doi ： 10.76 06/j.issn.100 9-1041.2021.02.04
麦类作物学报 2021,41(2):147 — 156
Journal of Triticeae Crops 网络出版时间：2021-01-20
网络出版地址:https ://kns . cnki net/kcms/detail/61. 1359. S. 20210120. 1627. 004. html
黄义文】，代旭冉】，刘宏伟】，杨丽】，买春艳12，于立强3,
刘朝辉2，李洪杰】，周阳】，张宏军1
(1.中国农业科学院作物科学研究所/作物分子育种国家工程实验室，北京100081； 2.新乡矮败小麦育种技术创新中心，
河南新乡453731； 3.石家庄市农林科学研究院赵县试验基地，河北赵县051530)
摘要：穗发芽是影响小麦品质和产量的重要自然灾害之一。了解小麦穗发芽抗性遗传和分子基础，有 助于穗发芽抗性改良。本文从穗发芽抗性QTL 发掘、功能标记开发、穗发芽主要抗源以及抗穗发芽分子育 种几方面对小麦穗发芽研究进展进行综述，并对今后小麦穗发芽抗性研究重点及育种思路进行讨论，以期为 小麦穗发芽遗传研究和抗性育种提供参考。
关键词：小麦；穗发芽；数量性状位点；功能标记；分子育种
中图分类号：S512.1；S330
文献标识码：A
文章编号：1009-1041(2021)02-0147-10
Progress on Identification of Resistant QTLs/Genes Associated with Wheat Pre-harvest Sprouting and Application in Molecular Breeding
HUANG Yiwen 1 ,DAI Xuran 1 ,LIU Hongwei 1 ,YANG Li 1 ,MAI Chunyan 1'2,
YU Liqiang 3 ,LIU Zhaohui 2 ,LI Hongjie 1 ,ZHOU Yang , ZHANG Hongjun 1
(1. Insttute of Crop Sciences/National Engineering Laboratory for Crop Molecular Breeding , Chinese Academy of Agricultural Sciences «Beijing 100081, China ； 2. Xinxiang Innovation Center for Breeding Technology of Dwarf
male-sterile Wheat,Xinxiang, Henan 453731, China ； 3. Zhaoxian Experiment Station ,Shijiazhuang
AcademyofAgriculturalandForestrySciences Zhaoxian ，Hebei051530，China )
Abstract :Pre-harvest sprouting (PHS),one of the important natural disasters in wheat production ,
causesseriousqualitydeteriorationandsignificantyieldloss Understandingofthegeneticandmolecu- larbasisofPHSisbeneficialtoimprovePHSresistanceinbreedingprogram Wesummarizedsome progressmadeintheresistantQTLsandgenesassociatedwithPHS ，developmentoffunctionalmark-
ersresistantgermplasmsandmolecularbreedingforPHS WealsodiscussedontheemphasisinPHS
resistanceresearchandproposedbreeding methodsforPHSresistanceimprovement Thisreview wi l provideimportantinformationforgeneticstudyandresistanceimprovementofPHSinbreedingpro- gram
