春小麥灌漿期耐熱相關(guān)QTL定位

，， ，，，，董力*，*

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750002； 2.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

近10 a全球氣候明顯變暖[1]，預(yù)計(jì)到2050年平均溫度將會(huì)比現(xiàn)在高2 ℃[2]，高溫已經(jīng)成為制約我國(guó)甚至世界小麥生產(chǎn)的重大氣候?yàn)?zāi)害之一。小麥屬于喜涼作物，但小麥生育后期易受高溫天氣危害，引起小麥葉片萎蔫、生長(zhǎng)勢(shì)減弱、育性降低并影響籽粒灌漿，造成小麥產(chǎn)量降低和品質(zhì)變劣[3-6]。因此，研究小麥灌漿不同時(shí)期耐熱性的遺傳機(jī)制，挖掘并利用耐熱基因資源，選育耐熱小麥品種，對(duì)實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

一些研究者在小麥形態(tài)性狀及耐熱性的遺傳機(jī)制方面已經(jīng)做了有意義的探討。Vijayalakshmi等[7]研究表明，小麥染色體2A、3A、3B、6A、6B、7A與熱脅迫下葉片持綠性QTL關(guān)系密切。Mason等[8]利用1套重組自交系(RILs)群體進(jìn)行耐熱性遺傳分析，以熱敏感指數(shù)為指標(biāo)，檢測(cè)到5個(gè)穩(wěn)定的耐熱相關(guān)QTL，分別定位在1A、2A、2B、3B染色體上。陳希勇等[9]以中國(guó)春-HOPE染色體代換系為試驗(yàn)材料，利用細(xì)胞膜熱穩(wěn)定性和大田生產(chǎn)條件下高溫脅迫2種方法對(duì)與耐熱性有關(guān)的基因進(jìn)行染色體定位發(fā)現(xiàn)，耐熱品系HOPE的3D、4A、5A、5B染色體與耐熱性有關(guān)。由于不同研究者使用的研究材料和鑒定方法不同，對(duì)耐熱性QTL的檢測(cè)結(jié)果也不盡相同。前人對(duì)小麥耐熱性QTL的研究主要集中于灌漿中期，且進(jìn)行的是單一高溫脅迫[10-15]，而在小麥灌漿中期和灌漿后期進(jìn)行不同高溫脅迫，對(duì)小麥耐熱相關(guān)QTL進(jìn)行定位的研究鮮有報(bào)道。為此，以春小麥RILs群體為試驗(yàn)材料，進(jìn)行不同高溫脅迫，以旗葉葉綠素含量、含水量、穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量為指標(biāo)，對(duì)春小麥耐熱相關(guān)QTL進(jìn)行定位，旨在進(jìn)一步揭示小麥耐熱性遺傳機(jī)制，為小麥耐熱性遺傳改良提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

以小麥寧春4號(hào)和寧春27號(hào)雜交構(gòu)建的RILs群體(F13代，128個(gè)家系)及其親本為遺傳研究材料。寧春4號(hào)是1980年寧夏壯族自治區(qū)永寧縣小麥育繁所育成的春小麥品種，其高產(chǎn)、耐熱、優(yōu)質(zhì)、適應(yīng)性廣，是寧夏回族自治區(qū)灌區(qū)種植時(shí)間最長(zhǎng)的小麥品種[16]。寧春27號(hào)是寧夏壯族自治區(qū)固原市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育的春小麥品種，其熱敏感、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病，在寧夏回族自治區(qū)南部山區(qū)雨養(yǎng)地區(qū)大面積種植。寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心(寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)前期已經(jīng)構(gòu)建了該RILs群體的遺傳連鎖圖譜[17]，并進(jìn)行了春小麥碳同位素分辨率[18-19]的QTL定位分析。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料于2月下旬種植在寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)作物研究所育種試驗(yàn)基地，每個(gè)株系種植1行，行長(zhǎng)1 m，行距15 cm，株距10 cm，重復(fù)3次，田間管理同大田生產(chǎn)。在春小麥灌漿中后期進(jìn)行高溫脅迫處理(表1)，用長(zhǎng)×寬×高為7 m×3 m×1.5 m的角鐵制成框架，固定于田間，周圍和頂部采用無色透明聚乙烯塑料薄膜(透光率≥95%)圍住，底部留距地30 cm的空隙，保證通風(fēng)和氣體交換。溫控設(shè)施由開頂式氣室和能正反轉(zhuǎn)的電機(jī)及控溫組件組成，內(nèi)有溫度報(bào)警裝置。高溫處理時(shí)間為灌漿中期(開花后16 d)和灌漿后期(開花后20 d)，在當(dāng)天自然溫度最高時(shí)段(13:00—16:00)進(jìn)行高溫處理，連續(xù)處理3 d。高溫處理前，每個(gè)株系選擇15株發(fā)育正常、無病蟲害、長(zhǎng)勢(shì)大小基本相同的植株掛牌，用于高溫處理前、后旗葉葉綠素含量、相對(duì)含水量及收獲后穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量的測(cè)定。

