小麥花藥伸出特性的QTL分析

王笑笑，宋鵬博，王 鑫，周 鋒，張傲琰，張海龍，張澤源，馮 毅，孫道杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100)

小麥(L.)是世界上最重要的糧食作物之一，在人類生產(chǎn)生活中發(fā)揮著不可替代的作用。近年來，由于氣候變暖導(dǎo)致小麥穗部真菌病害發(fā)生率和嚴(yán)重度增加，品種的花藥伸出特性對(duì)小麥?zhǔn)诜劢Y(jié)實(shí)性和赤霉病抗性的影響日益凸顯，嚴(yán)重影響小麥生產(chǎn)。另外，花藥伸出特性也是小麥雜種優(yōu)勢(shì)利用的重要研究內(nèi)容。因此，發(fā)掘影響花藥伸出特性的QTL，可為改良小麥品種的揚(yáng)花期相關(guān)性狀提供參考。

迄今為止，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)小麥的開花期性狀進(jìn)行了研究，并取得了一定的進(jìn)展，但對(duì)影響花藥發(fā)育和花藥伸出特性的遺傳機(jī)制知之甚少?；ㄋ幧斐鎏匦允腔ㄋ幵陂_花期間從小花中伸出來的一種現(xiàn)象。小麥的穗由穗軸和小穗組成，每個(gè)小穗包含2～5朵小花，每朵小花又包括1片外稃、1片內(nèi)稃、3枚雄蕊、1枚雌蕊和1對(duì)漿片。小花開放主要受漿片膨脹的控制。在小麥開花時(shí)，位于外稃和子房基部之間的一對(duì)漿片在開花時(shí)迅速膨脹，撐開堅(jiān)硬的外穎，使花藥和柱頭伸出。當(dāng)漿片膨大失敗沒有足夠的機(jī)械力撐開穎殼時(shí)，就會(huì)阻礙花粉流動(dòng)，導(dǎo)致閉穎開花和自花授粉?；ㄋ幧斐鼍哂袕?fù)雜的遺傳學(xué)特性，并受多方面因素的影響，穗和小穗的大小及結(jié)構(gòu)、穎片的韌性、漿片膨脹程度、花藥大小、花絲長度以及開花持續(xù)時(shí)間等都有可能影響花藥的伸出。

花藥伸出特性一直是育種者關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來有研究發(fā)現(xiàn)，赤霉病的嚴(yán)重程度與花藥伸出特性緊密相關(guān)，大部分花藥伸出特性QTL與赤霉病抗性QTL區(qū)間相同。殘留的花藥是赤霉病侵染初期的主要目標(biāo)。由于開花時(shí)花藥不能按時(shí)完全散落，導(dǎo)致授粉后的小花不能及時(shí)閉合，為真菌侵染提供了一個(gè)入口，因而快速且完全地花藥伸出過程可以在一定程度上阻止赤霉病侵染。花藥伸出特性是由多基因控制的數(shù)量性狀。目前研究報(bào)道的與小麥花藥伸出特性相關(guān)的QTL分別位于1A、1B、1D、2A、2B、2D、3B、4A、4B、4D、5A、5B、5D、6A、6B和7A染色體上。大部分影響花藥伸出特性的QTL效應(yīng)都比較小，在已報(bào)道的主效QTL中，除了與和基因緊密連鎖的QTL外，僅Muqaddasi等在5A染色體上也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)主效QTL。由此可見，與花藥伸出特性相關(guān)的穩(wěn)定的主效QTL較少，這可能與選擇的親本材料有關(guān)。因此，本研究以半閉穎小麥品種周8425B和開穎小麥品種小偃81為親本構(gòu)建的含102個(gè)株系的RIL群體為研究對(duì)象，利用90K SNP芯片對(duì)花藥伸出特性進(jìn)行QTL定位，挖掘新的能夠穩(wěn)定表達(dá)的主效QTL，以期為分子育種提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以半閉穎小麥品種周8425B和開穎小麥品種小偃81構(gòu)建的包含102個(gè)株系的F代RIL群體為材料，于2019年10月播種于西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)站(用E1表示)，間隔1個(gè)月為晚播環(huán)境(用E2表示)；于2020年10月也播種于西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)站(用E3表示)，間隔1個(gè)月為晚播環(huán)境(用E4表示)。試驗(yàn)均采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次。每個(gè)株系種植2行，行長2 m，每行50株，行距0.25 m。其他田間管理措施同當(dāng)?shù)厣a(chǎn)管理。

