小麥莖稈斷裂強度相關性狀QTL的連鎖和關聯(lián)分析

劉 凱 鄧志英 張 瑩 王芳芳 劉佟佟 李青芳 邵 文 趙 賓 田紀春 陳建省

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小麥莖稈斷裂強度相關性狀QTL的連鎖和關聯(lián)分析

劉 凱 鄧志英 張 瑩 王芳芳 劉佟佟 李青芳 邵 文 趙 賓 田紀春*陳建省*

山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院小麥品質(zhì)育種研究室 / 作物生物學國家重點實驗室, 山東泰安 271018

小麥莖稈斷裂強度與倒伏特性關系密切, 并對產(chǎn)量有很大影響。本研究旨在解析莖稈斷裂強度的遺傳機制, 開發(fā)與該性狀緊密連鎖/關聯(lián)的分子標記。利用山農(nóng)01-35′藁城9411重組自交系(RIL)群體(含173個F8:9株系)和由205個品種(系)構成的自然群體, 借助90 k小麥SNP基因芯片、DArT芯片及傳統(tǒng)分子標記技術, 在2個環(huán)境中對兩群體的莖稈斷裂強度相關性狀進行連鎖分析和全基因組關聯(lián)分析。利用已構建的高密度連鎖圖譜, 在4B染色體的TDURUM_CONTIG63670_287–IACX557和EX_C101685–RAC875_C27536等區(qū)段上, 檢測到9個控制小麥莖稈斷裂強度、株高、莖稈第2節(jié)間充實度、莖稈第2節(jié)壁厚相關性狀的加性QTL, 可解釋表型變異9.40%~36.30%。同時, 利用包含24 355個SNP位點的復合遺傳圖譜, 在自然群體中檢測到37個與莖稈斷裂強度相關性狀(< 0.0001)的標記, 分別位于1A、1B、2B、2D、3A、3B、4A、4B、5A、5B、5D、6B、7A、7B和7D染色體, 可解釋表型變異7.76%~36.36%。在4B染色體上, 以連鎖分析檢測到控制莖稈斷裂強度的RAC875_C27536與關聯(lián)分析檢測到的Tdurum_contig4974_ 355標記, 在復合遺傳圖譜上的距離為6.7 cM, 說明該區(qū)段存在控制小麥莖稈斷裂強度的重要基因。

普通小麥; QTL定位; 連鎖分析; 全基因組關聯(lián)分析; 莖稈斷裂強度

倒伏是小麥生產(chǎn)中普遍存在的問題, 不僅導致小麥產(chǎn)量降低、收割不便, 而且造成子粒癟瘦、容重降低、磨粉品質(zhì)和最終加工品質(zhì)變差、小麥商品性下降等問題[1]。小麥倒伏一般發(fā)生在莖稈基部10%~30%處[2], 即莖稈基部第2節(jié)和第3節(jié)。小麥莖稈斷裂強度是小麥自身抗倒性的綜合指標, 與莖粗和稈壁厚、節(jié)間密度、莖稈結構特征以及莖稈化學成分關系密切。前人對小麥莖稈的形態(tài)學、解剖學和生理學的研究較多, 但缺乏遺傳基礎研究[3]。在基因水平解析小麥莖稈斷裂強度的遺傳機制, 對利用分子標記輔助選擇和分子設計育種具有重要的意義。

國內(nèi)外學者利用分子標記技術對小麥莖稈基部節(jié)間長度、莖粗、稈壁厚度及莖稈強度等進行了QTL定位, 共檢測到30多個QTL[4-12]。主要分布在3B[4-7]、4B[8-10]、5A[11-12]染色體上。其中, Hai等[4]利用CA9613×H1488構建的113個DH家系, 定位到6個控制莖稈強度、莖壁厚、髓腔直徑和莖粗的QTL, 其中在3A和3B上檢測到2個控制莖稈強度的QTL, 其表型貢獻率分別為10.6%和16.6%。Marza等[6]利用132個F12重組自交系, 檢測到3個與倒伏程度相關的QTL, 位于1B、4AL和5A染色體上, 貢獻率分別為16.7%、14.1%和23.0%。Verma等[8]利用Milan×Catbird創(chuàng)建的含有96個株系的DH 群體, 在4B和2D染色體上分別檢測到與基部第1節(jié)間長和抗折斷力相關的QTL, 貢獻率分別為11%和13%。

