河南省審定小麥品種旗葉性狀全基因組關(guān)聯(lián)分析

曹廷杰 周艷杰 楊劍 張玉娥 胡衛(wèi)國 王西成 趙虹

摘要：為解析河南省育成小麥品種旗葉性狀的遺傳基礎(chǔ)，以河南省審定的96個小麥品種為材料，2019年在河南省南陽市、安陽市、新鄉(xiāng)市原陽縣3個環(huán)境下對旗葉長（FLL）、旗葉寬（FLW）和旗葉長寬比（FLFW）進(jìn)行鑒定，并利用小麥90K 單核苷酸多態(tài)性（SNP）芯片進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果表明，旗葉長和旗葉長寬比在3個環(huán)境中均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r值分別為0.800、0.799、0.729）;旗葉寬與旗葉長寬比之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r值分別為 -0.334、-0.597、-0.606）。篩選到6個旗葉較寬（開麥21、中育9398、豫農(nóng)202、花培1號、鄭育麥9987、鄭麥583）和7個旗葉較長（溫9629、鄭農(nóng)16、豫農(nóng)201、新麥9號、平麥998、豫麥34、豫農(nóng)202）的小麥品種。檢測到59個與旗葉顯著關(guān)聯(lián)的SNPs位點(diǎn)，其中與旗葉長顯著關(guān)聯(lián)的SNPs有8個，分別位于2B、2D、4A、4B、7B染色體上，可解釋11.96%～15.43%的表型變異;與旗葉寬顯著關(guān)聯(lián)的SNPs有41個，分別位于1A、2A、2B、3B、3D、4B、5A、5B、6A、6B、6D、7B染色體上，可解釋12.18%～21.57%的表型變異;與旗葉長寬比顯著關(guān)聯(lián)的SNPs有10個，分別位于2B、4A、6B染色體上，可解釋12.85%～15.60%的表型變異;6B染色體上的Ku_c32100_105位點(diǎn)同時與旗葉寬和旗葉長寬比顯著關(guān)聯(lián)。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)被定位在2B染色體上的位點(diǎn)可能是1個新的位點(diǎn)，研究結(jié)果為從遺傳水平揭示小麥旗葉發(fā)育提供了重要的參考。

關(guān)鍵詞：小麥品種;旗葉性狀;相關(guān)性;全基因組關(guān)聯(lián)分析;河南省

中圖分類號：S512.103.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2022）11-0053-10

收稿日期：2021-08-13

基金項(xiàng)目：河南省小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（編號：S2010-01-G03）。

作者簡介：曹廷杰（1977—），男，河南南陽人，博士，副研究員，主要從事小麥育種及重要性狀遺傳分析研究。E-mail：caotingeji893@163.com。

小麥旗葉產(chǎn)生的同化物是籽粒灌漿期積累干物質(zhì)的主要來源，對小麥產(chǎn)量起著決定性作用。旗葉為植株最上層的葉片，與其他葉片相比，旗葉葉綠體細(xì)胞最多，葉綠體中基粒類囊體數(shù)量多，光合作用強(qiáng)度最高。此外，旗葉作為源器官，距離穗部（庫）最近，因而物質(zhì)運(yùn)輸效率最高^]，對小麥穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量貢獻(xiàn)最大。小麥旗葉長和寬與產(chǎn)量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，因此，改良旗葉性狀對提升小麥產(chǎn)量具有重要意義。小麥旗葉性狀受數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）控制，前人已定位了多個控制旗葉性狀的QTLs。姚儉昕等利用90K小麥SNP芯片對小偃81、西農(nóng)1376構(gòu)建的重組自交系群體進(jìn)行旗葉長QTL定位，檢測到2個QTLs均位于5A染色體上。Tu等利用20828/SY95-71重組自交系群體進(jìn)行QTL定位，定位到控制旗葉長和旗葉寬的QTLs分別位于2B（2個）、5B和2B、2D染色體上，且位于2B染色體上的2個QTLs不重疊。Liu等利用ND3331和Zang1817的重組自交系群體進(jìn)行定位，分別定位到6個控制旗葉長和2個控制旗葉寬的QTLs，可解釋4.62%～14.70%的表型變異，其中QFLW-4B.1和QFLW-4B.2同時控制2個性狀。

