小麥穗頂部和基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)的全基因組關(guān)聯(lián)分析

馬婕龍，張 政，史雨剛，曹亞萍，孫黛珍，王曙光

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所，山西臨汾041000）

小麥（Triticum aestivumL.）作為主要糧食作物，為世界上1/3 以上的人口提供了能量來(lái)源[1-2]。隨著人口不斷增長(zhǎng)，糧食短缺將繼續(xù)是人類面臨的難題，所以，提高籽粒產(chǎn)量仍是未來(lái)小麥育種的主要目標(biāo)之一[3]。穗作為小麥地上部最后一個(gè)發(fā)育器官，它的發(fā)育情況將直接影響穗粒數(shù)，進(jìn)而影響小麥籽粒產(chǎn)量[4]。而穗頂部和基部結(jié)實(shí)粒數(shù)作為穗粒數(shù)重要組成部分，對(duì)穗粒數(shù)影響很大，但在小麥育種中往往容易被忽視[5]。

小麥花序呈復(fù)穗狀，多個(gè)互生的小穗在穗軸兩側(cè)交錯(cuò)排列，且每個(gè)小穗可分化出3～9 朵小花，但小穗上部小花由于發(fā)育時(shí)間短，往往會(huì)退化，而基部的2～5 朵小花則可以正常發(fā)育，同一穗中小花的發(fā)育順序取決于小花穗位，先穗中部小花，其次為穗基部和頂部小花[6-7]。顯然小麥穗部小花的發(fā)育并不是同步進(jìn)行的，且最先發(fā)育的小花可以繼續(xù)發(fā)育并形成籽粒，而后發(fā)育的小花更容易喪失生活力和生育力[8]。研究表明，小花的生育力與其在穗部位置密切相關(guān)[9]，環(huán)境因素和栽培措施也會(huì)影響小花的分化和發(fā)育以及結(jié)實(shí)率[10]。

穗頂部和基部小花低生育率在禾谷類作物中是非常常見(jiàn)的現(xiàn)象，如玉米的“禿頭”[11-12]。研究發(fā)現(xiàn)，在小麥中小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)與穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，穗頂部和基部小花低生育力會(huì)造成頂部和基部小穗結(jié)實(shí)率降低，將直接影響整穗穗粒數(shù)[13-14]。在水稻中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)影響穗頂部和基部小花發(fā)育的相關(guān)基因[15]。目前在小麥中關(guān)于穗頂部和基部結(jié)實(shí)粒數(shù)的相關(guān)研究報(bào)道較少，但是有較多關(guān)于不育小穗的研究。MA 等[16]通過(guò)利用重組自交系在13 條染色體上均檢測(cè)到與小花不育相關(guān)的QTL 位點(diǎn)；XU 等[17]利用不同氮磷水平下生長(zhǎng)的重組自交系群體，在2D 染色體上的Xwmc112～Xbarc168區(qū)間內(nèi)檢測(cè)到1 個(gè)與小花不育相關(guān)的QTL。

全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-wide association study，GWAS）是基于連鎖不平衡，對(duì)多個(gè)個(gè)體的目標(biāo)性狀與全基因組范圍內(nèi)的標(biāo)記進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，進(jìn)而挖掘出與目標(biāo)性狀相關(guān)的基因，可用來(lái)鑒定與復(fù)雜性狀相關(guān)聯(lián)的基因變異[18]。

