減源處理下小麥粒重穩(wěn)定性QTL的定位分析

周 鋒，楊 虓，呂棟云，張傳量，宋鵬博，姚儉昕，王 鑫，王笑笑，孫道杰

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100； 2.隴東學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院，甘肅慶陽(yáng) 745000)

葉片是小麥進(jìn)行光合作用的主要器官，特別是旗葉對(duì)小麥后期的生長(zhǎng)發(fā)育及光合產(chǎn)物的積累至關(guān)重要。而環(huán)境改變、自然災(zāi)害頻發(fā)、銹病、蚜蟲等因素會(huì)不可避免地傷害到葉片，從而降低光合產(chǎn)物的合成，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量下降，因此，研究小麥在減源條件下影響產(chǎn)量穩(wěn)定性的機(jī)制對(duì)于確保小麥穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

多年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)小麥的光合作用與產(chǎn)量間的關(guān)系做了大量研究。王義芹等發(fā)現(xiàn)，旗葉光合速率和旗葉面積的乘積與生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量之間呈顯著正相關(guān)；馮建波等發(fā)現(xiàn)，小麥葉面積指數(shù)與產(chǎn)量之間呈顯著正相關(guān)，可以通過葉面積指數(shù)的合理調(diào)控來提高小麥的產(chǎn)量；沈新磊通過改變冬小麥源庫(kù)大小，分析源庫(kù)對(duì)產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)去旗葉后千粒重降低不顯著，而其余去葉處理使千粒重顯著降低，推測(cè)這與去旗葉傷害后產(chǎn)生的超補(bǔ)償作用有關(guān)；劉萬(wàn)代等研究發(fā)現(xiàn)，剪葉可提高剩余葉片的光合速率；張冰晶分析了衰老與非衰老小麥旗葉在基因轉(zhuǎn)錄水平的差異，發(fā)現(xiàn)與衰老轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的microRNA對(duì)于調(diào)控葉片衰老有重要作用。因此，協(xié)調(diào)好源庫(kù)關(guān)系，提高作物葉片的光合能力，有利于提高作物的產(chǎn)量潛力。

不同時(shí)期旗葉缺失或受到傷害均會(huì)造成小麥嚴(yán)重減產(chǎn)，許多災(zāi)害都會(huì)傷害到葉片，特別是旗葉受到傷害后，將大大減少“源”的大小，從而影響產(chǎn)量。小麥產(chǎn)量三要素中，相對(duì)于單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)，千粒重受遺傳特性的影響最大，遺傳改良效果也最為顯著。而粒長(zhǎng)、粒寬與粒重具有較高的相關(guān)性，對(duì)小麥的產(chǎn)量具有潛在的影響。前人發(fā)現(xiàn)控制小麥粒重的QTL幾乎覆蓋小麥所有染色體，但減源處理后有關(guān)粒重穩(wěn)定性的QTL研究報(bào)道較少。本研究在早播和晚播條件下，通過對(duì)減源處理和正常處理的小麥千粒重、粒長(zhǎng)和粒寬進(jìn)行比較分析，挖掘出減源處理下小麥粒重保持穩(wěn)定的QTL，以期為逆境脅迫條件下小麥分子標(biāo)記輔助育種提供幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以優(yōu)良品種小偃81和西農(nóng)1376為親本構(gòu)建的包含190個(gè)株系的F代RIL群體為材料。其中，西農(nóng)1376是王輝教授課題組選育的結(jié)實(shí)性好、單穗粒重高的高產(chǎn)小麥品種；小偃81是李振聲院士選育的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多穗型品種。

1.2 田間試驗(yàn)與性狀測(cè)定

于2019年10月1日進(jìn)行早播，每株系種植2行，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)行長(zhǎng)1.35 m，行距 0.25 m，2次重復(fù)；于2019年11月1日進(jìn)行晚播，每株系種植2行，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)行長(zhǎng) 0.65 m，行距0.25 m，2次重復(fù)。于開花后，各株系取3株靠近每行中部的植株，剪去旗葉，用紅繩標(biāo)記，作為減源處理。于小麥成熟后取減源處理的主穗，同時(shí)取3個(gè)靠近行中部未去葉的主穗作對(duì)照處理。分別將早播減源處理、晚播減源處理、早播對(duì)照處理、晚播對(duì)照處理記為E1、E2、CK1、CK2。穗脫粒曬干后，用萬(wàn)深SC-G考種儀測(cè)量粒長(zhǎng)、粒寬和千粒重。以減源處理和對(duì)照處理間的性狀值之比作為小麥減源處理后維持產(chǎn)量相關(guān)性狀穩(wěn)定的指標(biāo)，比值越高，則說明穩(wěn)定性越好，比值越低，則說明減源處理后各性狀降低幅度越大，穩(wěn)定性越差。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 26.0軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，并利用獨(dú)立樣本檢驗(yàn)功能進(jìn)行差異性分析。利用ICIMapping的ANONA功能，根據(jù)多環(huán)境的表型數(shù)據(jù)，計(jì)算性狀的最優(yōu)線性無偏估計(jì)值(best linear unbiased estimation,BLUE)，并計(jì)算出遺傳力。