隨著基因芯片技術和測序技術的發(fā)展, 自動化程度更高的第3代單核苷酸多態(tài)性(SNP)標記迅速應用[13], 該標記技術應用在基因組中具有遺傳穩(wěn)定、數(shù)量多、分布廣且易于檢測等特點, 適合于數(shù)量龐大的檢測分析[14],在模式動植物和重要農(nóng)作物中發(fā)揮著越來越重要的作用, 已成功應用于人類[15]、果蠅[16]、水稻[17]、玉米[18]等多種生物的遺傳研究。而小麥是異源六倍體, 基因組龐大, 與水稻、玉米等作物相比, 小麥SNP標記的開發(fā)與利用較晚。迄今, 未見基于SNP標記對小麥莖稈斷裂強度研究的報道。

近年來, 基于遺傳連鎖圖譜的QTL作圖及連鎖不平衡(LD)的關聯(lián)作圖(genome-wide association study, GWAS)技術, 分別先后被應用于控制小麥重要數(shù)量性狀的功能性等位變異檢測及基因研究中[19-20], 連鎖不平衡關聯(lián)作圖無需構建專門的作圖群體, 并能同時檢測同一座位的多個等位基因, 但該方法易受群體結構的影響而產(chǎn)生標記與性狀間的偽關聯(lián)[21], 在作圖的效率上很大程度受群體LD水平、標記密度等的影響; 而遺傳連鎖作圖適用于全基因組QTL掃描, 可以對某一個QTL進行精細的遺傳定位, 但該技術需要根據(jù)所研究的性狀構建專門的遺傳群體, 而且獲得的分子標記受到群體親本遺傳背景影響, 實效性及應用范圍常常受到一定限制。因此, 兩種作圖策略在QTL定位的精度和廣度、提供的信息量、統(tǒng)計分析方法等方面具有明顯的互補性。聯(lián)合兩種作圖策略可以極大地提高對復雜數(shù)量性狀的遺傳解析力度[22-23]。目前, 在玉米[23]、擬南芥[21]、毛白楊[24]中均有聯(lián)合利用兩種作圖策略進行數(shù)量性狀遺傳解析的報道, 但在小麥中相關報道較少。

莖稈斷裂強度是影響小麥倒伏的重要因素, 迄今缺乏遺傳基礎研究[3]。雖有莖稈強度基因定位的報道, 但因研究使用的群體遺傳背景、群體大小以及分子標記技術不同等原因, 檢測到的一致性基因位點不多; 另外, 前期研究使用的標記大多是傳統(tǒng)的SSR、RFLP等標記, 遺傳圖譜包含多態(tài)性標記少、標記間距離大, 定位到的莖稈強度相關性狀連鎖不緊密, 難以在育種實踐或深入研究中得以應用。本研究利用2個高密度SNP圖譜, 利用關聯(lián)分析和連鎖分析兩種策略檢測小麥莖稈斷裂強度, 以期找到與小麥莖稈斷裂強度相關性狀緊密連鎖的SNP 標記, 為分子標記開發(fā)、精細定位及其在小麥育種中聚合有利基因/QTL提供參考。

1 材料與方法

1.1 作圖群體

以山農(nóng)01-35′藁城9411重組自交系(RIL)群體進行連鎖分析, 母本山農(nóng)01-35為大粒、成穗率低的高產(chǎn)品系, 其莖稈直徑為0.61 cm; 父本藁城9411為小粒、分蘗成穗率高品種, 莖稈較細, 直徑0.44 cm。F1代經(jīng)一粒傳法自交9代, 得到含173個家系(F8:9)。

全基因組關聯(lián)分析采用205個品種(系)構成的 自然群體, 包括我國冬麥區(qū)20世紀80年代以來的推廣品種或骨干親本132個、高代品系73份, 其中73份高代品系全部來自山東省。經(jīng)小麥全基因組均勻分布的3297個SNP標記檢測, 用Structure 2.0軟件分析結果表明, 該自然群體分為4個亞群[25]。

1.2 田間表型鑒定及數(shù)據(jù)分析

將2個群體在2013—2014年和2014—2015年2個生長季種植于山東農(nóng)業(yè)大學試驗站(山東泰安), 隨機區(qū)組設計, 2次重復, 每小區(qū)4行, 行長2 m, 行距0.21 m。播種期分別為2013年10月6日和2014年10月9日, 按當?shù)爻Ｒ?guī)方式進行田間管理, 生長期內(nèi)沒有發(fā)生嚴重病蟲害和倒伏, 成熟時按小區(qū)機械收獲各株系, 收獲期分別為2014年6月8日和2015年6月9日。