小麥基因組大小約為15 GB，且含有3套部分同源染色體組，利用重組自交系進(jìn)行QTL定位所需時間較長，且能獲得的重組頻率非常低，導(dǎo)致定位精度較低。全基因組關(guān)聯(lián)分析是一種基于連鎖不平衡的定位方法，該方法直接利用自然群體材料進(jìn)行基因型檢測、表型鑒定以及遺傳分析，省時省力且定位更精準(zhǔn)，目前已開發(fā)了9K、90K、660K等多種小麥SNP芯片，顯著提高了全基因組關(guān)聯(lián)分析的分辨率。全基因組關(guān)聯(lián)分析已廣泛應(yīng)用于解析小麥復(fù)雜數(shù)量性狀的遺傳機(jī)制，如籽粒性狀、穗發(fā)芽抗性、小花育性相關(guān)性狀、抗逆性、抗病性等，而目前利用全基因組關(guān)聯(lián)分析解析旗葉性狀的報(bào)道較少。河南省是我國小麥主產(chǎn)區(qū)，小麥育種和小麥生產(chǎn)在全國均占有重要地位，小麥種植區(qū)域廣泛，小麥類型多樣。本研究以2000—2010年河南省審定的96個小麥品種為材料進(jìn)行旗葉性狀的全基因組關(guān)聯(lián)分析，解析其遺傳機(jī)制，為小麥旗葉性狀的遺傳改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

材料為河南省審定的96個小麥品種，其中包括26個弱春性品種和70個半冬性品種（表1），2019年分別于河南省南陽市（NY）、安陽市（AY）、新鄉(xiāng)市原陽縣（YY）3個環(huán)境下種植，試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每小區(qū)種植2行，行長為2 m，行距為0.3 m，株距為0.3 m，重復(fù)2次，按照國家區(qū)域試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行田間試驗(yàn)管理。

1.2 表型鑒定

在小麥灌漿初期，每小區(qū)隨機(jī)選取10個單株主莖測量旗葉長（FLL）和旗葉寬（FLW），同時計(jì)算旗葉長寬比（旗葉長/旗葉寬，F(xiàn)LFW），取平均值作為每個小區(qū)的觀測值。

1.3 表型數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

將環(huán)境作為隨機(jī)效應(yīng)，利用Lme4軟件包混合線性模型在多環(huán)境下進(jìn)行最佳線性無偏預(yù)測（BLUP）。

Y=G+L+G×L+R/L+e。

其中：Y為表型觀測值;G是品種效應(yīng);L是環(huán)境效應(yīng);R表示區(qū)組效應(yīng);e表示殘差。

估計(jì)各個效應(yīng)的方差組分，用于計(jì)算各個性狀的廣義遺傳力（H），計(jì)算公式如下：

H=σσ+σl+σrl×100%。

其中：σ表示基因型方差;σ是基因型與環(huán)境間互作的方差;σ是殘差組分;r是重復(fù)次數(shù);l是環(huán)境數(shù)。

1.4 全基因組關(guān)聯(lián)分析

使用TASSEL軟件的混合線性（Q+K）模型（compressed mixed linear model，簡稱MLM）對3個性狀的BLUP值進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，基因分型結(jié)果、分子標(biāo)記的物理位置、群體結(jié)構(gòu)、親緣關(guān)系矩陣K值以及群體結(jié)構(gòu)Q值均已在之前的研究中進(jìn)行了分析。

在計(jì)算時對每個標(biāo)記的效應(yīng)進(jìn)行估計(jì)，標(biāo)記閾值-lg P≥3.0作為顯著位點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型數(shù)據(jù)分析

利用混合線性模型計(jì)算出3個性狀（旗葉長、旗葉寬和旗葉長寬比）中基因型、環(huán)境及相互之間互作的變異（表2），經(jīng)計(jì)算3個性狀的廣義遺傳力基本相當(dāng)，分別為66.17%、69.92%、66.18%。

由表3可知，96個供試小麥品種的旗葉長、旗葉寬和長寬比在不同環(huán)境下均存在差異，其中南陽試驗(yàn)點(diǎn)旗葉長和長寬比平均值最高，分別為19.93 cm、11.74，且變異系數(shù)最大，分別為13.5%、17.30%，原陽試驗(yàn)點(diǎn)旗葉寬平均值最高，為1.93 cm。3個性狀均為數(shù)量性狀，在不同環(huán)境中均呈正態(tài)或近似正態(tài)的連續(xù)分布（圖1）。

在供試小麥材料中，開麥21、中育9398、豫農(nóng)202、花培1號、鄭育麥9987和鄭麥583號的旗葉較寬，平均值均大于2 cm（分別為2.15、2.08、2.03、2.02、2.02、2.01 cm）。溫9629、鄭農(nóng)16、豫農(nóng)201、新麥9號、平麥998、豫麥34和豫農(nóng)202旗葉較長，平均值均大于20 cm（分別為22.69、21.50、21.22、20.96、20.56、20.27、20.05 cm）。