Key words ： Wheat ； Pre-harvest sprouting ； Quantitative trait locus ； Functional marker ； Molecular
breeding
小麦是世界第一大粮食作物，为人类提供约
小麦生产和消费国［］。中国产业信息网数据显
20%的热量和蛋白质［12］。中国是世界上最大的
示，2019年中国生产小麦1. 33亿t 消费小麦
收稿日期:2020-05-07 修回日期:2020-08-17
基金项目：国家自然科学基金项目( 31771881 )；河北省重点研发计划项目( 19226351D )；国家重点研发计划项目
(2017YFD0101000,2016YFD0101600,2016YFD0101004,2016YFD0100102)
第一作者 E-mail ： 188****6683@163. com
通讯作者：张宏军(E-mail ：zhanghongjun01@caas. cn )
•148•麦类作物学报第41卷
1.28亿t。据统计，从1962—2012年，中国人口增长了1倍，而小麦的消费量却增长了6倍⑷。
由此可见，人口的不断增长对小麦产量的提高提出了严峻的挑战。
穗发芽是影响小麦产量和品质的重要因素。世界上许多小麦主产国如中国、美国、加拿大、法国和澳大利亚等均受到不同程度穗发芽的影响［］。穗发芽导致小麦的价格下降20%〜50%，全世界每年由于小麦穗发芽引起的经济损失高达10亿美元［］。在中国,3%的小麦受到不同程度穗发芽的影响7。穗发芽对小麦的危害主要体现在三个方面：一是穗发芽降低了面团的延展性和弹性，使面团的保水能力降低，淀粉的糊化、凝胶化和回生特性改变，从而显著影响面条、蛋糕、面包的品质；二是穗发芽后籽粒中的储藏物不断被
水解、消耗，导致容重和千粒重下降，严重影响小麦产量［10；三是穗发芽导致种子发芽势减弱，苗
小苗弱，甚至造成出苗率严重下降，给农户和种子
经营者造成重大经济损失。
为避免或减少小麦收获后籽粒晾晒的人工成
本，近年来我国越来越多的地区要等到小麦籽粒
含水量降到入库标准时才开始收获，导致收获期
推迟，大大增加了穗发芽风险。因此，我国小麦生
产对品种的穗发芽抗性必将提出更高的要求。本
文从小麦穗发芽抗性QTLs/基因发掘、功能标记开发、穗发芽主要抗源以及抗穗发芽分子育种方面进行综述，并对今后小麦穗发芽抗性研究重点及育种思路进行讨论，以期为更有效地开展穗发芽遗传研究和指导穗发芽抗性育种提供参考。
1已发掘的小麦穗发芽抗性位点小麦穗发芽抗性是由多基因控制的数量性状。目前，定位到的与小麦穗发芽抗性相关的QTLs有42个，分布在除1D、4D和7D之外的18条染体上（图1），可解释4.9%〜48.3%的表型变异［5'10］，其中，主效QTLs集中在3AS和4AL 染体上®0。
Mares［11］应用非整倍体最早在小麦3AS染体上发现一个与籽粒休眠有关的QTL。此后, Osa等［12］利用Zenkoujikomugi（强休眠性）/中国春（弱休眠性）RIL体在3AS和3AL染体上定位到两个与穗发芽抗性有关的主效QTLs （s-3A.1和s-3A.2），其中，s-3A.2与Ta Vp-1基因相同。Shao等［13］研究发现s-3A.1能够在多个环境下稳定表达，可解释23%〜38%的表型变异，且在不同的抗穗发芽小麦品种中均能被检测到。Nakamura等［14］和Liu等［15］分别在红粒和白粒品种中克隆了s-3A.1的候选基因TaMFT-3A （TaPHSl）。
Torada等［16］在4AL染体上发现另一个与籽粒休眠有关的QTL，被命名为phs1。Kato 等［17］利用AC Domain（强休眠性）/小麦Ha-ruyutaka（弱休眠性）双单倍体（doubled haploid, DH）体，在4AL染体上定位到一个主效s-4A.1），该位点在不同国家的抗穗发芽小麦品种AUS1408（南非）、SW95-50213（中国）和AUS1490（澳大利亚）中都存在，可解释30%〜38%表型变异［1819］。Torada等［16］图位克隆了phs1位点的候选基因TaMKK3-A。