1.4 QTL分析

利用姚儉昕基于50K芯片構(gòu)建得到的QTL圖譜，該圖譜包含10 845個(gè)SNP標(biāo)記，覆蓋21條染色體，全長(zhǎng)4 340.81 cM，相鄰標(biāo)記的平均距離為0.40 cM。使用IciMapping 4.2中的完備復(fù)合區(qū)間作圖法(ICIM)對(duì)QTL進(jìn)行定位，經(jīng) 1 000次模擬計(jì)算后得到LOD值，以LOD≥2.5為閾值判斷QTL是否存在。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型分析結(jié)果

在不同播期不同處理下，小偃81和西農(nóng)1376間的粒長(zhǎng)和千粒重差異均達(dá)到極顯著水平，粒寬差異達(dá)到顯著水平(表1)。同一播期不同處理下，RIL群體減源處理的粒長(zhǎng)、粒寬和千粒重平均值均顯著低于對(duì)照處理，但同一播期減源處理的粒長(zhǎng)、粒寬和千粒重的變異系數(shù)均高于對(duì)照處理，說明減源處理導(dǎo)致籽粒的粒長(zhǎng)、粒寬和千粒重降低，但表型變異范圍增大。RIL群體表型均值都介于兩親本之間，每個(gè)性狀都存在超親分離現(xiàn)象，偏度的絕對(duì)值和峰度的絕對(duì)值都小于1；在減源處理和對(duì)照處理的表型比值中，除粒長(zhǎng)比外，兩親本間的粒寬比和千粒重比差異均達(dá)極顯著水平(除晚播條件下，粒寬比差異達(dá)顯著水平)，峰度和偏度的絕對(duì)值也基本都小于1。這說明粒長(zhǎng)、粒寬、千粒重及其表型比值均符合正態(tài)分布，是由多基因控制的數(shù)量性狀，符合QTL作圖要求。

表1 不同處理下小麥RIL群體表型統(tǒng)計(jì)分析Table 1 Statistical analysis of phenotype of wheat RIL population under different treatments

由方差分析結(jié)果(表2)可以看出，基因型和環(huán)境對(duì)各性狀的影響均達(dá)到了極顯著水平，表明這6個(gè)性狀是復(fù)雜的數(shù)量性狀，受基因型和環(huán)境共同影響。粒長(zhǎng)、粒寬、千粒重、粒長(zhǎng)比、粒寬比、千粒重比的遺傳力分別為0.88、0.85、0.86、 0.52、0.61和0.60，相較于粒長(zhǎng)、粒寬和千粒重，表型之比受環(huán)境的影響較大。相關(guān)性分析結(jié)果(表3)表明，粒長(zhǎng)、粒寬和千粒重在相同處理或減源處理與對(duì)照處理間均呈顯著正相關(guān)(除了減源處理后的粒寬和對(duì)照處理的粒長(zhǎng)不顯著外)，三個(gè)性狀比值與對(duì)照處理的同種性狀(除千粒重外)均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，與減源處理的同種性狀均呈極顯著正相關(guān)。

表2 小麥RIL群體各性狀方差分析(F值)Table 2 Variance analysis of traits in the wheat RIL population(F value)

表3 小麥RIL群體相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of traits in the wheat RIL population

2.2 QTL定位結(jié)果

共檢測(cè)到18個(gè)控制小麥粒長(zhǎng)、粒寬、千粒重、粒長(zhǎng)比、粒寬比和千粒重比的QTL，分布在2A、3A、3B、3D、4B、4D和5D染色體上，單個(gè)QTL可解釋1.29%～41.04%的表型變異，LOD值范圍為2.53～57.59(表4和圖1)。

表4 小麥RIL群體各性狀QTL定位Table 4 QTLs for various traits in wheat RIL population

定位分析發(fā)現(xiàn)，有3個(gè)QTL僅在晚播減源處理下檢測(cè)到，其中、的增效等位基因來自母本西農(nóng)1376；的增效等位基因來自父本小偃81。有3個(gè)QTL僅在對(duì)照處理下檢測(cè)到，其中(晚播條件下檢測(cè)到)的增效等位基因來自母本西農(nóng)1376；和(早播條件下檢測(cè)到)的增效等位基因來自父本小偃81。有8個(gè)QTL在對(duì)照處理和減源處理下均被檢測(cè)到，其中、、、和的增效等位基因來自母本西農(nóng)1376；、和的增效等位基因來自父本小偃81。