參考魏鳳珍等[26]和姚金保等[27]描述的表型調(diào)查方法, 略加改動?；ê?7 d調(diào)查株高; 花后18 d和27 d, 隨機選每株系5個主莖, 在離地面20 cm處用YYD-1型莖稈強度測定儀(浙江托普儀器有限公司)測定田間莖稈斷裂強度?；ê?8 d和27 d, 取每株系5個主莖, 烘干后截取莖稈第2和第3節(jié)中間位置靠下4 cm稱重, 用YYD-1 型莖稈強度測定儀(浙江托普儀器有限公司)測定2個節(jié)間的莖稈斷裂強度;同時, 用游標卡尺測莖稈外徑, 并取壓斷的4 cm莖稈上部, 用游標卡尺測其壁厚。

利用SPSS 19.0對上述表型數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。用如下公式, 分別計算各性狀的廣義遺傳率。

式中,2g為遺傳方差,2ge為遺傳與環(huán)境互作方差,2e為環(huán)境方差,為環(huán)境數(shù),為重復數(shù)。

1.3 分子標記檢測

DArT標記的檢測及序列信息由澳大利亞Triticarte Pty. Ltd. (http://www.triticarte.com.au/)完成。SNP分析由美國加利福尼亞大學戴維斯分校植物科學系生物技術檢測中心利用Illumina SNP Genotyping 技術測試平臺, 使用微珠芯片技術(BeadArray)完成, 用Genomestudio v1.0軟件分析其多態(tài)性。通過GrainGene2.0 (http://wheat.pw.usda. gov/GG2/index.shtml)獲得SSR引物序列等信息, 引物由上海桑尼生物科技有限公司合成。首先利用兩親本進行多態(tài)性篩選, 再用篩選出的多態(tài)性引物檢測RIL群體所有株系。

1.4 遺傳圖譜

1.4.1 RIL群體連鎖圖譜 利用陳建省等[28]構建的高密度遺傳圖譜, 該圖譜覆蓋小麥21條染色體, 包含6244個標記(SNP標記6001個, DArT標記216個, SSR標記27個), 總長度為4895.29 cM, 兩標記間平均遺傳距離為0.78 cM。

1.4.2 自然群體復合遺傳圖譜 利用陳廣鳳等[25]構建的高密度復合遺傳圖譜, 該圖譜包含24 355個SNP標記位點, 覆蓋小麥全基因組3674.16 cM, 單個染色體長度為118.91~241.38 cM, 標記間平均遺傳距離為0.15 cM; 以B基因組中包含的SNP標記最多, 占標記位點總數(shù)的50.60%, 其次是A基因組(39.10%), D 基因組含標記最少, 僅占標記位點總數(shù)的10.31%。

1.5 QTL 定位

1.5.1 連鎖分析 用MAPMAKER/EXP3.0b軟件和Mapchart 2.1構建分子標記連鎖圖。利用基于混合線性模型的QTLNetwork 2.0 軟件對RIL群體莖稈斷裂強度進行QTL分析。以單個環(huán)境中重復的平均值及2個環(huán)境平均值分別單獨進行QTL定位。以= 0.05為統(tǒng)計檢測閾值, 即當標記的值小于統(tǒng)計檢測閾值時, 認為該標記處存在1個與性狀有關的QTL。以莖稈強度相關性狀英文簡寫和所對應的染色體序號及在染色體上的位置命名檢測到的QTL, 如表示位于4B染色體上第13個標記區(qū)間的QTL。

1.5.2 全基因組關聯(lián)分析 應用TASSEL 3.0軟件(http://www.maizegenetics.net/)中的MLM (mixed linear model)進行性狀和標記之間的關聯(lián)分析, 選擇在小麥21條染色體長臂和短臂上均勻分布的3297個SNP標記, 用Structure 2.0軟件進行群體結構分析, 采用admixed model, 設值為2~15, 參數(shù)iterations為100 000, burn-in period為100 000。每個值重復運行5次。以設定的值所對應的最大似然值為目標, 選擇合適的值作為亞群數(shù)目。用TASSEL3.0軟件計算Kinship值, 對群體結構和基因型過濾后, 運行MLM_Q+K模型。當標記的≤ 0.0001 (最小頻率為0.05)時認為標記與性狀存在關聯(lián)。

2 結果與分析

2.1 小麥莖稈斷裂強度表型

母本山農(nóng)01-35莖稈強度相關性狀均明顯大于父本藁城9411, 表明兩親本的抗倒伏特性差異很大; 由其衍生的RIL群體在各性狀上均出現(xiàn)超親分離, 且兩年度表現(xiàn)一致(表1)。RIL群體的莖稈斷裂強度、株高、花后27 d第2節(jié)壁厚、充實度的偏度及峰度絕對值都小于1, 均符合正態(tài)分布, 其他4個性狀也基本符合正態(tài)分布。株高和莖稈斷裂強度變異系數(shù)分別為9.52%~30.66%和9.32%~40.83%之間, 說明這2個性狀具有較大的改良潛力。