本研究通過(guò)分析236 份小麥種質(zhì)資源在4 個(gè)環(huán)境下的穗頂部結(jié)實(shí)粒數(shù)和穗基部結(jié)實(shí)粒數(shù)，并與106 對(duì)SSR 標(biāo)記進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，篩選出相關(guān)的優(yōu)異等位變異，為分子標(biāo)記輔助選擇來(lái)提高小麥穗頂部結(jié)實(shí)粒數(shù)和基部結(jié)實(shí)粒數(shù)，進(jìn)而提高小麥產(chǎn)量提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究中所用的236 份小麥種質(zhì)資源由我國(guó)北方冬小麥育成品種和骨干親本組成，包括225 份國(guó)內(nèi)品種、5 份國(guó)外品種以及6 份來(lái)源未知的品種。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料于2016 年9 月和2017 年9 月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作站小麥試驗(yàn)基地種植，包括雨養(yǎng)（DS）和灌溉（WW）2 種水分處理，共4 種環(huán)境，即2017DS、2017WW、2018DS 和2018WW。其中，干旱條件為在小麥生長(zhǎng)發(fā)育期間只依靠自然降雨補(bǔ)充水分，不增加人工灌溉；灌溉是指除自然降雨外，還根據(jù)田間墑情分別于越冬前、返青期、拔節(jié)期和灌漿中期增加人工灌溉。每個(gè)處理均為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3 次，播種時(shí)，每份材料挑選70 粒飽滿無(wú)損傷的種子，均勻點(diǎn)播在行長(zhǎng)2 m、行間距20 cm 的2 行小區(qū)內(nèi)。

成熟時(shí)每個(gè)材料選取10 個(gè)長(zhǎng)勢(shì)一致的穗子，分別檢測(cè)麥穗從頂部數(shù)第1、2、3 小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)（分別簡(jiǎn)稱頂1（T1）、頂2（T2）、頂3（T3））以及穗子從基部數(shù)第1、2、3 小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)（分別簡(jiǎn)稱基1（B1）、基2（B2）、基3（B3）），取平均值作為表型值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所用SSR 標(biāo)記的多態(tài)性篩選以及群體結(jié)構(gòu)分析參照張東等[19]的方法進(jìn)行，所有SSR 位點(diǎn)的等位變異數(shù)、等位基因頻率、多態(tài)性信息指數(shù)（PIC）參照LIU 等[20]的方法計(jì)算。參照EVANNO 等[21]利用K＋Q 的模型進(jìn)行亞群數(shù)量分析。使用TASSEL 3.0 軟件中的混合線性模型（MLM），根據(jù)計(jì)算出的Q 值和K 值進(jìn)行標(biāo)記與表型性狀數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析。群體表型數(shù)據(jù)利用SPSS 20.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同環(huán)境下小麥穗頂部和基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)的變化

表1 不同環(huán)境下小麥穗頂部和基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)的變異比較

通過(guò)調(diào)查2 a 共4 個(gè)環(huán)境下236 份小麥品種資源的穗頂部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)和基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)，結(jié)果表明（表1），所有性狀都存在較大的變異，穗頂部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)的變異系數(shù)為12.44%～29.69%，穗基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)的變異系數(shù)為13.14%～71.11%。比較發(fā)現(xiàn)，穗頂部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)的變異系數(shù)大多在20%左右，整體要低于穗基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)，穗基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)在多個(gè)環(huán)境條件下的變異系數(shù)都要高于20%。

在雨養(yǎng)條件下，穗頂部第1、2、3 小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)分別為0.13～3.13、0.20～3.07、0.40～4.33 粒，穗基部第1、2、3 小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)分別為0～3.00、0.40～3.60、0.80～4.93 粒。在灌溉條件下，穗頂部第1、2、3 小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)分別為0.20～4.27、0.33～3.20、0.47～3.00 粒，穗基部第1、2、3 小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)分別為0～3.70、0.27～4.20、1.07～4.40 粒。結(jié)果表明，小麥穗頂部結(jié)實(shí)粒數(shù)和基部結(jié)實(shí)粒數(shù)在群體品種間存在較大的遺傳變異。

2.2 小麥穗頂部和基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)與標(biāo)記間的關(guān)聯(lián)分析