由表4可知，旗葉長、旗葉長寬比在原陽和安陽試驗(yàn)點(diǎn)之間、安陽和南陽試驗(yàn)點(diǎn)之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，旗葉寬在3個試驗(yàn)點(diǎn)之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。原陽試驗(yàn)點(diǎn)中每2個性狀之間均達(dá)到極顯著相關(guān)性，旗葉長和旗葉寬、旗葉長寬比之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，旗葉寬和旗葉長寬比之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;在安陽和南陽試驗(yàn)點(diǎn)中，旗葉長和旗葉寬之間相關(guān)性均不顯著，旗葉長和旗葉長寬比之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，旗葉寬和旗葉長寬比之間均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.2 全基因組關(guān)聯(lián)分析

由表5可知，利用小麥90K SNP芯片對3個性狀進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，分別檢測到8、41、10個分別與旗葉長、旗葉寬和旗葉長寬比顯著關(guān)聯(lián)的SNPs（P<0.001）。其中，在2B、2D、4A、4B、7B染色體上分別檢測到3、1、1、1、2個SNPs與旗葉長顯著關(guān)聯(lián)，可解釋11.96%～15.43%的表型變異（圖2-a）。檢測到與旗葉寬顯著關(guān)聯(lián)的SNPs分別位于1A（1個）、2A（1個）、2B（1個）、3B（3個）、3D（3個）、4B（2個）、5A（1個）、5B（1個）、6A（2個）、6B（21個）、6D（4個）和7B（1個）染色體上，可解釋12.18%～21.57%的表型變異（圖2-b）。與旗葉長寬比顯著關(guān)聯(lián)的SNPs分別位于2B（1個）、4A（8個）和6B（1個）染色體上，可解釋12.85%～15.60%的表型變異（圖2-c）。

在檢測到的顯著關(guān)聯(lián)的分子標(biāo)記中，位于6B染色體上的Ku_c32100_105位點(diǎn)同時與旗葉寬和旗葉長寬比顯著關(guān)聯(lián)，Ku_c32100_105_BB基因型品種的旗葉比Ku_c32100_105_AA基因型的更寬，但Ku_c32100_105_AA基因型品種的旗葉長寬比值比Ku_c32100_105_BB基因型的更大（表6）。

3 結(jié)論與討論

河南小麥在由低產(chǎn)向高產(chǎn)的轉(zhuǎn)變過程中呈現(xiàn)旗葉變寬、長寬比變小的趨勢。本研究對96份河南小麥品種進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)旗葉長和旗葉寬表型分布廣泛，這表明河南小麥品種的旗葉存在廣泛的多樣性，且部分品種仍存在改良的空間。本研究篩選出的多份旗葉性狀表現(xiàn)優(yōu)異的小麥品種，其中豫農(nóng)202的旗葉長和旗葉寬在供試材料中均表現(xiàn)突出，具有用于小麥旗葉遺傳改良的潛力。

Ma等利用雙親分離群體分析表明旗葉長和旗葉寬的遺傳力分別為60%、66%，本研究在自然群體中的計(jì)算結(jié)果與之基本一致，說明盡管旗葉性狀受到環(huán)境的影響，但是遺傳因素仍為主要因素。此外，旗葉寬和旗葉長寬比之間、旗葉長和旗葉長寬比之間存在顯著的相關(guān)性，這與前人的研究結(jié)果相吻合。但在本研究中旗葉長與旗葉寬之間

不存在顯著的相關(guān)性，說明可以對旗葉形態(tài)進(jìn)行相對獨(dú)立的遺傳改良。

復(fù)雜農(nóng)藝性狀的遺傳解析是現(xiàn)代遺傳學(xué)的熱點(diǎn)，長久以來利用雙親分離群體定位到了大量的QTLs，但受限于親本狹窄的遺傳背景，難以完成復(fù)雜背景下廣泛位點(diǎn)的鑒定。全基因組關(guān)聯(lián)分析利用了搜集的自然群體作為遺傳材料，在特定遺傳結(jié)構(gòu)的群體下可以檢測出所有與性狀相關(guān)的位點(diǎn)。

本研究中檢測到8個與旗葉長顯著關(guān)聯(lián)的SNPs，其中位于2D染色體上的BobWhite_c3871_428可能與Liu等在2DL染色體臂上定位到的QTL位于同一染色體區(qū)段內(nèi)。此外，在2B染色體上的3個SNPs位于412.67～534.84 Mb物理區(qū)間內(nèi)，Yan等利用關(guān)聯(lián)分析也在2BL染色體臂上檢測到1個顯著性位點(diǎn)，但其位置與本研究中顯著關(guān)聯(lián)的SNPs相距約100 Mb，因此推測二者并不是同一個QTL。