自然群體莖稈斷裂強度變幅較大(0.05~0.75 N), 變異系數(shù)為7.13%~43.67% (表1), 其中花后27 d第2節(jié)變異系數(shù)最大為43.67%; 偏度和峰度絕對值小于1, 符合正態(tài)分布。株高變幅為57.25~130.00 cm, 平均值為79.96 cm, 變異系數(shù)均超過10%, 偏度和峰度的絕對值小于1, 符合正態(tài)分布; 花后27 d第2節(jié)間充實度、壁厚變異系數(shù)為7.65%~49.34%, 平均值分別為1.73 × 10–2g cm–1和0.28 cm, 偏度和峰度絕對值小于1, 符合正態(tài)分布。

RIL群體在2個環(huán)境中, 花后18 d第2節(jié)與莖稈第3節(jié)斷裂強度差異顯著(< 0.05); 花后27 d的第2節(jié)與第3節(jié)莖稈斷裂強度差異也達到顯著水平; 第2節(jié)莖稈斷裂強度在花后18 d與花后27 d差異顯著, 而第3節(jié)莖稈斷裂強度在2個取材時期差異不顯著(圖1)。說明在RIL群體中, 基部節(jié)間莖稈強度存在顯著差異, 取樣時間對第2節(jié)莖稈強度有顯著影響, 而第3節(jié)莖稈強度則不受取樣時間影響。

自然群體在2個環(huán)境中, 花后27 d的第2節(jié)與第3節(jié)莖稈斷裂強度(圖1)差異均達到顯著水平(< 0.05); 而第2節(jié)莖稈斷裂強度在花后18 d與花后27 d差異顯著, 第3節(jié)莖稈斷裂強度在2個取材時期差異也達到顯著水平; 說明自然群體中取材時期和取材部位間的莖稈強度都存在顯著差異。

2.2 小麥莖稈斷裂強度相關性狀廣義遺傳力和相關性

方差分析表明, RIL群體的莖稈斷裂強度、株高、花后27 d第2節(jié)間充實度和壁厚的基因型效應差異顯著, 莖稈斷裂強度相關性狀的廣義遺傳力為56.92%~78.08%; 自然群體的莖稈斷裂強度、株高、花后27 d第2節(jié)間充實度和壁厚的基因型差異也達顯著水平, 廣義遺傳力為53.18%~78.64% (表2)。表明莖稈斷裂強度遺傳力較高, 適合進行遺傳分析。

相關性分析表明, 株高與田間莖稈斷裂強度呈顯著負相關(表3)?；ê?7 d, 節(jié)間莖稈斷裂強度與第2節(jié)間充實度、壁厚均呈顯著正相關, 說明該時期第2節(jié)間充實度和厚度增大, 有利于增加莖稈斷裂強度、提高抗倒伏能力。

2.3 小麥莖稈斷裂強度QTL 定位

2.3.1 連鎖分析 利用單個環(huán)境(E1和E2)中表型數(shù)據(jù)及環(huán)境平均值(AE)分別進行QTL分析, 共檢測到控制莖稈斷裂強度9個主效QTL, 均位于4B染色體上, 表型貢獻率為9.40%~36.30% (圖2和表4), 其中的增效基因來自山農(nóng)01-35, 可增加田間莖稈斷裂強度0.083 N, 在E1、E2和AE中均被檢測到, 是一個穩(wěn)定位點。

花后18 d, 檢測到控制第2節(jié)和第3節(jié)莖稈斷裂強度的QTL各一個, 增效基因位點全部來源于山農(nóng)01-35, 可分別增加莖稈斷裂強度2.10 N和0.98 N。位點在E1、E2、AE中均被檢測到。

花后27 d, 檢測到第2節(jié)和第3節(jié)莖稈斷裂強度、株高和第2節(jié)間充實度的QTL各一個, 以及2個控制稈壁厚的QTL。和在E1、E2和AE環(huán)境下均被檢測到, 是穩(wěn)定的QTL。除株高外, 增效基因位點全部來源于山農(nóng)01-35, 檢測到的位點與位點在連鎖圖譜的遺傳距離為5.87 cM, 說明位點附近存在控制莖稈斷裂強度相關性狀的基因。

