普通小麥穗部性狀QTL分析

孫中沛，劉天相，左希亞，趙璟琛，王中華，李春蓮

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)附屬中學(xué)，陜西楊凌 712100)

普通小麥穗部性狀QTL分析

孫中沛1，劉天相1，左希亞1，趙璟琛2，王中華1，李春蓮1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)附屬中學(xué)，陜西楊凌 712100)

為給小麥穗部性狀標記輔助選擇提供可供選擇的分子標記，并進一步對小麥穗部相關(guān)性狀QTL進行精細定位及相關(guān)基因克隆，利用普通小麥Heyne×Lakin雜交F2代單粒傳獲得的145個F6代重組自交系(recombinant inbred line,RIL)群體，構(gòu)建了含有2 210個標記(2 068個SNP標記和142個SSR標記)的總長度為2 139.35 cM的遺傳連鎖圖譜，并利用該圖譜對小麥穗部性狀(穗長、小穗數(shù)、穗密度)進行了QTL分析。結(jié)果表明，共檢測出16個加性QTL，其中，與穗長相關(guān)的QTL有6個，分布在2A、2D、3B、4D、5A和7D染色體上，可解釋表型變異7.58%～15.94%；與小穗數(shù)相關(guān)的QTL有4個，分布在1A、4A和7D染色體上，可解釋表型變異7.28%～14.78%；與穗密度相關(guān)的QTL有6個，位于4D、5A和6B染色體上，可解釋表型變異5.60%～20.06%。

小麥；RIL群體；遺傳圖譜；穗部性狀；QTL

小麥是世界主要的糧食作物之一，但由于近幾年種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，小麥種植面積大大減少，加之，小麥增產(chǎn)幅度的下降，使得小麥總產(chǎn)量降低[1]，這引起了全世界小麥領(lǐng)域?qū)＜业母叨汝P(guān)注。小麥產(chǎn)量與小麥穗部性狀高度相關(guān)[2]，因此，研究小麥穗部性狀將對于提高小麥產(chǎn)量具有重要意義。

迄今，已有許多國內(nèi)外學(xué)者在不同的遺傳背景及環(huán)境下，對產(chǎn)量以及穗部相關(guān)狀進行了QTL定位研究。如，Schlegel等[3]將與小穗數(shù)相關(guān)的QTL定位在1BS染色體上；B?rner等[4]利用普通小麥Opata85/W7984構(gòu)建的重組自交系(recombinant inbred line, RIL)群體，檢測到64個籽粒產(chǎn)量相關(guān)性狀的QTL。Li等[5]利用RIL群體，將產(chǎn)量相關(guān)性狀(千粒重、穗粒數(shù)、單株穗數(shù)、小穗數(shù))的QTL定位在了小麥12條染色體上，并檢測到了4個相關(guān)QTL 富集區(qū)，分別位于1D、2A、6B和7D染色體上；Huang等[6]利用BC2F1群體，將2個與單株穗數(shù)相關(guān)的QTL定位在了1B和7A染色體上；Kumar等[7]利用RIL群體對小麥的穗長、穗粒數(shù)、粒重、生物產(chǎn)量、收獲指數(shù)等穗部性狀進行了QTL定位，結(jié)果在2B和2D染色體上定位到2個控制穗長的QTL，在2B、4A和6A染色體上定位到3個控制每穗小穗數(shù)的QTL；Marza等[8]利用Ning 7840×Clark構(gòu)建的包含132個家系的F12代RIL群體，在2BL、2BS、3BL、4B、5B、7A和7BS檢測到與穗長相關(guān)的QTL。但是，由于穗部相關(guān)性狀具有復(fù)雜的遺傳背景，受環(huán)境因素的影響較大，導(dǎo)致不同研究者得到的結(jié)果差異較大，限制了其在育種中的應(yīng)用。本研究利用源自普通小麥Heyne×Lakin的RIL群體構(gòu)建了基于SNP和SSR標記的高密度遺傳圖譜，并結(jié)合在兩年兩點的環(huán)境中獲得的表型數(shù)據(jù)進行小麥穗部相關(guān)性狀的QTL定位，以期為小麥穗部性狀標記輔助選擇提供可供選擇的分子標記，并為小麥穗部相關(guān)性狀QTL的精細定位和基因克隆奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為普通冬小麥品種Heyne和Lakin及其二者雜交F2代通過單粒傳獲得的145個F6代RIL群體。Heyne對小麥銹病及赤霉病具有抗性，但產(chǎn)量相對較低；Lakin為感病品種，大粒，產(chǎn)量相對較高。