控制小麥旗葉寬的QTL主要位于小麥第2和第5同源群上，姚儉昕等定位到的旗葉寬QTLs側(cè)翼分子標(biāo)記對應(yīng)于中國春5A染色體上約500 Mb的位置，與本研究中檢測到位于5A染色體上的位點(diǎn)相距約50 Mb，檢測到定位于2A染色體上的旗葉寬QTL與NAL1基因在小麥中的直系同源基因相距約80 Mb，NAL1基因在水稻中已表明參與調(diào)控旗葉寬，由于受限于關(guān)聯(lián)群體的分辨率，尚難以辨別是否為同一個QTL。5B染色體上發(fā)掘的控制旗葉寬的位點(diǎn)位于中國春參考基因組約604 Mb的位置，連俊方等在河南小麥骨干親本周8425B中定位到位于5B染色體上控制旗葉寬的QTLQflw-5B，該QTL位于分子標(biāo)記wsnp_Ku_c3869_7094615和BS00078572_51之間，對應(yīng)于中國春437.6～698.2Mb的物理區(qū)間，劉朦朦等也在5B染色體相似區(qū)段鑒定到控制旗葉寬的QTL，其優(yōu)勢單倍型在河南省小麥中選擇運(yùn)用較高，這2個QTLs與本研究中5B染色體上控制旗葉寬的位點(diǎn)位置接近，而本研究中亞群3和亞群4為周麥13（周8425B/周麥9號）或周麥16（周麥9號/周8425B）的后代，因此推測河南小麥旗葉寬遺傳并選擇應(yīng)用了周8425B的Qflw-5B位點(diǎn)。此外，筆者在7B染色體短臂65.02 Mb處定位到1個旗葉寬相關(guān)的顯著SNP位點(diǎn)，經(jīng)比對該SNP與之前該群體定位到的1個與產(chǎn)量相關(guān)的QTL物理位置（61.82 Mb）接近，該位點(diǎn)可能通過調(diào)控旗葉寬來提升小麥產(chǎn)量。目前在2B染色體上所定位的旗葉寬QTLs均位于長臂上，本研究中檢測到與旗葉寬顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點(diǎn)IACX8446位于2B染色體短臂末端，推測可能是1個新的位點(diǎn)。

本研究在6B染色體上檢測到1個同時調(diào)控旗葉寬和旗葉長寬比的位點(diǎn)Ku_c32100_105，該位點(diǎn)在調(diào)控2個性狀中具有相反的效應(yīng)，因此，通過選擇該位點(diǎn)以增加旗葉寬的同時可以有效降低旗葉長寬比，進(jìn)一步圖位克隆該基因?qū)馕鲂←溒烊~發(fā)育具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李春喜，韓 蕊，邵 云，等. 小麥開花期旗葉光合特性與地上部干物質(zhì)量的相關(guān)和通徑分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（6）：66-70.

[2]姜思彤，蘇 娜， 傅兆麟. 小麥旗葉葉綠素含量的時空差異性分析[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018（10）：22-26.

[3]鈕力亞，王偉偉，王 偉，等. 小麥功能葉對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響[J]. 作物研究，2018，32（4）：295-298.

[4]傅兆麟，馬寶珍，王光杰，等. 小麥旗葉與穗粒重關(guān)系的研究[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2001，21（1）：92-94.

[5]姚儉昕，張傳量，宋曉朋，等. 基于90K芯片的小麥穗長和旗葉長QTL分析[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2020，40（11）：1283-1289.

[6]Tu Y，Liu H，Liu J J，et al. QTL mapping and validation of bread wheat flag leaf morphology across multiple environments in different genetic backgrounds[J]. Theoretical and Applied Genetics，2021，134（1）：261-278.

[7]Liu K Y，Xu H，Liu G，et al. QTL mapping of flag leaf-related traits in wheat （Triticum aestivum L.）[J]. Theoretical and Applied Genetics，2018，131（4）：839-849.

[8]Consortium I W G S，Investigators I R P，Appels R，et al. Shifting the limits in wheat research and breeding using a fully annotated reference genome[J]. Science，2018，361（6403）：7191.

[9]Cavanagh C R，Chao S，Wang S C，et al.Genome-wide comparative diversity uncovers multiple targets of selection for improvement in hexaploid wheat landraces and cultivars[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2013，110（20）：8057-8062.

[10]Wang S C，Wong D，F(xiàn)orrest K，et al. Characterization of polyploid wheat genomic diversity using a high-density 90 000 single nucleotide polymorphism array[J]. Plant Biotechnology Journal，2014，12（6）：787-796.

