《Ecological Genetics and Genomics》：Integrative Assessment of Pre-Harvest Sprouting Resistance in Iranian Wheat Landraces and Cultivars Using
PHS4A and
TaPHS1 Markers, Seed Color Parameters, and α-Amylase Activity
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抗发芽前萌发特性的遗传多样性及分子机制研究，通过分析298份伊朗小麦基因型的PHS抗性、PHS4A和TaPHS1基因的等位变异及其与α-淀粉酶活性、颜色指标的相关性，筛选出6份高抗性土著品种和2个商用品种，证实数字图像分析结合分子标记能有效评估PHS抗性，为育种提供新工具。
Ehsan Rabieyan|Mohammad Reza Bihamta|Mohsen Esmaeilzadeh Moghaddam|Kobra Mokarian|Hadi Alipour|Valiollah Mohammadi
伊朗卡拉吉德黑兰大学农业科学与工程学院农学与植物育种系
摘要
收获前发芽（PHS）是指由于高湿度或长时间降雨，在收获前或收获过程中生理成熟的种子开始萌发的现象。本研究的目标是：1）评估伊朗小麦地方品种和栽培品种的PHS抗性，以筛选出耐受性来源；2）分析PHS4A和TaPHS1等基因的等位基因变异及其对PHS抗性的影响；3）探讨PHS与α-淀粉酶及颜色特征之间的关联。为了研究PHS，我们在三个生长季节（2017-2020年）中，在正常条件下培养了298个面包小麦基因型（208个本地地方品种、88个伊朗栽培品种和2个非伊朗栽培品种），并监测了它们的收获前发芽情况、种子休眠性、α-淀粉酶活性及颜色特征。相关性分析显示，PHS与籽粒颜色（r= -0.38**）和α-淀粉酶活性（r= -0.88**）之间存在显著关联。研究发现，PHS4A或TaPHS1等基因与种子休眠率（SD）密切相关，AAA型基因型的休眠率为35.50%，TTTT型基因型的休眠率为13.78%。本研究鉴定出具有高PHS抗性的基因型，包括地方品种622084、622099、622105、622247、622264和622272，以及CASGOGEN和FRONTANA栽培品种。总体而言，数字图像分析和α-淀粉酶活性为小麦的收获前发芽现象提供了精确、高通量和高分辨率的监测方法，这种方法可用于基因库中的小麦种质筛选，以预先选择具有PHS抗性的基因型。
引言
小麦（Triticum aestivum L.）是一种重要的粮食作物，全球约45%的人口依赖它获取食物，提供了超过25%的蛋白质和热量。其年产量约为7.6亿吨，年消费量约为7.4亿吨。因此，确保高且稳定的产量对粮食安全至关重要。多种环境因素，包括PHS，会导致小麦产量下降和品质降低。
PHS是指在收获前或收获过程中，由于高湿度或长时间降雨，生理成熟的种子在穗上萌发的现象。这一现象几乎发生在世界所有小麦生产区，如大洋洲、欧洲和北美，可能导致产量和品质的不可逆损失，每年造成的经济损失超过10亿美元。PHS抗性受温度和湿度等环境因素的影响，同时也受到分子和生物生理机制的调节，例如穗的形态结构、种皮中的发芽抑制因子（尤其是与籽粒红色相关的因子）、籽粒中α-淀粉酶活性低以及种子休眠性等因素。
多项研究表明，不同小麦种质中存在显著的PHS抗性差异，这些差异可以用于培育耐PHS的品种。例如，Jiang等人评估了183个中国小麦资源，选出了52个具有高PHS抗性的品系；Zhou等人评估了716个中国小麦地方品种，选出了发芽率低于20%的195个品系；Wang等人发现携带有利TaPHS1单倍型的基因型具有PHS抗性，这为利用分子标记培育抗PHS小麦品种提供了遗传基础。Li等人指出，小麦品种Zhengmai 7698携带PHS1和PHS-4AL两个重要的抗性基因。TaPHS1和TaMKK3-A是赋予小麦抗性的关键基因，它们的抗性作用与籽粒颜色无关。通过标记辅助回交将这些基因导入易感小麦品系后，发现这两种基因都能显著降低PHS现象，且其抗性效应在不同环境中具有叠加性。这些发现强调了通过基因叠加来增强小麦抗性的潜力。Liu等人的最新研究表明，TaSRO1与TaVP1相互作用，通过抑制TaPHS1等关键基因来调节种子休眠性和PHS抗性，突显了< />–TaVP1–TaPHS1调控轴的重要性。这些发现为通过分子育种培育抗PHS小麦品种提供了有价值的靶点。
