不同遺傳背景小麥群體抗旱指標(biāo)篩選

閆金龍，孫美榮， 張俊靈， 張東旭

山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所，山西長治 046011)

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不同遺傳背景小麥群體抗旱指標(biāo)篩選

閆金龍，孫美榮， 張俊靈， 張東旭

山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所，山西長治 046011)

[目的] 發(fā)掘不受遺傳背景影響、能夠穩(wěn)定表達(dá)的控制抗旱相關(guān)性狀的數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)，用于小麥抗旱性材料的快速篩選。[方法] 利用從DH群體(旱選10號×魯麥14)篩選出來的抗旱相關(guān)性狀的QTL區(qū)間作為候選標(biāo)記區(qū)間，通過調(diào)查F3群體(長6878×長4738)親本及群體與抗旱性相關(guān)的農(nóng)藝性狀、生理性狀、產(chǎn)量性狀，進(jìn)行QTL分析。[結(jié)果] 找到2個(gè)與歸一化植被指數(shù)(NDVI)相關(guān)的QTL位點(diǎn)，說明數(shù)量遺傳性狀標(biāo)記應(yīng)用于遺傳背景不同的群體受到相當(dāng)大的局限性，而NDVI作為較為綜合的生理指標(biāo)得到了驗(yàn)證。[結(jié)論] NDVI可作為一個(gè)穩(wěn)定抗旱指標(biāo)應(yīng)用于分子標(biāo)記輔助育種中。

小麥；抗旱；歸一化植被指數(shù)；分子標(biāo)記輔助育種

干旱是世界范圍內(nèi)限制作物生產(chǎn)的主要非生物逆境之一，在我國北方，大部分小麥主產(chǎn)區(qū)干旱發(fā)生頻繁，小麥生長發(fā)育過程中常受到脅迫，嚴(yán)重影響糧食安全生產(chǎn)[1]。在水資源短缺的現(xiàn)狀下，解決這一問題除改良灌溉與栽培技術(shù)、提高水分利用率外，培育抗旱高產(chǎn)品種是一種經(jīng)濟(jì)有效的途徑。選擇準(zhǔn)確、簡單易行的指標(biāo)進(jìn)行小麥抗旱性材料篩選，對提高抗旱育種效率具有重要意義。蘭巨生等[2]在抗旱系數(shù)[3]的基礎(chǔ)上提出了抗旱指數(shù)的概念，以產(chǎn)量為指標(biāo)對作物抗旱性進(jìn)行篩選，景蕊蓮等[4]、苗果園[5]、楊子光等[6]以形態(tài)為指標(biāo)對小麥抗旱性進(jìn)行研究，張林剛等[7]、殷桂香等[8]、宮德襯[9]以生理為指標(biāo)對小麥抗旱性進(jìn)行研究。然而，截至目前尚未形成一套準(zhǔn)確、可靠、簡單、統(tǒng)一的鑒定方法和指標(biāo)體系對小麥品種及后代抗旱性進(jìn)行鑒定評價(jià)。

抗旱性狀是復(fù)雜的數(shù)量性狀，傳統(tǒng)方法無法對其遺傳機(jī)制進(jìn)行研究。近年來，隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展與完善，分子標(biāo)記的應(yīng)用使得抗旱基因的快速鑒定成為可能。然而，控制數(shù)量性狀的基因容易受到遺傳背景與環(huán)境條件的影響，不能穩(wěn)定表達(dá)。因此，找到能在多個(gè)遺傳背景與環(huán)境條件中同時(shí)表達(dá)的控制抗旱相關(guān)性狀的數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)，是快速、準(zhǔn)確進(jìn)行抗旱性篩選的關(guān)鍵。筆者利用Yang等[10]、武仙山[11]、施偉[12]從DH群體(旱選10號×魯麥14)篩選出來的抗旱相關(guān)性狀的QTL區(qū)間作為候選標(biāo)記區(qū)間，通過調(diào)查F3群體(長6878×長4738)親本及群體與抗旱性相關(guān)的農(nóng)藝性狀、生理性狀、產(chǎn)量性狀，進(jìn)行QTL分析，旨在發(fā)掘不受遺傳背景影響，能夠穩(wěn)定表達(dá)的控制抗旱相關(guān)性狀的QTL，用于小麥抗旱性材料的快速篩選，從而為小麥抗旱性育種提供基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1材料以長治地區(qū)育成的水地小麥品種長4738為父本，旱地小麥品種長6878為母本，構(gòu)建F3群體共220個(gè)株系。2014年9月下旬種植于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所試驗(yàn)地(113.07 E、36.12 N，海拔926.5 m)，3 m行長，30 cm行距，雙行種植，每行點(diǎn)播60粒。

