小麥粒形QTL定位及其與水分環(huán)境互作遺傳分析

何 瑞，馬靖福，劉 媛，張沛沛，栗孟飛， 王彩香，宿俊吉，程宏波，楊德龍

(1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

小麥(Triticumaestivum)是世界上最重要的谷類作物之一，全球的年產(chǎn)量在7億噸左右，占世界糧食生產(chǎn)總量的三分之一[1]。我國小麥主要種植在降雨量偏少的北方雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，該區(qū)域小麥生育期內(nèi)經(jīng)常遭受不同程度的干旱脅迫，嚴(yán)重限制小麥生長發(fā)育，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降[2-3]。因此，改善小麥自身的抗旱性與節(jié)水潛能，降低干旱對小麥產(chǎn)量的潛在影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)干旱地區(qū)小麥增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)是當(dāng)今小麥研究的熱點(diǎn)方向。

粒形是小麥品質(zhì)評定的主要指標(biāo)，籽粒的長、寬、厚和周長等與粒重具有高度的相關(guān)性，并對小麥產(chǎn)量具有潛在影響[4-8]。小麥的粒形是由多基因控制的數(shù)量性狀，遺傳模式復(fù)雜，容易受到環(huán)境因素的影響[9]。許多學(xué)者利用不同遺傳背景的重組自交系群體(recombinant inbred lines，RIL)[10-14]和加倍單倍體群體(double haploid lines，DH)[15-17]在多種環(huán)境條件下對小麥的粒形進(jìn)行QTL定位，發(fā)現(xiàn)控制粒形的QTL覆蓋小麥的所有染色體，且在不同作圖群體和環(huán)境中QTL的數(shù)目和表達(dá)特點(diǎn)各不相同，其表達(dá)模式復(fù)雜。Kumari等[12]以NW1014×HUW468為親本構(gòu)建的RIL群體進(jìn)行QTL定位分析，發(fā)現(xiàn)控制粒長、粒寬、長寬比和周長的QTL分布在1A、2B、4A、5A、6A、7A和7D染色體上，單個QTL可解釋7.98%～55.86%的表型變異。周小鴻等[13]以Q1038×ZM9023為親本構(gòu)建的RIL群體在三個不同的環(huán)境中檢測到24個與粒長、粒寬、粒厚和長寬比有關(guān)的QTL和7個QTL富集區(qū)，單個QTL可解釋5.37%～12.75%的表型變異。Chen等[16]以Hanxuan 10×Lumai 14為親本構(gòu)建的DH群體為研究材料，在六個不同的環(huán)境檢測到28個與粒長、粒寬和長寬比相關(guān)的QTL，分別位于1B、2B、2D、4A、5A、5B、5D、6A、6B、7A和7B染色體上，單個QTL可解釋6.57%～ 20.99%的表型變異。Williams等[17]在兩個DH群體(W7984/Opata M85和Cayuge/Caledonia)中將36個與粒長、粒寬和粒厚有關(guān)的QTL定位在14條染色體上。然而，前人的研究主要集中在發(fā)掘控制小麥粒形QTL，及其加性效應(yīng)分析方面，但對這些性狀的上位性效應(yīng)及QTL與環(huán)境互作的遺傳剖析研究甚少，很難深入解析這些性狀的遺傳基礎(chǔ)。本研究以抗旱性強(qiáng)的冬小麥品種隴鑒19和水地高產(chǎn)品種Q9086為親本創(chuàng)建的RIL群體為供試材料，在兩個水分環(huán)境條件下，對粒形相關(guān)性狀進(jìn)行QTL定位和遺傳解析，以期為小麥粒形相關(guān)性狀QTL的進(jìn)一步精細(xì)定位和基因圖位克隆提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以抗旱性強(qiáng)的冬小麥品種隴鑒19和水地高產(chǎn)品種Q9086為親本創(chuàng)建的RIL群體120個株系為供試材料，兩親本在抗旱性和產(chǎn)量等相關(guān)農(nóng)藝性狀上有顯著差異[18]。