2小麦抗穗发芽基因克隆及功能标记开发
目前，已经克隆了6个与小麦穗发芽抗性相关的基因，包括TaSdr、TaMFT-3A、TaDFR、TamyblO,Ta Vp-1和T1MKK3-A。检测穗发芽抗性基因不同等位基因的功能标记详细信息见表1。2.1TaSdr基因
Zhang等［0］在小麦2A、2B和2D染体上克隆到3个与水稻O s Sd r4同源的基因，分别命名为TaSdr-AL TaSdr-Bl和TaSdr-Dl a TaSdr-A1基因在编码区+643bp位置存在一个SNP（G/ A），利用这个SNP开发的CAPS标记Sdr2A可区分TaSdrAla等位基因（抗穗发芽）和TaSdr Ab等位基因（感穗发芽）20］。在TaSdr-Bl基因起始密码子上游一11bp的位置存在一个SNP （A/G），由其开发的CAPS分子标记Sdr2B可检测等位基因TaSdr-Bla（抗穗发芽）和TaSdr-Blb （感穗发芽）［1］。TaSdr-Dl基因在抗、感材料间没有序列差异。
2.2TTMFT-3A基因
在拟南芥种子萌发过程中，犕FT（MOTHER OF FT AND TFL1）基因通过调控脱落酸（ABA）和赤霉素（GA）的信号通路来调节种子的休眠［2］。Nakamura等［14］利用Zenkoujikomugi （红粒、强休眠性）/中国春（白粒、弱休眠性）F2体将TaMFT-A基因定位于3A染体上，并且克隆了该基因。Lu等［15］在白粒抗穗发芽品种
第2期黄义文等：小麦抗穗发芽基因挖掘及分子育种进展・149・
Rio Blanco中重复定位到s~3A.1，并图位克隆其候选基因TaPHSl，还证实TaPHSl与TMFT-3A为同一基因。TMFT-3A基因在启动子区一222bp处存在一个SNP（T/C），据此开发了CAPS标记MFT-3A，用来检测抗、感两个等位基因［14］。此外Jiang等［3］在TaMFT-3A基因启动子一194bp位置发现有一个33个碱基的插入或缺失，并与穗发芽抗性密切相关，据此开发了分子标记MFT-A2，可用来检测等位基因TaM-FT-3Aa（抗穗发芽）和TaMFT-3Ab（感穗发芽）。Liu等［5］在TaPHSl编码区发现两个SNP，分别位于+646和+666bp位置，利用这两个SNP开发了两个STS标记，并证实携带不同等位基因的材料间发芽率呈显著差异。Lei等［24］还发现TaMFT-3A基因编码区有一个12bp的插入，且与穗发芽抗性有关，并据此开发了分子标记MFT-A1，用来检测等位基因MFT-Ala（抗穗发芽）和MFT-Alb（感穗发芽）。
0 1 21A1B
QPhs.spa-lB
QPhsd.spa.-lA.1
QPhs.spa-lA
QDor-lB
2A2B
QPhsd.spa.-2A.l
TaSdr-Al
2D
QPhs.pseru-2B.2
TaSdr-Bl
3A
Qphs.sau-2D
QDor-2D
TaSdr-Dl
3B
TaMFT-3A
Qsd.ahau-3A
Qphs.nau-3A
Qphs.hwwg-3A.l
QPhs.pseru-3AS
3D4A
\su-3B.6
3
4
QPhs.pseru-2B.l
6
7
8
Mb
4B5A
Qsd.ahau-2AL
TaVp-lA
QPhs.cau-3A.2
TamyblO-Al
JaDFR-A
<-3A
［su-3A.l
TaVp-lB
TamyblO-Bl
TaDFR-B
<-3B
5B5D6A6B6D
TaVp-lD
QDor-3D
TamyblO-Dl
TaDTR-D
<-3D
7A7B
QPhs.dpivic.4A.l
TaMKK3-A
\Qphs.pseru-4A.l
QPhs.dpivic-4A.2
、Phsl
QPhsd.spa.-7B.l
QPhs.spa-7A
Qphs.pseru-4B.l
Qphs.pseru-5B.2
QPhs.pseru-6B
Qphs.hwwg-5A.l
QPhs.spa-5B
Qphs.pseru-5B.15
<-5D
Qphs.pseru-5A.l
加粗字体表示小麦主要抗穗发芽基因。
Bold fonts indicate genes associated with pre-harvest sprouting resistance.