1.2田間調(diào)查在親本與每個(gè)后代中選取開花一致、發(fā)育正常以及長勢一致的10株小麥進(jìn)行標(biāo)記，冠層溫度、葉綠素含量、歸一化植被指數(shù)NDVI于12：00～14：00調(diào)查。花后10 d用BAU-1型紅外測溫儀按張嵩午等[13]方法調(diào)查冠層溫度。花后7、14、21 d用GCP項(xiàng)目提供的greenseeker便攜式光譜儀調(diào)查NDVI值，NDVI值雙行區(qū)巡回測定一次，取平均值?；ê?0、20 d用SPAD502型葉綠素含量測定儀測定葉綠色含量，葉綠素含量測量標(biāo)記植株的旗葉中部，每個(gè)株系測定10株，取平均值。于植株成熟期測量株高。

1.3室內(nèi)考種室內(nèi)調(diào)查包括小區(qū)產(chǎn)量和千粒重，小區(qū)產(chǎn)量為雙行區(qū)全收測產(chǎn)。

1.4標(biāo)記選擇所用標(biāo)記為Yang等[10]、武仙山[11]、施偉[12]從DH群體(旱選10號×魯麥14)篩選出來的抗旱相關(guān)性狀的QTL。其中，8對引物與葉綠素?zé)晒鈪?shù)相關(guān)QTL連鎖，9對引物與冠層溫度相關(guān)QTL連鎖，25對引物與可溶性糖含量相關(guān)QTL連鎖，19對引物與葉綠素含量相關(guān)QTL連鎖，2對引物與葉綠素?zé)晒鈪?shù)和葉綠素含量相關(guān)QTL連鎖，5對引物與可溶性糖含量和葉綠素含量相關(guān)QTL連鎖，1對引物與可溶性糖含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)相關(guān)QTL連鎖，1對引物與葉片相對含水量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉綠素含量相關(guān)QTL連鎖。

1.5DNA提取及分子標(biāo)記檢測拔節(jié)期取親本與每個(gè)家系2～3片嫩葉裝入離心管中，采用CTAB法[14]從親本及家系群體中提取全基因組DNA，風(fēng)干保存。

PCR反應(yīng)體系20 μL：ddH2O 12.9 μL，10×PCR Buffer 2.0 μL，dNTPs(10 mmo1/L) 0.4 μL，Primer pair(50 ng/μL) 2.5 μL，模板DNA(40 ng/μL) 2.0 μL，Taq酶(5 U/μL) 0.2 μL。擴(kuò)增程序：94 ℃預(yù)變性 5 min；94 ℃變性 1 min，50/55/60 ℃退火 1 min，72 ℃延伸 1 min，45個(gè)循環(huán)；72 ℃延伸 10 min。

擴(kuò)增產(chǎn)物加入適量的溴酚藍(lán)用6%的聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測，所用電泳槽為10 cm×20 cm的小型電泳槽，用銀染法染色觀察，并用相機(jī)拍照記錄。

1.6數(shù)據(jù)處理用EXCEL對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用ICImapping進(jìn)行QTL分析。

2　結(jié)果與分析

2.1親本與群體農(nóng)藝性狀及考種表型分析由表1可知，葉綠素含量在花后10～20 d整體呈下降趨勢，父本長4738的葉綠素含量在2個(gè)測定時(shí)期始終高于母本長6878，NDVI在花后7～21 d呈逐步下降趨勢，這是因?yàn)樾←溨鸩竭M(jìn)入成熟期，葉片開始衰老，葉綠素開始降解，從而導(dǎo)致葉綠素含量降低，NDVI值也降低。

