小麥旗葉與幼苗性狀的QTL分析

李興茂，王淑英， 倪勝利

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州 730070)

相對于苗期活力低的品種，苗期活力高的品種其籽粒產(chǎn)量平均提高12%，有明顯的節(jié)水增產(chǎn)效果[1-2]。高幼苗活力與高生物量的積累相關(guān)，在高溫、高CO2濃度等脅迫條件下，籽粒產(chǎn)量也顯著提高[3-4]。干旱環(huán)境下根系活力大的品種，在水分脅迫條件下產(chǎn)量的損失最小[5]。苗期活力與萌發(fā)期胚芽鞘長度、根系活力及莖葉活力密切相關(guān)。胚芽鞘長的品種有利于雨養(yǎng)環(huán)境下小麥深層水份的利用，具有耐深播的優(yōu)點(diǎn)[6]。較高的根系活力，可增強(qiáng)對營養(yǎng)的吸收和生物量的積累，對提高小麥苗期抵抗水分脅迫[7]和后期抵抗干旱脅迫均有重要的影響。

前人在1A、6A、6D和7D染色體上定位到控制胚根長度的QTL，在2D和6D染色體上定位到控制根莖比率的QTL[8-10]；在1A、2A、2B、4B、5A、5D、6A 和7B染色體上定位到控制根長的QTL，在5D染色體上定位到控制根、莖干重的QTL，在1D染色體上定位到控制莖稈長度的QTL[9，11-12]，然而，很多QTL存在顯著的上位性效應(yīng)[10,13]。Manschadi等[14]研究發(fā)現(xiàn)，幼苗期根生長角度較窄的品種，其成株期同樣具有較窄的根生長角度。Spielmeyer等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在6A染色體上控制幼苗葉片寬度主效QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記NW3106，也與胚芽鞘長度和株高QTL緊密連鎖。Bennett等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在3B染色體上控制苗期活力的QTL，也與籽粒產(chǎn)量、葉寬和冠層溫度等性狀有關(guān)。

小麥苗期性狀相關(guān)的QTL定位報道較多，但苗期性狀及旗葉性狀的關(guān)系還不清楚。本研究利用京冬8號/矮抗58的207個RIL群體為材料，針對冬小麥幼苗期性狀和開花期旗葉性狀進(jìn)行QTL研究，探討小麥苗期性狀與后期旗葉性狀的關(guān)系，以期發(fā)掘出穩(wěn)定調(diào)控小麥幼苗性狀相關(guān)的QTL，為今后分子標(biāo)記輔助選擇育種提供 依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)材料為京冬8號/矮抗58的207個RIL群體及其親本。其中，京冬8號攜帶矮稈基因Rht8，矮抗58攜帶矮稈基因Rht8和Rht2[17]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

室內(nèi)試驗(yàn)于2016年10月在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，將發(fā)芽紙在121℃下滅菌30 min，每個材料選取無損傷且大小均勻的種子200粒，用1.0%次氯酸鈉消毒4 min，沖洗干凈后，置于恒溫光照培養(yǎng)箱(25 ℃)培養(yǎng)，重復(fù)3次，待發(fā)芽7 d后，測定發(fā)芽數(shù)、苗長、根長、苗鮮重、根鮮重、苗干重、根干重等指標(biāo)。鮮重根冠比=根鮮重/苗鮮重；干重根冠比=根干重/苗干重。

田間試驗(yàn)于2015年在甘肅省慶陽市鎮(zhèn)原試驗(yàn)站進(jìn)行，種植RIL群體及其親本，行長2 m，重復(fù)2次。于2016年5月14日小麥揚(yáng)花期，測定旗葉長度和寬度，計算旗葉面積和旗葉長寬比。參照Li等[18]和李興茂等[19]的方法測定產(chǎn)量、植被指數(shù)、植被覆蓋度、葉片衰老速率、千粒重等 性狀。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，每個性狀3次重復(fù)的平均值為表型值。從1 208對引物中進(jìn)行雙親多態(tài)性篩選，篩選出391對差異引物。依據(jù)GrainGenes 2.0圖譜提供的標(biāo)記位置，利用Try命令進(jìn)行調(diào)整、構(gòu)建包含149對引物的遺傳圖譜。利用IciMapping 4.1軟件中的雙親群體QTL定位功能，基于逐步回歸的完備復(fù)合區(qū)間作圖法，以 LOD>2.5作為閾值進(jìn)行基因定位分析，分析方法參見文獻(xiàn)[18-19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 RILs群體及親本的苗期與旗葉性狀