形态-颜色数字分析是一种有前景的工具，可用于探索不同物种及同一物种内形态差异的生态、系统发育和分类学意义。近年来，基于成像的表型评估技术被用于发现和理解多种农艺性状的多样性，有助于更好地理解育种中的关键性状之间的关联。Schmidt等人对203个小麦资源进行了断层成像分析，建立了每穗扫描时间为7分钟的高通量分析流程，以预测多种农艺性状。量化籽粒颜色特征是识别抗PHS基因型的有效方法，因为PHS会对籽粒质量和产量产生负面影响。颜色参数（如色调、亮度和强度）可以反映与种子休眠性和发芽敏感性相关的生理生化状态。通过精确的数字成像技术，可以捕捉和分析这些性状，从而早期检测到PHS相关变化。在有利于发芽的条件下表现出稳定颜色特征的基因型表明其具有更强的休眠性或内在的抗性机制。因此，颜色分析为快速、无创和高通量的表型分析提供了有力工具，有助于筛选和培育抗PHS的品种。
尽管在理解小麦抗PHS的遗传和生理机制方面取得了显著进展，但在将这些知识应用于特定地区的种质资源（尤其是像伊朗这样拥有丰富地方品种和栽培品种的国家）方面仍存在不足。大多数以往的研究集中在少数地理区域的主要商业小麦品种上，伊朗种质的遗传潜力在PHS抗性方面的研究尚未充分展开。尽管已经鉴定出关键的抗性基因（如TaPHS1和PHS4A），但其等位基因变异及其对伊朗小麦抗性的贡献仍不甚清楚。PHS是伊朗小麦生产的主要限制因素，特别是在易受季节性降水影响的雨养地区。籽粒质量和经济价值的下降凸显了培育耐PHS品种的紧迫性。
本研究的目标是：1）评估伊朗小麦地方品种和栽培品种的PHS抗性，以筛选出耐受性来源；2）分析PHS4A或TaPHS1的等位基因变异及其对PHS抗性的影响；3）探讨PHS与α-淀粉酶之间的关联；4）研究通过数字图像分析量化的种皮颜色变化与PHS特征之间的关联。总体而言，这项研究不仅加深了对PHS抗性机制的基本理解，还弥合了基因型和表型之间的差距，促进了更有效的育种策略，旨在培育出具有更强品质和产量稳定性的小麦品种，以应对气候变异性。
植物材料与栽培条件
本研究评估了298个小麦资源，包括1942年至2014年间正式发布的88个伊朗栽培品种、1931年至1968年间收集的208个传统伊朗地方品种，以及2个非伊朗栽培品种FONG和FONTANA。研究样本涵盖了1942年至2014年间正式发布的绝大多数伊朗小麦栽培品种，反映了该国的现代育种进展。
收获前发芽的描述性发现
根据测量结果，伊朗小麦地方品种和栽培品种在相关性状上存在显著差异。最高种子休眠率（SD）、发芽评分（SS）、发芽指数（SI）和亮度指数分别为100、9、100和16.59、65.04；最低值分别为0、1、0、0.11和41.87（见补充表3）。在208个本地地方品种和90个栽培品种中，发现这些性状存在较大差异。
讨论
形态测量数字分析是一种创新方法，可以监测大量的形态学特性。该方法具有优化流程、分析速度快、不破坏样本且成本低等优点。此外，它还可用于多种分析，包括农艺学分析。
籽粒颜色
结论
形态测量数字技术和分子技术的结合对小麦改良非常重要。本研究结合这两种技术，在相对较短的时间内分析了伊朗小麦地方品种和栽培品种的收获前发芽、种子休眠性、α-淀粉酶活性及颜色特征。研究表明，籽粒颜色和α-淀粉酶活性可用于评估基因型的PHS抗性。比较不同地方品种和栽培品种时，发现...
CRediT作者贡献声明
Kobra Mokarian：撰写、审稿与编辑。Mohsen Esmaeilzadeh Moghaddam：方法学。Hadi Alipour：初稿撰写、软件使用、方法学设计、概念构建。Valiollah Mohammadi：初稿撰写、研究实施。Mohammad Reza Bihamta：项目管理、概念构建。Ehsan Rabieyan：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法学设计、数据分析、概念构建
利益冲突声明
所有作者确认本文未曾发表，也未被其他期刊考虑。所有作者均同意《生态遗传学与基因组学杂志》的投稿政策。
致谢
感谢德黑兰大学对本研究的支持。