2.3.2全基因組關聯(lián)分析 共檢測到37個與小麥莖稈斷裂強度相關聯(lián)的顯著關聯(lián)位點(<0.0001), 分布在1B、2B、2D、3A、3B、4B、5A、5D、6B、7A、7B和7D染色體上(表5)。單個關聯(lián)位點表型變異貢獻率為7.76%~36.36% (表5)。通過TASSEL V3.0軟件分析, 獲得2個環(huán)境下莖稈斷裂強度全基因組關聯(lián)分析的QQ圖(圖3), 關聯(lián)群體的群體結構得到了較好控制。

檢測到12個與小麥田間莖稈強度顯著關聯(lián)位點, 分布在2B、2D、3A、4B、7A 和7D染色體上(表5和圖3)。其中, 在7A上檢測到7個位點(圖4), E2環(huán)境中檢測到貢獻率超過20%的5個顯著關聯(lián)標記(Kukri_c13329_800、BS00072153_51、Tdurum_contig 4974_355、wsnp_Ex_c14654_22713386和D_contig 06359_118)。這些SNP可能與控制田間莖稈斷裂強度基因顯著關聯(lián)。值得一提的是, 在復合遺傳圖譜中, 4B染色體上的Tdurum_contig4974_355與利用RIL群體檢測到的田間莖稈斷裂強度標記IACX557, 二者的遺傳距離為6.7 cM, 說明4B染色體上的這個區(qū)段由存在控制小麥莖稈斷裂強度的重要基因。

花后18 d, 檢測到3個與第2節(jié)莖稈斷裂強度顯著關聯(lián)的位點, 分布在1B、3B、4B 染色體上, 貢獻率為8.65%~9.21%。檢測到6個與第3節(jié)莖稈斷裂強度顯著關聯(lián)的位點, 均位于2B上3 cM的染色體區(qū)段內(nèi)(圖4), 貢獻率為8.10%~8.41%。

表1 兩年度RIL群體和自然群體小麥莖稈斷裂強度的表型值

SBSF: 田間莖稈斷裂強度; S18SBSL: 花后18 d莖稈第2節(jié)斷裂強度; T18SBSL: 花后18 d莖稈第3節(jié)斷裂強度; S27SBSL: 花后27 d莖稈第2節(jié)斷裂強度; T27SBSL: 花后27 d莖稈第3節(jié)斷裂強度; PH: 株高; S27FD: 花后27 d節(jié)間充實度; S27CWT: 花后27 d壁厚。

SBSF: stem-breaking strength in field test; S18SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 18 days after flowering (DAF); T18SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 18 DAF; S27SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 27 DAF; T27SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 27 DAF;PH: plant height; S27FD: filling degree of internode at 27 DAF; S27CWT: thickness of culm wall at 27 DAF.

柱上不同字母表示2個取材位置或取材時期存在顯著差異(< 0.05)。

Different letters above columns indicate significant difference between internodes of sampling stages at< 0.05.

表2 小麥莖稈斷裂強度的方差分析及廣義遺傳率(h2B)計算

SBSF: 田間莖稈斷裂強度; S18SBSL: 花后18 d莖稈第2節(jié)斷裂強度; T18SBSL: 花后18 d莖稈第3節(jié)斷裂強度; S27SBSL: 花后27 d莖稈第2節(jié)斷裂強度; T27SBSL: 花后27 d莖稈第3節(jié)斷裂強度; PH: 株高; S27FD: 花后27 d節(jié)間充實度; S27CWT: 花后27 d壁厚。**在< 0.01水平顯著,***在< 0.001水平顯著。

SBSF: stem-breaking strength in field test; S18SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 18 days after flowering (DAF); T18SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 18 DAF; S27SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 27 DAF; T27SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 27 DAF;PH: plant height; S27FD: filling degree of internode at 27 DAF; S27CWT: thickness of culm wall at 27 DAF.**Significant at< 0.01;***significant at< 0.001.

表3 莖稈強度相關性狀之間的相關性

SBSF: 田間莖稈斷裂強度; S18SBSL: 花后18 d莖稈第2節(jié)斷裂強度; T18SBSL: 花后18 d莖稈第3節(jié)斷裂強度; S27SBSL: 花后27 d莖稈第2節(jié)斷裂強度; T27SBSL: 花后27 d莖稈第3節(jié)斷裂強度; PH: 株高; S27FD: 花后27 d節(jié)間充實度; S27CWT: 花后27 d壁厚。*在<0.05水平顯著,**在<0.01水平顯著。

SBSF: stem-breaking strength in field test; S18SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 18 days after flowering (DAF); T18SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 18 DAF; S27SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 27 DAF; T27SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 27 DAF;PH: plant height; S27FD: filling degree of internode at 27 DAF; S27CWT: thickness of culm wall at 27 DAF.*Significant at< 0.05;**significant at< 0.01.