1.2 表型鑒定

在小麥開花期間，每個(gè)株系選取長勢(shì)良好且均勻一致的3個(gè)單株(排除邊際效應(yīng))，在所有環(huán)境中評(píng)估花藥伸出的情況。利用并改進(jìn)Hanafi等報(bào)道的兩種方法進(jìn)行表型鑒定。方法1：于小麥花后5～7 d，取長勢(shì)均勻的小穗對(duì)其小花內(nèi)剩余花藥進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算花藥伸出率；方法2：記錄視覺花藥伸出等級(jí)(0：沒有花藥伸出；1：1/3的花藥伸出；2：2/3的花藥伸出；3：花藥完全伸出)。以小麥花藥伸出率和視覺花藥伸出等級(jí)兩種性狀表型值共同評(píng)估花藥伸出特性。用Spass軟件將單環(huán)境的重復(fù)值求其平均值后，再進(jìn)行QTL分析。用W-test檢測(cè)親本表型間的差異顯著性。用IciMapping V4.2中的‘AOV’包計(jì)算花藥伸出特性的最佳線性無偏預(yù)測(cè)(best linear unbiased prediction,BLUP)、遺傳方差等。根據(jù)Song等的方法計(jì)算遺傳力，按照唐仕云等的方法計(jì)算遺傳變異系數(shù)。

1.3 遺傳圖譜的構(gòu)建

用90K SNP芯片對(duì)102個(gè)株系進(jìn)行基因分型，用IciMapping V4.2中的BIN模塊進(jìn)行多態(tài)性分析并去除冗余標(biāo)記，篩選出兩親本間存在多態(tài)性的標(biāo)記，剔除偏分離標(biāo)記(<0.001)和缺失率>20%的標(biāo)記后，用IciMapping V4.2中的MAP模塊將剩余標(biāo)記進(jìn)行排序，并將重組率轉(zhuǎn)化為遺傳距離(cM)，完成遺傳圖譜的構(gòu)建。

1.4 QTL的檢測(cè)

利用完備復(fù)合區(qū)間模型(ICIM)對(duì)4個(gè)環(huán)境下的表型值及BLUP值分別進(jìn)行QTL檢測(cè)。在α=0.05水平下進(jìn)行1 000次的排列檢驗(yàn)，確定LOD值的大小，采用正反逐步回歸法控制背景，步長設(shè)為1 cM。利用IciMapping V4.2中的MET模塊對(duì)多環(huán)境互作進(jìn)行QTL檢測(cè)。用Mapchart V2.2繪制QTL在染色體上的分布圖。通過中國春參考基因組(IWGSC RefSeq V1.0)對(duì)本研究所檢測(cè)到的QTL側(cè)翼標(biāo)記序列進(jìn)行比對(duì)，以獲取相應(yīng)標(biāo)記的物理位置，在中國春參考基因組(http://202.194.139.32/jbrowse- 1.12.3-release)中查詢前人已經(jīng)報(bào)道的標(biāo)記位置，確定本研究發(fā)現(xiàn)的QTL與前人報(bào)道的QTL是否一致。以“+染色體”和“+染色體”分別命名以花藥伸出率和視覺花藥伸出等級(jí)兩種方法定位到的QTL，以花藥伸出率和視覺花藥伸出等級(jí)兩種方法共同定位到的QTL用“+染色體”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型數(shù)據(jù)分析

從表1可以看出，周8425B和小偃81的花藥伸出特性在不同環(huán)境下均存在顯著性差異，且RIL群體的表型數(shù)據(jù)呈現(xiàn)連續(xù)分布且存在超親分離現(xiàn)象。這表明花藥伸出特性是由多個(gè)基因控制的數(shù)量性狀?；ㄋ幧斐雎屎鸵曈X花藥伸出等級(jí)的遺傳力分別為0.99和0.93，表明它們主要受遺傳因子影響，環(huán)境因素對(duì)其影響較小。

表1 親本及RIL群體花藥伸出特性的統(tǒng)計(jì)分析Table 1 Statistic analysis of anther elongation characteristics of parents and RIL population

2.2 遺傳圖譜構(gòu)建結(jié)果

小麥90K SNP芯片中的81 588個(gè)標(biāo)記通過篩選過濾后，剩余7 225個(gè)多態(tài)性標(biāo)記，劃分為 1 738個(gè)Bin標(biāo)記，這些標(biāo)記構(gòu)成的遺傳連鎖圖譜共包含28個(gè)連鎖群，覆蓋小麥21條染色體。圖譜全長為2 068.80 cM，平均圖距為1.19 cM，其中A基因組的長度最長，D基因組的長度最短。90K SNP芯片在小麥A、B、D基因組中的連鎖標(biāo)記數(shù)分別為740、832和166個(gè)(表2和圖1)。