利用穗頂部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)和基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)與SSR 標(biāo)記進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果表明（表2），在P＜0.01 水平下，共檢測(cè)到6 個(gè)位點(diǎn)與穗頂部第1 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著相關(guān)，表型解釋率為5.87%～30.73%，分別位于染色體1A、1D、2B、3B、6B和6D 上，其中，標(biāo)記Xgwm55（6D）關(guān)聯(lián)到2 個(gè)環(huán)境，即17DS 和17WW，表型解釋率分別為11.69%和20.62%；且除了Xgwm232（1D）和Xwmc361（2B）外，其他標(biāo)記的表型解釋率均高于10%，其中，Xgwm164（1A）的表型解釋率為30.73%，P值為1.15×10-9，均高于其他位點(diǎn)。檢測(cè)到9 個(gè)與穗頂部第2 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著相關(guān)的位點(diǎn)，表型解釋率為5.92%～20.56%，分別位于染色體2A、2D、3A、4D、5B 和5D 上，其中，Xgwm539（2D）和Xgwm484（2D）的表型解釋率高于其他各顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)，分別為20.56%和20.00%。檢測(cè)到7 個(gè)與穗頂部第3 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著相關(guān)的位點(diǎn)，表型解釋率為5.73%～15.34%，分別位于染色體1A、2A、2D、3B、4B、5D 和6D 上，除了標(biāo)記Xgwm102（2D）和Xgwm538（4B）外，其他標(biāo)記的表型解釋率均高于10%。與穗基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著相關(guān)的位點(diǎn)共檢測(cè)到5 個(gè)，其中與穗基部第1、2 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著相關(guān)的位點(diǎn)各有1 個(gè)，分別為Xgwm55（6D）和Xgwm5（3A），表型解釋率分別為11.50%和10.66%；與穗基部第3 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)有3 個(gè)，即Xgwm285（3B）、Xgwm161（3D）與Xcfe172（3D），表型解釋率分別為14.96%、16.22%和6.84%。

2.3 小麥穗頂部和穗基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)優(yōu)異等位變異及其效應(yīng)分析

對(duì)每個(gè)關(guān)聯(lián)位點(diǎn)優(yōu)異等位變異及其效應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明（表3），與穗頂部第1 個(gè)小穗的結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著相關(guān)的6 個(gè)位點(diǎn)中，Xgwm132-6B128等位變異效應(yīng)最大，可增加結(jié)實(shí)粒數(shù)0.14 粒；Xwmc361-2B216等位變異頻率最高，為74.63%，可增加結(jié)實(shí)粒數(shù)0.02 粒。與穗頂部第2 個(gè)小穗的結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著相關(guān)的9 個(gè)位點(diǎn)中，Xgwm102-2D142等位變異效應(yīng)最大，可增加結(jié)實(shí)粒數(shù)0.19 粒；Xgwm609-4D111等位變異頻率最高，為47.32%，可增加結(jié)實(shí)粒數(shù)0.08 粒。與穗頂部第3 個(gè)小穗的結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著相關(guān)的7 個(gè)位點(diǎn)中，Xgwm102-2D142等位變異效應(yīng)最大，可增加結(jié)實(shí)粒數(shù)0.20 粒；Xcfd266-5D165等位變異頻率最高，為50.24%，可增加結(jié)實(shí)粒數(shù)0.04 粒。與穗基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著相關(guān)的位點(diǎn)中，Xgwm55-6D128可增加基部第1 個(gè)小穗的結(jié)實(shí)粒數(shù)0.07 粒；等位變異頻率最高的是Xgwm5-3A168，為31.22%，可增加穗基部第2 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)0.17 粒；Xcfe172-3D144等位變異在18WW 環(huán)境下可增加穗基部第3 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)0.34 粒。

表3 關(guān)聯(lián)標(biāo)記的優(yōu)異等位變異及其效應(yīng)

3 討論

3.1 多環(huán)境下關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)及其優(yōu)異等位變異效應(yīng)

本研究在2 a 共4 種環(huán)境下對(duì)小麥穗頂部和基部第1、2、3 小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，共關(guān)聯(lián)到分布在1A、1D、2A、2B、2D、3A、3B、3D、4B、4D、5B、5D、6B 和6D 染色體上的27 對(duì)SSR 標(biāo)記，共檢測(cè)到28 個(gè)顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)，表型解釋率為5.73%～30.73%，且均檢測(cè)到對(duì)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)具有正向效應(yīng)的優(yōu)異等位變異。在與穗頂部結(jié)實(shí)粒數(shù)相關(guān)的位點(diǎn)中，Xgwm132-6B128等位變異可以增加穗頂部第1 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)0.14 粒；Xgwm102-2D142等位變異可以分別增加17WW 環(huán)境條件下的穗頂部第2、3 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)0.19、0.20 粒；在與穗基部結(jié)實(shí)粒數(shù)相關(guān)的位點(diǎn)中，Xgwm5-3A168、Xgwm161-3D153和Xcfe172-3D144等位變異在不同環(huán)境條件下可以分別增加穗基部第1、2、3 小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)0.17、0.29、0.34 粒；同時(shí)檢測(cè)到Xgwm55-6D128等位變異可分別增加穗頂部和基部第1 小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)0.04、0.07 粒。這些優(yōu)異等位變異對(duì)于利用標(biāo)記輔助選擇，增加小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)，進(jìn)而增加穗粒數(shù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 關(guān)聯(lián)位點(diǎn)的穩(wěn)定性和一因多效性