花后27 d, 檢測到3個與第2節(jié)莖稈斷裂強度顯著關聯(lián)的位點, 分布在3A、6B、7B染色體上, 貢獻率為9.09%~11.42%。檢測到3個與第3節(jié)莖稈斷裂強度顯著關聯(lián)的位點, 分布在5A、5D、7B染色體上, 貢獻率為7.99%~9.29%。與株高顯著關聯(lián)的標記有3個, 分布在2B、4A、5B染色體上, 與第2節(jié)間充實度、壁厚顯著關聯(lián)的標記共7個, 分布在1A、1B和3A染色體上, 貢獻率為7.88%~13.77%。

3 討論

3.1 小麥莖稈斷裂強度與抗倒性

小麥莖稈斷裂強度是衡量抗倒性的重要指標之一, 與小麥莖稈的莖粗、壁厚、莖稈結構、莖稈密度等形態(tài)學特征關系密切[4]。前人報道莖粗、壁厚和節(jié)間充實度與抗倒性呈顯著正相關[26,29]; 本研究結果闡明第2莖稈斷裂強度與莖稈第2節(jié)間充實度、壁厚呈顯著正相關, 而與株高呈顯著負相關(表2), 結果進一步證實適當降低株高、增加莖粗、壁厚和節(jié)間充實度, 尤其是提高第2、第3節(jié)間莖稈斷裂強度, 對增強小麥抗倒伏能力具有重要實踐意義, 閔東紅等[30]也有類似的報道。小麥株高是影響倒伏的重要農(nóng)藝性狀, 也是育種家田間選擇淘汰后代材料的重要依據(jù)之一。20世紀60年代以來, 矮化育種[31]極大提高了小麥抗倒伏能力。但小麥植株過矮會導致葉層密集、病蟲害加重、植株早衰和生物產(chǎn)量降低等負面效應。一般認為株高在75~85 cm的品種不易倒伏[1]。目前, 在小麥矮化育種的基礎上, 通過分子標記輔助選擇(marker-assisted selection, MAS)來提高小麥莖稈斷裂強度, 增強小麥抗倒伏能力, 是實現(xiàn)小麥再高產(chǎn)的一條有效途徑。本研究在4B染色體上檢測到的和與莖稈斷裂強度相關性狀緊密連鎖, 可為小麥育種中聚合和利用控制莖稈斷裂強度相關性狀的有利基因/QTL提供參考。

各性狀詳細名稱見表1。The trait names correspond with those given in Table 1.

表5 莖稈斷裂強度的關聯(lián)位點及其對表型變異的貢獻率(R2)

(續(xù)表5)

SBSF: 田間莖稈斷裂強度; S18SBSL: 花后18 d莖稈第2節(jié)斷裂強度; T18SBSL: 花后18 d莖稈第3節(jié)斷裂強度; S27SBSL: 花后27 d莖稈第2節(jié)斷裂強度; T27SBSL: 花后27 d莖稈第3節(jié)斷裂強度; PH: 株高; S27FD: 花后27 d節(jié)間充實度; S27CWT: 花后27 d壁厚。在“環(huán)境”列中, E1、E2和AE分別表示2013–2014、2014–2015年度和兩年平均。

SBSF: stem-breaking strength in field test; S18SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 18 days after flowering (DAF); T18SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 18 DAF; S27SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 27 DAF; T27SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 27 DAF;PH: plant height; S27FD: filling degree of internode at 27 DAF; S27CWT: thickness of culm wall at 27 DAF. In the “Environment” column, E1, E2, and AE indicate 2013–2014, 2014–2015 growing seasons and their average, respectively.

3.2 連鎖與關聯(lián)作圖分析定位小麥莖稈強度基因

前人對小麥重要農(nóng)藝性狀研究方法多為單獨利用遺傳群體連鎖作圖的傳統(tǒng)QTL定位或利用自然群體進行全基因組關聯(lián)分析, 但這兩種作圖策略各有優(yōu)缺點, 關聯(lián)作圖分析具有高作圖分辨率, 但連鎖不平衡作圖效率低, 易造成假陽性關聯(lián)結果[32]; 而遺傳連鎖作圖卻能利用稀有等位基因和較低的標記覆蓋度將所有QTL 定位于染色體不同位置, 但作圖分辨率低且遺傳分離只涉及到父母本[33]。Qin等[34]通過聯(lián)合連鎖與關聯(lián)分析策略得到一個控制玉米粒長的候選基因(), Lu等[23]通過聯(lián)合關聯(lián)與連鎖分析策略同時定位到與玉米散粉至吐絲的間隔期緊密連鎖的分子標記()。本研究通過聯(lián)合連鎖與關聯(lián)分析策略利用2個高密度SNP 圖譜分別在4BS染色體上定位到控制小麥莖稈斷裂強度的標記(RAC875_C27536和Tdurum_contig4974_355), 結果相互驗證, 置信區(qū)間較小, 隨著小麥基因組測序的逐漸完成, 研究結果能為小麥莖稈斷裂強度的精細定位或功能基因克隆奠定基礎。