表1 不同高溫脅迫處理溫度及時(shí)間

1.3 測(cè)定性狀及方法

1.3.1 葉綠素含量(SPAD值) 在旗葉頂部、中部、底部各取1個(gè)點(diǎn)采用SPAD-502型葉綠素儀測(cè)定SPAD值，測(cè)5片葉，計(jì)算平均值。

1.3.2 葉片相對(duì)含水量(RWC) 測(cè)定旗葉相對(duì)含水量，具體方法參照文獻(xiàn)[20]，3次重復(fù)，計(jì)算平均值。

1.3.3 穗粒質(zhì)量 每個(gè)株系各取10個(gè)主穗，3次重復(fù)，脫粒，稱質(zhì)量，計(jì)算平均值。

1.3.4 千粒質(zhì)量 每個(gè)株系各取1 000粒，3次重復(fù)，稱質(zhì)量，計(jì)算平均值。

1.4 遺傳連鎖圖構(gòu)建和QTL定位分析

RILs群體21條染色體的遺傳連鎖圖包括291個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)，覆蓋全基因組總長(zhǎng)度為2 576.09 cM，標(biāo)記之間的平均遺傳距離為8.85 cM。把高溫脅迫和正常條件作為環(huán)境因子，采用QTL IciMapping 4.0[21]軟件和復(fù)合區(qū)間作圖法，在步長(zhǎng)=1 cM、P=0.05顯著水平下，對(duì)不同環(huán)境、不同時(shí)期高溫脅迫下耐熱相關(guān)生理性狀、產(chǎn)量性狀進(jìn)行QTL檢測(cè)，以LOD值 3.0作為閾值來判斷QTL是否存在。QTL的命名參照 McIntosh[22]的命名方法，即Q+性狀名稱縮寫+染色體+編號(hào)(如果同一條染色體存在多個(gè)QTL)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同高溫脅迫條件下親本及RILs群體表型變異分析

由表2和表3可知，在3種高溫脅迫條件下，小麥RILs群體及其親本的旗葉葉綠素含量和相對(duì)含水量有明顯差異。開花后不同時(shí)間、不同溫度處理?xiàng)l件下，親本旗葉葉綠素含量和相對(duì)含水量均表現(xiàn)為寧春4號(hào)高于寧春27號(hào)；RILs群體旗葉葉綠素含量的CV表現(xiàn)為T3

表2 不同高溫脅迫條件下親本和RILs群體旗葉葉綠素含量

表3 不同高溫脅迫條件下親本和RILs群體旗葉相對(duì)含水量

由表4和表5可知，隨著處理溫度升高，RILs群體及其親本的穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量逐漸降低。相同高溫脅迫條件下，RILs群體灌漿中期處理比灌漿后期處理的變異程度大，說明灌漿中期高溫處理對(duì)穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量影響較大，且灌漿中期38 ℃高溫處理后RILs群體穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量降低最多。親本和RILs群體的穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量均表現(xiàn)為寧春4號(hào)優(yōu)于寧春27號(hào)。綜上，寧春4號(hào)的耐熱性表現(xiàn)在生理性狀和產(chǎn)量性狀2個(gè)方面。RILs群體中穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量也表現(xiàn)出明顯的超親分離，偏度和峰度均較小，呈正態(tài)分布。表明RILs群體中控制高溫脅迫下穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量的等位基因也得到廣泛分離。因此，該群體也適合對(duì)產(chǎn)量性狀進(jìn)行QTL分析[23]。

