小麥冬前最大分蘗期根數(shù)的QTL定位

彭 濤，尹國紅，成東梅，于金林，趙偉峰，高 燕，田紀(jì)春，鄧志英

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)/作物生物學(xué)國家重點實驗室，山東 泰安 271018； 2.濟源市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 濟源 459002)

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，其生長發(fā)育狀況直接影響植株地上部的發(fā)育和產(chǎn)量[1-4]。小麥?zhǔn)琼毟底魑铮涓涤沙跎痛紊M成[5-6]。初生根由種子胚根發(fā)育而成，一般于小麥種子萌發(fā)后7～10 d集中發(fā)生，功能期主要集中在出苗到拔節(jié)期。次生根的發(fā)生，一般從小麥植株分蘗期開始，到抽穗開花時停止發(fā)育[6]，其發(fā)生有2個高峰，一個是冬前最大分蘗期，另一個是拔節(jié)到抽穗期。薛麗華等[7]研究發(fā)現(xiàn)，冬前最大分蘗期的次生根數(shù)與小麥的有效穗數(shù)密切相關(guān)。李鴻斐等[8]研究表明，強筋小麥冬前最大分蘗期的次生根數(shù)顯著高于中筋和弱筋小麥。綜上，小麥冬前最大分蘗期的初生根數(shù)、次生根數(shù)及總根數(shù)等根系性狀對小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要的影響。

CARADUS[9]分析作物不同根系形態(tài)性狀的遺傳力發(fā)現(xiàn)，根數(shù)、根長、根體積、根表面積、根直徑、根質(zhì)量、根冠比、根毛長度等衡量根系形態(tài)的指標(biāo)具有較高的遺傳力，表現(xiàn)出典型的數(shù)量性狀遺傳。由于根系深埋在土壤中，存在工作量大、難以獲得完整準(zhǔn)確的根系數(shù)據(jù)等問題，所以大多數(shù)根系研究主要利用水培或凝膠培養(yǎng)的方式在室內(nèi)模擬進(jìn)行根數(shù)、最大根長、根直徑、根表面積、根體積、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量等的遺傳分析[10-15]，而在大田土壤環(huán)境條件下開展小麥根系性狀的QTL定位分析的研究較少[16]。迄今，僅見王升星等[16]在大田土壤環(huán)境條件下以196份小麥自然群體為材料，于小麥越冬前、拔節(jié)期進(jìn)行次生根數(shù)測定，利用185對SSR標(biāo)記進(jìn)行基因型關(guān)聯(lián)分析，共關(guān)聯(lián)到32個顯著標(biāo)記位點，分布于14條染色體上，其中，Barc81(1BL)、Wmc617(4DS)和Gwm190(5DS) 在3個環(huán)境下與次生根數(shù)穩(wěn)定關(guān)聯(lián)。但其并未對總根數(shù)、初生根數(shù)進(jìn)行QTL定位分析。為此，本研究利用在根系性狀方面差異顯著的花培3號和豫麥57及其構(gòu)建的含有168個株系的加倍單倍體(DH)群體為材料，在3種土壤栽培環(huán)境條件下，對小麥冬前最大分蘗期根數(shù)(初生根數(shù)、次生根數(shù)和總根數(shù))進(jìn)行測定及QTL定位分析，旨在揭示小麥冬前最大分蘗期根數(shù)的分子遺傳基礎(chǔ)，以期找到有助于培育健壯根系的新的QTL，為小麥根系重要功能基因的克隆及分子標(biāo)記輔助選擇育種奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為168個DH群體，其由高產(chǎn)多抗的花培3號(母本)，優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、綜合性狀優(yōu)良的豫麥57(父本)雜交產(chǎn)生的F1通過花藥培養(yǎng)，并經(jīng)染色體加倍獲得。

DH群體的遺傳圖譜由本實驗室于2008年構(gòu)建[17]，含有定位于小麥21條染色體的323個位點(包括284個SSR、37個EST-SSR、1個ISSR和1個HMW-GS標(biāo)記)，使用MapChart 2.1[18]軟件作圖。圖譜全長2 485.7 cM，平均2個標(biāo)記間的遺傳距離是7.67 cM，形成24個連鎖群。