調(diào)查數(shù)據(jù)在后代中均出現(xiàn)超親現(xiàn)象，群體性狀統(tǒng)計(jì)變異系數(shù)為5.6%～23.1%，偏度和峰值均較為合理，可以進(jìn)行QTL分析。

表1　親本與群體農(nóng)藝性狀及考種表型分布

2.2QTL分析從71對標(biāo)記中篩選出14對(19.7%)親本間有多態(tài)性的標(biāo)記，利用這些標(biāo)記進(jìn)行遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建，并對小區(qū)產(chǎn)量、千粒重、株高、花后10 d葉綠素含量、花后20 d葉綠素含量、花后7 d NDVI、花后14 d NDVI、花后21 d NDVI 8個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行QTL定位分析，檢測到2個(gè)NDVI的QTL位點(diǎn)，其加性效應(yīng)值分別為-0.037和0.86，對表型的貢獻(xiàn)率分別為5.80%和10.78%。

3　討論

3.1葉綠素含量與抗旱性葉綠素含量是作物生長的重要生理參數(shù)，與作物全生育期生長狀況密切相關(guān)。俞世雄等[15]通過測量干旱脅迫及正常灌溉條件下不同小麥品種葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素含量，認(rèn)為水地品種的葉綠素含量對水分變化較敏感，抗旱性差，由此可知，小麥葉綠素含量與抗旱性密切相關(guān)，可作為抗旱生理指標(biāo)。董建力等[16]在不同年份不同環(huán)境下通過測定葉綠素含量和碳同位素分辨率，也得到相似的結(jié)論。該研究所采用的母本長6878為旱地品種，父本長4738為水地品種，均由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所育成，其抗旱性長6878明顯優(yōu)于長4738。在親本葉綠素測定中，花后10 d和花后20 d長4738的葉綠素含量均高于長6878，與上述結(jié)論一致。但在后期QTL分析中未檢測到葉綠素QTL位點(diǎn)，其原因一方面可能是所選用的標(biāo)記來源于DH群體(旱選10號×魯麥14)抗旱相關(guān)QTL，其遺傳背景與該群體差異較大；另一方面可能說明控制葉綠素含量的基因表達(dá)易受遺傳背景和環(huán)境條件的影響。

3.2形態(tài)特征與抗旱性不同小麥品種的形態(tài)特征和生理特性可以直觀地反映其水分利用效率，李升東等[17]研究表明，在旱地保護(hù)性耕作條件下，小麥抽穗期歸一化植被指數(shù)(NDVI)與干旱產(chǎn)量指數(shù)呈正相關(guān)。小麥較大的葉面積覆蓋不僅減少了土壤蒸發(fā)，而且提高了光截獲量。張佳華等[18]通過衛(wèi)星云圖計(jì)算黃淮海平原地區(qū)冬麥區(qū)不同品種歸一化植被指數(shù)(NDVI)，得出NDVI值可綜合反映同一時(shí)期不同品種光合作用的強(qiáng)弱。

該研究采用的長6878和長4738其形態(tài)特征差異較大，長6878株高較長4738高，株型較為清秀，葉片窄而薄，莖稈纖細(xì)挺立，而長4738繁茂性較好，株型松散。3個(gè)時(shí)期NDVI 值長4738一直高于長6878，株高長6878高于長4738 10 cm左右。在后期QTL分析中，找到2個(gè)與NDVI相關(guān)的QTL位點(diǎn)。其中一個(gè)與花后7 d NDVI相關(guān)的QTL位點(diǎn)，加性效應(yīng)-0.037，貢獻(xiàn)率5.80%，Yang等[10]研究表明，該位點(diǎn)在DH群體(旱選10號×魯麥14)中是與葉綠素?zé)晒鈪?shù)相關(guān)，其加性效應(yīng)-0.005，貢獻(xiàn)率11.92%。另一個(gè)是與花后14 d NDVI相關(guān)的QTL位點(diǎn)，加性效應(yīng)0.86，貢獻(xiàn)率10.78%，施偉[12]在群體[(魯麥14×?xí)x麥47)×魯麥14]BC3F4中找到相同位點(diǎn)，與冠氣溫度相關(guān)，其加性效應(yīng)0.54，貢獻(xiàn)率10.71%。說明這2個(gè)位點(diǎn)的表達(dá)可能不受遺傳背景的影響，是較重要的形態(tài)特征位點(diǎn)，適用于分子標(biāo)記輔助育種。

