野生二粒小麥主要農(nóng)藝特性融入普通小麥的全基因組關(guān)聯(lián)分析

劉 佳 龔方儀 劉亞西 顏澤洪 鐘曉英 陳厚霖 黃 林 伍碧華

野生二粒小麥主要農(nóng)藝特性融入普通小麥的全基因組關(guān)聯(lián)分析

劉 佳 龔方儀 劉亞西 顏澤洪 鐘曉英 陳厚霖 黃 林*伍碧華*

西南作物基因資源發(fā)掘與利用國家重點實驗室 / 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所, 四川成都 611130

野生二粒小麥(ssp.)是普通小麥的四倍體祖先種, 具有廣泛的基因型變異, 是改良普通小麥的重要種質(zhì)資源。本研究對不同年份和地點四個環(huán)境下的161份野生二粒小麥滲入系材料的株高、分蘗數(shù)、小穗數(shù)、抽穗期、開花期和千粒重進行表型鑒定, 并利用覆蓋全基因組的13,116個DArT標(biāo)記對各農(nóng)藝性狀進行全基因組關(guān)聯(lián)分析, 以期發(fā)掘性狀顯著關(guān)聯(lián)標(biāo)記及相關(guān)候選基因。本研究共檢測到147個與6個農(nóng)藝性狀相關(guān)的穩(wěn)定標(biāo)記。其中, 一些關(guān)聯(lián)標(biāo)記與抽穗期和開花期同時相關(guān), 并且在2B染色體上聚集成簇。在野生二粒小麥滲入系群體中共推定了21個與農(nóng)藝性狀相關(guān)的候選基因, 其中位于7A染色體與千粒重顯著相關(guān)的候選基因與細(xì)胞周期蛋白有關(guān)。這些標(biāo)記和候選基因可為克隆優(yōu)異農(nóng)藝性狀相關(guān)基因提供重要信息, 從而為野生二粒小麥在普通小麥背景中的遺傳改良綜合利用提供依據(jù)與指導(dǎo)。

野生二粒小麥; 普通小麥; 農(nóng)藝性狀; 遠(yuǎn)緣雜交; 全基因組關(guān)聯(lián)分析

小麥?zhǔn)侨蛉蠹Z食作物之一, 世界上有1/3以上的人口以小麥為主糧, 特別是在發(fā)展中國家, 其產(chǎn)量和品質(zhì)與人類的生存和健康息息相關(guān)[1]。隨著經(jīng)濟和生活水平的快速提高以及人口的迅猛增長,全世界對小麥的需求量將持續(xù)增加, 高產(chǎn)育種一直是小麥現(xiàn)代育種永恒的主題[2-3]。

大量研究表明, 野生二粒小麥(, AABB, 2=4=28)是現(xiàn)代栽培小麥的祖先種, 起源“新月沃土”地區(qū), 經(jīng)歷了長期復(fù)雜的環(huán)境演變形成其遺傳多樣性豐富的特點, 蘊藏著大穗、大籽粒、高粒重、多蘗性、理想的光合產(chǎn)量以及抗病、抗逆等許多優(yōu)異的農(nóng)藝與經(jīng)濟性狀[4-6]。因此, 有學(xué)者認(rèn)為野生二粒小麥?zhǔn)强杀黄谕麨槿蛐←湹目沙掷m(xù)生產(chǎn), 貢獻其在數(shù)量和質(zhì)量性狀上全方位多樣性的優(yōu)異物種, 對小麥遺傳改良具有重要的應(yīng)用價值[5,7]?？上У氖? 野生二粒小麥豐富的遺傳多樣性在現(xiàn)代栽培小麥中已丟失近69%[8]。現(xiàn)已證明野生二粒小麥的A、B基因組與普通小麥同源, 易與普通小麥有性雜交進行遺傳重組, 并且雜種后代與普通小麥容易回交, 從而使得優(yōu)異基因可以通過同源重組而成功導(dǎo)入普通小麥, 進而能夠有效豐富小麥的遺傳變異, 極大拓展了普通小麥的遺傳基礎(chǔ)[9]。儲誠艮等[10]研究表明, 通過野生二粒小麥與普通小麥的雜交、回交等可將野生二粒小麥的大粒和籽粒高蛋白質(zhì)含量(GPC)成功向普通小麥轉(zhuǎn)移, 并實現(xiàn)兩者的同步改良。我們前期研究發(fā)現(xiàn)絕大部分含野生二粒小麥血緣的漸滲系不僅GPC 顯著高于其普通小麥?zhǔn)荏w品種川農(nóng)16 (CN16), 一些甚至達(dá)到了優(yōu)質(zhì)強筋或中強筋小麥品種的GPC水平, 而且其籽粒更大、產(chǎn)量更高[11-14]。在此基礎(chǔ)上, 挖掘出一些除基因之外的高GPC位點和差異表達(dá)基因, 分析并驗證了一些候選基因的功能[14-16]。然而, 迄今對于野生二粒小麥優(yōu)異大粒特性顯著增大普通小麥的籽粒庫容和粒重, 獲得高產(chǎn)[17]的優(yōu)異位點及其候選基因尚知之甚少。