2.3 花藥伸出特性的QTL定位結(jié)果

共檢測(cè)到8個(gè)控制花藥伸出特性的QTL(表3)，分別位于3A、3B、5B、6B、6D和7A染色體上，單個(gè)QTL可解釋3.49%～26.09%的表型變異。、和可在花藥伸出率和視覺花藥伸出等級(jí)調(diào)查中均被檢測(cè)到。其中，在花藥伸出率調(diào)查的E2和MET(環(huán)境互作)環(huán)境中被檢測(cè)到，在視覺花藥伸出等級(jí)調(diào)查的E4和MET環(huán)境中被檢測(cè)到，可解釋3.65%～10.48%的表型變異，為微效QTL，其加性效應(yīng)來自父本小偃81；在花藥伸出率調(diào)查的E1、E2和MET三個(gè)環(huán)境中被檢測(cè)到，在視覺花藥伸出等級(jí)調(diào)查的E1、E2、E3、E4和MET五個(gè)環(huán)境中被檢測(cè)到，可解釋8.12%～26.09%的表型變異，平均表型變異解釋率為17.00%，為穩(wěn)定表達(dá)的主效QTL，其加性效應(yīng)來自母本周8425B；在花藥伸出率調(diào)查的E4和MET環(huán)境中被檢測(cè)到，在視覺花藥伸出等級(jí)調(diào)查的E1和MET環(huán)境中均被檢測(cè)到，可解釋 3.49%～8.93%的表型變異，為微效QTL，其加性效應(yīng)來自母本周8425B。

圖1 花藥伸出特性QTL在染色體上的分布

表2 Bin標(biāo)記在不同染色體上的分布情況Table 2 Distribution of Bin markers on different chromosomes

另外，花藥伸出率QTL定位調(diào)查結(jié)果中，除、和外，也定位到、和，其中和在E3、E4和MET三個(gè)環(huán)境中均被檢測(cè)到，分別可解釋6.26%～16.98%和6.25%～15.02%的表型變異，其加性效應(yīng)分別來自父本小偃81和母本周8425B；在E4和MET環(huán)境中被檢測(cè)到，可解釋6.82%～11.71%的表型變異，其加性效應(yīng)來自母本周8425B。視覺花藥伸出等級(jí)QTL定位結(jié)果中，除、和外，也檢測(cè)到和，其中在E4和MET環(huán)境中被檢測(cè)到，可解釋3.99%～10.76%的表型變異；而在E4和MET環(huán)境中被檢測(cè)到，可解釋3.85%～9.55%的表型變異，這兩個(gè)QTL的加性效應(yīng)均來自母本周8425B。

表3 RIL群體花藥伸出特性的定位信息Table 3 Location information of anther elongationtraits in RIL population

3 討 論

在選擇作圖群體時(shí)，兩個(gè)親本之間表型差異的大小及親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近不僅影響群體內(nèi)多態(tài)性標(biāo)記的數(shù)量，同時(shí)也與連鎖圖譜的標(biāo)記密度和QTL定位結(jié)果的準(zhǔn)確性密切相關(guān)。SNP標(biāo)記在染色體上分布均勻且數(shù)目眾多，其構(gòu)建的高密度連鎖圖譜有利于將QTL定位在較小的區(qū)間內(nèi)，極大地降低了候選基因預(yù)測(cè)的難度。本研究利用小麥90K基因芯片對(duì)包含102個(gè)家系的RIL群體及其親本進(jìn)行掃描分型，共篩選出1 738個(gè)Bin標(biāo)記，連鎖圖譜全長為2 068.8 cM，平均圖距為1.19 cM，并構(gòu)建了覆蓋小麥21條染色體的高密度遺傳圖譜。所構(gòu)建圖譜的Bin標(biāo)記在A染色體組有740個(gè)，B染色體組有832個(gè)，D染色體組有166個(gè)，D基因組的標(biāo)記數(shù)目比A、B染色體組少，這可能與六倍體小麥的來源及人工選擇有關(guān)。

本研究共定位到8個(gè)控制花藥伸出特性的QTL。其中位于6B染色體上的，與Muqaddasi等報(bào)道的位點(diǎn)側(cè)翼標(biāo)記位置接近，推測(cè)是同一QTL；位于3A染色體上的位于參考基因組727.399～729.691 Mb處，與Muqaddasi等報(bào)道的位點(diǎn)區(qū)間位置部分重疊，推測(cè)是同一QTL；位于6D染色體上的和、3B染色體上的、5B染色體上的以及7A染色體上的，與前人報(bào)道的QTL位置均不同，推測(cè)這些QTL均為新的控制花藥伸出特性的QTL。通過小麥花藥伸出率和視覺花藥伸出等級(jí)兩個(gè)性狀表型值共同評(píng)估花藥伸出特性，結(jié)果更加可靠。本研究通過這兩個(gè)性狀表型值進(jìn)行定位且在多個(gè)環(huán)境下穩(wěn)定表達(dá)的QTL有3個(gè)，分別為、和，這些QTL可為改良小麥品種的揚(yáng)花期相關(guān)性狀提供參考。