利用四交RIL群體定位小麥籽粒脫水速率QTL

朱冬梅,胡文靜,別同德,陸成彬,趙仁慧,高德榮，2

(1.江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游小麥生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，江蘇揚州 225007；2.揚州大學(xué)/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇揚州 225009)

小麥蠟熟末期，籽粒的營養(yǎng)物質(zhì)積累量最高，達到生理成熟，此后的脫水特性至關(guān)重要，關(guān)系到收獲時間、烘干晾曬成本和安全儲存。近年來，長江中下游麥區(qū)水稻直播面積擴大，導(dǎo)致小麥晚播現(xiàn)象嚴重[1]，收獲期經(jīng)常遇連續(xù)陰雨，籽粒水分過高易發(fā)生霉變，影響及時入庫。朱冬梅等[2]研究認為,不同小麥品種生理成熟期后的脫水速率存在差異；何賢芳等[3]認為，品種對蠟熟至收獲期小麥籽粒脫水速率有極顯著影響。因此，開展小麥籽粒生理成熟后脫水速率的遺傳機制研究，挖掘快速脫水的基因資源及相應(yīng)的QTL，對培育籽粒脫水快的品種尤為迫切和重要。已報道的關(guān)于谷物籽粒脫水速率遺傳特性的研究多集中在玉米上，研究結(jié)果表明，玉米籽粒自然脫水速率是可穩(wěn)定遺傳的數(shù)量性狀，受多基因控制，廣義遺傳力較高，以加性效應(yīng)遺傳為主[4-6]。學(xué)者們相繼利用各種遺傳群體定位到一些與玉米籽粒脫水速率相關(guān)的QTL[7-9]。迄今未見關(guān)于小麥籽粒脫水速率相關(guān)QTL定位的報道。

與傳統(tǒng)的雙親本定位群體RIL相比，多親本RIL群體定位 QTL具有以下優(yōu)勢:(1)多親本RIL群體中包含來源于不同親本的多個等位基因，可以發(fā)現(xiàn)不同來源的等位基因?qū)δ硞€性狀的影響[10-11]；(2)可選用育種中性狀優(yōu)異的材料作為親本，經(jīng)過多次重組創(chuàng)造大量的遺傳變異，群體中出現(xiàn)的優(yōu)良株系可用做育種中間材料或品系[12]。Huang等[13]構(gòu)建了小麥中第一套4親本RIL群體；隨后8親本和16親本的小麥MAGIC群體也相繼構(gòu)建完成[14]。水稻中，Bandillo等[15]選用育種中產(chǎn)量、抗性、米質(zhì)等性狀優(yōu)異的材料作為親本構(gòu)建了4套MAGIC群體。大麥、玉米等其他重要農(nóng)作物中也都完成MAGIC群體的構(gòu)建[16-17]，學(xué)者們相繼利用這些多親本RIL群體進行了多個農(nóng)藝性狀的QTL定位，獲得了許多性狀優(yōu)異的育種群體，為分子標記輔助育種提供了材料和技術(shù)支撐。

揚麥16、揚麥20和揚麥22系江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所培育的小麥品種，揚麥16是近年來長江中下游推廣面積最大的小麥品種，生理成熟后籽粒脫水快[2]。鎮(zhèn)麥168是鎮(zhèn)江丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所培育的品種，籽粒脫水亦較快。本研究以鎮(zhèn)麥168、揚麥20、揚麥16和揚麥22為親本創(chuàng)建的四親本RIL群體為材料，利用小麥15K SNP芯片構(gòu)建連鎖圖譜，定位小麥籽粒脫水速率的QTL，為小麥籽粒脫水性狀的研究和選育脫水快的品種提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗群體