1.2 田間試驗(yàn)與性狀測定

試驗(yàn)材料于2016年10月至2017年7月和2017年10月至2018年7月在甘肅省榆中縣小麥試驗(yàn)點(diǎn) (35°51'N，104°07'E)種植，兩個年份環(huán)境依次記為E1和E2。該區(qū)域?qū)儆谖鞅眱?nèi)陸典型干旱區(qū)，年降雨量在400 mm以下，年蒸發(fā)量為 1 500 mm。小麥播前施基肥(K2O 60 kg·hm-2，N 180 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2)，此后整個小麥生育期內(nèi)均不再施肥。田間試驗(yàn)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理3次重復(fù)，均為稀條播，6行區(qū)，每行點(diǎn)播60粒，行長1.0 m，行距0.2 m。水分處理分為干旱脅迫(drought stress, DS)和正常灌溉(well-watered, WW)。播前統(tǒng)一灌水(900 m3·hm-2)，灌溉處理在在小麥生長發(fā)育的拔節(jié)期、抽穗期和開花期分別補(bǔ)充灌1次，每次灌水量為750 m3·hm-2；干旱脅迫處理僅在拔節(jié)期灌水750 m3·hm-2，其后完全依靠自然降水，兩個年份小麥生育期內(nèi)降水量分別為142 mm和137 mm。

小麥成熟后，使用萬深SC-G自動考種分析儀測定籽粒的長、寬、長寬比、周長及千粒重；使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺(精度為0.02 mm)測定其粒厚。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與QTL定位分析

采用SPSS V19.0統(tǒng)計(jì)軟件對粒形性狀的表型進(jìn)行描述分析、方差分析和相關(guān)分析。采用Toker[19]的方法計(jì)算廣義遺傳力。

利用前期構(gòu)建的小麥RILs群體遺傳連鎖圖譜進(jìn)行粒形的QTL定位分析，該連鎖圖譜共定位了524個SSR標(biāo)記，形成的21個連鎖群組覆蓋小麥的所有染色體，全長2 266.7 cM，兩標(biāo)記間的平均遺傳距離為4.3 cM[20-21]。利用QTL IciMapping V4.0軟件，采用復(fù)合區(qū)間作圖法CIM(composite interval mapping)檢測干旱脅迫和正常灌水條件下RIL群體粒形的加性QTL(A-QTL)和上位性QTL(AA-QTL)及其與環(huán)境的互作效應(yīng)，掃描步長為2.0 cM。以LOD≥2.5為閾值判斷QTL是否存在，利用各QTL的加性效應(yīng)、上位性效應(yīng)及其與環(huán)境的互作效應(yīng)解析其對控制小麥粒形相關(guān)性狀的遺傳基礎(chǔ)。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型分析

在不同的水分環(huán)境中，RIL群體及其雙親的粒長、粒寬、粒厚、長寬比和周長表型差異顯著(表1)。干旱脅迫條件下的各粒形性狀表型值均顯著低于灌溉處理，親本Q9086的粒形性狀表型值均顯著高于隴鑒19，但RIL群體干旱脅迫條件下的變異系數(shù)高于灌溉處理，分別為3.71%～6.34%(DS)和2.88%～5.42%(WW)，說明干旱脅迫處理導(dǎo)致粒形性狀的表型變異增大。RIL群體粒形性狀的表型均值介于兩個親本之間，且存在超親分離現(xiàn)象，偏度和峰度普遍小于1，表現(xiàn)出典型的數(shù)量遺傳特點(diǎn)。