連鎖和關聯(lián)分析都可以檢測數(shù)量性狀位點, 兩種方法定位到的QTL在位置上大部分具有一致性[35-36]。本研究利用目前最具發(fā)展?jié)摿Φ腟NP標記, 具有遺傳穩(wěn)定、密度高、易于檢測等優(yōu)點, 但其分型錯誤率和成本相對較高, 且需轉化為CAPS標記或其他標記才能便于在標記輔助選擇中利用, 操作繁瑣。因此, 在新一輪高密度遺傳圖譜構建中, 可以根據(jù)QTL所在染色體上的相同或鄰近標記遺傳距離及物理距離, 并結合小麥測序信息和比較基因組學策略, 整合前人定位的小麥莖稈強度相關QTL, 進一步驗證和發(fā)掘小麥莖稈強度穩(wěn)定的主效基因位點。本研究通過連鎖與關聯(lián)分析都在4BS染色體上定位到控制莖稈斷裂強度相關性狀的標記, 但兩種定位方法定位到的基因位點在染色體上仍有一定距離, 可能主要是由于兩種策略的原理及利用的群體不同; 且小麥莖稈斷裂強度相關性狀多數(shù)為多基因控制的數(shù)量性狀(單基因遺傳率低, 環(huán)境影響大), 在環(huán)境檢測中出現(xiàn)不穩(wěn)定性等因素, 這有待進一步多環(huán)境確認。

曼哈頓圖中1~21分別代表: 1A, 1B, 1D, 2A, 2B, 2D, 3A, 3B, 3D, 4A, 4B, 4D, 5A, 5B, 5D, 6A, 6B, 6D, 7A, 7B, 7D染色體。SBSF: 田間莖稈斷裂強度; S18SBSL: 花后18 d莖稈第2節(jié)斷裂強度; T18SBSL: 花后18 d莖稈第3節(jié)斷裂強度; S27SBSL: 花后27 d莖稈第2節(jié)斷裂強度; T27SBSL: 花后27 d莖稈第3節(jié)斷裂強度; PH: 株高; S27FD: 花后27 d節(jié)間充實度; S27CWT: 花后27 d壁厚。

In Manhattan plot, 1?21 represent chromosomes 1A, 1B, 1D, 2A, 2B, 2D, 3A, 3B, 3D, 4A, 4B, 4D, 5A, 5B, 5D, 6A, 6B, 6D, 7A, 7B, 7D, respectively. SBSF: stem-breaking strength in field test; S18SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 18 days after flowering (DAF); T18SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 18 DAF; S27SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 27 DAF; T27SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 27 DAF;PH: plant height; S27FD: filling degree of internode at 27 DAF; S27CWT: thickness of culm wall at 27 DAF.

3.3 QTL定位結果比較

目前, 國內(nèi)外在小麥莖稈斷裂強度QTL定位方面的報道較少。本研究在4B 染色體上通過連鎖分析檢測到莖稈斷裂強度相關的9個QTL; 關聯(lián)分析檢測到2個與莖稈斷裂強度顯著關聯(lián)標記。Verma等[8]和陳廣鳳等[25]也在4B染色體上檢測到控制倒伏指數(shù)、株高、節(jié)間長度的QTL, 說明4B上存在控制莖稈強度相關性狀的重要基因。本研究通過關聯(lián)分析, 發(fā)現(xiàn)在3A染色體上存在田間和花后27 d第2節(jié)莖稈斷裂強度的顯著關聯(lián)標記各1個, 在3B染色體上存在花后18 d第2節(jié)莖稈斷裂強度的顯著關聯(lián)標記, Li等[4]在3A和3B上也檢測到控制莖稈強度的2個QTL; Berry等[37]在3A上檢測到2個控制莖稈強度的QTL。根據(jù)本研究結果和前人報道, 初步推斷3A染色體上可能存在控制莖稈強度的重要基因。小麥4B染色體上存在矮稈基因, 本研究通過連鎖分析在也4B染色體上檢測到1個株高QTL (), 但該基因位點與不在同一連鎖群上, 可能為一個控制株高的新位點。小麥4D染色體上除矮稈基因[8]外, 前人定位到多個控制株高的QTL[25,38-39], 而本研究未檢測到4D染色體上與株高相關的QTL/顯著關聯(lián)標記。前人已在2D[4]和5AL[11-12]上發(fā)現(xiàn)控制莖稈壁厚的QTL, 本研究在1A、3A和4B上單環(huán)境中檢測到莖稈壁厚相關QTL/顯著關聯(lián)標記。