將4 個小麥親本鎮(zhèn)麥168(Zhengmai 168,ZM168)和揚麥20(Yangmai 20,YM20)、揚麥16(Yangmai 16,YM16)和揚麥22(Yangmai 22,YM22)(表1)兩兩成對雜交(ZM168×YM20、YM16×YM22)，產(chǎn)生 2對雙親本雜交種，將 2對雙親本雜交種 F1再成對雜交產(chǎn)生四親本雜交種(ZM168/YM20//YM16/YM22)，四親本雜交種通過單粒傳法加代，自交 6 代,建成四交RIL群體,獲得 158個穩(wěn)定株系的ZM168/YM20//YM16/YM22群體。

表1 用于構(gòu)建四交RIL群體的品種來源及其主要特征Table 1 Origin and agronomic characteristics of the four varieties for developing the four-way wheat population

1.2 田間設(shè)計和脫水速率測定

試驗群體及親本于2018年在江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所灣頭試驗基地種植，適期播種，采用4重復(fù)隨機區(qū)組設(shè)計，每系種植3行，行長1.3 m，行距23 cm。肥料運籌為基施復(fù)合肥(N、P和K含量均為15%)800 kg·hm-1，壯蘗肥(尿素)50 kg·hm-1，拔節(jié)肥(尿素)200 kg·hm-1。開花期用多酮和吡蟲啉防治赤霉病、白粉病、蚜蟲等。其他管理與大田生產(chǎn)一致。在小麥開花期，每系選擇開花時期、穗型大小一致且無病蟲害的單穗50個掛牌標記，生理成熟期及其7 d后分別取樣，每系取10個標記的穗子，快速剝?nèi)∽蚜?，稱鮮重計數(shù)，在105℃下烘30 min殺青，80℃烘至恒重，計算籽粒含水率，籽粒含水率=(籽粒鮮重-籽粒干重)/籽粒鮮重×100%。前期試驗結(jié)果表明，所有系的籽粒水分含量從生理成熟期降至13%時的最短時間間隔是7 d。

脫水速率(%)=(生理成熟期籽粒含水率- 7 d后籽粒含水率)/7。

1.3 SNP基因型和群體結(jié)構(gòu)分析

采用中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所與中玉金公司合作開發(fā)的小麥15K SNP芯片對試驗群體及親本進行基因型分析，按以下 3 個步驟過濾 SNP 基因型數(shù)據(jù),一是將所有雜合基因型作為缺失數(shù)據(jù),刪除缺失率10%以上標記數(shù)據(jù)的株系; 二是剔除所有稀有等位基因頻率低于3%的標記; 三是刪除標記間相關(guān)性很高(在0.95 以上)的關(guān)聯(lián)標記。使用 TASSEL V5.2.3 軟件評估群體結(jié)構(gòu),由主成分分析(principal components analysis,PCA)中的 PC1 和 PC2 來揭示。

1.4 數(shù)據(jù)分析和 QTL 定位

使用 SAS V9.2(SAS Institute Inc. Cary NC,USA) PROCGLM對試驗群體和親本的表型進行統(tǒng)計分析。利用GAPL軟件(http://www.isbreeding.net)[18-19]對群體進行連鎖作圖和QTL定位；以LOD=2.5為閾值確定與小麥脫水速率顯著相關(guān)的QTL。QTL的命名方法為“Q”加性狀縮寫，加單位名稱縮寫，加QTL所在的染色體，同一染色體上多個QTL用.1、.2、.3……來表示。為了與前人結(jié)果比較，將連鎖標記或者基因的序列與中國春在Ensembl Plants數(shù)據(jù)庫(http://plants.ensembl.org/)中的參考基因組序列進行比對，獲得標記或者基因的物理位置。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及群體的脫水速率表現(xiàn)

由表2可以看出，揚16和鎮(zhèn)麥168的平均脫水速率顯著高于揚麥20和揚麥22，群體脫水速率的最小值和最大值之間差異明顯，與親本的表型值相比存在超親分離。統(tǒng)計分析表明，脫水速率的遺傳力是0.85，群體的偏度和峰度絕對值均小于1，分布呈連續(xù)的正態(tài)分布。

表2 親本和群體的脫水速率表型值統(tǒng)計分析Table 2 Statistic analysis of dehydration rate for the parents and population