2.2 粒形QTL加性效應(yīng)及其與水分環(huán)境的互作

在不同水分環(huán)境條件下，共定位到26個控制粒形相關(guān)性狀的A-QTL，主要分布在1B、1D、3B、4B、5A、5B、5D、6A和7B染色體上(表4，圖1)?？刂屏ｉL和周長的A-QTL各有5個，控制粒寬和長寬比的A-QTL各有6個，控制粒厚的A-QTL有4個，單個A-QTL對表型變異的貢獻(xiàn)率為3.60%～13.90%。其中Qkl.acs-1B.1、Qkw.acs-6A.1和Qkp.acs-1B.1對表型變異的貢獻(xiàn)率較大，分別為13.90%、11.07%和13.38%。有12個A-QTL對表型變異有正向效應(yīng)(0.02**～ 0.19**)，其增效等位基因來自于親本Q9086，其余14個A-QTL對表型變異有負(fù)向效應(yīng) (-0.13**～-0.02**)，其增效等位基因來自于親本隴鑒19。這表明控制粒形相關(guān)性狀的增效等位基因在兩個親本之間均有分布。但控制粒長和周長的增效等位基因70%來自Q9086，控制粒厚和長寬比的增效等位基因80%來自隴鑒19，說明親本Q9086在RIL群體中貢獻(xiàn)了較多的調(diào)控粒長和周長的基因，而隴鑒19貢獻(xiàn)了較多的調(diào)控粒厚和長寬比的基因。另外，檢測到16個A-QTL與水分環(huán)境互作顯著，但是并未發(fā)現(xiàn)能在不同水分環(huán)境條件下穩(wěn)定表達(dá)的位點(diǎn)，其中有8個A-QTL與干旱環(huán)境的互作表現(xiàn)為正效應(yīng) (0.01**～0.05**)，增加了粒形相關(guān)性狀表型值，其余8個A-QTL與干旱脅迫環(huán)境的互作表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)(-0.03**～ -0.01**)，降低了粒形相關(guān)性狀表型值，這些A-QTL與水分環(huán)境互作的貢獻(xiàn)率均較低，為 0.11%～3.05%。

表1 不同水分環(huán)境中小麥RIL群體粒形性狀的表型分布Table 1 Phenotypic values of kernel morphology in the wheat RILs population under different environments

表2 小麥RIL群體粒形性狀方差分析Table 2 Variance analysis of kernel morphology traits in the wheat RILs population

表3 不同處理下小麥RIL群體粒形性狀的相關(guān)性Table 3 Correlation of kernel morphology traits in the wheat RILs population under different treatments

從圖1可知，控制粒形的A-QTL不勻分布在不同染色體或同一染色體的不同區(qū)間，其位點(diǎn)數(shù)目為2～6個，形成了7個QTL熱點(diǎn)區(qū)域，即Xgwm153～Xmag981(1B)區(qū)間檢測到控制粒長和周長的A-QTL；Xwmc231～Xbarc173(3B)和Xbarc59～Xbarc232(5B)區(qū)間檢測到控制長寬比和粒寬的A-QTL；Xgwm149～Xgwm495(4B)和Xgwm186～Xcfa2185(5A)區(qū)間檢測到控制粒長和周長的A-QTL；Xgwm292～Xwmc161(5D)區(qū)間檢測到控制粒厚和粒寬的A-QTL；Xksum255～Xbarc171(6A)區(qū)間檢測到控制周長和粒寬的A-QTL。

2.3 粒形QTL上位性效應(yīng)及其與水分環(huán)境的互作

在不同水分環(huán)境條件下，共定位到22對控制粒形相關(guān)性狀的AA-QTL，主要分布在1A、1B、2A、2B、2D、3A、3B、3D、4A、4B、5B和6B染色體上(表5)?？刂屏ｉL和粒寬的AA-QTL各有4對，控制粒厚的AA-QTL有6對，控制長寬比的AA-QTL有3對，控制周長的AA-QTL有5對，對表型變異的貢獻(xiàn)率為0.52%～2.76%，這些AA-QTL主要是通過微效A-QTL之間的互作形成。其中，8對AA-QTL的上位性效應(yīng)表現(xiàn)為正效應(yīng)(0.03**～0.20**)，即親本型上位性效應(yīng)大于重組型上位性效應(yīng)；其余14對AA-QTL的上位性效應(yīng)表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)(-0.25**～ -0.03**)，即重組型上位性效應(yīng)大于親本型上位性效應(yīng)。另外，檢測到12對AA-QTL與水分環(huán)境發(fā)生顯著的互作效應(yīng)，其中6對AA-QTL與干旱脅迫環(huán)境的互作效應(yīng)表現(xiàn)為正效應(yīng) (0.01**～0.06**)，增加了粒形相關(guān)性狀表型值，其余6對AA-QTL與干旱脅迫環(huán)境的互作效應(yīng)表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)(-0.05**～ -0.01**)，降低了粒形相關(guān)性狀表型值，但這些AA-QTL與水分環(huán)境互作的貢獻(xiàn)率較低，為0.15%～0.82%。

