大麥株高類(lèi)性狀的遺傳分析與QTL定位

姚佳延,于國(guó)琦,洪 益,呂 超,許如根

(植物功能基因組學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省作物基因組學(xué)與分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,揚(yáng)州大學(xué) 農(nóng)業(yè)科技發(fā)展研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

大麥(Hordeum vulgareL.)種植面積和產(chǎn)量均居世界禾谷類(lèi)作物第四，僅次于玉米、水稻、小麥[1]。大麥具有適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民食物消費(fèi)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，大麥的利用價(jià)值正在被人們重視[4]。株高、穗下節(jié)間長(zhǎng)和穗長(zhǎng)與大麥生物產(chǎn)量及抗倒性密切相關(guān)，生物產(chǎn)量是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的基礎(chǔ)和高產(chǎn)前提，但株高和生物產(chǎn)量偏高會(huì)增加大麥的倒伏風(fēng)險(xiǎn)。不同用途大麥品種的株高類(lèi)性狀的要求不同，青貯大麥要求株高高、穗下節(jié)間長(zhǎng)，有利于形成高生物產(chǎn)量；籽粒用大麥要求株高矮、穗下節(jié)間和穗長(zhǎng)長(zhǎng)，有利于籽粒高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。此外，大麥株高類(lèi)性狀與株型構(gòu)成和抗倒伏性有關(guān)。因此，株高類(lèi)性狀是大麥品種改良的重要目標(biāo)性狀[5-6]。

大麥矮化育種主要使用的半矮化基因有short culm 1 (hcm1)、semi-brachytic 1 (uzu 1)、semi-dwarf 1 (sdw1或denso)、breviarist-atum-e (ari-e)[7]。其中uzu1基因編碼一個(gè)BR受體(HvBRI1)在我國(guó)大麥育種工作中得到了廣泛的應(yīng)用[6, 8]。株高類(lèi)性狀為數(shù)量性狀，數(shù)量性狀位點(diǎn)定位是研究數(shù)量性狀遺傳機(jī)制的重要手段[9-10]。Ren等[6]與Chen等[11]以株高、穗長(zhǎng)、穗下各節(jié)間長(zhǎng)為指標(biāo)，在大麥7條染色體上均定位到株高、穗長(zhǎng)、穗下節(jié)間長(zhǎng)等性狀相關(guān)的QTL。Chutimanitsakun等[12]在大麥2H的156 cM處定位到一個(gè)同時(shí)控制株高、穗長(zhǎng)、產(chǎn)量的主效QTL，在1H、3H、5H、6H上定位到控制穗長(zhǎng)的QTL。Wang等[5]在大麥7H的80 cM處定位到貢獻(xiàn)率為23.2%的株高QTL。Peighambari等[13]篩選327個(gè)分子標(biāo)記在72個(gè)大麥DH系中檢測(cè)到3個(gè)株高QTL及2個(gè)穗長(zhǎng)QTL。

隨著分子標(biāo)記與連鎖圖譜的發(fā)展，基因定位更加精確[14]。近年來(lái)，全基因組單核苷酸多態(tài)性(SNP)標(biāo)記發(fā)掘與基因分型及高密度遺傳圖譜構(gòu)建技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)功能基因定位研究[12, 15]。本研究以我國(guó)飼用大麥泰興9425與日本啤酒大麥Naso Nijo構(gòu)建的177份DH群體及親本為材料，構(gòu)建群體的SNP分子圖譜，對(duì)株高、穗下節(jié)間長(zhǎng)和穗長(zhǎng)進(jìn)行遺傳分析與QTL定位，為大麥株高類(lèi)性狀的分子標(biāo)記輔助選擇與精細(xì)定位奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 參試材料

以我國(guó)飼用大麥泰興9425與日本啤酒大麥Naso Nijo的雜種F1的花藥誘導(dǎo)產(chǎn)生的177個(gè)DH系及親本材料。

1.2 田間設(shè)計(jì)

2018年將參試材料分別種植于新農(nóng)場(chǎng)(32°23′N(xiāo)，119°23′E)和鹽城市大中農(nóng)場(chǎng)農(nóng)科所試驗(yàn)田(33°7′N(xiāo)，120°39′E)。每份材料播種1行，行長(zhǎng)1.0 m，行距0.3 m，每行人工點(diǎn)播20粒，3次重復(fù)。參照當(dāng)?shù)卮筇锕芾怼?/p>

1.3 株高類(lèi)性狀調(diào)查

在參試材料收獲前，每個(gè)行選取5株生長(zhǎng)一致植株，測(cè)量株高(cm)、主穗長(zhǎng)(cm)和穗下節(jié)間長(zhǎng)(cm)。