因此, 本研究在結(jié)合我們前期工作的基礎(chǔ)上, 利用野生二粒小麥為父本與普通小麥川農(nóng)16遠(yuǎn)緣雜交創(chuàng)建的穩(wěn)定高世代野生二粒小麥滲入系群體, 結(jié)合分子標(biāo)記技術(shù)對主要農(nóng)藝性狀進行全基因組關(guān)聯(lián)分析, 挖掘與農(nóng)藝性狀顯著關(guān)聯(lián)的標(biāo)記位點; 探討野生二粒小麥農(nóng)藝性狀在普通小麥背景下的遺傳與重組情況, 以及野生二粒小麥優(yōu)異遺傳物質(zhì)向普通小麥的導(dǎo)入能力, 及其在普通小麥背景中的進一步傳遞與表達(dá)能力, 為野生二粒小麥在普通小麥背景中的遺傳改良綜合利用提供依據(jù)與指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究的試驗材料為引自以色列的含有高籽粒蛋白含量的野生二粒小麥D1作為父本與普通小麥矮桿、穗數(shù)型(千粒重小)、弱筋國審品種川農(nóng)16 (CN16) (https://xms.sicau.edu.cn/info/1071/2580.htm)遠(yuǎn)緣雜交創(chuàng)建的穩(wěn)定高世代野生二粒小麥滲入系群體。所有供試材料均保存在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所。161份D1滲入系群體來源包括: (1) CN16與野生二粒小麥D1雜交得到的具有穩(wěn)定42條染色體的106個高代株系(F12) (子一代)。(2) 隨機選取子一代再分別與不同的普通小麥品種綿麥46 (MM46)、川麥50 (CM50)、科成麥2號(KCM2)和川育18 (CY18)/云B58863 (YB58863)雜交后獲得的55個高代株系(F10)(子二代) (附表1)。

1.2 試驗設(shè)計

供試材料于2014年10月和2015年10月種植于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)溫江農(nóng)場和崇州基地。采用完全隨機區(qū)組設(shè)計, 單粒播種, 行長2 m, 行間距30 cm, 株間距10 cm, 每個點設(shè)置3次重復(fù), 邊行設(shè)置保護行。田間管理與大田生產(chǎn)基本一致。2014—2015年溫江和崇州點數(shù)據(jù)分別用2015溫江和2015崇州表示, 2015—2016年溫江和崇州點數(shù)據(jù)分別用2016溫江和2016崇州表示。

1.3 農(nóng)藝性狀調(diào)查與測定

成熟時每行材料排除邊際效應(yīng)后從中間隨機選取6株, 調(diào)查測定其株高、分蘗數(shù)、小穗數(shù)和千粒重。株高以主莖高表示即自地面至穗頂(不含芒)的高度, 取其平均值, 單位為cm。有效分蘗和小穗數(shù)以蠟熟期植株的第1個莖和穗上為節(jié)點進行測定。抽穗期以每份材料50%的植株穗由旗葉葉鞘露出二分之一, 記錄當(dāng)天日期。開花期以每份材料50%的植株開花后記錄當(dāng)天日期。千粒重測定參照GB/T 5519- 2008標(biāo)準(zhǔn), 收獲脫粒后用電子天平進行測定, 3次生物學(xué)重復(fù)[18]。使用SPSS 19.0軟件(IBM, 美國)用于各農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析和方差分析。