本研究中發(fā)現(xiàn)，Xgwm55（6D）在17DS 和17WW條件下，同時(shí)與穗頂部第1 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著關(guān)聯(lián)，在17DS 和18DS 條件下分別與穗基部第1 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)和穗頂部第3 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著關(guān)聯(lián)，而郭杰[22]研究發(fā)現(xiàn)，Xgwm55與穗基部第3 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著關(guān)聯(lián)；張東等[19]研究發(fā)現(xiàn)，Xgwm55在多個(gè)環(huán)境條件下與株高和穗長(zhǎng)顯著關(guān)聯(lián)；PERRETANT 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，Xgwm55與一個(gè)籽粒硬度相關(guān)的QTL 位點(diǎn)連鎖。本研究在17WW 條件下，檢測(cè)到標(biāo)記Xgwm95（2A）與穗頂部第3 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著關(guān)聯(lián)，在18DS 條件下與穗頂部第2 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著關(guān)聯(lián)，且Xgwm95-2A119等位變異頻率相對(duì)較高，為48.78%。魏添梅[24]在水、旱2 種環(huán)境下研究發(fā)現(xiàn)，Xgwm95與株高極顯著關(guān)聯(lián)；王暉等[25]檢測(cè)到一個(gè)千粒質(zhì)量QTL 位于2A 染色體的Xgwm372～Xgwm95標(biāo)記區(qū)間；張穎君等[26]利用洋小麥/中優(yōu)9507 建立的重組自交系群體，將與籽粒休眠相關(guān)的標(biāo)記定位在Xgwm372～Xgwm95標(biāo)記區(qū)間，與Xgwm95遺傳距離為1.4 cM；張娜等[27]研究發(fā)現(xiàn)，標(biāo)記Xgwm95與抗葉銹病基因Lr45連鎖。本研究發(fā)現(xiàn)，在17WW 條件下，Xgwm102（2D）同時(shí)與穗頂部第2、3 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著關(guān)聯(lián)。張政等[28]研究發(fā)現(xiàn)，該位點(diǎn)與小麥開(kāi)花期極顯著關(guān)聯(lián)。本研究發(fā)現(xiàn)，17WW 和17DS 條件下，Xgwm285（3B）分別與穗頂部和穗基部第3 個(gè)小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著關(guān)聯(lián)。常成等[29]研究發(fā)現(xiàn)，Xgwm285與除草劑抗藥性顯著相關(guān)。顯然，以上檢測(cè)到的這4 個(gè)位點(diǎn)具有穩(wěn)定性和一因多效性，為今后分子標(biāo)記輔助育種提供了重要參考價(jià)值。

4 結(jié)論

本研究利用4 個(gè)環(huán)境條件下的小麥穗頂部和基部結(jié)實(shí)粒數(shù)與106 對(duì)SSR 標(biāo)記進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，共檢測(cè)到28 個(gè)顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)Xgwm132-6B128、Xgwm102-2D142、Xgwm5-3A168、Xgwm161-3D153以及Xcfe172-3D144為增加小麥穗頂部或基部小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)的優(yōu)異等位變異位；發(fā)現(xiàn)Xgwm55（6D）、Xgwm95（2A）、Xgwm102（2D）和Xgwm285（3B）為多環(huán)境下穩(wěn)定檢測(cè)到具有一因多效性的標(biāo)記位點(diǎn)，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于改善小麥穗頂部和基部結(jié)實(shí)粒數(shù)，增加籽粒產(chǎn)量具有重要參考價(jià)值。