“早熟基因”助力小麦育种：华山新麦草7NsS小片段易位系创制与早抽穗基因Ehd-7Ns鉴定

普通小麦（Triticum aestivumL.）是全球最重要的主粮作物之一，其产量和适应性对世界粮食安全至关重要。抽穗期是决定小麦早熟性的关键农艺性状，对于特定环境和种植制度下的成功栽培至关重要。例如，早熟可以帮助作物规避霜冻、高温、收获前穗发芽、赤霉病和末期干旱等逆境风险，同时也有利于复种指数的提高，增加单位面积产量。小麦的抽穗时间主要受春化需求（Vrn基因）、光周期敏感性（Ppd基因）和自身早性（Eps基因）调控。发掘新的早熟种质资源和关键基因对于小麦早熟育种具有重要意义。远缘杂交是拓宽小麦遗传基础、导入优良基因的重要途径。华山新麦草（Psathyrostachys huashanicaKeng ex P. C. Kuo）作为小麦的野生近缘种，携带许多有益性状，如早熟、矮秆、多分蘖以及抗病虫和耐逆性，是改良小麦的宝贵基因库。前期研究已证实华山新麦草7Ns染色体携带能显著促进小麦抽穗和成熟的基因。

四川农业大学小麦研究所在《The Crop Journal》在线发表了题为“Development and identification of wheat–Psathyrostachys huashanica 7NsS small segment translocation lines with early heading date gene Ehd-7Ns”的论文。该研究通过60Co-γ射线辐射诱变，成功创制了三份携带华山新麦草7Ns染色体短臂（7NsS）小片段的小麦-华山新麦草易位系（T7NsS-2BL·2BS, T7NsS-1AS·1AL#1, T7NsS-1AS·1AL#2）以及一份小片段附加易位系（T7NsS-7BS·7BL）。通过基因组原位杂交（GISH）、荧光原位杂交（FISH）和液相芯片阵列分析，鉴定并定位了一个主效早抽穗基因，暂定名为Ehd-7Ns，位于对应小麦7A染色体短臂约31.45 Mb的区域。其中，T7NsS-1AS·1AL#2易位系在田间表现出优良的农艺性状且无明显产量损失，是极具潜力的早熟育种供体。研究还基于转录组数据开发了21个特异性的KASP（Kompetitive Allele Specific PCR）标记，可有效追踪携带Ehd-7Ns的外源染色体片段，为标记辅助育种提供了有力工具。

主要研究结果介绍

小麦-华山新麦草7NsS小片段易位系的创制与细胞学鉴定

研究团队以先前获得的早熟小麦-华山新麦草7Ns整条染色体二体附加系18-1-5为材料，对其抽穗期穗子进行60Co-γ辐射处理（18 Gy），然后用小麦品种川麦42（CM42）授粉。通过多代回交和筛选，在BC₃F₂代获得了四份稳定的7NsS小片段易位系，分别命名为PB2-46、PM1-20、PI4-57和PO3-8（表1）。

GISH分析显示，PB2-46、PI4-57和PO3-8均为42条染色体，含有一对涉及7Ns片段的易位染色体；PM1-20为44条染色体，含有一对涉及7Ns片段的附加易位染色体（图1A, C, E, G）。FISH分析结合标准CS核型图谱进一步确定了易位片段的着丝点。结果表明，PB2-46为T7NsS-2BL·2BS易位系，即7NsS片段易位到2BL染色体的末端。PM1-20为T7NsS-7BS·7BL小片段附加易位系，即7NsS片段易位到7BS染色体的末端。PI4-57和PO3-8均为T7NsS-1AS·1AL易位系，即7NsS片段易位到1AS染色体的末端，分别命名为T7NsS-1AS·1AL#1和T7NsS-1AS·1AL#2（图1B, D, F, H；表1）。对这四份易位系自交后代的GISH分析表明，外源易位染色体片段能够稳定遗传（图S1）。