1.2 試驗設(shè)計

2013—2014年進(jìn)行盆栽試驗，于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行，簡稱泰安市盆栽試驗(E3)。選取DH群體168個家系及親本大小均勻一致、飽滿完整的種子各20粒，浸泡于10% H2O2中30 min，然后用蒸餾水沖洗干凈，播種于帶紗網(wǎng)孔的發(fā)芽板上，置入光照培養(yǎng)箱中。設(shè)置白天溫度為(22±2)℃，光照16 h，夜間溫度為(14±2)℃，黑暗8 h。種子萌發(fā)后，從每個家系中挑取12株生長健壯、長勢一致的幼苗，分別移栽到3個塑料盆中，重復(fù)3次。塑料盆底部有孔，盆深33 cm，上口直徑為32 cm，下口直徑為26 cm，盆栽土壤由75%農(nóng)田土壤和25%細(xì)砂土混合而成，其中，農(nóng)田土壤過篩去除石子、根莖等雜質(zhì)。每盆裝土15 kg，裝土前拌入復(fù)合肥(含總養(yǎng)分45%，N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15) 4 g。將土壤和肥料充分混勻后裝盆并澆水沉實，次日移栽。移栽日期為10月12日。在小麥幼苗生長期，及時防治雜草和病蟲害，進(jìn)行正常的水肥管理。

2014—2015年進(jìn)行田間栽培試驗，試驗材料種植在河南省濟源市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田和山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗農(nóng)場，簡稱濟源市田間試驗(E1)和泰安市田間試驗(E2)，完全隨機區(qū)組設(shè)計，2次重復(fù)，3行區(qū)種植，行長2 m，行距0.20 m，播種日期分別為10月5日和10月10日，基本苗150萬株/hm2。按當(dāng)?shù)匦←湲a(chǎn)量比較試驗方案進(jìn)行田間管理。

1.3 測定項目及方法

對于盆栽試驗，于12月22日取樣，取樣前先用水管澆透各塑料盆土壤，再將塑料盆浸泡在水中，然后仔細(xì)清洗各單株根系。每個家系隨機選6株，統(tǒng)計小麥冬前最大分蘗期初生根數(shù)、次生根數(shù)和總根數(shù)。

對于田間試驗，山東省泰安市試驗田和河南省濟源市試驗田的小麥材料分別于12月20日和12月25日取樣，用鐵鏟小心挖出帶土幼苗，再把帶土幼苗浸泡在水中，然后仔細(xì)清洗各單株根系，統(tǒng)計小麥冬前最大分蘗期初生根數(shù)、次生根數(shù)和總根數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理和QTL分析

利用Excel 2003對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和整理，使用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗、方差分析和相關(guān)性分析。

利用基于混合線性模型[19]的復(fù)合區(qū)間作圖軟件QTLNetwork 2.1[20]對小麥冬前最大分蘗期初生根數(shù)、次生根數(shù)和總根數(shù)等進(jìn)行QTL分析。QTLNetwork 2.1軟件的掃描窗口設(shè)定為10 cM，步長設(shè)定為1 cM，以單個環(huán)境中3個重復(fù)的平均值輸入數(shù)據(jù)，以P=0.005為統(tǒng)計檢測閾值，即當(dāng)某個根數(shù)性狀分子標(biāo)記的P值小于統(tǒng)計檢測閾值時，認(rèn)為該標(biāo)記處存在1個與根數(shù)性狀有關(guān)的QTL。最后將檢測到的所有QTL以及它們之間的上位性互作整合到一個全QTL模型中，用基于Gibbs抽樣的貝葉斯方法估計遺傳效應(yīng)。按照 MCINTOSH等[21]的方法命名QTL。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥冬前最大分蘗期根數(shù)分析

親本豫麥57的初生根數(shù)、次生根數(shù)和總根數(shù)均高于花培3號，尤其是次生根數(shù)和總根數(shù)。在DH群體中，冬前最大分蘗期初生根數(shù)、次生根數(shù)和總根數(shù)變異范圍較大。與2個田間試驗相比，盆栽條件下根數(shù)增多，變異范圍更大(表1)。不同環(huán)境條件下初生根數(shù)、次生根數(shù)和總根數(shù)3個性狀的偏度和峰度均較小，呈正態(tài)分布(表1，圖1—3)，說明該群體適合對根數(shù)進(jìn)行QTL定位。

表1 小麥冬前最大分蘗期DH群體根數(shù)的分析Tab.1 Analysis of root number of wheat DH population at maximum tillering stage before winter

注：E1：濟源市田間試驗，E2：泰安市田間試驗，E3：泰安市盆栽試驗；PRN：初生根數(shù)，SRN：次生根數(shù)，RTN：總根數(shù)。下同。

Note:E1 represents field test in Jiyuan City,E2 represents field test in Tai’an City,and E3 represents pot culture test in Tai’an City;PRN represents primary root number,SRN represents secondary root number,and RTN represents total root number.The same as below.