1.2 田間種植和穗部性狀調(diào)查

所有供試材料于2015年和2016年在陜西省楊凌和三原兩個地點進行種植。采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，2次重復(fù)，2行區(qū)，行長2 m，行距20 cm，株距5 cm，常規(guī)栽培管理。

穗部性狀包括穗長、小穗數(shù)和穗密度。在小麥拔節(jié)期之后，觀察其抽穗時期及開花時期，以親本或每個株系抽穗(或開花)的植株數(shù)達到一半的時間為抽穗期(或開花期)。開花期過后，穗長已基本定型，取5個小麥主莖進行穗長的測定，然后取平均值。小麥成熟后，每個親本或株系隨機取5穗，考察小穗數(shù)，然后取平均值。穗密度=小穗數(shù)/穗長。

1.3 標記分析與高密度遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建

采用CTAB法提取親本及RIL群體的DNA。利用9K Illumina iSelect SNP 基因芯片技術(shù)及小麥全基因組SSR標記技術(shù)對由Heyne與Lakin構(gòu)建的包含145個家系的F6代RIL群體進行分析，與母本Heyne相同的帶型標記為2，與父本Lakin帶型相同的標記為0，缺失帶型標記為-1，最終共檢測到2 068個SNP多態(tài)性標記和172個SSR多態(tài)性標記。

利用QTL IciMapping 4.0作圖軟件中的MAP模塊對2 240個標記基因型進行連鎖分析，使用Kosambi作圖函數(shù)將重組率轉(zhuǎn)換為遺傳距離(cM)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合RIL群體各株系植株的穗部性狀表型數(shù)據(jù)和高密度遺傳連鎖圖譜，利用QTL IciMapping 4.0軟件以完備區(qū)間作圖法(ICIM)[9]檢測了控制小麥各穗部性狀的QTL位點、分析了其染色體位置及加性遺傳效應(yīng)及貢獻率。QTL檢測中LOD閾值為2.5，逐步回歸概率為P<0.001，步進區(qū)間為1.0 cM。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及其RIL群體穗部相關(guān)性狀的變異

根據(jù)兩年兩點的田間穗部性狀調(diào)查結(jié)果(表1)可知，兩親本穗部相關(guān)性狀表現(xiàn)出較大差異，親本Heyne的小穗數(shù)變化范圍為15.0～18.6個，穗長變化范圍為9.10～10.62 cm，穗密度變化范圍為1.57～1.84 個·cm-1；親本Lakin的小穗數(shù)變化范圍為15.2～20.4個，穗長為8.90～11.58 cm，穗密度為1.57～1.91 個·cm-1。

同樣，RIL群體內(nèi)穗部相關(guān)性狀也表現(xiàn)出較大差異，差異達極顯著水平(P<0.001)，且表現(xiàn)為連續(xù)變異，小穗數(shù)變化范圍為11.7～22.9個，穗長變化范圍為6.85～17.20 cm，穗密度變化范圍為1.28～2.30 個·cm-1。W檢驗結(jié)果均在0.9以上，表明RIL群體在各環(huán)境中穗部相關(guān)性狀呈近似正態(tài)分布。

2.2 遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建及分析

連鎖遺傳分析結(jié)果表明，共有2 210個標記(2 068個SNP標記和142個SSR標記)覆蓋了小麥全部21條染色體。連鎖遺傳圖譜的總長度為2 139.35 cM，兩個標記間的平均距離為0.96 cM。標記數(shù)、遺傳長度及標記密度在小麥三個染色體組間存在著明顯差異，但在同源群間的差異相對較小，具體結(jié)果見表2。

A、B、D分別表示A、B、D染色體組；1～7分別表示1～7同源染色體群。

A，B and D indicated gomome A,gonome B and gonome C,respectively;1-7 indicated homologous chromosome groups 1-7,respectively.