從表1可以看出，幼苗期性狀中，苗長、苗干重、根干重、鮮重根冠比和干重根冠比在親本間差異較大，除鮮重根冠比和干重根冠比外，京冬8號的其他6個性狀均小于矮抗58。旗葉性狀中，京冬8號的旗葉長、寬、面積、長寬比4個性狀的表型值均高于矮抗58。群體中苗長、根長、苗鮮重、根鮮重和苗干重的平均值都大于雙親，而旗葉長、寬和面積的群體平均值介于雙親之間。群體內(nèi)所有研究性狀均表現(xiàn)出超親分離現(xiàn)象。表明這些性狀是由多基因控制的數(shù)量性狀，適合進(jìn)行QTL定位。所有性狀在群體內(nèi)基因型間存在顯著 差異。

表1 RIL群體及其親本的苗期和旗葉性狀Table 1 Phenotypic performance for the investigated traits of the RILs and their parents

2.2 旗葉相關(guān)性狀的QTL定位結(jié)果

從表2可以看出，共檢測到10個控制旗葉性狀的QTL，其中4個QTL與旗葉面積有關(guān)，分布在1A和5D染色體上，表型貢獻(xiàn)率為1.98%～7.69%；1個QTL與旗葉長有關(guān)，分布在1A染色體上，表型貢獻(xiàn)率為9.24%；1個QTL與旗葉寬有關(guān)，分布在5D染色體上，表型貢獻(xiàn)率為 6.54%；共檢測到4個控制旗葉長寬比的QTL，均位于D染色體組上，分別分布在2D、3D、4D和5D染色體上，表型貢獻(xiàn)率為2.73%～9.89%，其中，2D和5D染色體上的QTL加性效應(yīng)來自矮抗58，3D和4D染色體上的QTL來自京冬8號。其中，1A染色體上與旗葉面積QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記wmc550也與旗葉長QTL緊密連鎖，遺傳距離均為0.1 cM，加性效應(yīng)均來自親本矮抗58；5D染色體上與旗葉面積QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記gwm182也與旗葉寬QTL連鎖，但遺傳距離不同，分別為0.4和2.4 cM，其加性效應(yīng)均來自親本京冬8號。有6個QTL的表型貢獻(xiàn)率大于5%，為主效QTL，分別為1A染色體上控制旗葉面積和旗葉長的QTL、4D染色體上控制旗葉長寬比的QTL、5D染色體上控制旗葉面積、旗葉寬和旗葉長寬比的QTL。除5D染色體上控制旗葉面積和旗葉寬的QTL表現(xiàn)為部分顯性效應(yīng)外，與其他性狀相關(guān)的QTL均表現(xiàn)為超顯性效應(yīng)。

表2 旗葉相關(guān)性狀的QTLTable 2 QTLs for flag leaf traits

2.3 幼苗期相關(guān)性狀的QTL定位結(jié)果

從表3可以看出，共檢測到22個控制幼苗性狀的QTL，其中7個QTL與根長有關(guān)，分布在1A、2D、3D、4D(2)、5A和7A染色體上，表型貢獻(xiàn)率為2.53%～4.84%；1個QTL與幼苗根鮮重有關(guān)，分布在2D染色體上，表型貢獻(xiàn)率為 1.31%；2個QTL與幼苗根干重有關(guān)，分布在4D和7A染色體上，表型貢獻(xiàn)率分別為1.14%和 4.38%；3個QTL與幼苗苗長有關(guān)，分布在1A、4A和4D染色體上，表型貢獻(xiàn)率為3.10%～ 10.52%；2個QTL與幼苗鮮重有關(guān)，分布在2D和5A染色體上，表型貢獻(xiàn)率分別為4.91%和 1.23%；3個QTL與幼苗干重有關(guān)，分布在1A、2D和7A染色體上，表型貢獻(xiàn)率為2.32%～ 3.32%；2個QTL與鮮重根冠比有關(guān)，分布在4D和7A染色體上，表型貢獻(xiàn)率分別為1.88%和 1.90%；2個QTL與干重根冠比有關(guān)，分布在2D和7A染色體上，表型貢獻(xiàn)率分別為2.78%和 2.74%。1A染色體上與根長QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記wmc84也與苗長和苗干重QTL緊密連鎖，但遺傳距離不同，分別為4.9、3.0和4.0 cM，除根長QTL加性效應(yīng)來自親本京冬8號外，其他兩個QTL均來自矮抗58。2D染色體上與根長QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記wmc170也與根鮮重、苗鮮重、苗干重和干重根冠比QTL緊密連鎖，遺傳距離分別為5.8、0.9、6.0、0.9和3.0 cM，除干重根冠比QTL的加性效應(yīng)來自親本矮抗58外，其他性狀均來自親本京冬8號。4D染色體上與根長QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記barc308與鮮重根冠比QTL緊密連鎖，遺傳距離分別為11.0和0.2 cM；與根干重QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記barc98與苗長QTL緊密連鎖。5A染色體上與根長QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記gwm156也與苗鮮重QTL緊密連鎖，遺傳距離分別為3.0和5.0 cM。7A染色體上與根長QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記barc1136也與根干重、苗干重、鮮重根冠比和干重根冠比QTL緊密連鎖，遺傳距離分別為6.0、2.0、7.0、2.0和1.0 cM。Rht2矮稈基因位于4D染色體上，但與4D染色體上控制根長、根干重、苗長和鮮重根冠比的QTL距離均較遠(yuǎn)。除1A和4D染色體上控制苗長的QTL表型貢獻(xiàn)率大于5%外，其他與幼苗期相關(guān)性狀的QTL表型貢獻(xiàn)率均較低，且除3D染色體上控制根長的QTL表現(xiàn)為部分顯性效應(yīng)外，其他QTL均表現(xiàn)為超顯性效應(yīng)。