[11]Rasheed A，Xia X C，Ogbonnaya F，et al. Genome-wide association for grain morphology in synthetic hexaploid wheats using digital imaging analysis[J]. BMC Plant Biology，2014，14：128.

[12]Zhou Y，Tang H，Cheng M P，et al. Genome-wide association study for pre-harvest sprouting resistance in a large germplasm collection of Chinese wheat landraces[J]. Frontiers in Plant Science，2017，8：401.

[13]Guo Z F，Chen D J，Alqudah A M，et al. Genome-wide association analyses of 54 traits identified multiple loci for the determination of floret fertility in wheat[J]. New Phytologist，2017，214（1）：257-270.

[14]時曉磊，嚴(yán)勇亮，石書兵，等. 小麥根部耐鹽性狀全基因組關(guān)聯(lián)分析[J]. 植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2021，22（1）：57-73.

[15]朱展望. 利用全基因組連鎖分析和關(guān)聯(lián)分析定位小麥赤霉病抗性基因及分子標(biāo)記開發(fā)[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2020.

[16]Bates D，M?chler M，Bolker B，et al. Fitting linear mixed-effects models using lme4[J]. Journal of Statistical Software，2015，67（1）：1-48.

[17]Piepho H P，M?hring J. Computing heritability and selection response from unbalanced plant breeding trials[J]. Genetics，2007，177（3）：1881-1888.

[18]Bradbury P J，Zhang Z W，Kroon D E，et al. TASSEL：software for association mapping of complex traits in diverse samples[J]. Bioinformatics，2007，23（19）：2633-2635.

[19]Yang J，Zhou Y J，Hu W G，et al. Unlocking the relationships among population structure，plant architecture，growing season，and environmental adaptation in Henan wheat cultivars[J]. BMC Plant Biology，2020，20：469.

[20]雷振生，林作楫. 黃淮麥區(qū)冬小麥合理株型結(jié)構(gòu)研究[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，1994，9（4）：27-32.

[21]Ma J A，Tu Y，Zhu J，et al.Flag leaf size and posture of bread wheat：genetic dissection，QTL validation and their relationships with yield-related traits[J]. Theoretical and Applied Genetics，2020，133（1）：297-315.

[22]Huang X H，Han B.Natural variations and genome-wide association studies in crop plants[J]. Annual Review of Plant Biology，2014，65：531-551.

[23]Liu Y X，Tao Y，Wang Z Q，et al. Identification of QTL for flag leaf length in common wheat and their pleiotropic effects[J]. Molecular Breeding，2017，38（1）：1-11.

[24]Yan X F，Zhao L，Ren Y，et al. Identification of genetic loci and a candidate gene related to flag leaf traits in common wheat by genome-wide association study and linkage mapping[J]. Molecular Breeding，2020，40（6）：1-15.

[25]王 芳. 控制我國小麥旗葉性狀的遺傳位點(diǎn)及候選基因的功能分析[D]. 鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[26]Fan X L，Cui F，Zhao C H，et al. QTLs for flag leaf size and their influence on yield-related traits in wheat （Triticum aestivum L.）[J]. Molecular Breeding，2015，35（1）：1-16.

[27]常 鑫，李法計(jì)，張兆萍，等. 小麥旗葉長、寬及面積的QTL分析[J]. 西北植物學(xué)報(bào)，2014，34（5）：896-901.

[28]王 芳，宋艷紅，陽文龍，等. 小麥旗葉寬相關(guān)基因TaNAL1-5的克隆與功能分析[J]. 分子植物育種，2016，14（5）：1037-1048.

[29]Fujita D，Trijatmiko K R，Tagle A G，et al. NAL1 allele from a rice Landrace greatly increases yield in modern indica cultivars[J]. PNAS，2013，110（51）：20431-20436.

[30]Zhang G H，Li S Y，Wang L，et al. LSCHL4 from Japonica cultivar，which is allelic to NAL1，increases yield of indica super rice 93-11[J]. Molecular Plant，2014，7（8）：1350-1364.

[31]連俊方，張德強(qiáng)，武炳瑾，等. 利用90K基因芯片進(jìn)行小麥旗葉相關(guān)性狀的QTL定位[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2016，36（6）：689-698.

[32]劉朦朦，張萌娜，張倩倩，等. 小麥旗葉寬主效QTL QFlw-5B遺傳效應(yīng)解析[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2019，39（12）：1399-1405.

[33]王 盈，趙 磊，董中東，等. 小麥株高和旗葉相關(guān)性狀的QTL定位[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2019，39（7）：761-767.