2.3 穗部性狀的QTL定位及遺傳分析

對RIL群體小麥穗部性狀進行了QTL分析，共檢測到16個加性QTL，分別位于小麥的1A、2A、2D、3B、4A、4D、5A、6B和7D染色體上(表3、圖1)。其中，在2A、2D、3B、4D、5A、7D染色體上定位到6個穗長QTL，解釋的表型變異率為7.58%～15.94%， Qsl-3B的貢獻率最高(15.94%)，標記區(qū)間為Xwmc78-IWA6464。 Qsl-2A、 Qsl-2D、 Qsl-3B、 Qsl-7D增加穗長的等位基因來源于親本Heyne， Qsl-4D、 Qsl-5A增加穗長的等位基因來源于親本Lakin。4個小穗數(shù)QTL被定位于1A、4A、7D染色體上，其中 Qsn-1A.1、 Qsn-1A.2、 Qsn-7D增加小穗數(shù)的等位基因來源于親本Heyne， Qsn-4A增加小穗數(shù)的等位基因來源于親本Lakin。這些QTL解釋的表型變異率為7.28%～14.78%，其中 Qsn-4A貢獻率最高(14.78%)，標記區(qū)間為Xbarc343-IWA6690。 Qsn-1A.2在三個環(huán)境中均檢測到，為穩(wěn)定的QTL，標記區(qū)間為IWA3374-IWA1724，標記間距離為0.73 cM。6個穗密度QTL被定位于4D、5A和6B染色體上，其中，5A染色體上共檢測到4個加性效應(yīng)QTL( Qsc-5A.1、 Qsc-5A.2、 Qsc-5A.3和 Qsc-5A.4)。各QTL解釋的表型變異率為5.60%～20.06%， Qsc-5A.2的貢獻率最高，標記區(qū)間為IWA825-IWA3530。 Qsc-4D、 Qsc-5A.1、 Qsc-5A.2和 Qsc-5A.3的加性效應(yīng)來源于Heyne， Qsc-5A.4和 Qsc-6B的加性效應(yīng)來源于Lakin。

表3 穗部相關(guān)性狀QTL定位結(jié)果

3 討 論

Ma等[10]利用RIL群體對穗部相關(guān)性狀進行了QTL定位，在1A、2D、4A、5A、5B和7D染色體上檢測到控制穗長的QTL，在1B、2D、3B、5A、5B和7D染色體上檢測到控制小穗數(shù)的QTL。其中，控制穗長的位點 QSpl.nau-2D，標記區(qū)間為Xgwm26-XRPP5，與本研究所檢測到的控制穗長的位點 Qsl-2D位置相同，說明這兩個控制穗長的QTL位點是同一位點。此外，Ma等[10]檢測到的另一個控制穗長的位點 QSpl.nau-5A，標記區(qū)間為Xwmc96-Xgwm304，與本研究所檢測到的控制穗長的位點 Qsl-5A遺傳距離僅為6.33 cM，說明本研究在5A染色體上發(fā)現(xiàn)的控制穗長的位點 Qsl-5A與Ma等[10]檢測到的位點 QSpl.nau-5A緊密連鎖。因此，這兩個控制穗長的QTL位點很可能是同一位點。Sourdi-lle等[11]利用DH群體，在不同年份不同地點種植的環(huán)境條件下，使用單因素方差分析法對小麥的農(nóng)藝性狀進行單標記QTL檢測，在2D染色體上檢測到一個與小麥穗長具有高度相關(guān)性的分子標記Xgwm261，這與本研究定位到一個控制穗長的位點 Qsl-2D，標記區(qū)間Xgwm261-IWA6302，所得結(jié)果一致。通過與前人研究的比較可知本研究定位到的位點 Qsl-2D和 Qsl-5A是能夠在不同作圖群體以及不同環(huán)境下都能檢測到的穩(wěn)定的QTL位點。

