小麦-偃麦草3St(3D)染色体替换系增强开花期抗旱性的机制与育种价值

《Plant Cell Reports》：Replacement of chromosome 3D with Thinopyrum chromosome 3St led to increased drought tolerance during the flowering stage in wheat

本研究针对小麦开花期易受干旱影响导致减产的问题，通过染色体工程将偃麦草(Thinopyrum)3St染色体替换小麦3D染色体，创制了GLA8置换系。该品系在干旱胁迫下表现出优异的水分保持能力、光合功能稳定性及根系形态适应性，并携带Rht2和Rht8矮秆基因。研究综合运用分子细胞遗传学( mcGISH/FISH)、基因分型测序(GBS)覆盖度分析和高通量表型组技术，证实3St染色体与小麦3D染色体具有良好同源补偿性，为小麦抗旱育种提供了新种质和理论依据。

　　

全球气候变化背景下，干旱胁迫已成为制约小麦生产的主要非生物胁迫因素，尤其在开花期遭遇干旱会导致花粉育性降低、籽粒灌浆受阻，造成严重产量损失。现代小麦品种由于遗传背景狭窄，缺乏抗旱基因资源，亟需从野生近缘种中发掘优异基因。偃麦草属(Thinopyrum)物种作为小麦的三级基因库，具有强大的抗逆能力，成为小麦品种改良的重要外源基因供体。

匈牙利农业研究中心的研究团队通过多年攻关，将人工杂交种Agropyron glael（由中间偃麦草Thinopyrum intermedium和长穗偃麦草Th. ponticum杂交获得）的遗传物质导入普通小麦，成功创制了染色体替换系GLA8。该品系以小麦品种Mv9kr1（携带杂交亲和性基因kr1kr1kr2kr2）和Mv Karizma为轮回亲本，经过多代回交和细胞遗传学筛选，最终获得稳定遗传的3St(3D)二体替换系。研究成果发表于植物学领域知名期刊《Plant Cell Reports》，为小麦抗旱育种提供了理论与实践双突破。

研究采用四大核心技术方法：1) 分子细胞遗传学技术（mcGISH和FISH）精确鉴定外源染色体，确认3D染色体被St基因组染色体替换；2) 基因分型测序(GBS)覆盖度分析，通过低深度测序读取比对验证染色体缺失与插入情况；3) 高通量植物表型平台(PlantScreenTM)监测干旱胁迫下生理指标变化，包括归一化植被指数(NDVI)、叶绿素荧光参数(EQY)和冠层温度等；4) 定量PCR分析脱水素(DHN3)、热休克蛋白(HSP70)、水通道蛋白(PIP2/TIP3)等关键基因表达模式。所有田间试验在匈牙利Martonvasar的Tikros nursery完成，温室实验采用标准化土壤培养体系。

染色体组成分析

通过基因组原位杂交(mcGISH)技术，使用Pseudoroegneria spicata（St基因组）和Thinopyrum bessarabicum（J基因组）基因组DNA作探针，明确显示GLA8系含有40条小麦染色体和一对St基因组染色体。荧光原位杂交(FISH)进一步证实小麦3D染色体缺失，且St染色体具有特异的端部pSc119.2信号和次端部Afa家族信号模式。GBS读段覆盖度分析显示，3D染色体覆盖度下降95.8-96.9%，而Thinopyrum群体3染色体覆盖度显著升高，证明3St染色体与小麦3D染色体具有同源关系。

田间与温室表型特征

连续三年田间试验表明，GLA8株高显著降低（65 cm以下），但分蘖数增加。穗长虽缩短，但因小穗排列紧密，穗粒数保持正常。该品系携带Rht2（GA不敏感）和Rht8（GA敏感）矮秆基因，表现出半矮秆特性。温室实验中，GLA8比亲本早开花2周，提前进入灌浆期，说明3St染色体可能携带早熟相关基因。

开花期抗旱性表现

通过10天控水处理模拟开花期干旱，GLA8表现出显著抗旱特性：叶片相对含水量(RWC)下降幅度（23%）小于小麦亲本（35-36%）；叶绿素降解程度轻，NDVI和mND705指数降幅小；冠层温度较低表明气孔开放程度较好，维持了光合作用效率。产量相关指标显示，GLA8在干旱下单株粒重下降幅度最小，表明其具有更好的产量稳定性。

根系构型适应性

沙培试验发现，干旱胁迫下GLA8根系发生显著形态学适应：平均根直径增加28.7%，根体积显著大于小麦亲本。这种增粗的根系降低了表面积体积比，增强了水分储存能力，为地上部抗旱性提供了支撑。

分子响应机制

基因表达分析揭示GLA8的独特应激响应模式：脱水素基因DHN3表达上调182倍（低于亲本的273-323倍），表明细胞保护机制更高效；水通道蛋白PIP2下调程度较小，TIP3表达稳定，说明水分跨膜运输调控更精准；苯丙烷途径关键酶4CL表达未发生显著变化，反映氧化应激损伤较轻。聚类分析显示GLA8与亲本基因表达谱明显分离，证实其独特的抗旱分子基础。

研究结论与展望

本研究首次报道了小麦-偃麦草3St(3D)染色体替换系GLA8的综合特性，证实外源染色体不仅能够补偿小麦染色体的遗传功能，还赋予植株开花期抗旱性、半矮秆性和早熟性等多重优良性状。其抗旱机制涉及水分保持、光合维持、根系构型优化和基因表达精细调控等多个层面，为小麦抗旱育种提供了珍贵材料。

该研究的创新性在于：1) 综合运用细胞遗传学与基因组学技术精准鉴定外源染色体；2) 发现3St染色体携带的抗旱QTL与已知矮秆基因的互作效应；3) 揭示根系形态可塑性在抗旱中的重要作用。未来研究将聚焦于解析3St染色体上的关键抗旱基因，开发分子标记，并通过染色体工程创制小型易位系，最终将优异等位基因导入栽培品种。

GLA8置换系的成功创制证明远缘杂交仍是作物遗传改良的有效途径，为应对气候变化下的小麦生产提供了新解决方案。随着Thinopyrum物种基因组数据的完善，野生资源的价值将进一步释放，推动小麦育种进入精准设计新时代。