堪薩斯州立大學(xué)和國(guó)際玉米和小麥改良中心(CIMMYT)的一個(gè)育種者和遺傳學(xué)家團(tuán)隊(duì)提出了一種新的方法來(lái)確定新品種的面包小麥?zhǔn)欠窬邆渲谱鞲妹姘哪芰?。在美?guó)國(guó)際開(kāi)發(fā)署的Feed the Future Initiative的資助下，該團(tuán)隊(duì)正在使用DNA標(biāo)記來(lái)預(yù)測(cè)面包小麥的重要品質(zhì)特性，如面團(tuán)強(qiáng)度和面包體積。他們的工作“CIMMYT春季面包小麥育種計(jì)劃中加工和最終使用質(zhì)量特性的基因組選擇”最近發(fā)表在植物基因組雜志上。

主要作者是Sarah Battenfield，他是堪薩斯州立大學(xué)遺傳學(xué)博士研究生，也是植物病理學(xué)的前博士后研究員。共同作者是該大學(xué)的農(nóng)學(xué)教授Allan Fritz和植物病理學(xué)助理教授Jesse Poland; 來(lái)自CIMMYT的Susanne Dreisigacker，Carlos Guzman，RobertoJ.Peña和Ravi P. Singh; 和R. Chris Gaynor，羅斯林研究所和愛(ài)丁堡大學(xué)皇家(迪克)獸醫(yī)研究學(xué)院。

從歷史上看，小麥育種的主要焦點(diǎn)是糧食產(chǎn)量和具有最佳性能和抗病性的品系的選擇。

“在許多育種計(jì)劃中，由于成本高和測(cè)試所需的大量谷物，在候選小麥品種的選擇周期結(jié)束時(shí)評(píng)估質(zhì)量特性，”Battenfield說(shuō)。“因?yàn)榈湫偷男←溣N周期需要8到10年，等到面包質(zhì)量測(cè)試直到最后幾年經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致人們認(rèn)為小麥品種被丟棄，因?yàn)樗鼈儾荒苌a(chǎn)出好的面包。”

該團(tuán)隊(duì)使用測(cè)試烘焙實(shí)驗(yàn)室中生成的小麥質(zhì)量數(shù)據(jù)，并使用DNA標(biāo)記建立預(yù)測(cè)算法，以確定新一代候選小麥品種的品質(zhì)性狀。使用預(yù)測(cè)算法，他們能夠?qū)⑿←溬|(zhì)量篩選推進(jìn)至少一年，并預(yù)測(cè)候選品種的數(shù)量超過(guò)質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的10倍。

“傳統(tǒng)上，我們能夠在CIMMYT質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室中每年測(cè)試大約1,500個(gè)樣品，但由于我們僅通過(guò)DNA標(biāo)記預(yù)測(cè)質(zhì)量，我們能夠篩選所有10,000個(gè)第一年的產(chǎn)量試驗(yàn)以獲得質(zhì)量，這將超過(guò)可能以大致相同的成本進(jìn)行物理處理，“巴頓菲爾德說(shuō)。

巴頓菲爾德和該團(tuán)隊(duì)相信有可能將這一過(guò)程推進(jìn)長(zhǎng)達(dá)三年。

“小麥質(zhì)量測(cè)試從分析谷物形態(tài)，硬度和蛋白質(zhì)含量開(kāi)始，”CIMMYT小麥化學(xué)和質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Carlos Garcia說(shuō)。“該程序繼續(xù)將小麥籽粒研磨成面粉，然后確定蛋白質(zhì)含量以及在不同的流變測(cè)試中將面團(tuán)制作的水量最佳。然后將面粉與水混合在混合儀中，這就像一個(gè)帶有針的微型攪拌碗測(cè)量面團(tuán)在開(kāi)發(fā)時(shí)的抗性 - 就像地震儀一樣。“

“我們可以調(diào)查這條曲線，告訴我們一種候選品種的面團(tuán)相對(duì)于另一種面團(tuán)的強(qiáng)度是多大，以及獲得面團(tuán)的最佳混合時(shí)間是多少，”巴滕菲爾德說(shuō)。“我們堪薩斯州的硬紅冬小麥需要有很強(qiáng)的面團(tuán)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)都是面向工業(yè)面包店，所以它需要能夠承受工業(yè)加工。”

測(cè)量面團(tuán)強(qiáng)度，混合時(shí)間和延展性，并烘焙面包作為性能的最終測(cè)試。從所有這些數(shù)據(jù)中可以確定小麥品系是否足夠好以保持 - 但這個(gè)問(wèn)題直到育種周期的六到八年才能出現(xiàn)。

“使用來(lái)自單一植物的DNA，我們可以使用這些新的預(yù)測(cè)模型在育種周期的早期階段對(duì)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，”該研究的資深作者波蘭說(shuō)。“在我們有足夠的種子進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)之前，這已經(jīng)很久了。”

據(jù)研究人員稱，減少繁殖周期對(duì)育種投資回報(bào)的影響最大。

“這些調(diào)整表明我們可以將質(zhì)量選擇提高到目前可能的兩到三倍，”波蘭說(shuō)。

結(jié)果還表明，小麥育種計(jì)劃可以利用小麥品質(zhì)的基因組選擇以及傳統(tǒng)的育種渠道，更有效地利用資源，包括時(shí)間和金錢(qián)。

波蘭表示，這種預(yù)測(cè)方法可以消除無(wú)法通過(guò)小麥質(zhì)量最終測(cè)試的品系。準(zhǔn)確的處理和最終使用質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，例如基因組選擇，將允許育種計(jì)劃在時(shí)間和資源投入不通過(guò)最終測(cè)試的品系之前剔除不可接受的品系或針對(duì)特定品系。