图1小麦主要抗穗发芽QTLs和基因在染体上的分布
Fig.1Distribution of the major QTLs and genes associated with pre-harvest sprouting resistance on wheat chromosomes 2.3TaDFR基因TaDFR-A、TaDFR-B和TaDFR-D，分别位于
TaDFR基因是控制普通小麦种皮颜的关3A、3B和3D染体长臂远端［25_26］。不同抗性材键基因。普通小麦TaDFR有3个同源基因料间TaDFR-A.TaDFR-B和TaDFR-D 基因序
-150-麦类作物学报第41卷
列比对发现，TaDFR-A和TaDFR-D基因没有等位变异，而TaDFR-B基因则存在等位变异［7］。进一
步分析发现,TaDFR-B基因启动子区域有一处8bp的插入，且与穗发芽抗性密切相关，据此开发了分子标记DFR3B，用来检测等位基因TaDFR-Ba/c(抗穗发芽)和TaDFR-Bb(感穗发芽)27］。
2.4T a m y10基因
myb00是重要的调节基因，能够激活结构基因的表达，促进素的合成。TamyblO基因通过影响小麦胚部对ABA的敏感性来影响小麦的休眠性［8］。Tamyb00基因有Tamyb00-A1 Tamyb00-B1和Tamyb00-D13个同源基因，分别位于3A、3B和3D染体长臂［9］。通过序列分析发现，Tamyb00-A0和Tamyb00-B0基因分别存在3种和2种等位变异。Tamyb00-A0的3个等位基因分别为TamyblO-Ala(665bp)、Tamyb00-Alb(,536bp)和Tamyb00-Aaa*(,2750 bp)，携带不同等位基因的品种间穗发芽抗性差异不显著［031］。Tamyb00-Bl基因第二个外显子有一处19bp的缺失，据此开发了功能标记Tamyb10-B，可用来检测等位基因TamyblO-Bla
表1小麦抗穗发芽基因相关功能标记信息
Table1Information of functional markers for pre-harvest sprouting resistance genes in wheat
基因Gene
染体
Chromosome
标记
Marker
引物序列(5-3‘)””
Primer sequence(5-3)
等位变异类型(片段大小)
Allele type(fragment size/bp)
TaSdr2A Sdr2A[20]F:CGTCGGCAGACATCGACTCC
R:GAAGCTCACTAGCTCAGAACACGC
TaSdrAlaCl146}TaSdrAlb
(528,618)
2B Sdr2B[1]F:CGCCTACGTGTCGGCCC
R:TCCGTGACGACCGCCGGG TaSdrBla (116,650),TaSdr-1b(766)
TaMFT-3A3AS MFT-A1[24]F：GAGCAAACATGTCCCGGTTCGTT
R:ATCACCATGCACACACATACATAAATCACC TaMFT-Ala(331) ,TaMFT-Ab(319)
MFT-A2C23]F：GGCTACGTGTCGCTTGAC
R:GCGGCGGATTATTAACTG TaMFT-3Aa(252) ,TaMFT-3Ab(219)
MFT-3A[4F:GTAGCGGGTGAAATCTGCAT
R:GGGACGTACGAGGGTGTAGA C(500)T(1000)
TaPHSl-SNPl (+646)15]F:GGTGGAACAGATGCAACTAAAGG-FAM
F：GGTGGAACAGATGCAACTAAAGA-HEX
R:GTGAGTGTTATATGAAACTAATGATCCATT
G(—)A(-)
TaPHS1-SNP2 (+666)15〕F:GTGAGTGTTATATGAAACTAATGATCCATTT-FAM