表4 不同高溫脅迫條件下親本和RILs群體穗粒質(zhì)量

2.2 高溫脅迫條件下春小麥RILs群體生理及產(chǎn)量性狀QTL分析

由表6可知，在3種高溫脅迫條件下，共檢測(cè)到45個(gè)控制春小麥旗葉葉綠素含量、相對(duì)含水量、穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量的QTL。其中，控制葉綠素含量的QTL有13個(gè)，其表型貢獻(xiàn)率均大于10%，介于11.53%～32.39%，為主效QTL。對(duì)于Qcc-3B和Qcc-7B.2兩個(gè)QTL，等位基因來源于寧春27號(hào)，會(huì)降低葉綠素含量，其他的QTL增效等位基因均來自寧春4號(hào)，具有增加葉綠素含量的效應(yīng)，葉綠素含量的遺傳以加性效應(yīng)為主，其加性效應(yīng)為1.189 5～4.233 1。控制葉片相對(duì)含水量的QTL相對(duì)較少，為8個(gè)，其表型貢獻(xiàn)率均大于10%，為主效QTL。這8個(gè)QTL均在單一試驗(yàn)處理中被檢測(cè)到，說明葉片相對(duì)含水量受環(huán)境影響，其中寧春4號(hào)的等位基因可以增加旗葉葉片相對(duì)含水量。

由表6可知，在不同高溫脅迫條件下，共檢測(cè)到14個(gè)控制穗粒質(zhì)量的QTL，Qsgw-6D.1、Qsgw-4B.1、Qsgw-6A.1、Qsgw-3A、Qsgw-4D、Qsgw-2A的表型貢獻(xiàn)率均大于10%，為主效QTL。Qsgw-6A.1和Qsgw-4B.1降低穗粒質(zhì)量的效應(yīng)均來源于寧春27號(hào)，其他QTL提高穗粒質(zhì)量的效應(yīng)均來源于寧春4號(hào)。

由表6可知，在不同高溫脅迫條件下，共檢測(cè)到控制千粒質(zhì)量的QTL 10個(gè)，除Qtkw-2A和Qtkw-6D外，其他QTL的表型貢獻(xiàn)率均大于10%，為主效QTL。Qtkw-2B.2和Qtkw-7B.1增加千粒質(zhì)量的效應(yīng)均來源于寧春4號(hào)。在T3和T5處理?xiàng)l件下，均檢測(cè)到控制千粒質(zhì)量的Qtkw-2B.1，標(biāo)記區(qū)間為wmc661—wmc441。

由表6和圖1可知，T6處理?xiàng)l件下，控制葉綠素含量的Qcc-2A、控制穗粒質(zhì)量的Qsgw-2A均位于2A染色體上，標(biāo)記區(qū)間相同，均為gwm294—wmc644。T3和T5處理?xiàng)l件下，控制千粒質(zhì)量的Qtkw-2B.1位于2B染色體上，標(biāo)記區(qū)間為wmc661—wmc441。T2處理?xiàng)l件下，控制葉綠素含量的Qcc-5A、控制穗粒質(zhì)量的Qsgw-5A均位于5A染色體上，標(biāo)記區(qū)間相同，均為gwm415—cfa2190。T3和T4處理?xiàng)l件下，控制穗粒質(zhì)量的Qsgw-5D位于5D染色體上，標(biāo)記區(qū)間為cfd266—cfd67。

表6 高溫脅迫條件下小麥各性狀QTL定位分析

○：千粒質(zhì)量QTL(T1)；●：葉綠素含量QTL(T3)；△：葉綠素含量QTL(T6)；▲：葉片相對(duì)含水量QTL(T4)；◎：穗粒質(zhì)量QTL(T6)；☆：千粒質(zhì)量QTL(T3)；★：葉片相對(duì)含水量QTL(T5)；◆◇：千粒質(zhì)量QTL(T3)；□：千粒質(zhì)量QTL(T5)；■：穗粒質(zhì)量QTL(T5)； ▽：葉綠素含量QTL(T1)；▼：葉片相對(duì)含水量QTL(T6)；#：穗粒質(zhì)量QTL(T3)；@：葉綠素含量QTL(T5)；&：葉綠素含量QTL(T4)；＊：葉綠素含量QTL(T5)；≡∑：千粒質(zhì)量QTL(T3)；※：穗粒質(zhì)量QTL(T2)；§：穗粒質(zhì)量QTL(T5)；№：千粒質(zhì)量QTL(T2)；⊕：葉綠素含量QTL(T6)；⊙：葉片相對(duì)含水量QTL(T2)；【：葉片相對(duì)含水量QTL(T4)；】：穗粒質(zhì)量QTL(T5)；︻：葉綠素含量QTL(T2)；︼：穗粒質(zhì)量QTL(T2)；《：葉片相對(duì)含水量QTL(T1)；》：葉片相對(duì)含水量QTL(T2)；︽：葉綠素含量QTL(T1)；︾：葉綠素含量QTL(T3)；﹁：穗粒質(zhì)量QTL(T3)；﹂：穗粒質(zhì)量QTL(T4)；『：葉綠素含量QTL(T4)；』：穗粒質(zhì)量QTL(T2)；﹃：穗粒質(zhì)量QTL(T4)；〒：穗粒質(zhì)量QTL(T5)；﹄：葉片相對(duì)含水量QTL(T3)；々:穗粒質(zhì)量QTL(T1)；⊿：穗粒質(zhì)量QTL(T5)；¤：千粒質(zhì)量QTL(T3)；￠：葉綠素含量QTL(T4)；￡：葉綠素含量QTL(T5)；㊣：千粒質(zhì)量QTL(T3)；∏：千粒質(zhì)量QTL