1.4 DH群體遺傳圖譜

DH群體遺傳圖譜由揚(yáng)州大學(xué)大麥研究所提供[16]，標(biāo)記分布情況見(jiàn)表1。該遺傳圖譜含有1 551個(gè)SNP標(biāo)記，覆蓋大麥7條染色體、分布均勻，全長(zhǎng)957.09 cM，2個(gè)標(biāo)記間的平均遺傳距離為0.61 cM，且各條染色體標(biāo)記間的平均距離均小于1 cM，分別為0.60，0.95，0.41，0.69，0.68，0.93，0.47 cM。

表1 DH群體遺傳圖譜基本信息Tab.1 Basic information of DH population genetic map

1.5 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2016程序?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)初步處理，采用SPSS 16.0軟件對(duì)DH群體進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、方差分析、相關(guān)性分析。利用Windows QTL IciMaping V4.1.0.0 軟件(http://www.isbreeding.net/software/)對(duì)株高類(lèi)性狀進(jìn)行QTL定位分析，LOD閾值設(shè)定為3.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及DH群體株高類(lèi)性狀的表現(xiàn)

親本及DH群體株高類(lèi)性狀表現(xiàn)見(jiàn)表2。如表2所示，泰興9425的株高、穗長(zhǎng)、穗下節(jié)間長(zhǎng)均低于Naso nijo，t測(cè)驗(yàn)表明，株高和穗長(zhǎng)在親本間差異極顯著。DH群體株高、穗長(zhǎng)、穗下節(jié)間長(zhǎng)的變異系數(shù)分別為9.52%，11.43%，10.33%。株高、穗長(zhǎng)和穗下節(jié)間長(zhǎng)的遺傳力分別為78.98%，89.31%和84.50%。

2.2 DH群體株高類(lèi)性狀的方差分析

DH群體株高類(lèi)性狀的方差分析結(jié)果列于表3。從表3可知，3個(gè)株高類(lèi)性狀在DH系間的差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)；穗長(zhǎng)和穗下節(jié)間長(zhǎng)在試點(diǎn)間差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)；株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)在環(huán)境與基因型互作間差異均達(dá)極顯著水平(P<0.01)。說(shuō)明大麥株高類(lèi)性狀由基因型、試點(diǎn)氣候及栽培條件共同決定的，穗長(zhǎng)和穗下節(jié)間長(zhǎng)較易受試點(diǎn)條件影響。

表2 親本及DH群體株高類(lèi)性狀的表現(xiàn)Tab.2 Plant height-related characters performance of parents and DH populations

表3 DH群體株高類(lèi)性狀的方差分析 (F值)Tab.3 Analysis of variance on plant height-related characters in DH population (F value)

2.3 株高類(lèi)性狀的相關(guān)性分析

株高類(lèi)性狀的相關(guān)性分析結(jié)果列于表4。由表4可知，株高與穗長(zhǎng)、株高與穗下節(jié)間長(zhǎng)、穗長(zhǎng)與穗下節(jié)間長(zhǎng)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。相關(guān)系數(shù)分別為0.688,0.862和0.600，表明大麥株高越高，其穗下節(jié)間長(zhǎng)和穗長(zhǎng)越長(zhǎng)。

表4 株高類(lèi)性狀的相關(guān)性Tab.4 Correlation coefficients between the traits of plant height-related characters

2.4 株高類(lèi)性狀的QTL分析

利用Windows QTL Icimapping V4.1.0.0軟件，對(duì)3個(gè)株高類(lèi)性狀進(jìn)行QTL定位，定位結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，2個(gè)環(huán)境共定位到6個(gè)株高QTL，分別位于2H、3H、4H及7H上，未檢測(cè)到兩試點(diǎn)共同的QTL；兩試點(diǎn)均值定位到4個(gè)株高QTL，其中位于3H上的qPH-3-1、4H上的qPH-4-1，與大中農(nóng)場(chǎng)試點(diǎn)的2個(gè)株高QTL重演，且qPH-3-1的貢獻(xiàn)率較大，在19.98%～38.30%。2個(gè)環(huán)境共定位到5個(gè)穗長(zhǎng)QTL，其中QTL位于5H上的qSL-5-1在兩試點(diǎn)重演；兩試點(diǎn)均值定位到3個(gè)穗長(zhǎng)QTL，包括位于5H上的qSL-5-1，但其貢獻(xiàn)率偏小。2個(gè)環(huán)境下共定位到4個(gè)穗下節(jié)間長(zhǎng)QTL，位于2H上的qSIL-2-1在兩試點(diǎn)重演；兩試點(diǎn)均值定位到2個(gè)穗下節(jié)間長(zhǎng)QTL，包括位于2H上的qSIL-2-1，該QTL的貢獻(xiàn)率在7.32%～13.94%。除第1，6染色體外，其他染色體上均有分布，LOD值為3.50～32.46，對(duì)表型變異的解釋率為1.53%～38.30%。其中qPH-4-1、qPH-7-2、qSL-2-2、qSIL-2-1、qSIL-3-2均未見(jiàn)報(bào)道，可能為新位點(diǎn)。