F:TGAGTGTTATATGAAACTAATGATCCATTA-HEX
R:ACCGGGTGGAACAGATGCAACTAAA
A(-)T(—)
TaDFR3BL DFR3B〔27]F:TGCGGTCTGGCGGGGTACGT
R:ACGTCGAGAGAGAGAGGGAGGGG
TaDFR-Bb(432),TaDFR-Ba/
c(526)
TarnyblQ3AL myb10-A1[30]F：CTATGTGGATGGCCTTGGAT
R：CTACCAGCTCGTTTGGGAAG TarnyblQ-Ab(655)
myb10-A2[30]F：TTTCAATCGAGTGGGCATAA
R：CCTGACGATGAGCTCCTCTT Tarnybl0-Aa(536)
myb10-A3[30]F：TCCCTACATGGGAGACAGAGA
R：TGTTATCACATGCTGATCCTGA Tarnybl0-Aa*(750)
3BL Tamyb10-B[31]F：AGCAAGAGGAACCTGCAGTC
R：GATGCCCTCCAGATCAAGGT Tamybl0-Bla(263)TarnyblG-B1b(282)
3DL Tamyb10-D[32]F：ATGGGGAGGAAGCCATGCTG
R：ACTGCTGCTCGTGCCCTCC Tarnybl0~Dla(629,1178), TarnyblG-Dlbd.178)
TaVp-13AL Vp-1A[38]F：TGCTTTCATTAGTTCACTTTTATC
R：GCAGGTTTGGTTCTCTTCTCT Vo-1A a(599),Vp-1Ab(596) Vp-1Ac(593)V°-1Ad(590) Vp-1A e(581),Vp-1A/(545)
3BL Vp1-B2[37]F：TGCTCCTTTCCCAATTGG
R：TGCTTCTCTTCTCTCACCAGTG
Vp-1Ba(532'),Vp-lBf(16)
3BL Vp1-B3[36]F：TGCTCCTTTCCCAATTGG
R：ACCCTCCTGCAGCTCATTG Vp-1Ba(52)Vp-1Bb(45'), V d_1B c(569)
TaMKK3-A4AL TaMKK3-A-
caps[9]F：CACCAAAGAATAGAAATGCTCTCT
R：AGGAGTAGTTCTCATTGCGG C(887)A(605282)
"标记”栏中的右上角为参考文献序号。"等位变异类型”栏中，部分位点不同等位基因用其差异核苷酸表示；与TamyblO-Aa等位基因相比,Tamybl0-Aa'在第二个内含子有2.2kb的插入。
Thesuperscriptsarethereferencenumberwithinthemarkercolumn Polymorphicnucleotidesrepresentdi f erenta l elesatpartiallo-ci wthin the allele column.Tamybl0~Ala*allele has a2.2kb insertion in the second intron compared wth Tamybl0-Ala .
第2期黄义文等：小麦抗穗发芽基因挖掘及分子育种进展•151•
（感穗发芽）和Tamyb00-Blb（抗穗发芽）［1］0 Wang等［2］通过比较抗、感材料中的Tamybl0-D1基因，开发出一个STS标记Tamyb10-D，并发现Tamybl0-D1a（抗穗发芽）和Tamybl0-D1b（感穗发芽）等位基因间穗发芽抗性存在极显著差异（犘＜0.01）。
2.5Ta Vp-1基因
