小麥穗粒數(shù)及千粒重主效QTL共定位區(qū) QC-7AL>的精細(xì)定位及遺傳效應(yīng)分析

孫宇慧，劉天相，石善黨，丁夢(mèng)云，高 欣，王中華，李春蓮

(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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100)

小麥?zhǔn)侨蛑饕募Z食作物之一，提高小麥產(chǎn)量是解決人類(lèi)糧食需求和保證全球糧食安全的主要途徑。小麥的單位面積產(chǎn)量由單位面積穗數(shù)、每穗粒數(shù)和平均粒重構(gòu)成，三者關(guān)系的協(xié)調(diào)是小麥高產(chǎn)的關(guān)鍵。在產(chǎn)量構(gòu)成因素中，單株穗數(shù)的遺傳力最低，早代進(jìn)行直接選擇的效應(yīng)較低；穗粒數(shù)的遺傳力比穗數(shù)的高，早代選擇有一定的效果；千粒重在三者中受遺傳特性的影響最大，其主要受加性效應(yīng)基因的控制，因而早代選擇十分有效。研究表明，穗粒數(shù)和千粒重是提高產(chǎn)量最重要且可靠的指標(biāo)[1-2]，在小麥品種產(chǎn)量構(gòu)成因素的遺傳改良中，穗粒數(shù)和千粒重的改良在許多地區(qū)都取得了顯著的效果[3]。然而，小麥的穗粒數(shù)和千粒重為受多基因控制的數(shù)量性狀，受環(huán)境影響較大[4]，因而對(duì)此類(lèi)性狀難以用傳統(tǒng)的遺傳學(xué)方法來(lái)進(jìn)行基因定位和研究。此外，穗粒數(shù)與千粒重往往存在負(fù)相關(guān)性，傳統(tǒng)的育種方法很難使二者的優(yōu)勢(shì)基因聚合，而采用分子標(biāo)記輔助選擇結(jié)合分子設(shè)計(jì)育種手段則能有效地聚合優(yōu)勢(shì)基因，縮短選擇周期，提高育種效率。

在前期研究中，本課題組利用寧7840×Clark的RIL群體通過(guò)QTL分析發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與小麥穗粒數(shù)和千粒重相關(guān)的QTL共定位區(qū)，該區(qū)段位于小麥7AL染色體上的IWA7406～I(xiàn)WA6535之間，區(qū)間長(zhǎng)度為6.5 cM，在不同環(huán)境中解釋穗粒數(shù)和千粒重的表型變異分別為12.9%～21.9%和10.9%～14.8%[5]。為了進(jìn)一步研究該位點(diǎn)(定名為 QC-7AL>)對(duì)小麥穗粒數(shù)及千粒重的遺傳效應(yīng)，本研究將對(duì) QC-7AL>位點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)定位，分析 QC-7AL>位點(diǎn)控制小麥穗粒數(shù)和千粒重的遺傳效應(yīng)，以篩選與這些性狀緊密連鎖的分子標(biāo)記；分析 QC-7AL>位點(diǎn)與 QC-4BS>位點(diǎn)(小麥4BS染色體上的QTL富集區(qū))對(duì)小麥穗粒數(shù)的互作效應(yīng)，以期為小麥分子標(biāo)記輔助選擇育種及多性狀聚合育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為寧7840與Clark雜交F2代經(jīng)過(guò)單粒傳法獲得的127個(gè)F12代重組自交系(Recombinant inbred line)，由美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)Guihua Bai教授提供。寧7840為江蘇農(nóng)科院育成的硬紅粒小麥品種，籽粒小而多，對(duì)小麥銹病及赤霉病具有抗性[6]；Clark為美國(guó)普渡大學(xué)育成的軟粒冬小麥品種，籽粒大，具有較好的產(chǎn)量潛力[7]。親本及RIL株系的穗粒數(shù)和千粒重性狀鑒定及表型值分析參見(jiàn)Li等[5]的方法。

1.2 遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建

采用9 K InfiniumTMiSelect SNP基因芯片及親本間有多態(tài)性的SSR標(biāo)記對(duì)RIL群體進(jìn)行分析，采用QTL IciMapping 3.2軟件構(gòu)建遺傳連鎖圖譜。連鎖群的LOD閾值設(shè)為6.0，利用Kosambi作圖函數(shù)將重組率轉(zhuǎn)換為遺傳距離(cM)，根據(jù)SSR共識(shí)圖譜[8]及GrainGenes 2.0(https://wheat.pw.usda.gov/GG3/)公布的小麥SNP遺傳圖譜進(jìn)行連鎖群染色體定位。

