小麥DH群體抗旱系數(shù)的QTL分析

李曉宇，吳少輝，馮偉森，張學(xué)品，郭軍偉

(洛陽(yáng)市農(nóng)林科學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471022)

隨著CO2排放量的增加，全球氣候變暖趨勢(shì)極速加劇，干旱已經(jīng)成為限制農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素。雖然通過(guò)灌溉可在一定程度上緩解干旱帶來(lái)的危害，但灌溉會(huì)引起土壤鹽堿化、板結(jié)。因此，選育抗旱品種成為解決干旱脅迫的主要途徑之一。金善寶研究認(rèn)為，作物的抗旱性是一項(xiàng)復(fù)雜的生物性狀，主要反映在一系列生理和形態(tài)變化上以及生長(zhǎng)發(fā)育的節(jié)奏與農(nóng)業(yè)氣候因素變化相配合的程度，但最終還是通過(guò)產(chǎn)量來(lái)體現(xiàn)[1]。張正斌提出，小麥抗旱育種的目標(biāo)不僅要求品種具有較好的穩(wěn)產(chǎn)性，而且要具有較大的增產(chǎn)潛力，達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[2-3]。小麥品種的抗旱性是一個(gè)復(fù)雜的性狀，植株在干旱時(shí)通過(guò)本身的抗旱特性來(lái)抵抗干旱脅迫從而提高產(chǎn)量[1-6]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)小麥抗旱性的鑒定方法已進(jìn)行了大量的研究，并提出了許多較好的鑒定方法[7-14]。王瑋等研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥在低水勢(shì)下萌發(fā)時(shí)，其胚芽鞘長(zhǎng)度與抗旱性呈顯著正相關(guān)[15]；楊子光等認(rèn)為，選育苗期抗旱性好的小麥品種是提高小麥抗旱性的重要手段，小麥苗期干旱脅迫—復(fù)水處理后，麥苗存活率可作為抗旱性鑒定的重要指標(biāo)[16]；張燦軍等認(rèn)為，籽粒產(chǎn)量指標(biāo)是最重要的、最綜合的、最根本的小麥品種抗旱性鑒定指標(biāo)[17]。生物抗旱指標(biāo)對(duì)于鑒定小麥抗旱性具有直觀、簡(jiǎn)單、容易測(cè)量的特點(diǎn)，為小麥抗旱種質(zhì)的鑒定和抗旱育種的選擇提供了一定的參考價(jià)值。農(nóng)業(yè)抗旱指標(biāo)(產(chǎn)量指標(biāo))是鑒定小麥抗旱性最主要的指標(biāo)，是小麥區(qū)域試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)中抗旱性鑒定的最佳指標(biāo)[18]，常見(jiàn)的主要有抗旱系數(shù)、干旱敏感指數(shù)、抗旱指數(shù)以及性狀抗旱指數(shù)。

Groos等在2B染色體上定位了同時(shí)控制千粒質(zhì)量和抽穗期的數(shù)量性狀基因座(quantitative trait locus，簡(jiǎn)稱QTL)，表型變異貢獻(xiàn)值10.7%～19.7%[19]；Miura等發(fā)現(xiàn)，5BL染色體上的Nel基因?qū)Υ蠖鄶?shù)與籽粒產(chǎn)量有關(guān)的QTL有連鎖關(guān)系，定位出同時(shí)控制每穗小穗數(shù)和粒數(shù)的QTL[20]。目前關(guān)于小麥抗旱性狀的QTL定位都集中于小麥的生理性狀、農(nóng)藝性狀，對(duì)抗旱系數(shù)的研究少之又少，本研究采用DH群體作為遺傳材料，在干旱脅迫和正常灌溉條件下，對(duì)小麥抗旱系數(shù)的QTL定位和效應(yīng)分析，為小麥抗旱性的研究和品種的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

小麥加倍單倍體(DH)群體(旱選10號(hào)×魯麥14)是通過(guò)花藥培養(yǎng)創(chuàng)建的具有150個(gè)株系的小麥加倍單倍體群體，群體內(nèi)各株系間變異廣泛[21]。該群體的2個(gè)親本在抗旱性上的遺傳差異較大，母本旱選10號(hào)是優(yōu)異抗旱資源；父本魯麥14是山東省煙臺(tái)市農(nóng)科所育成的水地高產(chǎn)品種。

1.2 遺傳圖譜

DH群體的遺傳連鎖圖總長(zhǎng)度為3 904 cM，395個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)被定位在小麥的21條染色體上。平均每條染色體連鎖圖長(zhǎng)185.9 cM，平均2個(gè)標(biāo)記的距離為9.9 cM。每個(gè)連鎖圖上平均有19個(gè)標(biāo)記，但是不同染色體上的標(biāo)記位點(diǎn)數(shù)目差異較大，其中，A基因組有161個(gè)標(biāo)記，B基因組有177個(gè)，D基因組只有57個(gè)，分別占標(biāo)記總數(shù)的40.8%、44.8%、14.4%。在遺傳多態(tài)性方面，B基因組的遺傳多態(tài)性最高，而D基因組的多態(tài)性最低。

1.3 材料種植

DH群體及其親本于2015年10月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作站條播，行長(zhǎng)2 m，每行40粒，雙行區(qū)。水分管理分為雨養(yǎng)即干旱脅迫(drought-stress，DS)和正常灌溉(well-watered，WW)2種處理。播種前統(tǒng)一澆底墑水，播種后雨養(yǎng)材料全生育期只依靠自然降水，小麥生育期內(nèi)降水量約為100 mm；灌溉處理的材料按正常的田間水分管理，分別在越冬前、拔節(jié)期和灌漿中期灌溉，每次灌溉量900 m3/hm2。