表4 不同環(huán)境條件下小麥RIL群體粒形性狀QTL加性效應(yīng)及其與水分環(huán)境互作Table 4 Addictive effects and interaction effects of QTL×water environment of the identified QTL on kernel morphology traits of the RILs population in wheat under different environments

3 討 論

研究表明小麥粒形是由多基因控制的數(shù)量性狀，遺傳模式復(fù)雜[9,22-24]。在不同遺傳背景的作圖群體中檢測到粒形QTL的數(shù)目和位置存在差異[10,14,16]，在相同作圖群體的不同環(huán)境中QTL的結(jié)果也會有所不同[10-16]，說明粒形性狀QTL的表達(dá)模式受環(huán)境和作圖群體的影響。本研究利用抗旱性和粒形有顯著差異的兩個冬小麥品種隴鑒19和Q9086為親本創(chuàng)建的RIL群體，在兩個水分環(huán)境條件下對小麥粒形相關(guān)性狀進(jìn)行QTL定位，共檢測到26個A-QTL，每個環(huán)境中A-QTL表達(dá)的數(shù)量和位置均不同，在兩種環(huán)境中并未檢測到穩(wěn)定表達(dá)的A-QTL，這進(jìn)一步說明了控制小麥粒形相關(guān)性狀的A-QTL表達(dá)容易受到環(huán)境因素的影響。本研究在1B、1D、3B、4B、5A、5B、5D、6A和7B染色體上檢測到了控制粒長、粒寬和粒厚的A-QTL，這與前人[11,14-15,17,22]的研究一致，說明上述染色體上可能存在調(diào)控籽粒生長發(fā)育的重要基因，這些穩(wěn)定表達(dá)的A-QTL可用于進(jìn)一步精細(xì)定位。此外，周小鴻等[13]和Li等[24]在1D、2D、3B和4B染色體上發(fā)現(xiàn)了控制長寬比的A-QTL，Kumari等[12]在5A、4A和7B染色體上發(fā)現(xiàn)了控制周長的A-QTL，這與本研究的結(jié)果不同，推測Qkl/kw.acs-1B、Qkl/kw.acs-3B.1、Qkl/kw.acs-3B.2、Qkl/kw.acs-5B.1、Qkl/kw.acs-5B.2、Qkl/kw.acs-7B.1、Qkp.acs-1B.1、Qkp.acs-4B.1、Qkp.acs-5A、Qkp.acs-5B.1和Qkp.acs-6A可能是本研究新發(fā)現(xiàn)的控制長寬比和周長QTL。本研究在1B染色體的Xgwm153～Xmag981區(qū)間內(nèi)檢測到了控制粒長和周長的A-QTL，前人在相近區(qū)間發(fā)現(xiàn)了控制粒長[11,24]的A-QTL，但并未檢測到控制周長的A-QTL，推測可能是本研究發(fā)現(xiàn)的新位點(diǎn)。本研究在6A染色體的Xksum255～Xbarc171區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個貢獻(xiàn)率較大的位點(diǎn)Qkw.acs-6A.1，在與此相近的區(qū)間，Sun等[11]和Su等[25]也分別發(fā)現(xiàn)了控制粒寬和千粒重的A-QTL，因此，Qkw.acs-6A.1可能是分子標(biāo)記輔助選擇育種和產(chǎn)量相關(guān)性狀改良的重要位點(diǎn)。前人研究表明，加性和上位性及其二者與環(huán)境的互作效應(yīng)在數(shù)量性狀的遺傳中具有不可忽視的作用[26-30]，在粒形性狀遺傳中A-QTL的作用并不是完全獨(dú)立，還取決于它與其他位點(diǎn)或與環(huán)境因素的相互作用。本研究也證實(shí)了粒形性狀的遺傳模式受到加性和上位性及其二者與環(huán)境互作效應(yīng)的影響。本研究共檢測到22對控制粒形相關(guān)性狀的AA-QTL，它們對表型變異的貢獻(xiàn)率為0.52%～2.76%。參與上位性QTL的位點(diǎn)主要是微效QTL，與單個A-QTL的貢獻(xiàn)率(3.60%～13.90%)相比，它們的貢獻(xiàn)率較小，這與前人[26,29]研究結(jié)果一致，這說明粒形性狀的遺傳模式同時受到主效QTL的加性和微效QTL的上位性影響。本研究還發(fā)現(xiàn)各粒形性狀的A-QTL和AA-QTL與環(huán)境存在互作效應(yīng)，但它們與環(huán)境的互作效應(yīng)對表型變異的貢獻(xiàn)率較小，分別為0.11%～3.05%和0.15%～0.82%，這與前人[26,28]的研究結(jié)果相同，進(jìn)一步說明在加性效應(yīng)、上位性效應(yīng)及其二者與環(huán)境互作效應(yīng)中，加性和上位性效應(yīng)在粒形性狀的遺傳中起主要作用，加性×環(huán)境互作及上位性×環(huán)境互作效應(yīng)較小。