圖1 3個環(huán)境下小麥DH群體初生根數(shù)分布Fig.1 Distribution of primary root number of wheat DH population under three environments

圖2 3個環(huán)境下DH群體次生根數(shù)分布

圖3 3個環(huán)境下DH群體總根數(shù)分布

2.2 小麥冬前最大分蘗期根數(shù)性狀間的相關(guān)性分析

由表2可知，小麥冬前最大分蘗期總根數(shù)與初生根數(shù)、次生根數(shù)均呈極顯著正相關(guān)。與初生根數(shù)相比，次生根數(shù)與總根數(shù)相關(guān)性更高，在3個環(huán)境下相關(guān)系數(shù)分別為0.900、0.964、0.732，說明總根數(shù)主要由次生根數(shù)決定。次生根數(shù)與初生根數(shù)均呈正相關(guān)，但均未達(dá)到顯著水平。

表2 小麥冬前最大分蘗期DH群體根數(shù)性狀間的相關(guān)性分析(E1/E2/E3)Tab.2 Correlation analysis among root number traits of wheat DH population at maximum tillering stage before winter

注：**表示在0.01水平相關(guān)性極顯著。

Note:** represents significant correlation at 0.01 level.

2.3 小麥冬前最大分蘗期根數(shù)的QTL定位及效應(yīng)分析

3個栽培環(huán)境下，共定位了7個加性效應(yīng)QTL (表3和圖4) 和7對上位性互作QTL (表4)，分布在1B、2B、2D、3B、4A、4D、5D、6B、6D、7D染色體上。

對于初生根數(shù)，僅在E2環(huán)境下檢測到1個控制初生根數(shù)的加性效應(yīng)QTL，位于2B染色體上，表型貢獻(xiàn)率為7.03%，增效等位基因來源于母本花培3號。E2環(huán)境下未檢測到上位性互作QTL。

對于次生根數(shù)，在3個環(huán)境下均檢測到控制次生根數(shù)的加性效應(yīng)QTL，共4個，分別位于1B、4A、4D染色體上，可解釋表型變異的4.67%～16.56%，其中2個為主效QTL，位于1B染色體上的qSrn1B具有最大的表型貢獻(xiàn)率，可解釋16.56%的表型變異，其增效基因來源于父本豫麥57；位于4D染色體上的qSrn4D可解釋10.70%的表型變異，其增效基因來源于母本花培3號。在E1和E3環(huán)境下，檢測到3對控制次生根數(shù)的上位性互作QTL，分別位于染色體1B-2B、2B-4A、3B-5D上，可分別解釋6.90%、8.24%、5.24%的表型變異。

對于總根數(shù)，在E2和E3環(huán)境下，共檢測到影響總根數(shù)的2個加性效應(yīng)QTL，分別位于1B和6D染色體上，可分別解釋表型變異的12.80%和9.17%，其中，位于1B染色體上的qRtn1B是主效QTL，其增效基因來源于父本豫麥57。在E1和E3環(huán)境下，檢測到4對控制總根數(shù)的上位性互作QTL，分別位于染色體6B-7D、2B-4A、2D-6D、3B-5D上，可分別解釋14.45%、9.78%、7.57%、5.65%的表型變異，其中1對位于染色體6B-7D上的上位性互作 QTL(qRtn6B和qRtn7D)的表型貢獻(xiàn)率達(dá)14.45%，表明上位性效應(yīng)對該群體冬前最大分蘗期總根數(shù)的影響較大。

表3 小麥冬前最大分蘗期DH群體根數(shù)的加性效應(yīng)QTL Tab.3 Additive QTLs for root number of wheat DH population at maximum tillering stage before winter

■代表E2環(huán)境下的初生根數(shù)，○、◎ and ●分別代表E1、E2、E3環(huán)境下的次生根數(shù)，△、▲分別代表E2、E3環(huán)境下的總根數(shù)

總體來看，位于1B染色體上影響次生根數(shù)的QTL在2個泰安市環(huán)境下均被檢測到，該位點對次生根數(shù)能解釋4.67%～16.56%的表型變異，且該位點來源于父本豫麥57，為1個典型的主效QTL位點。但該位點在E1環(huán)境下未檢測到，需增加檢測年份或地點，以確定該位點在不同環(huán)境下的表達(dá)特性。在E3環(huán)境下，分別在2B-4A、3B-5D染色體上檢測到對次生根數(shù)、總根數(shù)有共同效應(yīng)的上位性互作QTL，可解釋表型變異的5.24%～9.78%。

表4 小麥冬前最大分蘗期DH群體根數(shù)的上位性互作QTL位點Tab.4 Epistatic QTLs for root number of wheat DH population at maximum tillering stage before winter

3 結(jié)論與討論

因根系深埋在土壤中，目前國內(nèi)外對小麥根系性狀的遺傳定位研究主要基于水培條件，而本研究在土壤條件下測定小麥DH群體的根數(shù)，其結(jié)果更具有實際參考價值。