1.4 抗旱相關(guān)農(nóng)藝性狀的測(cè)量

在小麥成熟期，每個(gè)株系及親本隨機(jī)取10株(每行中間)，晾干考種，統(tǒng)計(jì)單株籽粒產(chǎn)量(yield per plant，YPP)，以10株平均值作為每個(gè)株系的觀測(cè)值。并根據(jù)每個(gè)株系的單株產(chǎn)量求出抗旱系數(shù)：抗旱系數(shù)(DRC)=旱地單株產(chǎn)量/水地單株產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析方法

用DPS v7.05統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)小麥DH群體的單株產(chǎn)量及抗旱系數(shù)進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)量分析。QTL定位分析采用巢式關(guān)聯(lián)分析群體的QTL作圖軟件IciMapping v3.2分析小麥抗旱系數(shù)的加性QTL、加性×加性上位性QTL。以LOD≥2.5作為閾值判斷QTL的存在與否。

2 結(jié)果與分析

2.1 DH群體單株產(chǎn)量和抗旱系數(shù)的表型分析

從表1中可知，DH群體中旱地單株產(chǎn)量的變幅在 0.677～8.05 g之間，平均值為3.30 g，變異系數(shù)為0.49；水地的單株產(chǎn)量的變幅在2.37～9.64 g之間，平均值為5.81 g，變異系數(shù)為0.31，比較這2組數(shù)據(jù)可知，水地單株產(chǎn)量普遍大于旱地，而且2組數(shù)據(jù)中的偏度、峰度絕對(duì)值都小于1，符合正態(tài)分布。母本旱選10號(hào)其抗旱系數(shù)是0.66，父本魯麥14的抗旱系數(shù)是0.92，其雜交出的后代中抗旱系數(shù)最大值為1.95，最小值為0.16，變幅在0.16～1.95之間，平均值為0.61，變異系數(shù)是0.56。

表1 DH群體品種的水旱地單株產(chǎn)量和抗旱系數(shù)的表型變化

當(dāng)抗旱系數(shù)小于1時(shí)，該品種對(duì)水分條件敏感，在水地條件下的表現(xiàn)值大于旱地；當(dāng)抗旱系數(shù)大于1時(shí)，該品種在水地條件下的表現(xiàn)值小于旱地；當(dāng)抗旱系數(shù)等于1時(shí)，說(shuō)明該品種對(duì)水分條件不敏感，水、旱2種條件下的性狀相當(dāng)穩(wěn)定。DH群體抗旱系數(shù)平均值小于1，說(shuō)明其對(duì)水分敏感，適宜水地種植。

2.2 抗旱系數(shù)的變異分布

從圖1可以看出，抗旱系數(shù)在0.5～0.6之間的頻次處于最高峰，其大部分品種的抗旱系數(shù)都小于1，說(shuō)明DH群體對(duì)水分敏感，計(jì)算抗旱系數(shù)的峰度值為3.11，偏度值為1.56，其絕對(duì)值都大于1。

2.3 抗旱系數(shù)加性效應(yīng)QTL

從表2可以看出，在染色體2A上檢測(cè)到2個(gè)控制抗旱系數(shù)的QTL，定位區(qū)間分別位于Xgwm372～Xgwm448、Xgwm122～CWM138.2之間(圖2)，2A染色體上的第1個(gè)QTL的峰值離Xgwm372距離為0.47 cM，與Xgwm448的距離為0 cM，貢獻(xiàn)率為22.54%； 第2個(gè)QTL與Xgwm122的距離為1.15 cM，與CWM138.2的距離為0.16 cM，貢獻(xiàn)率為53.66%。

2.4 抗旱系數(shù)上位效應(yīng)QTL

從表3可以看出，在7A染色體上檢測(cè)到1對(duì)上位效應(yīng)的QTL，在P2071～Xgwm260、WMC301～WMC9之間(圖2)，貢獻(xiàn)率為30.6%。

表2 抗旱系數(shù)的加性效應(yīng)QTL

表3 抗旱系數(shù)的上位效應(yīng)QTL

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)通過(guò)分析DH群體的抗旱系數(shù)得出多數(shù)品種的抗旱系數(shù)小于1，說(shuō)明其對(duì)水分敏感，但有些品種抗旱系數(shù)大于1，對(duì)水分不敏感，可以用于抗旱育種的研究。

Huang等將產(chǎn)量的QTL定位于1A、1B、2A、2B、2D、3B、4D、5B染色體上，貢獻(xiàn)率在9.2%～21.6%之間[22]；Borner等將其定位在7A、2B染色體上[23]。而抗旱系數(shù)是旱地單株產(chǎn)量與水地單株產(chǎn)量的比值，本試驗(yàn)檢測(cè)到2個(gè)控制抗旱系數(shù)的加性效應(yīng)QTL，位于2A染色體上，定位區(qū)間分別位于Xgwm372～Xgwm448、Xgwm122～CWM138.2之間，貢獻(xiàn)率分別為22.54%、53.66%。在7A染色體上檢測(cè)到1對(duì)上位性效應(yīng)的互作，貢獻(xiàn)率為30.6%。所以抗旱系數(shù)的QTL定位與產(chǎn)量的定位一致，本試驗(yàn)把抗旱系數(shù)定位于2A染色體上，與Huang等的研究結(jié)果[22]基本一致，這些位點(diǎn)屬于穩(wěn)定表達(dá)的QTL。