3.3不同環(huán)境不同遺傳背景中穩(wěn)定表達(dá)的QTL位點(diǎn)QTL的表達(dá)受群體大小、親本來源、環(huán)境因素的影響較大，但多年研究證實(shí)，利用不同作圖群體在不同環(huán)境條件下對同一性狀進(jìn)行定位可以得到一致的QTL，尤其是具有較大效應(yīng)值的QTL。

4　結(jié)論

該研究構(gòu)建F3群體長6878×長4738，選取較小數(shù)量其他群體形態(tài)及生理指標(biāo)QTL相關(guān)標(biāo)記，對花后10、20 d葉綠素含量，花后7、14、21 d NDVI，株高、千粒重、小區(qū)產(chǎn)量8個(gè)性狀進(jìn)行QTL分析，找到2個(gè)NDVI相關(guān)QTL，與Yang等[10]、施偉[12]研究位點(diǎn)相近，可能是相同位點(diǎn)。

植物花期葉綠素含量、冠層溫度、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、株高等都是其生理形態(tài)的一部分，但不能綜合反映一個(gè)植株的具體生長情況，而歸一化植被指數(shù)是一個(gè)對植株生長狀況綜合描述的指標(biāo)，其與植物抗旱性、產(chǎn)量都顯著相關(guān)。該研究對71對來源于DH群體(旱選10號×魯麥14)相關(guān)標(biāo)記進(jìn)行篩選，親本間存在多態(tài)性的標(biāo)記只有14對(19.7%)，但找到2個(gè)與NDVI相關(guān)的QTL位點(diǎn)，說明數(shù)量遺傳性狀標(biāo)記應(yīng)用于遺傳背景不同的群體受到相當(dāng)大的局限性，而NDVI作為較為綜合的生理指標(biāo)得到了驗(yàn)證，認(rèn)為NDVI可作為一個(gè)穩(wěn)定抗旱指標(biāo)應(yīng)用于分子標(biāo)記輔助育種中。

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Screening of Indexes of Wheat Population with Different Heredity Backgrounds

YAN Jin-long,SUN Mei-rong,ZHANG Jun-ling et al

Millet Research Institute,Shanxi Academy of Agricultural Sciences,Changzhi,Shanxi 046011)

[Objective] To excavate QTL which is not affected by heredity background,could be expressed stably and control the relevant drought-resistance traits,thereby quickly screening out wheat material with drought resistance.[Method] Taking QTL interval screened out from DH population (Hanxuan 10×Lumai 14) as candidate marker interval,the agronomic traits,physiological characters and yield traits related to drought resistance were investigated among F3(Chang 6878×Chang 4738) parents and populations for QTL analysis.[Result] Two QTL locis related to normalized difference vegetation index (NDVI) were founded.It indicated quantitative trait loci (QTL) markers had great limitations when applied to the different genetic background groups.NDVI has been proved as a relatively comprehensive physiological index.[Conclusion] NDVI can be used as a stable drought-resistance index applied in molecular marker assisted breeding.

Wheat; Drought resistance; NDVI; Molecular marker assisted breeding

山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院育種基礎(chǔ)項(xiàng)目“抗旱標(biāo)記在多個(gè)群體上的篩選及應(yīng)用研究”(Yyzjc1406)；山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院育種工程項(xiàng)目“旱作高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)小麥新品種選育”(16Yzgc059)。

閆金龍(1982- )，男，山西呂梁人，助理研究員，碩士，從事小麥遺傳育種與分子標(biāo)記輔助育種研究。

2016-08-03

S 188

A

0517-6611(2016)26-0105-03