺性状及春化基因VRN3适应气候变化的进化

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气候变化及其对农业的影响成为全球的研究热点问题之一。近100年来,华北地区平均气温增加速率达到了1.1℃/100a。黄淮地区是世界和中国(冬)小麦主产区。研究气候变化对黄淮地区小麦生长发育的影响,对于保障国家粮食安全有重要意义。   本实验利用二倍体、四倍体、六倍体小麦进化品种和不同年代种植的现代小麦品种作为实验材料,研究其生育期、农艺性状演变趋势,及与开花期相关的春化基因VRN3序列和其表达蛋白氨基酸序列多态性变化。   研究结果表明:   (1)在二倍体水平上,染色体组为DD的粗山羊草的生育期比染色体组为AA的野生一粒小麦生育期短。   (2)在整个进化过程中,二倍体→四倍体→六倍体→农家品种→现代品种,小麦生育期有缩短的趋势。   (3)栽培品种的生殖生长期占全生育期的比例与野生种相比,有增加的趋势。   (4)小麦在进化过程中,分蘖数和叶片数有减少的趋势。   (5)二倍体→四倍体→六倍体野生种→六倍体农家种进化过程中,其株高有增加的趋势,这一阶段小麦进化中主要是通过增加株高来提高生物学产量和籽粒产量。从六倍体农家种→现代小麦的演化过程中,株高和生物学产量又有明显降低的趋势,这一阶段主要是通过增加籽粒灌浆和提高收获指数来增加产量。   (6)单株总叶面积进化趋势是,在返青-抽穗期是二倍体<四倍体<六倍体<农家种<现代品种,在开花期-灌浆期是六倍体>四倍体>农家种和现代品种>二倍体,表现相反趋势。说明了野生种具有适应低温和生长缓慢的野生生长方式和遗传特性,经过长期气候变暖的自然选择和人工高产株型育种的选择,现代品种适应气候变暖而逐渐提早成熟,后期下部叶片将更多的干物质转运到籽粒产量,改变了小麦生长发育模式和遗传特性。   (7)小麦单株生物学产量有降低的趋势,籽粒产量和收获指数有增加的趋势。   (8)春化基因VRN3在不同小麦进化材料和中国春的基因序列同源性由小到大的排序是,随着野生一粒小麦(AA,冬性,73.48%)→六倍体小麦祖先种斯卑尔脱小麦(AABBDD,冬性,99.6%)→蚂蚱麦(黄淮古老农家种,冬性,99.84%)→早期引进国外品种(郑引1号,偏春性,99.92%)→现代品种(石家庄8号,半春性,99.92%)→小偃22(弱春性,100%)有从低到高的进化趋势,同时也和其抽穗期和开花期的早晚进化趋势相对应,即春化基因VRN3序列差异越大,生育期差异越大,开花越晚,越晚熟;同源性越高,差异性越小,开花越早,越早熟。说明该基因确实与调控开花期等有关。   (9)从基因变异类型大小来看,在小麦进化材料中,二倍体小麦(AA,BB)和中国春相比,主要是中国春在两个内含子部分新增了270bp左右的基因片段(即对应的二倍体缺失片段),其次是有较大片段(2-6个碱基)的基因突变,再是单核苷酸多态性变异,在内含子(多)和外显子(少)区段中有较多的碱基转换,中多的碱基颠换,和较少的基因插入(即中国春小麦对应的缺失)。   (10)六倍体小麦和现代品种与中国春相比较,其基因突变主要是单核苷酸多态性变异,表现在发生了多的碱基转换,大部分发生在外显子Ⅰ区,少部分发生在内含子Ⅰ区;较少的在外显子区发生的碱基颠换,及1例在内含子Ⅱ区的基因缺失。说明从基因序列开始(外显子区)到延后(内含子区),VRN3基因变异有减少的趋势。   以上研究结果为小麦高产育种和适应气候变暖进化提供了农艺性状进化和分子遗传调控机理的重要信息,可以用于指导黄淮小麦适应未来气候变暖的育种方向的调整,以保障气候变化条件下的粮食安全。
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