Vpl基因首先在玉米3号染体上被发现［33］，是促进胚成熟和休眠的主要转录调节因子［4］。小麦Ta Vp-1基因被分别定位在3A、3B 和3D染体长臂上［5］。目前小麦A和B基因组的Vp-1A和Vp-1B已经开发了功能标记。在中国地方品种永川白麦子、万县白麦子和栽培品种西农979等抗穗发芽种质资源中存在两个新等位基因Vp-IBb和Vp-Bc。与野生型Vp-1Ba相比，Vp-1Bb和plc分别在第三个内含子区域存在193bp的插入和83bp的缺失，且这些插入和缺失片段均与穗发芽抗性紧密相关［6］。此外，在Vp-IB位点还存在另一个等位基因VplBf。与野生型Vp-lBa序列比对，VplBf在第三个内含子区域存在一个193bp的插入和109bp的缺失。表型分析发现，携带VplB■等位基因材料的平均发芽指数（20%）显著低于野生型（58%）［7］。目前,Vp-1A基因存在6个等位基因，但只有Vp-1Ab（19%）与穗发芽抗性相关［8］。
2.6TaMKK3-A基因
在小麦4AL染体上定位到一个控制种子休眠的主效QTL（ph s1［9］。Torada等［0］利用加拿大强休眠性品种Leader和日本弱休眠性品种Haruyokoi杂交，并与Haruyokoi回交构建BC3F2体，将ph sZ定位在分子标记Xhbe03和Xbarc170之间的2.9cM区段；之后又通过图位克隆获得候选基因TaMKK3-A，该基因全长7056bp，包含11个外显子和10个内含子，编码523个氨基酸［16］。MKK3基因编码丝裂原活化蛋白激酶，参与ABA信号转导，而ABA是高等植物种子休眠的重要因素［16］。在TaMKK3-A基因起始密码子下游+665bp处存在一个SNP （C/A），根据这个SNP开发了功能标记TaMKK3-A-caps，可用于检测穗发芽抗性［16,9］。
3小麦穗发芽主要抗源
穗发芽抗源是小麦穗发芽抗性育种的基础，也为抗穗发芽基因挖掘提供了宝贵的遗传材料。结合国内外研究结果，发现一些抗穗发芽较好的小麦资源（表2），具体如下：
丰产3号：原西北农学院赵洪璋先生利用丹麦1号与西农6028杂交培育的一个抗穗发芽白粒小麦品种，在连续两年的穗发芽抗性鉴定试验中，发现其平均发芽指数为3.9%口1］。宋菲［2］利用丰产3号/84-1155RIL体，在1B、3A和6B染体上定位到3个QTLs，其中，位于3A染体上的QTL与上文介绍的TaMFT-A （TaPHSl基因位置相同。笔者在前期的研究中也证实，丰产3号含有TaMFT-A抗性基因。
百农3217：原河南省百泉农专黄光正先生利用多亲本复交培育成的高产多抗白粒小麦品种。经过多年多点的穗发芽抗性鉴定试验，发现发芽指数均低于8%，并且含有Vp-c抗性等位基因［3。在笔者前期的研究中，发现百农3217含有和丰产3号相同的TaMFT-3A抗性等位基因。丰产3号和百农3217是目前国内较好的抗穗发芽白粒小麦品种，且农艺性状相对较好，可以作为抗穗发芽育种亲本。
万县白麦子：四川万县地方品种，Zhang 等葩•发现其平均发芽指数低于8%，并利用万县白麦子/京411和万县白麦子/中优9507两个RIL体，分别在3AS和3BL染体上定位到一个主效QTLs，其中，3AS染体上的QTL可解释25.6%〜48.3%的表型变异，与TaMFT-3A TaPHSl）基因位置相同；3BL染体上的位点可解释23.5%〜37.8%的表型变异，与TaVp-lB 基因位置相同。
秃头麦：四川省地方品种，Chen等［5］在5年的穗发芽抗性鉴定试验发现，籽粒发芽指数均低于10%，并利用秃头麦/泗阳936RIL体，在4AL染体上定位到一个主效QTL，可解释28.3%〜30.6%的表型变异，与TaMKK3-A基因共分离。此外，秃头麦也含有TaMFT-A抗性等位基因［6］。
Danby：美国堪萨斯州立大学通过Trego与KS84063-9-39-3-8w杂交选育的白粒小麦品种，具有较强的穗发芽抗性。Shao等［13］利用Danby/ Tiger DH体在3AS、3BS和5AL染体上定位到3个QTLs，其中位于3AS染体上的主效QTL（TaMFT-3A）可解释21.6%〜41.0%的表型变异。
Rio Blanco：美国堪萨斯州Agripro生物科学
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