圖1 小麥穗部相關(guān)性狀的加性QTL在染色體上的分布

張坤普等[12]利用小麥品種花培3號和豫麥57雜交獲得的DH群體也對穗部性狀進行了QTL研究，在2B、2D、4D、5D、6B染色體上檢測到控制穗長的QTL；在1B、4A、5D和7A染色體上檢測到控制小穗數(shù)的QTL；在2D、4D和5D染色體上檢測到控制穗密度的QTL。其中，一個控制穗密度的位點 qSc-2D，標記區(qū)間為Xgwm261-Xgwm296，與本研究檢測到控制穗長的位點 Qsl-2D位置相同。說明標記Xgwm261附近區(qū)段可能對于控制穗長和穗密度兩個性狀均發(fā)揮作用，由于穗密度=小穗數(shù)/穗長，因此某遺傳區(qū)段影響穗長的同時也很有可能影響穗密度。值得注意的是，在本研究中根據(jù)穗長和穗密度檢測到的QTL位點 Qsl-5A(IWA825-IWA3530)和 Qsc-5A.2(IWA825-IWA3530)均被定為于5A染色體上，且位置相同，這說明控制穗長與穗密度性狀的基因有可能是同一位點。

眾多的小麥穗部性狀QTL研究中，利用不同的作圖群體檢測出同一個性狀QTL的位置并不是完全相同的，這些差異表明，小麥穗部性狀大都屬于數(shù)量性狀遺傳，遺傳基礎(chǔ)較為復(fù)雜，與遺傳環(huán)境條件和背景等密切相關(guān)[13]。所以不同研究中QTL定位結(jié)果的差異是客觀存在的。通過獲得更多更準確的表型數(shù)據(jù)，以及進行分子標記加密，可使定位結(jié)果更為可靠和準確。本研究所得的結(jié)果為分子標記輔助選擇和基因聚合育種提供了可供選擇的分子標記，并為小麥穗部相關(guān)性狀的精細定位和基因克隆等進一步深入研究奠定了基礎(chǔ)。

[1] 于振文,田奇卓,潘慶明,等.黃淮麥區(qū)冬小麥超高產(chǎn)栽培的理論與實踐[J].作物學(xué)報,2002,28(5):577.

YU Z W,TIAN Q Z,PAN Q M,etal.Theory and practice on cultivation of super high yield of winter wheat in the wheat fields of Yellow River and Huaihe River districts [J].ActaAgronomicaSinica,2002,28(5):577.

[2] 魏艷麗,王彬龍,李瑞國,等.大穗小麥穗部性狀的遺傳分析[J].麥類作物學(xué)報,2015,35(10):1366.

WEI Y L,WANG B L,LI R G,etal.Genttic analysis on spike characteristics of wheat variety with large spike [J].JournalofTriticeaeCrops,2015,35(10):1366.

[3]SCHLEGEL R,MEINEL A.A quantitative trait locus(QTL) on chromosome arm 1RS of rye and its effect on yield performance of hexaploid wheat [J].CerealResearchCommunications,1994,22:7.

[4]B?RNER A,SCHUMANN E,FURSTE A.Mapping of quantitative trait loci determining agronomic important characters in hexaploid wheat(TriticunaestivumL.) [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2002,105:921.

[5]LI S S,JIA J Z,WEI X Y,etal.A intervarietal genetic map and QTL analysis for yield traits in wheat [J].MolecularGeneticsandGenomics,2007,20:167.

[6]HUANG X Q,COSTER H,GANAL M W,etal.Advanced backcross QTL analysis for identification of quantitative trait loci alleles from wild relatives of wheat(TriticumaestivumL.) [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2003,106:1379.