圖1 小麥RIL群體籽粒性狀QTL圖譜Fig.1 QTL map of kernel traits of the RIL population in wheat

表5 不同環(huán)境條件下小麥RIL群體粒形性狀QTL上位性效應(yīng)及其與水分環(huán)境互作Table 5 Epistatic effects and interaction effects with QTL×water environment of the identified QTL on the kernel morphology traits of the RILs population in wheat under different environments

基因型×環(huán)境互作是決定基因型在不利環(huán)境中適應(yīng)性的關(guān)鍵，導(dǎo)致的表型變異稱為表型可塑性，數(shù)量性狀的表型可塑性產(chǎn)生于QTL與環(huán)境之間的相互作用[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，水分環(huán)境是影響小麥粒形表型變異的重要因素，A-QTL中粒寬受水分環(huán)境影響最大，長寬比、周長、粒厚和粒長次之；AA-QTL中粒厚受水分環(huán)境影響最大，周長、長寬比、粒寬和粒長次之，這與前人[28,30]的研究結(jié)果不同，說明粒形相關(guān)性狀的QTL可以具有不同的表達(dá)模式，以響應(yīng)不同的環(huán)境。Yang等[20]也認(rèn)為這種現(xiàn)象可能是在不同環(huán)境中對QTL的檢測不一致，或QTL的表達(dá)會因不同環(huán)境的影響發(fā)生變化，說明小麥粒形遺傳模式復(fù)雜性。因此，只有利用不同的作圖群體并在多種環(huán)境條件下對粒形的加性、上位性及其與環(huán)境的互作效應(yīng)進(jìn)行深入地探究，才能更好更有效地解析粒形的遺傳機(jī)制。

粒形對小麥的產(chǎn)量具有潛在的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，粒長、粒寬、粒厚和周長與粒重具有顯著或極顯著的正相關(guān)，其中粒寬與粒重的相關(guān)性最高，說明粒寬對提高粒重具有重要的作用。本研究中還發(fā)現(xiàn)了7個A-QTL熱點(diǎn)區(qū)域(Xgwm153～Xmag981、Xwmc231～Xbarc173、Xgwm149～Xgwm495、Xgwm186～Xcfa2185、Xbarc59～Xbarc232、Xgwm292～Xwmc161、Xksum255～Xbarc171)，在其分子標(biāo)記區(qū)間內(nèi)同時控制著兩個粒形性狀。這些連鎖的分子標(biāo)記可為小麥粒形相關(guān)性狀QTL的進(jìn)一步精細(xì)定位和基因圖位克隆提供良好的理論基礎(chǔ)。