1.3 QTL分析

采用完備復(fù)合區(qū)間作圖法(ICIM-ADD)，利用QTL IciMapping 4.0軟件對(duì)穗粒數(shù)及千粒重等性狀進(jìn)行QTL分析。在掃描步長(zhǎng)為1.0 cM，α=0.001的水平上，利用置換檢測(cè)(Permutation test)檢驗(yàn)法做1000 次重復(fù)，將第一類(lèi)錯(cuò)誤概率(假陽(yáng)性)限制在5%，估算基因組范圍內(nèi)的LOD閾值，并以此確定QTL在染色體上的位置及數(shù)目。

2 結(jié)果與分析

2.1 QC-7AL>的精細(xì)定位

本研究構(gòu)建了寧7840×Clark遺傳連鎖圖譜，圖譜總遺傳長(zhǎng)度為3 885.1 cM，覆蓋了小麥21個(gè)遺傳連鎖群。該圖譜中共有2 709個(gè)標(biāo)記(2 404個(gè)SNP標(biāo)記和366個(gè)SSR標(biāo)記)，定位在45個(gè)連鎖群中，標(biāo)記密度為1.43 cM。利用該圖譜對(duì)穗粒數(shù)和千粒重進(jìn)行了QTL初步分析，將 QC-7AL>位點(diǎn)定位在小麥7A染色體長(zhǎng)臂的IWA7406～I(xiàn)WA5913區(qū)間，區(qū)間長(zhǎng)度為3.1 cM，該區(qū)間包括5個(gè)緊密連鎖的標(biāo)記：IWA7406、IWA7407、IWA5913、IWA4196和IWA7409，并且該區(qū)間位于SSR標(biāo)記Xgwm332附近(圖1)。將 QC-7AL>位點(diǎn)的IWA7406～I(xiàn)WA5913標(biāo)記區(qū)間對(duì)應(yīng)在660 K遺傳圖譜中，并參照已公布的小麥基因組數(shù)據(jù)對(duì)該區(qū)間進(jìn)行了精細(xì)定位，結(jié)果(圖1)表明，該區(qū)間對(duì)應(yīng)的物理距離約為5.63 Mb，其中包含473個(gè)SNP標(biāo)記和81個(gè)基因。

KNPS和TKW分別為穗粒數(shù)和千粒重的英文縮寫(xiě)；E1、E2和E3分別代表3個(gè)不同的環(huán)境KNPS and TKW are abbreviation of kernel number per spike and thousand-kernel weight，respectively；E1,E2 and E3 represent three different environments,respectively.

2.2 QC-7AL>位點(diǎn)對(duì)穗粒數(shù)及千粒重的效應(yīng)

本研究分析了 QC-7AL>位點(diǎn)對(duì)穗粒數(shù)、千粒重的效應(yīng)，結(jié)果(表1)表明，在 QC-7AL>位點(diǎn)，增加穗粒數(shù)、降低千粒重的等位基因(AA)均來(lái)自寧7840，在所檢測(cè)的5個(gè)環(huán)境中AA單倍型的平均穗粒數(shù)為30.7～40.0，而aa單倍型的平均穗粒數(shù)為27.7～35.7， QC-7AL>位點(diǎn)對(duì)穗粒數(shù)的遺傳效應(yīng)為9.3%～14.3%；AA單倍型的千粒重為21.7～29.2 g，而aa單倍型的千粒重為24.5～32.1 g， QC-7AL>位點(diǎn)對(duì)千粒重的遺傳效應(yīng)為8.7%～13.7%。并且AA和aa的表型值差異在所有檢測(cè)的環(huán)境中均達(dá)到了顯著或極顯著水平，表明 QC-7AL>位點(diǎn)對(duì)穗粒數(shù)和千粒重具有明顯相反的遺傳效應(yīng)。