2.2 SNP分析和群體結(jié)構(gòu)

過濾15K SNP基因型數(shù)據(jù)，最終在群體中得到2 761個高質(zhì)量 SNP 位點用于群體結(jié)構(gòu)分析，主成分分析結(jié)果表明，群體的 PC1 和 PC2分別是5.9%和5.8%,沒有表現(xiàn)出明顯的群體結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 群體的主成分分析結(jié)果

2.3 連鎖作圖

利用過濾后得到的2 761個高質(zhì)量SNP位點，經(jīng)過GAPL(http://www.isbreeding.net)的SNP功能剔除無效標記和BIN功能去冗余分析后，得到672個SNP標記構(gòu)建連鎖圖譜。圖譜覆蓋小麥21條染色體，長度為13 167.1 cM，標記間平均距離是19.6 cM。分布于小麥A、B和D染色體組的標記數(shù)分別為273、241和158個，連鎖長度分別為5 361.8、4 744.0和3 061.3cM。

2.4 脫水速率 QTL 定位

共檢測到12個與脫水速率顯著相關(guān)的QTL(圖2，表3)，將連鎖標記序列與中國春的EnsemblPlants數(shù)據(jù)庫(http://plants.ensembl.org/)參考基因組序列進行比對，發(fā)現(xiàn)12個QTL分布在1AL(2)、2AL、3BS、3BL、4AS、5BL、6DL、7AL、7BS、7BL和7DS上，其中，脫水速率增效基因QDR-yaas-6DL、QDR-yaas-1AL.1和QDR-yaas-3BL僅來自揚麥16(加性效應(yīng)為正)，分別位于6D染色體的445.8～450.7 Mb、1A染色體的519.3～521.3 Mb和3B染色體的493.1～493.6 Mb 處，LOD值分別是2.9、3.9和3.1，可解釋表型變異率的8.1%、7.6%和2.8%。脫水速率增效基因QDR-yaas-1AL.2、QDR-yaas-2AL、QDR-yaas-4AS和QDR-yaas-7DS僅來自鎮(zhèn)麥168(加性效應(yīng)為正)，分別位于1A 染色體的 563.3～ 589.7 Mb、2A染色體的697.4～698.2 Mb、4A染色體的 23.2～26.0 Mb和7D染色體的 72.5～ 75.2 Mb，LOD值分別是2.5、3.0、2.6和2.7，可解釋表型變異率的3.6%～4.2%。脫水速率增效基因QDR-yaas-5BL僅來自揚麥20(加性效應(yīng)為正)，位于5B染色體的682.7～ 685.3 Mb，LOD值是2.7，可解釋表型變異率 5.4%。脫水速率增效基因QDR-yaas-3BS和QDR-yaas-7BS同時來自揚麥20和揚麥16(加性效應(yīng)為正)，分別位于3B染色體的15.2～15.7 Mb、7B染色體的124.1～135.0 Mb，LOD值分別是3.4和3.8，可解釋表型變異的3.2%和 3.8%。QDR-yaas-7AL和QDR-yaas-7BL脫水速率增效基因同時來自鎮(zhèn)麥168和揚麥16(加性效應(yīng)為正)，分別位于7A染色體的593.5～611.5 Mb、7B染色體的692.9～693.2 Mb，LOD值分別是4.3和3.3，可解釋的表型變異的4.8%和5.9%。

虛線表示LOD閾值=2.5。

表3 群體中檢測到的脫水速率相關(guān)QTLTable 3 Quantitative trait loci(QTLs) for dehydration rate in population