1.4 DArT標(biāo)記基因分型

將基因組DNA樣品提供給澳大利亞Diversity Arrays Technology Pty Ltd.公司(澳大利亞, http:// www.Triticarte.com.au/)選擇小麥上開發(fā)的DArT標(biāo)記進行掃描分型。獲得的原始數(shù)據(jù)基于調(diào)用率(最小閾值85%)和重現(xiàn)性(最小閾值95%)進行質(zhì)量控制, 其次將缺失率大于10%和次要等位基因頻率(MAF)小于5%的標(biāo)記過濾, 最終獲得用于后續(xù)分析的DArT標(biāo)記[19]。

1.5 群體結(jié)構(gòu)和連鎖不平衡(LD)分析

使用基于貝葉斯聚類模型為運算基礎(chǔ)的Structure v2.3.4軟件計算相應(yīng)材料的Q值(第材料的基因組變異源于第群體的概率)來評估群體結(jié)構(gòu)[20]。采用admixed model, 亞群數(shù)K值范圍設(shè)置為1～10, 進行5次迭代, 運行時將MCMC (Markov Chain Monte Carlo)的不作數(shù)迭代(Length of Bum-in Period)設(shè)為100,000次。同時, 使用TASSEL 3.0進行過濾標(biāo)記的主成分分析(PCA)和LD分析[21]。

1.6 全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)及相關(guān)候選基因預(yù)測

為消除環(huán)境影響, 使用META-R進行了所有測試環(huán)境下的最佳線性無偏預(yù)測(BLUP)[22]。利用TASSEL中的一般線性模型(GLM)和混合線性模型(MLM)進行DArT標(biāo)記和性狀的關(guān)聯(lián)分析, 設(shè)置值的–log10()≥3.00的閾值為性狀標(biāo)記顯著關(guān)聯(lián)[23]。使用Haploview4.2軟件作曼哈頓圖顯示顯著MTA, quantile-quantile圖展示重要的值分布[24]。利用國際小麥基因組測序聯(lián)盟數(shù)據(jù)庫(IWGSC; http://www. wheatgenome.org/)、國際野二粒小麥基因組測序聯(lián)盟數(shù)據(jù)庫(http://wewseq.wixsite.com/consortium)和小麥族多組學(xué)中心數(shù)據(jù)庫(http://202.194.139.32/)進行BLAST比對鑒定相關(guān)候選基因。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型分析

野生二粒小麥滲入系群體及其親本CN16和D1的農(nóng)藝性狀測定結(jié)果詳見表1。所有測試環(huán)境中, 雙親的株高差異較顯著, 其中野生二粒小麥D1的株高平均范圍為92.20～120.37 cm, 高于CN16 (79.73～ 87.60 cm) (表1)。野生二粒小麥D1滲入系群體株高變化范圍較大, 其中最低的是2015崇州的材料為70.40 cm, 最高的是2015溫江的材料為123.30 cm, 表現(xiàn)出豐富的遺傳多樣性。野生二粒小麥D1滲入系群體在2015溫江、2015崇州、2016溫江和2016崇州4個環(huán)境中的株高平均值分別為99.03、97.35、94.42和90.88 cm, 表現(xiàn)為中稈(90～100 cm)水平。方差分析表明, 野生二粒小麥D1滲入系群體在2015崇州中株高均值顯著高于親本CN16, 而在其余3個環(huán)境中的株高均值與親本CN16的差異性不顯著(表1)。

所有測試環(huán)境中, 雙親的分蘗數(shù)的差異較顯著, 其中野生二粒小麥D1的分蘗數(shù)均值范圍為9.53～ 24.13個, 顯著高于CN16 (7.60～10.67個) (表1)。野生二粒小麥D1滲入系群體的分蘗數(shù)在4個環(huán)境中的均值范圍為7.51～9.54個。方差分析表明, 野生二粒小麥D1滲入系群體在所有環(huán)境中的均值分蘗數(shù)達(dá)到親本CN16的水平。其中, 分蘗數(shù)最低的是2016溫江的材料為4.30個, 最高的是2016崇州的材料為15.90個(表1)。