利用小麦120K SNP芯片鉴定易位断点

为了精细定位易位断点，研究人员利用GenoBaits®WheatSNP120K芯片对PB2-46、PI4-57、PO3-8三份42染色体易位系以及亲本CM42和华山新麦草进行基因分型。结果显示，与华山新麦草和CM42相比，PB2-46、PI4-57和PO3-8分别在2B、1A和1A染色体上存在大量缺失的SNPs（图2A, D, G）。缺失率分析进一步表明，这三份易位系分别在2BL、1AS和1AS染色体的末端区域发生了缺失（图2B, E, H）。统计分析确定了易位断点：PB2-46的断点位于2B染色体的598-598.9 Mb区域（图2C）；PI4-57的断点位于1A染色体的45.7-45.8 Mb区域（图2F）；PO3-8的断点位于1A染色体的56.9-57 Mb区域（图2I）。这些结果与细胞学鉴定结果一致。

利用小麦-华山新麦草45K液相芯片分析外源染色体片段组成

为了确定四份易位系中外源染色体片段的来源和大小，研究团队使用了GenoBaits®WheatplusPh液相芯片进行分析。结果显示，在华山新麦草的1Ns-6Ns染色体上信号丰度较低，而在7Ns染色体短臂（7NsS）的末端区域，四份易位系均检测到显著增强的信号（图3）。具体而言，PB2-46中7Ns的外源片段大小约为0-190 Mb；PM1-20中约为0-210 Mb；PI4-57中约为0-460 Mb；PO3-8中约为0-540 Mb。这些结果表明，易位的外源片段均对应于华山新麦草7Ns染色体短臂的末端区域，但片段大小有所不同。结合细胞学和120K SNP芯片结果，进一步确认了PB2-46、PI4-57和PO3-8为小片段易位系，而PM1-20为小片段附加易位系。

7NsS特异性KASP标记的开发与验证

为了在后续育种中追踪这些7NsS外源片段，研究团队基于前期获得的华山新麦草转录组数据，开发了KASP标记。从750,759个华山新麦草特异性SNP中，筛选出114,285个位于与小麦7号染色体同源的7Ns染色体上的候选SNP。根据这些SNP在小麦参考基因组（IWGSC RefSeq v1.0）上的物理位置，随机选择了150个位于0-200 Mb区间的SNP，并成功设计了88对可用的KASP引物。通过对易位系及其亲本的基因分型，筛选出21对能够在华山新麦草、18-1-5和DT23中特异扩增，但在CS、CSph2b、CM42和T7BS·7NsL（不含7NsS）中不扩增的引物（如KP7NsS-60）（图4A, C；表S1）。这些标记均定位于华山新麦草7NsS。其中，10个标记（如KP7NsS-13和KP7NsS-16）能够同时检测四份易位系中的7NsS片段（图4D）。

抽穗期、成熟期考察及早熟基因Ehd-7Ns的定位

利用开发的KASP标记KP7NsS-13和KP7NsS-16对BC₄F₂分离群体进行基因分型，将植株分为携带7NsS片段的阳性株、不携带7NsS片段的阴性株以及对照CM42三组，比较它们的抽穗期和成熟期。 在温室条件下，与CM42相比，四份易位系的分离群体中，携带7NsS片段的阳性株的平均抽穗期分别提早了4.02天、11.32天、8.29天和11.46天（图S2；表S2）。 在田间条件下，与CM42相比，携带7NsS片段的阳性株在T7NsS-2BL·2BS、T7NsS-7BS·7BL、T7NsS-1AS·1AL#1和T7NsS-1AS·1AL#2群体中的抽穗期分别提早了1.14天、10.14天、4.64天和9.35天（图5A, C；表S3）。与阴性姊妹系相比，抽穗期也显著提早。在成熟期方面，T7NsS-7BS·7BL、T7NsS-1AS·1AL#1和T7NsS-1AS·1AL#2群体的阳性株比CM42分别提早了5.05天、3.43天和6.82天，且均显著早于阴性姊妹系（图5B, D；表S3）。T7NsS-2BL·2BS群体的阳性株虽然成熟期也早于CM42和阴性姊妹系，但差异不显著。 这些结果表明，华山新麦草7NsS片段的导入显著促进了小麦的抽穗和成熟。其中，T7NsS-7BS·7BL、T7NsS-1AS·1AL#1和T7NsS-1AS·1AL#2品系促进抽穗的效果是T7NsS-2BL·2BS品系的4到9倍。研究团队推测，这些7NsS小片段上携带了一个主效早抽穗基因，暂命名为Ehd-7Ns。该基因初步定位于一个约31.45 Mb的物理区间，对应于小麦7A染色体短臂（IWGSC RefSeq v1.0）的105.36 Mb（标记KP7NsS-42）至136.81 Mb（标记KP7NsS-30）区域（图4A, B）。