[7]KUMAR N,KULWAL P L,BALYAN H S.QTL mapping for yield and yield contributing traits in two mapping populations of bread wheat [J].MolecularBreeding,2007,19(2):163.

[9]MARZA F,BAI G H,CARVER B F,etal.Quantitative trait locus for yield and related traits in the wheat population Ning 7840×Clark [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2006,112:688.

[9]LI H H,YE G Y,WANG J K,etal.A modified algorithm for the improvement of composite interval mapping [J].GeneticsSocietyofAmerica,2007,175:361.

[10]MA Z Q,ZHAO D M,ZHANG C Q,etal.Molecular genetic analysis of five spike-related traits in wheat using RIL and immortalized F2population [J].MolecularGeneticsandGenomics,2007,277:31.

[11]SOURDILLE P,CADALEN T,GUYOMARC'H H.An update of the Courtot×Chinese Spring intervarietal molecular marker linkage map for the QTL detection of agronomic traits in wheat [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2003,106:530.

[12] 張坤普,徐憲斌,田紀春.小麥籽粒產(chǎn)量及穗部相關(guān)性狀的QTL定位[J].作物學(xué)報,2009,35(2):270.

ZHANG K P,XU X B,TIAN J C.QTL mapping for grain yield and spike related traits in common wheat [J].ActaAgronomicaSinica,2009,35(2):270.

[13] 常 鑫,李法計,張兆萍,等.小麥旗葉長、寬及面積的QTL分析[J].西北植物學(xué)報,2014,34(5):896.

CHANG X,LI F J,ZHANG Z P,etal.Mapping QTLs for flag leaf length,width and area in wheat [J].ActaBotanicaBoreali-OccidentaliaSinica,2014,34(5):896.

QTL Mapping of Spike-Related Traits in Common Wheat

SUN Zhongpei1，LIU Tianxiang1，ZUO Xiya1，ZHAO Jingchen2，WANG Zhonghua1，LI Chunlian1

(1.College of Agronomy，Northwest A&F University/State Key Laboratory of Crop Stress Biology for Arid Areas，Yangling， Shaanxi 712100，China；2.High School Attached to Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi 712100，China)

Wheat is one of the most important crops in the world, and the spike-related traits of wheat are closely related to the yield of wheat. Thus, it is of great significance to study the spike related traits of wheat. This study characterized quantitative trait loci (QTL) underlying wheat spike-related traits using a high-density genetic linkage map developed from a recombinant inbred line (RIL) population derived from a cross between 'Heyne' and 'Lakin'. The map consists of 2 068 single nucleotide polymorphism (SNP) and 142 simple sequence repeat (SSR) markers covering a genetic distance of 2 139.35 cM. The RIL population was evaluated for spike length (SL), spikelet number per spike (SPN), and spike compactness (SC) at Yangling and Sanyuan. Using QTL mapping, sixteen additive QTLs for spike-related traits were detected, including six of them for SL were mapped on chromosomes 2A, 2D, 3B, 4D, 5A and 7D, explaining 7.58% to 15.94% of the phenotypic variances; four QTLs for SPN were located on chromosomes 1A, 4A and 7D, accounting for 7.28% to 14.78% of the phenotypic variances;six QTLs for spike compactness (SC) were mapped on chromosomes 4D, 5A and 6B, explaining the phenotypic variation of 5.6% to 20.06%. The findings shed light on the inheritance of spike-related traits and provide DNA markers for marker-assisted selection in wheat breeding.

Wheat; RIL population; Genetic map;Spike-related traits; QTL

時間：2017-04-07

2017-01-27

2017-03-11 基金項目：2017西北農(nóng)林科技大學(xué)唐仲英作物育種基金項目；陜西省重點科技創(chuàng)新團隊項目(2014KCT-25) 第一作者E-mail：sunzhongpei@126.com 通訊作者：李春蓮(E-mail:lclian@163.com)

S512.1；S336

A

1009-1041(2017)04-0452-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170407.1020.008.html