四倍體小麥株高和穗長(zhǎng)性狀的QTL定位及其遺傳效應(yīng)分析

陳黃鑫，李 聰，吳坤燕，王 岳，牟 楊，唐華蘋，唐力為，蘭秀錦，馬 建

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所，四川成都 611130； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，四川成都 611130；3.攀枝花市農(nóng)林科學(xué)研究院，四川攀枝花 617061)

小麥作為全球重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量的提高對(duì)于解決人口劇增導(dǎo)致的糧食短缺問題非常關(guān)鍵。而株高和穗長(zhǎng)對(duì)小麥產(chǎn)量的提升具有積極的促進(jìn)作用。

迄今為止，在小麥染色體上已經(jīng)鑒定到許多控制株高和穗長(zhǎng)的基因/QTL。20世紀(jì)中期，()和()矮稈基因的發(fā)掘，提高了作物的抗倒伏能力，進(jìn)一步提高了作物產(chǎn)量，掀起了矮稈育種的綠色革命浪潮；之后，Peng等在圓錐小麥Aiganfanmai的7A染色體短臂上定位到控制株高的基因；Mo等利用UC1110和PI610750構(gòu)建的包含186個(gè)株系的RIL群體為材料，在小麥6A染色體短臂上定位到控制株高的基因，這些株高基因與赤霉素途徑密切相關(guān)。此外，付美玉等利用矮稈突變體，使用外顯子捕獲測(cè)序和集群分離分析法，在2D染色體上檢測(cè)到1個(gè)控制株高的QTL；Xiong等基于55K SNP高密度遺傳圖譜，利用eh1和輪選987構(gòu)建的包含207個(gè)株系的RIL群體為材料，在2A、4A、4B和6B染色體上共鑒定到7個(gè)控制株高的QTL，可解釋4.40%～ 34.40%的表型變異，在3A、4A、5B、6A、6B和7D染色體上檢測(cè)到9個(gè)控制穗長(zhǎng)的QTL，可解釋 3.00%～22.00%的表型變異；Anuarbek等利用全基因組關(guān)聯(lián)分析對(duì)184份原始和馴化小麥進(jìn)行了SNP位點(diǎn)挖掘，共檢測(cè)到15個(gè)控制株高的QTL和13個(gè)控制穗長(zhǎng)的QTL；姚儉昕等利用小偃81和西農(nóng)1376構(gòu)建的包含120個(gè)株系的F代RIL群體為材料，共檢測(cè)到3個(gè)控制穗長(zhǎng)的QTL，分布在2B、2D和5D染色體上；Deng等利用花培3和豫麥57構(gòu)建的包含168個(gè)雙單倍體小麥群體為材料，在4個(gè)不同處理下共檢測(cè)到11個(gè)控制穗長(zhǎng)的QTL；嚴(yán) 俊等以硬粒小麥Langdon和野生二粒小麥G18-16構(gòu)建的包含152個(gè)株系的F代RIL群體為材料，在5A和7A染色體上共檢測(cè)到3個(gè)控制穗長(zhǎng)的QTL。

關(guān)于小麥株高和穗長(zhǎng)基因/QTL的研究已有較多報(bào)道，但由于六倍體普通小麥基因組龐大且復(fù)雜，同時(shí)受到現(xiàn)階段分子技術(shù)限制，研究較為困難。在小麥的進(jìn)化或馴化過程中，四倍體硬粒小麥(L.，2=4=28，AABB)和野生二粒小麥(ssp.，2=4=28，AABB)分別是普通小麥的重要近緣物種和祖先種，同時(shí)也是六倍體小麥重要的二級(jí)資源庫(kù)。相比于六倍體小麥，四倍體小麥的基因組相對(duì)較小，染色體上也含有豐富的基因資源，研究起來相對(duì)簡(jiǎn)單，從四倍體小麥的近緣物種中挖掘鑒定可用的基因資源并運(yùn)用到六倍體小麥，成為現(xiàn)階段的主要育種手段之一，同時(shí)，四倍體硬粒小麥和野生二粒小麥具有一定的親緣關(guān)系，便于深入研究株高和穗長(zhǎng)的遺傳基礎(chǔ)，對(duì)普通小麥高產(chǎn)育種有著重要意義。因此，本研究以硬粒小麥矮蘭麥和野生二粒小麥LM001構(gòu)建的包含121個(gè)株系的F代RIL群體為材料，基于55K SNP芯片構(gòu)建了遺傳連鎖圖譜，并結(jié)合5年8個(gè)生態(tài)環(huán)境的株高和穗長(zhǎng)表型數(shù)據(jù)，挖掘與株高和穗長(zhǎng)相關(guān)且能夠穩(wěn)定表達(dá)的主效QTL，并分析其遺傳效應(yīng)，為其精細(xì)定位和聚合育種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為矮蘭麥和LM001及其通過單籽粒傳法構(gòu)建的F代RIL群體。該群體包含121個(gè)株系，其親本為四川地方硬粒小麥品種矮蘭麥(母本)和野生二粒小麥LM001(父本)，兩者均為四倍體小麥，由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所收集并保存。其中，母本矮蘭麥穗長(zhǎng)較短且株高較矮。