易位系的农艺性状评价

为了评估导入的7NsS小片段对产量相关性状的影响，研究团队对四份易位系及其亲本进行了农艺性状比较（图6；表S4）。 T7NsS-2BL·2BS系与CM42相比，株高显著降低，每穗小穗数减少，但在分蘖数、穗长、每穗粒数、粒长、粒宽和千粒重方面无明显负面影响。 T7NsS-7BS·7BL系的分蘖数和穗长显著增加，株高明显降低，但粒长、粒宽和千粒重显著低于CM42。 T7NsS-1AS·1AL#1系的分蘖数显著增加，但粒长、粒宽和千粒重低于CM42。 T7NsS-1AS·1AL#2系的分蘖数、穗长、粒长、粒宽和千粒重均显著高于CM42，且在株高、每穗小穗数和每穗粒数方面无显著差异。与其余三份易位系相比，T7NsS-1AS·1AL#2的粒长和千粒重更高，与CM42-7Ns附加系相当。 综上所述，T7NsS-2BL·2BS和T7NsS-1AS·1AL#2易位系中7NsS小片段的导入未对产量相关性状产生负面影响。其中，T7NsS-1AS·1AL#2在综合农艺性状方面表现最优，是培育高产早熟小麦品种的优良遗传资源。

全文总结与展望

本研究成功利用60Co-γ辐射诱变技术，创制了四份携带华山新麦草7NsS染色体小片段的小麦易位系/附加易位系。通过细胞学和分子标记分析，精确鉴定了这些外源片段的来源、大小和在小麦染色体上的断点。遗传分析表明，这些7NsS片段上存在一个主效早抽穗基因Ehd-7Ns，其显著促进了小麦的抽穗和成熟。该基因初步定位于小麦7AS染色体一个约31.45 Mb的区域，这为后续的基因克隆奠定了基础。农艺性状评价显示，T7NsS-1AS·1AL#2易位系在保持优良农艺性状（特别是千粒重和粒长）的同时，显著提早了抽穗期和成熟期，具有重要的育种应用价值。

研究团队还开发了21个7NsS特异性的KASP标记，这些标记能够高效、准确地追踪携带Ehd-7Ns基因的外源片段，将极大地便利标记辅助选择育种。

本研究创制的早熟易位系和特异性分子标记，为将华山新麦草的优良早熟基因导入小麦栽培品种提供了宝贵的遗传资源和技术支撑，有助于加速早熟高产小麦新品种的选育进程。未来的工作将集中于利用更多辐射诱变易位系和新开发的KASP标记对Ehd-7Ns基因进行精细定位和克隆。

研究团队与资助

该论文的第一作者为四川农业大学的Binwen Tan†和Jing Gao†（共同第一作者）。通讯作者为四川农业大学的Dandan Wu和Houyang Kang。

该研究得到了国家重点研发计划（2024YFD1201202）、国家农业科技重大专项（NK20220607）、四川省科技厅项目（2023NSFSC1995, 2024NSFSC1968, 2025YFHZ0184）和成都市科技局项目（2024-YF05-00368-SN）的资助。

DOI链接

https://doi.org/10.1016/j.cj.2025.04.001