本研究在田間環(huán)境和盆栽環(huán)境條件下，以花培3號和豫麥57雜交獲得的168個株系的DH群體為試驗材料，在土壤栽培條件下對冬前最大分蘗期的根系性狀進(jìn)行了QTL定位分析，共定位了小麥冬前最大分蘗期初生根數(shù)、次生根數(shù)、總根數(shù)3個根系性狀的7個加性效應(yīng)QTL和7對上位性互作QTL，分布在1B、2B、2D、3B、4A、4D、5D、6B、6D、7D染色體上，單個QTL可以解釋4.67%～16.56%的遺傳變異。根數(shù)的加性效應(yīng)QTL分別定位在1B、2B、4A、4D、6D染色體上，除1B染色體上的位點來自于父本豫麥57外，其余位點均來自于母本花培3號。其中，單個QTL對根數(shù)的表型貢獻(xiàn)率大于10%的主效QTL有3個，包括2個次生根數(shù)QTLqSrn1B(16.56%)、qSrn4D(10.70%)和1個總根數(shù)QTLqRtn1B(12.80%)。在1B染色體的標(biāo)記區(qū)間Xwmc406—Xbarc156同時存在控制次生根數(shù)、總根數(shù)的QTLqSrn1B、qRtn1B，分別解釋次生根數(shù)、總根數(shù)表型變異的16.56%、12.80%，可為小麥根系的分子標(biāo)記輔助選擇奠定基礎(chǔ)。經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)，在1B染色體上Xwmc406—Xbarc156區(qū)間控制次生根數(shù)和總根數(shù)的QTL，與利用同一DH群體定位的小麥穗部可育小穗數(shù)[22]、小麥籽粒清蛋白和球蛋白含量[23]QTL位于相同區(qū)間位置，表明控制次生根數(shù)和總根數(shù)的基因可能同時控制小麥穗部可育小穗數(shù)、籽粒清蛋白和球蛋白含量，其對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)均能產(chǎn)生影響；在4A染色體上控制次生根數(shù)的QTL與利用同一DH群體定位的籽粒產(chǎn)量、總小穗數(shù)、可育小穗數(shù)[22]、幼苗根長[24]QTL位于相同區(qū)間位置，表明控制次生根數(shù)的基因可能同時控制小麥籽粒產(chǎn)量、總小穗數(shù)、可育小穗數(shù)和幼苗根長。

本研究在1B、4A、4D染色體上檢測到在大田、盆栽環(huán)境下影響越冬前最大分蘗期次生根數(shù)的4個加性效應(yīng)QTL，而王升星等[16]在1A、1B、2D、3A、3B、4A、4D、5A、5B、5D、6B、6D、7A、7B等14條染色體上關(guān)聯(lián)到大田環(huán)境下控制越冬前、拔節(jié)期次生根數(shù)的32個顯著標(biāo)記位點，其中越冬前次生根數(shù)顯著關(guān)聯(lián)標(biāo)記有11個，分布在1B、2D、3A、4D、5A、5D染色體上，表明1B、4A、4D等染色體上存在控制次生根數(shù)的重要位點。本研究在2B染色體上檢測到1個控制初生根數(shù)的QTL，其所在標(biāo)記區(qū)間與先前定位到的控制根數(shù)的QTL標(biāo)記區(qū)間一致[13-15,25-28]。

通過比較發(fā)現(xiàn)，一些染色體區(qū)間是控制根系性狀的熱點區(qū)間，這與在不同作物中發(fā)現(xiàn)相關(guān)性狀QTL常常定位于相同或相近染色體區(qū)段的研究結(jié)論一致[22,29-31]。本研究中，在染色體1B的 Xwmc406—Xbarc156標(biāo)記區(qū)間同時存在控制次生根數(shù)和總根數(shù)的3個QTL，其中，2個主效位點qSrn1B和qRtn1B分別解釋次生根數(shù)和總根數(shù)表型變異的16.56%和12.80%。王升星等[16]在該區(qū)間內(nèi)關(guān)聯(lián)到了2個控制次生根數(shù)的QTL；屈春艷[32]在該區(qū)間關(guān)聯(lián)到了4個控制小麥根數(shù)的QTL，其中，QRn.sdau-1B.1的表型貢獻(xiàn)率達(dá)13.54%；李振興等[26]也在該區(qū)間定位了2個與根數(shù)相關(guān)的磷脅迫響應(yīng)QTL，其中，1個QTL的表型貢獻(xiàn)率達(dá)16.77%。染色體1B上具有控制次生根數(shù)和總根數(shù)的重要位點，該位點可能存在一因多效基因或緊密連鎖基因，本研究為進(jìn)一步在該區(qū)段內(nèi)發(fā)掘控制根系相關(guān)性狀的重要基因以及分子標(biāo)記育種奠定了基礎(chǔ)。