已報道與緊密連鎖或直接相關的農(nóng)藝性狀有多個, Cadalen等[38]利用DH群體在4B染色體上檢測到株高特異標記, 并與矮稈基因緊密連鎖; Quarrie等[40]在附近檢測到控制穗粒數(shù)的QTL簇; Huang等[41]檢測到的Xgwm149標記和Liu等[42]檢測到的Xgwm113標記也在附近; 而Shimin等[43]在Xwmc657–Xgwm495 (在本區(qū)間內(nèi))檢測到排除影響的控制穗數(shù)、穗長和穗粒數(shù)的QTL。本研究定位到的莖桿強度分子標記RAC875_C27536和Tdurum_contig4974_355也都在附近, 且在復合遺傳圖譜上的遺傳距離為6.7 cM, 但尚不能確定以上位點與的關系。

4 結論

在4B染色體TDURUM_CONTIG63670_287? IACX557和EX_C101685?RAC875_C27536等區(qū)段上, 檢測到9個控制小麥莖稈斷裂強度、株高、莖稈第2節(jié)間充實度、莖稈第2節(jié)壁厚相關性狀的加性QTL, 可解釋表型變異9.40%~36.30%。主效、穩(wěn)定基因位點、和顯著關聯(lián)標記, 可用于莖稈斷裂強度相關性狀的分子標記開發(fā)和基因精細定位。

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Linkage Analysis and Genome-Wide Association Study of QTLs Controlling Stem-Breaking-Strength-Related Traits in Wheat

LIU Kai, DENG Zhi-Ying, ZHANG Ying, WANG Fang-Fang, LIU Tong-Tong, LI Qing-Fang, SHAO Wen, ZHAO Bin, TIAN Ji-Chun*, and CHEN Jian-Sheng*

Group of Wheat Quality Breeding, College of Agronomy, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, China

Stem strength has close relationship with lodging character, thereby, affects final yield in wheat. The objectives of this study were to unravel the genetic mechanism of stem-breaking-strength-related traits and find molecular markers closely linked or associated with these traits. We tried to map the stem-breaking-strength-related QTLs through linkage analysis using the RIL population consisting of 173 F8:9lines derived from Shannong 01-35′Gaocheng 9411) and association analysis using a nature population consisting of 2015 wheat varieties. Both populations were planted in two environments and genetically screened with the 90 k SNP array, DArT technology, and traditional molecular markers. By means of the existing high-density genetic map, nine additive QTLs were detected in different regions onchromosome 4B, such as DURUM_CONTIG63670_287–IACX557 and EX_C101685–RAC875_C27536, which controlled stem-breaking strength, plant height, filling degree of the second internode and culm wall thickness of the second internode and explained 9.40%–36.30% of the phenotypic variations. By means of a composite map (containing 24 355 SNPs) based on the Illumina Infinium assay, a total of 37 SNPs were found in the natural population to be associated with stem-breaking-strength-related traits (< 0.0001). These SNPs were distributed on chromosomes 1B, 2B, 2D, 3A, 3B, 4B, 5A, 5D, 6B, 7A, 7B, and 7D and explained 7.76%–36.36% of the phenotypic variations. The genetic distance between RAC875_C27536 detected through linkage analysis and Tdurum_contig4974_355 detected through genome-wide association analysis was 6.7 cM in the composite map, indicating the presence of important genes controlling stem strength in this region.

Common wheat; QTL mapping; Linkage analysis; Genome-wide association study (GWAS); Stem-breaking strength

10.3724/SP.J.1006.2017.00483

本研究由山東省自然科學基金項目(2015ZRB01179), “小麥重要品質(zhì)性狀形成和改良的分子基礎”育種專項和山東省種質(zhì)資源創(chuàng)制課題資助。

This study was supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province, China (2015ZRB01179), the breeding project of “Molecular Foundation for Formation and Improvement of Main Quality Traits of Wheat”, and the Shandong Provincial Project for Germplasm Resource Innovation.

陳建省, E-mail: jshch@sdau.edu.cn; 田紀春, E-mail: jctian@sdau.edu.cn

2016-05-27;

E-mail: liukaiyouxiang@163.com

Accepted(接受日期): 2016-11-02;

Published online(網(wǎng)絡出版日期): 2016-11-29.

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20161129.0838.002.html