3 討 論

3.1 同類QTL的研究比較

前人研究玉米籽粒脫水遺傳特性，發(fā)現(xiàn)籽粒脫水速率與一些其他性狀相關(guān)。如Capelle 等[20]測定了玉米29個性狀共找到了 78個QTL，其中與玉米籽粒脫水相關(guān)的QTL位點43個，控制ABA含量有關(guān)的QTL位點20個，有10個位點在控制ABA含量與控制水分的QTL間具有共線性。向 葵[21]整理了已發(fā)表的玉米籽粒含水量 QTL和抗穗粒腐病性QTL的文獻，利用元分析方法找到了 14 個“一致性”QTL 位點。國內(nèi)外關(guān)于小麥籽粒脫水速率相關(guān)QTL的定位研究未見報道，本研究首次利用小麥四交RIL群體定位出12個與小麥籽粒脫水速率相關(guān)的QTL，我們后續(xù)將對該群體與脫水速率顯著相關(guān)農(nóng)藝性狀(如灌漿速率、千粒重)和抗病QTL進行深一步研究，以期明確小麥籽粒生理成熟后與脫水相關(guān)的一些性狀的分子遺傳機理。

3.2 QTL的遺傳分析

揚麥16和鎮(zhèn)麥168均表現(xiàn)脫水速率快。本研究定位結(jié)果顯示，揚麥16中對脫水速率增效的QTL有7個，鎮(zhèn)麥168中對脫水速率增效的QTL有6個，其中來自揚麥16的QDR-yass-6DL對脫水速率的貢獻率最大，為8.1%。揚麥16的組合是揚麥158優(yōu)系(91F138)/揚90-30，鎮(zhèn)麥168的組合是蘇麥6號/揚97G59(揚97G59是揚麥158的抗白粉病回交系)，已有研究表明，揚麥158成熟后期籽粒脫水較快[2]，因此推測揚麥158對鎮(zhèn)麥168與揚麥16的脫水性狀有一定貢獻。揚麥20脫水速率慢，QTL定位結(jié)果表明其對脫水速率增效的QTL有3個，揚麥20的組合是揚麥10號/揚麥9號，揚麥10號是以揚麥158為輪回親本育成的抗白粉品種，推測揚麥158為揚麥20貢獻了較少的對脫水速率增效的基因。說明小麥籽粒脫水速率屬于多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀，在遺傳背景的影響下，脫水速率慢的材料中也會存在增效基因。

3.3 QTL的有效性分析

由于本研究所用芯片通量不高，造成在群體中呈現(xiàn)多態(tài)的標記數(shù)量有限，所定位的置信區(qū)間較大，因而無法有效實現(xiàn)脫水速率相關(guān)QTL的剖析,使得多親本群體在基因定位上的優(yōu)越性受到一定程度的制約。已有研究表明，玉米籽粒脫水速率是數(shù)量性狀，不僅受遺傳因素影響和后期環(huán)境因素影響，還受2者互作效應(yīng)的影響，因此在不同產(chǎn)區(qū)測出的結(jié)果不盡相同[22]。本研究選擇在揚州點進行1年小麥四交RIL群體籽粒生理成熟后脫水速率測定及相關(guān)QTL定位，可以作為一個初級定位結(jié)果，其有效性和穩(wěn)定性還有待進一步試驗。為此本研究小組在2019年已經(jīng)對該四交RIL群體增加了相對環(huán)境較穩(wěn)定易控制的溫室評價，以驗證初定位的結(jié)果，并且正在利用小麥參考基因組序列，針對目標區(qū)域開發(fā)分子標記，增加圖譜密度，對目標QTL區(qū)域進一步精密定位和驗證。

4 結(jié) 論

本研究在四親本RIL群體中共檢測到與小麥籽粒脫水速率相關(guān)的QTL 12個，多數(shù)脫水速率快的QTL來源于揚麥16和鎮(zhèn)麥168，其中來源于揚麥16的QDR-yaas-6DL、QDR-yaas-1AL.1效應(yīng)較大；發(fā)現(xiàn)小麥籽粒脫水速率性狀存在超親分離現(xiàn)象。本研究為小麥生理成熟后籽粒脫水性狀的深入研究奠定基礎(chǔ)。

致謝:感謝中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所數(shù)量遺傳課題組張魯燕研究員提供GAPL軟件并在進行四親本RIL群體定位QTL中給予指導(dǎo)。