表3 幼苗期相關(guān)性狀的QTLTable 3 QTLs for seedling traits

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，2D染色體上與旗葉寬QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記wmc170與幼苗根長、根鮮重、苗鮮重、苗干重和干重根冠比QTL緊密連鎖；4D染色體上與旗葉長寬比QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記barc308與幼苗根長、鮮重根冠比QTL緊密連鎖，其他旗葉性狀QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記沒有發(fā)現(xiàn)與幼苗期性狀QTL緊密連鎖的現(xiàn)象。袁倩倩等[9]在1A染色體側(cè)翼標(biāo)記wmc550附近檢測到控制根長的QTL，而本研究在1A染色體側(cè)翼標(biāo)記wmc550附近檢測到控制旗葉面積和旗葉長的QTL。Li等[20]在1A染色體側(cè)翼標(biāo)記wmc84附近檢測到控制抽穗期、植被歸一化指數(shù)和植株衰老速率的QTL，而本研究在1A染色體側(cè)翼標(biāo)記wmc84附近檢測到控制根長、苗長和苗干重的QTL，遺傳距離不同。Landjeva等[21]在5D染色體側(cè)翼標(biāo)記gwm182附近檢測到控制苗長和根莖比率的QTL，而本研究在5D染色體側(cè)翼標(biāo)記gwm182附近檢測到控制旗葉面積和旗葉寬的QTL，但遺傳距離不同。因此，與幼苗期性狀相關(guān)的QTL存在與苗期活力、后期生長發(fā)育性狀和產(chǎn)量性狀等QTL共同的連鎖分子標(biāo)記，這些標(biāo)記可有效用于小麥分子標(biāo)記輔助育種。盡管本研究檢測到的QTL都是微效QTL，但驗(yàn)證了這些QTL位點(diǎn)與種子苗期活力性狀有關(guān)，對苗期性狀與小麥旗葉性狀的深入研究有參考價值。

本研究在4D染色體上定位到矮稈基因Rht2，朱 浩等[22]研究表明，Rht2基因不僅影響根長，而且與產(chǎn)量和千粒重有關(guān)。但本研究檢測到Rht2與控制根長的QTL距離較遠(yuǎn)。Tian等[23]在6A染色體上定位到矮稈基因Rht24，可增加春季苗期活力和千粒重，但與幼苗期活力性狀無關(guān)。因此，Rht24基因彌補(bǔ)了大多數(shù)矮稈基因降低小麥初期生長活力的缺陷，對研究耐旱相關(guān)性狀遺傳檢測及分子標(biāo)記輔助選育奠定了基礎(chǔ)。

本試驗(yàn)采用室內(nèi)苗期性狀研究方法，占用空間小，一次可以測試批量樣品，有利于對遺傳群體的多樣本開展多重復(fù)研究。然而，統(tǒng)計分析的工作量大，不能及時完成所有品系的根系性狀測量，可能造成品系間測量誤差，因此，本研究在測定時，每個重復(fù)間適當(dāng)增加了試驗(yàn)間隔，盡可能減少誤差。今后采用數(shù)碼拍照后，利用適合于大群體表型研究的根系分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理，可以分析更多的幼苗指標(biāo)，還可進(jìn)一步減少試驗(yàn)誤差。