2.3 QC-7AL>與 QC-4BS>位點(diǎn)對(duì)穗粒數(shù)的互作效應(yīng)

在前期研究中，本課題組利用相同的群體在 QC-4BS>富集區(qū)定位了一個(gè)控制小麥穗粒數(shù)的位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)來(lái)自寧7840的等位基因具有減少穗粒數(shù)的效應(yīng)[5]，與 QC-7AL>對(duì)穗粒數(shù)的效應(yīng)正好相反。本研究分析了 QC-7AL>與 QC-4BS>位點(diǎn)對(duì)穗粒數(shù)的互作效應(yīng)，結(jié)果(圖2)表明，平均穗粒數(shù)最多的為同時(shí)含有 QC-7AL>與 QC-4BS>位點(diǎn)的株系(AAbb基因型)，其次為只含一個(gè)位點(diǎn)的株系(AABB或aabb基因型)，不含有這兩個(gè)位點(diǎn)的株系(aaBB基因型)的平均穗粒數(shù)最少，說(shuō)明 QC-7AL>與 QC-4BS>位點(diǎn)對(duì)小麥穗粒數(shù)具有明顯的互作效應(yīng)。此外，從圖2中還可看出， QC-7AL>位點(diǎn)對(duì)穗粒數(shù)的遺傳效應(yīng)略大于 QC-4BS>位點(diǎn)。

表1 QC-7AL>位點(diǎn)對(duì)小麥穗粒數(shù)及千粒重的效應(yīng)Table 1 Effects of QC-7AL on kernel number per spike and thousand-kernel weight in wheat

圖2 QC-7AL>與 QC-4BS>位點(diǎn)對(duì)小麥穗粒數(shù)的互作效應(yīng)Fig.2 Interaction effects between QC-7AL> and QC-4BS on wheat kernel number per spike

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)， QC-7AL>位點(diǎn)定位于小麥7A染色體長(zhǎng)臂的IWA7406～I(xiàn)WA1531標(biāo)記區(qū)間，該區(qū)間位于SSR標(biāo)記Xgwm332附近。目前，只有本課題組在該染色體區(qū)間發(fā)現(xiàn)與穗粒數(shù)相關(guān)的QTL或者基因[5]，但是在多個(gè)研究及不同的群體中均發(fā)現(xiàn)，在Xgwm332附近存在控制千粒重的QTL，而且均為主效QTL[9-14]，表明 QC-7AL>位點(diǎn)存在控制小麥千粒重的基因。Su等[15]將控制千粒重的QTL精細(xì)定位在IWB13913～I(xiàn)WA5913之間，區(qū)間距離為1.3 cM，并將該QTL定名為 TaTKW-7AL>。此外，Su等[15]在 TaTKW-7AL>區(qū)間定位了一個(gè)主效的與粒長(zhǎng)相關(guān)的QTL，并證明 TaTKW-7AL>位點(diǎn)增加千粒重的效應(yīng)是由其增加粒長(zhǎng)的效應(yīng)引起的。這些研究進(jìn)一步表明， QC-7AL>位點(diǎn)是與小麥產(chǎn)量因子相關(guān)的染色體區(qū)段，并且可能存在著一因多效的遺傳效應(yīng)，因此對(duì) QC-7AL>位點(diǎn)進(jìn)行更進(jìn)一步的精細(xì)定位及其所在功能基因的克隆及遺傳效應(yīng)研究，將對(duì)小麥產(chǎn)量性狀的遺傳研究及高產(chǎn)育種具有重要的理論指導(dǎo)意義。

本研究發(fā)現(xiàn)， QC-7AL>位點(diǎn)對(duì)小麥穗粒數(shù)和千粒重具有明顯相反的遺傳效應(yīng)，可能存在著一因多效的遺傳機(jī)制。而且， QC-7AL>與 QC-4BS>位點(diǎn)均存在控制小麥穗粒數(shù)的基因，但二者的效應(yīng)相反，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)位點(diǎn)對(duì)穗粒數(shù)具有明顯的互作效應(yīng)，且 QC-7AL>位點(diǎn)對(duì)穗粒數(shù)的遺傳效應(yīng)略大于 QC-4BS>位點(diǎn)。因此，在分子設(shè)計(jì)育種中宜注重顯隱性基因的選擇與聚合，同時(shí)兼顧同一位點(diǎn)(如 QC-7AL>)對(duì)不同性狀(如穗粒數(shù)和千粒重)和不同位點(diǎn)(如 QC-7AL>和 QC-4BS>)對(duì)同一性狀(穗粒數(shù))的遺傳效應(yīng)，篩選高產(chǎn)株系，根據(jù)育種目的進(jìn)行優(yōu)異基因的聚合及優(yōu)良性狀的選擇。