檢測(cè)到7個(gè)控制粒長(zhǎng)的QTL，分布在2A、3A、3D、4B和5D染色體上，其中、、和的增效等位基因來自西農(nóng)1376，、和的增效等位基因來自于小偃81。、、和均在多個(gè)處理中被檢測(cè)到，平均可解釋2.46%、4.87%、4.43%、5.73%和8.73%的表型變異，為微效QTL。、和均僅在一個(gè)處理中被檢測(cè)到，分別可解釋2.46%、41.04%和12.35%的表型變異，和為主效QTL。

共檢測(cè)到3個(gè)控制粒寬的QTL，分布在4B、4D和5D染色體上，其中的增效等位基因來自西農(nóng)1376，和的增效等位基因來自小偃81。在5個(gè)處理中均被檢測(cè)出，平均可解釋13.41%的表型變異，為主效QTL。和均僅在一個(gè)處理中被檢測(cè)到，分別可解釋6.75%和5.39%的表型變異，為微效QTL。

圖1 控制粒長(zhǎng)、粒寬、千粒重和表型比值的QTL在染色體上的分布

共檢測(cè)到4個(gè)控制千粒重的QTL，分布在3B、4B、4D和5D染色體上，其中、和的增效等位基因來自西農(nóng)1376，的增效等位基因來自小偃81。、和均在多個(gè)處理中能被檢測(cè)到，平均可解釋3.49%、7.20%和8.19%的表型變異。僅在一個(gè)處理中被檢測(cè)到，可解釋6.38%的表型變異。這4個(gè)QTL均為微效QTL。

分別檢測(cè)到2、1和1個(gè)控制粒長(zhǎng)比、粒寬比和千粒重比的QTL，分布在2A、3D和5D染色體上，增效等位基因均來自于西農(nóng)1376，可解釋 6.31%～16.33%的表型變異。檢測(cè)到的QTL均在一個(gè)處理中被檢測(cè)到，其中可解釋14.43%的表型變異，為主效QTL。

3 討 論

了解次優(yōu)條件下的產(chǎn)量穩(wěn)定性和作物表現(xiàn)是縮小產(chǎn)量差距的關(guān)鍵，旗葉為籽粒灌漿貢獻(xiàn)了45%～58%的光合活性和41%～43%的碳水化合物，但外在環(huán)境因素的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致旗葉缺失或受傷，進(jìn)而造成減產(chǎn)。前人探索不同處理下農(nóng)作物性狀間的關(guān)系多為尋找處理間差值QTL，如馮 躍等通過不同施氮水平間各性狀的差值，挖掘到4個(gè)水稻耐低氮相關(guān)遺傳位點(diǎn)；李 超等定位到5個(gè)在油脂合成中對(duì)環(huán)境敏感的差值QTL，為找到甘藍(lán)型油菜中對(duì)環(huán)境鈍感的含油量相關(guān)基因奠定基礎(chǔ)；穆 平等對(duì)水稻產(chǎn)量性狀在低磷脅迫下與對(duì)照的差值進(jìn)行QTL定位，共定位到17個(gè)耐低磷QTL。上述文獻(xiàn)中所尋找的差值QTL為環(huán)境頓感基因，差值越大，表明對(duì)環(huán)境越敏感，耐性越低。本研究采用減源處理與對(duì)照處理獲得的表型比值來衡量環(huán)境頓感基因，如果減源處理與對(duì)照處理的表型比值越接近1，說明此性狀越穩(wěn)定。利用表型比值挖掘相關(guān)的QTL，為旗葉缺失后小麥穩(wěn)產(chǎn)育種提供基礎(chǔ)。在小麥灌漿期間，不同分蘗之間是否有明顯的同化物交流，目前還未見相關(guān)報(bào)道。本研究中西農(nóng)1376在早播條件下減源處理后粒寬和千粒重大于對(duì)照處理的情況，在沈新磊的研究中也有同樣的現(xiàn)象，推測(cè)是植株在旗葉受到傷害后由于超補(bǔ)償作用所導(dǎo)致。