1.2 試驗(yàn)方法和表型鑒定

對(duì)119份RIL群體及其親本分別于2017-2021年種植在四川省崇州市試驗(yàn)基地(分別用2017CZ、2018CZ、2019CZ、2020CZ和2021CZ表示)，并于2020年和2021年也種植在四川省成都市溫江區(qū)試驗(yàn)基地(分別用2020WJ和2021WJ表示)，進(jìn)行株高和穗長(zhǎng)的表型鑒定；于2020年也種植在四川省雅安市試驗(yàn)基地(用2020YA表示)，僅進(jìn)行穗長(zhǎng)的表型鑒定。于小麥成熟期，每個(gè)株系選取生長(zhǎng)良好且長(zhǎng)勢(shì)一致的三個(gè)單株(排除邊際效應(yīng))，使用米尺和直尺測(cè)量株高和穗長(zhǎng)(不包括芒)。播種方法為單粒播種，每個(gè)株系播種一行，行長(zhǎng)1.5 m，行距0.3 m，株距0.1 m，按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)小麥生產(chǎn)進(jìn)行田間管理。

1.3 遺傳圖譜的構(gòu)建和QTL定位

利用本課題組前期基于小麥55K SNP芯片構(gòu)建的遺傳連鎖圖譜，結(jié)合表型數(shù)據(jù)，用IciMapping 4.1 (https://www.isbreeding.net/)軟件中的完備復(fù)合區(qū)間作圖法(ICIM-ADD)對(duì)株高和穗長(zhǎng)QTL進(jìn)行檢測(cè)，參數(shù)設(shè)置為：Step=1 cM，PIN值=0.001，LOD閾值=2.5，并計(jì)算出每個(gè)QTL的表型變異和加性效應(yīng)，同時(shí)進(jìn)行QTL的多環(huán)境分析，參數(shù)設(shè)置為：Step=1 cM，PIN值=0.001，LOD閾值=8。QTL命名按照國(guó)際遺傳命名規(guī)則(https://wheat.pw.usda.gov/ggpages/wgc/98/Intro.htm)進(jìn)行。在Graingenes 2.0(https://wheat.pw.usda.gov/gg2/index.shtml)和NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)網(wǎng)站檢索前人已經(jīng)報(bào)道的小麥株高和穗長(zhǎng)QTL及其側(cè)翼標(biāo)記和基因信息，并與中國(guó)春的最新參考基因組v2.1、硬粒小麥參考基因組和野生二粒小麥參考基因組2.0進(jìn)行比對(duì)，獲得標(biāo)記的物理位置。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用Microsoft Excel 2016對(duì)株高和穗長(zhǎng)的表型數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值的計(jì)算；用SAS 9.1.3對(duì)株高和穗長(zhǎng)進(jìn)行BLUP值和廣義遺傳力()的計(jì)算；用Origin 2021繪制株高和穗長(zhǎng)的頻率分布圖和箱線圖；用IBM SPSS Statistics 27進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，分析顯著性水平(異常值不做數(shù)據(jù)分析)；根據(jù)55K SNP芯片數(shù)據(jù)查找本研究中株高和穗長(zhǎng)QTL側(cè)翼標(biāo)記的物理位置。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及其RIL群體株高和穗長(zhǎng)的表型分布

從表1可知，親本LM001的株高在除2018CZ之外的6個(gè)環(huán)境中均極顯著高于矮蘭麥；而LM001的穗長(zhǎng)僅在2021CZ環(huán)境下顯著高于矮蘭麥。RIL群體株高和穗長(zhǎng)的遺傳力分別為0.79和0.70，表明它們受遺傳因素影響較大，受環(huán)境影響較小。RIL群體在不同環(huán)境下的株高和穗長(zhǎng)都存在超親分離現(xiàn)象，且兩者的頻率分布圖在每個(gè)環(huán)境下均呈近似正態(tài)分布(圖1)。因此，株高和穗長(zhǎng)性狀具有典型的數(shù)量遺傳學(xué)特點(diǎn)，可用作QTL檢測(cè)。