3 討論

株高是大麥最重要的性狀之一，適宜的株高是確保高產(chǎn)的基礎(chǔ)，既可以保證一定的生物產(chǎn)量，也可提高大麥的抗倒性，降低倒伏對(duì)大麥產(chǎn)量和品質(zhì)不良影響[17]。大麥株高由包括穗長(zhǎng)及4個(gè)左右節(jié)間與節(jié)構(gòu)成，大麥穗長(zhǎng)與穗型有關(guān)，一般垂穗型大麥品種的穗長(zhǎng)大于直穗型品種，同一穗型品種間穗型的穗長(zhǎng)差異較大[6, 11]，穗長(zhǎng)的長(zhǎng)短影響到穗粒數(shù)和粒型。穗下節(jié)間長(zhǎng)影響到植株上部功能葉的分布與通風(fēng)透光性，大麥品種的穗下節(jié)長(zhǎng)度占株高的比例越高，其產(chǎn)量潛力越大。目前已報(bào)道的與株高相關(guān)的QTL多受環(huán)境影響[14]，利用多環(huán)境定位株高類(lèi)性狀的QTL，可提高定位QTL的穩(wěn)定性[9, 15]。DH群體是一個(gè)永久性群體，可以實(shí)現(xiàn)多環(huán)境鑒定數(shù)量性狀，不但可以提高定位基因的基因準(zhǔn)確性，也可以分析基因與環(huán)境的互作效應(yīng)[18]。大麥DH群體已廣泛用于大麥株高類(lèi)性狀、產(chǎn)量性狀、生物抗性和非生物抗性的遺傳分析與QTL分析等[19-23]。本研究所用材料即為DH群體永久群體，通過(guò)多點(diǎn)鑒定大麥株高類(lèi)性狀，保證定位QTL的穩(wěn)定性。

表5 株高類(lèi)性狀相關(guān)的QTLTab.5 QTL for plant height-related characters

本研究結(jié)果表明，大麥株高、穗長(zhǎng)、穗下節(jié)間長(zhǎng)的遺傳力較高，分別為78.98%，89.31%，84.50%，主要受遺傳因素控制，可在雜交育種早代進(jìn)行較為嚴(yán)格的選擇。鑒于株高與穗長(zhǎng)和穗下節(jié)間長(zhǎng)間存在極顯著正相關(guān)，與前人的研究相同[3, 6, 13]。因此，在對(duì)3個(gè)性狀選擇時(shí)，應(yīng)選擇株高適宜、穗下節(jié)間長(zhǎng)占株高比例較大、穗長(zhǎng)略長(zhǎng)的植株。本研究共檢測(cè)的6個(gè)株高相關(guān)QTL中，2H上的qPH-2-1與PH-1[7]、Qph2.1[21]、11_11505[22]距離相近，可能為同一位點(diǎn)。qPH-2-2、qPH-7-2分別與Yu等[7]定位到的PH-2、PH-7距離較近；3H上的qPH3-1與Schmalenbach等[23]定位的來(lái)自野生大麥導(dǎo)入系的QHei.S42IL-3H.a距離較近，可能為同一位點(diǎn)。qPH-4-1、qPH-7-2附近未報(bào)道相關(guān)位點(diǎn)，可能存在新的控制株高的基因。5個(gè)穗長(zhǎng)QTL中，4H上的qSL-4-1與Islamovic等[3]定位的QTL距離較近；5H定位到qSL-5-1與Lakew等[24]定位QTL位點(diǎn)相同；未見(jiàn)與qSL-2-1、qSL-2-2位置相近的穗長(zhǎng)QTL報(bào)道，可能為新的穗長(zhǎng)位點(diǎn)。4個(gè)穗下節(jié)間長(zhǎng)QTL中，3H上的qSIL-3-1與Ren等[6]定位到的Qion3-9距離較近，可能為同一位點(diǎn)；qSIL-3-2附近未報(bào)道相關(guān)QTL，可能為新的穗下節(jié)間長(zhǎng)位點(diǎn)；2H上定位到的穩(wěn)定的qSIL-2-1，貢獻(xiàn)率10%左右，該QTL未報(bào)道，可能為新的穗下節(jié)間長(zhǎng)位點(diǎn)，尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。