本研究在減源處理和對(duì)照處理下，共檢測(cè)到18個(gè)控制粒長(zhǎng)、粒寬、千粒重以及表型比的QTL，其中減源處理下檢測(cè)到11個(gè)，對(duì)照處理下檢測(cè)到11個(gè)，同時(shí)在減源處理和對(duì)照處理下檢測(cè)到8個(gè)。有3個(gè)QTL僅在對(duì)照處理下檢測(cè)到，說明這些QTL在去旗葉后不會(huì)表達(dá)；有3個(gè)QTL僅在減源處理下檢測(cè)到，說明這些QTL僅在去旗葉后開始表達(dá)，推測(cè)為控制小麥籽粒補(bǔ)償效應(yīng)的QTL，在旗葉受傷或缺失后可保持籽粒相關(guān)性狀的穩(wěn)定性。共檢測(cè)到4個(gè)表型比QTL，其中控制粒長(zhǎng)比的和控制千粒重比的均與控制粒長(zhǎng)(、、)、粒寬()和千粒重()的QTL定位區(qū)間部分重疊，其中可解釋14.43%的表型變異，為主效位點(diǎn)；控制粒長(zhǎng)比的與控制粒長(zhǎng)的位點(diǎn)定位區(qū)間部分重疊，且與Cabral等發(fā)現(xiàn)的控制粒重的位點(diǎn)定位區(qū)間部分重疊?？刂屏挶鹊呐c控制粒長(zhǎng)的相距較近，與Mangini等發(fā)現(xiàn)的、和位點(diǎn)也較近。推測(cè)這些QTL與產(chǎn)量相關(guān)性狀緊密連鎖或存在“一因多效”現(xiàn)象。

本研究共定位到14個(gè)控制粒長(zhǎng)、粒寬和千粒重的QTL，分布在2A、3A、3B、3D、4B、4D和5D染色體上。前人研究中沒有發(fā)現(xiàn)與控制粒長(zhǎng)的和有重疊的定位區(qū)間，推測(cè)可能是本研究發(fā)現(xiàn)的新位點(diǎn)。其中可解釋41.04%的表型變異，為主效QTL。在3B染色體上發(fā)現(xiàn)的控制千粒重的與Cabral等和Liu等發(fā)現(xiàn)的控制粒重的QTL距離相近，且均在Xie等發(fā)現(xiàn)的控制粒重的和控制籽粒體積的定位區(qū)間內(nèi)。在3D染色體上發(fā)現(xiàn)的控制粒長(zhǎng)的與Liu等發(fā)現(xiàn)的控制千粒重的定位區(qū)間重疊，與部分重疊；與Cabral等發(fā)現(xiàn)的控制粒寬的定位區(qū)間部分重疊。在4B染色體上發(fā)現(xiàn)的控制粒長(zhǎng)的與控制千粒重的定位區(qū)間相距41 Mb，其中可解釋12.35%的表型變異，為主效QTL，包含在Xin等發(fā)現(xiàn)的控制粒寬的定位區(qū)間內(nèi)；控制粒寬的與Wu等發(fā)現(xiàn)的控制粒長(zhǎng)的和Suzuki等發(fā)現(xiàn)的控制千粒重的QTL定位區(qū)間部分重疊；控制千粒重的包含在Xin等發(fā)現(xiàn)的控制粒寬的定位區(qū)間內(nèi)，與Cheng等發(fā)現(xiàn)的控制粒厚的定位區(qū)間部分重疊，在該區(qū)間內(nèi)也包含Mangini等發(fā)現(xiàn)的控制粒寬的。在4D染色體上發(fā)現(xiàn)的控制粒寬的和控制千粒重的均在5個(gè)處理中被檢測(cè)到，并且區(qū)間完全重疊，與Cabral等發(fā)現(xiàn)的控制粒重的和Cui等發(fā)現(xiàn)的粒重相關(guān)的條件位點(diǎn)定位區(qū)間部分重疊。在5D染色體上發(fā)現(xiàn)的控制粒長(zhǎng)的包含在Cui等發(fā)現(xiàn)的粒重相關(guān)的條件位點(diǎn)定位區(qū)間中；控制粒長(zhǎng)的包含在Liu等發(fā)現(xiàn)的控制千粒重的定位區(qū)間內(nèi)；控制粒長(zhǎng)的、控制粒寬的和控制千粒重的三者定位區(qū)間幾乎完全重疊，前人也在5D染色體上定位到控制粒寬和千粒重的QTL，但因?yàn)槭褂脴?biāo)記類型不同，無法查證與本研究結(jié)果的一致性，推測(cè)是新發(fā)現(xiàn)的位點(diǎn)。

綜上所述，本研究在減源處理和對(duì)照處理下分別檢測(cè)到3個(gè)獨(dú)有QTL，在減源處理和對(duì)照處理中同時(shí)檢測(cè)到8個(gè)QTL。分別定位到控制粒長(zhǎng)比(、)、粒寬比()和千粒重比()的位點(diǎn)，其中為主效QTL。定位到新發(fā)現(xiàn)的位點(diǎn)有5個(gè)，分別為、、、和，其中僅在晚播減源處理中被檢測(cè)到，可解釋 41.04%的表型變異，為主效QTL；、和在減源處理和對(duì)照處理中均能被檢測(cè)到，為穩(wěn)定QTL。挖掘這些QTL對(duì)研究小麥在多變的環(huán)境中因旗葉傷害導(dǎo)致的減產(chǎn)具有一定的幫助，為小麥分子標(biāo)記輔助育種提供依據(jù)。