圖1 不同環(huán)境下RIL群體株高和穗長(zhǎng)的頻率分布

表1 不同環(huán)境下親本及RIL群體株高和穗長(zhǎng)的表型分布

2.2 株高和穗長(zhǎng)QTL的檢測(cè)結(jié)果

結(jié)合本課題組前期構(gòu)建的遺傳連鎖圖譜，并結(jié)合5年8個(gè)生態(tài)環(huán)境的表型數(shù)據(jù)，共鑒定到7個(gè)株高QTL和17個(gè)穗長(zhǎng)QTL，分布在9條染色體上(表2)。

表2 基于RIL群體檢測(cè)到的株高和穗長(zhǎng)QTL

7個(gè)株高QTL分別位于2A、2B、4B、5A、6A和7A染色體上，其中，4B染色體上的在3個(gè)環(huán)境中被檢測(cè)到，可解釋 9.17%～20.03%的表型變異，為穩(wěn)定表達(dá)的主效位點(diǎn)，其加性效應(yīng)來源于母本矮蘭麥；7A染色體上的在2個(gè)環(huán)境中被檢測(cè)到，可解釋10.44%～14.48%的表型變異，也為穩(wěn)定表達(dá)的主效位點(diǎn)，其加性效應(yīng)來源于父本LM001；其他5個(gè)QTL僅在單個(gè)環(huán)境中檢測(cè)到，可解釋7.46%～11.94%的表型變異。

17個(gè)穗長(zhǎng)QTL分別位于2A、2B、3A、4A、4B、5A和6B染色體上，其中，2B染色體上的在5個(gè)環(huán)境中被檢測(cè)到，可解釋10.41%～16.29%的表型變異，為穩(wěn)定表達(dá)的主效位點(diǎn)，其加性效應(yīng)來源于父本LM001；4B染色體上的和6B染色體上的均在2個(gè)環(huán)境中被檢測(cè)到，分別可解釋7.54%～11.70%和7.68%～ 8.27%的表型變異，其加性效應(yīng)均來源于母本矮蘭麥，其中，也為穩(wěn)定表達(dá)的主效位點(diǎn)；其他15個(gè)QTL僅在1個(gè)環(huán)境中檢測(cè)到，可解釋6.52%～17.10%的表型變異。

多環(huán)境分析結(jié)果(表3)表明，當(dāng)LOD閾值為8時(shí)，共檢測(cè)到13個(gè)QTL，其中，在單環(huán)境中穩(wěn)定表達(dá)的主效QTL(、、和)在多環(huán)境中也能被檢測(cè)到，進(jìn)一步表明這4個(gè)QTL為穩(wěn)定的QTL。

表3 多環(huán)境分析株高和穗長(zhǎng)QTL

2.3 與株高和穗長(zhǎng)相關(guān)且穩(wěn)定表達(dá)的主效QTL的遺傳效應(yīng)

根據(jù)同一性狀主效QTL側(cè)翼標(biāo)記的基因型和效應(yīng)位點(diǎn)來源，將RIL群體的121個(gè)株系分 成兩類，一類是僅攜帶相應(yīng)QTL增效位點(diǎn) 的株系，一類是不攜帶相應(yīng)QTL增效位點(diǎn)的 株系。

進(jìn)一步對(duì)這兩類株系進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果(表4)表明，單個(gè)生態(tài)環(huán)境條件下，對(duì)于株高，攜帶增效位點(diǎn)株系的株高在各個(gè)環(huán)境下均顯著或極顯著高于不攜帶該位點(diǎn)的株系，增幅為 9.60%～ 21.35%；攜帶增效位點(diǎn)株系的株高在除2020WJ和2021WJ之外的5個(gè)環(huán)境下均極顯著高于不攜帶該位點(diǎn)的株系，增幅為 5.79%～18.20%。對(duì)于穗長(zhǎng)，攜帶增效位點(diǎn)株系的穗長(zhǎng)在除2018CZ和2020YA之外的6個(gè)環(huán)境下均極顯著高于不攜帶該位點(diǎn)的株系，增幅為 0.80%～ 16.98%；攜帶增效位點(diǎn)株系的穗長(zhǎng)在2017CZ、2020CZ和2021CZ三個(gè)環(huán)境下均顯著或極顯著高于不攜帶該位點(diǎn)的株系，增幅為 2.11%～11.93%。