(T5)；∈：穗粒質(zhì)量QTL(T1)

圖1春小麥灌漿期耐熱相關(guān)QTL在染色體上的分布

3 結(jié)論與討論

據(jù)預(yù)測(cè)，未來全球平均氣溫每升高1 ℃，小麥產(chǎn)量將減產(chǎn)約6%[24]。在我國(guó)，小麥籽粒灌漿期經(jīng)常遭遇30 ℃以上的高溫天氣，其危害面積可達(dá)小麥種植面積的2/3，使小麥減產(chǎn)10%～20%[25]。因此，挖掘作物抗高溫基因資源，進(jìn)而培育抗高溫新品種，來應(yīng)對(duì)氣候變暖的威脅，具有重要的戰(zhàn)略意義。

本研究采用人工搭建日光溫室增溫的大田鑒定方法，試驗(yàn)環(huán)境比較接近大田自然環(huán)境，是灌漿期高溫處理的較理想方法之一。寧春4號(hào)和寧春27號(hào)分別是寧夏回族自治區(qū)灌區(qū)和雨養(yǎng)地區(qū)2種生態(tài)環(huán)境下育成的具有代表性的優(yōu)良品種，它們的株高、葉形、穗型、籽粒大小等性狀差異很大。本研究以寧春4號(hào)×寧春27號(hào)雜交的RILs為作圖群體，檢測(cè)到13個(gè)控制小麥葉綠素含量的QTL，分別位于1D、2A、3A、3B、4B、5A、5D、6A、7B染色體上。Vijayalakshmi等[7]利用冬小麥耐熱品種Ventnor和熱敏感品種Karl92構(gòu)建了101個(gè)RILs，分別在2A、3A、3B、6A、6B、7A染色體上檢測(cè)到9、1、1、2、2、1 個(gè)控制葉綠素含量的QTL。Talukder等[13]利用GBS-SNP標(biāo)記構(gòu)建RILs小麥遺傳圖譜，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)控制葉綠素含量的QTL分別位于1B、1D、6A、7A染色體上，但這些QTL所在染色體區(qū)段與本研究結(jié)果均不一致。這可能是由于試驗(yàn)材料、鑒定方法以及QTL定位工具等不同造成的，這也說明了小麥耐熱機(jī)制的復(fù)雜性[26]。當(dāng)然，本研究也有與前人研究結(jié)果相近的地方[9,14-15]。例如，本研究與陳希勇等[9]均在5B染色體上檢測(cè)到與耐熱性有關(guān)的加性QTL，與Mason等[14]、李世平等[15]均在7B染色體上檢測(cè)到與耐熱性有關(guān)的加性QTL。

數(shù)量性狀一般受多個(gè)基因調(diào)控，環(huán)境條件對(duì)基因的表達(dá)也有一定影響，因此，導(dǎo)致QTL定位結(jié)果的重復(fù)性不高。本研究在T6和T2處理?xiàng)l件下分別檢測(cè)到Qcc-2A、Qsgw-2A和Qcc-5A、Qsgw-5A所在的染色體位置相同，分別位于標(biāo)記gwm294—wmc644和gwm415—cfa2190，其加性效應(yīng)均來自寧春4號(hào)。T3和T5處理?xiàng)l件下，控制千粒質(zhì)量的Qtkw-2B.1位于2B染色體上，標(biāo)記區(qū)間為wmc661—wmc441。T3和T4處理?xiàng)l件下，控制穗粒質(zhì)量的Qsgw-5D位于5D染色體上，標(biāo)記區(qū)間為cfd266—cfd67。數(shù)量性狀受環(huán)境影響較大，在2個(gè)及以上環(huán)境中重復(fù)出現(xiàn)的QTL才是穩(wěn)定表達(dá)的QTL。因此，利用永久性作圖群體，通過多年多環(huán)境的QTL分析檢測(cè)能夠穩(wěn)定表達(dá)的QTL，對(duì)小麥耐熱性遺傳改良和育種更具有實(shí)際意義[27]。