表4 穩(wěn)定表達(dá)的穗長(zhǎng)和株高主效QTL的遺傳效應(yīng)

2.4 與株高和穗長(zhǎng)相關(guān)且穩(wěn)定表達(dá)的主效QTL的聚合效應(yīng)

分別用株高和穗長(zhǎng)的BLUP值，結(jié)合側(cè)翼標(biāo)記的基因型，對(duì)主效QTL進(jìn)行聚合效應(yīng)分析。對(duì)于株高，僅攜帶或增效位點(diǎn)株系的株高極顯著高于不攜帶任何位點(diǎn)的株系，增幅分別為6.70%和 5.42%；同時(shí)攜帶和增效位點(diǎn)株系的株高也顯著或極顯著高于僅攜帶或增效位點(diǎn)的株系以及不攜帶任何位點(diǎn)的株系，增幅分別為3.91%、5.17%和10.87%(圖2a)。對(duì)于穗長(zhǎng)，僅攜帶或增效位點(diǎn)株系的穗長(zhǎng)極顯著高于不攜帶任何位點(diǎn)的株系，增幅分別為7.36%和 6.39%；同時(shí)攜帶和增效位點(diǎn)株系的穗長(zhǎng)也極顯著高于僅攜帶或的株系以及不攜帶任何位點(diǎn)的株系，增幅分別為6.19%、7.16%和14.01%(圖2b)。

圖中百分?jǐn)?shù)表示兩個(gè)株系之間株高或穗長(zhǎng)的變幅。*和**分別表示株系之間在0.05和0.01水平上差異顯著。

3 討 論

本研究定位到的位于4B染色體短臂上，與Liu等定位到的距離較近，推測(cè)與可能是等位位點(diǎn)；位于7A染色體短臂上，與前人在7A染色體定位到的、和物理位置均無重疊區(qū)段，說明可能是新的控制株高的QTL；位于2B染色體長(zhǎng)臂上，與前人定位到的QTL物理位置均無重疊，可能是新的控制穗長(zhǎng)的QTL；位于4B染色體長(zhǎng)臂上，與李樂晨定位到的穗長(zhǎng)QTL位點(diǎn)距離較近。此外，在2B染色體上已經(jīng)報(bào)道的、4B染色體上已經(jīng)報(bào)道的以及7A染色體上已經(jīng)報(bào)道的與本研究定位到的QTL位點(diǎn)區(qū)間無重疊，但是由于QTL定位精確度存在局限性和遺傳背景的干擾，很難排除、和基因?qū)Α?、和的影響，因此需要進(jìn)一步用分子標(biāo)記或精細(xì)定位來確定。

本研究在RIL群體的后代中發(fā)現(xiàn)了超親分離性狀，這種現(xiàn)象不僅有基因分離產(chǎn)生的作用，還存在著基因自由組合對(duì)性狀的影響。和(控制株高)、和(控制穗長(zhǎng))效應(yīng)位點(diǎn)分別來自兩個(gè)不同的親本，株高和穗長(zhǎng)的聚合效應(yīng)顯著，同時(shí)株高和穗長(zhǎng)的表型增加也并非簡(jiǎn)單的累加，說明多個(gè)主效QTL位點(diǎn)的存在可能是產(chǎn)生超親性狀的主要原因。聚合多個(gè)QTL可用于育種工作，能夠避免單個(gè)QTL的效應(yīng)不足，同時(shí)增加所聚合QTL的效應(yīng)，提高分子輔助選擇育種的效率。聚合多個(gè)抗病基因能夠提升作物廣譜抗性和持久性。例如，劉 凱等將、和基因聚合，選育出抗稻瘟病的水稻新品系鹽稻 1626。本研究結(jié)果表明，聚合育種同樣可以運(yùn)用于株型和穗型的遺傳改良，對(duì)于培育理想株型的小麥有著積極意義。但不同基因/QTL之間還可能存在位點(diǎn)冗余、位點(diǎn)掩蓋、上位效應(yīng)等復(fù)雜的互作機(jī)制，因此，在進(jìn)行聚合分析時(shí)應(yīng)進(jìn)行多方面的研究。