所有測試環(huán)境中, 野生二粒小麥D1的小穗數(shù)均值范圍為19.27～20.97個, CN16的小穗數(shù)均值范圍為17.07～21.13個, 在2015年2個環(huán)境下野生二粒小麥D1的小穗數(shù)均值顯著高于CN16, 但是在2016年2個環(huán)境下二者的差異性不顯著(表1)。野生二粒小麥D1滲入系群體小穗數(shù)均值范圍為19.33～19.98個, 其中小穗數(shù)最少的材料為15.90個出現(xiàn)在2016溫江環(huán)境中, 最多的材料為24.10個出現(xiàn)在2015溫江環(huán)境中。方差分析結(jié)果表明, 野生二粒小麥D1滲入系群體在所有環(huán)境中的小穗數(shù)均值與親本野生二粒小麥D1的差異不顯著, 除3個環(huán)境中的小穗數(shù)均值與親本CN16的相當(dāng)外, 2015崇州的還顯著高于CN16 (表1)。

所有環(huán)境中, 雙親的抽穗期差異顯著, 其中野生二粒小麥D1的抽穗期均值范圍為152.00～165.00 d, 顯著長于CN16 (124.00～142.67 d) (表1)。野生二粒小麥D1滲入系群體的抽穗期變化范圍較大, 其中抽穗期天數(shù)最短的是2015崇州的材料為121.30 d, 最長的是2016溫江的材料為152.30 d, 表現(xiàn)出豐富的遺傳多樣性。野生二粒小麥D1滲入系群體在4個環(huán)境中的抽穗期均值范圍為128.60～145.18 d。方差分析結(jié)果表明, 野生二粒小麥D1滲入系群體在所有環(huán)境中的抽穗期均值顯著短于野生二粒小麥D1, 而與親本CN16的相當(dāng)(表1)。

所有環(huán)境中, 雙親的開花期差異顯著, 其中野生二粒小麥D1的開花期均值范圍為158.00～170.33 d, 顯著長于CN16 (136.67～154.67 d) (表1)。野生二粒小麥D1滲入系群體的開花期變化范圍較大, 其中開花期天數(shù)最短的是2015崇州的材料為133 d, 最長的是2016溫江的材料為161.70 d, 表現(xiàn)出豐富的遺傳多樣性。野生二粒小麥D1滲入系群體在4個環(huán)境中的開花期均值范圍為140.31～156.67 d。方差分析結(jié)果表明, 野生二粒小麥D1滲入系群體在所有環(huán)境中的開花期均值顯著短于野生二粒小麥D1, 而與親本CN16相當(dāng)(2015溫江環(huán)境除外) (表1)。

雙親的千粒重在所有環(huán)境中的差異性顯著, 其中親本CN16的千粒重均值范圍為42.70～49.33 g, 顯著高于野生二粒小麥D1 (15.00～32.80 g) (表1)。野生二粒小麥D1滲入系群體在4個環(huán)境中的千粒重均值范圍為46.08～52.90 g。野生二粒小麥D1滲入系群體的千粒重變異范圍較大, 其中千粒重最低的是2015溫江的材料為30.70 g, 最高的是2015崇州的材料為64.63 g, 表現(xiàn)出豐富的遺傳多樣性。方差分析結(jié)果表明, 野生二粒小麥D1滲入系群體在所有環(huán)境中的千粒重均值顯著高于野生二粒小麥D1, 同時在2016崇州環(huán)境下顯著高于親本CN16, 而在其余3個環(huán)境中與親本CN16的水平相當(dāng)(表1)。

本研究中野生二粒小麥滲入系群體的6個主要農(nóng)藝性狀頻率分布結(jié)果顯示, 在所有環(huán)境中株高的最高頻率分布區(qū)域主要集中在90～110 cm, 表現(xiàn)為中稈(90～100 cm)和中高稈(100～110 cm)水平; 分蘗數(shù)的最高頻率分布區(qū)域是6～10個; 小穗數(shù)的最高頻率分布區(qū)域在19～20個; 千粒重的最高頻率分布區(qū)域主要在45～55 g范圍內(nèi)。然而抽穗期和開花期的最高頻率分布區(qū)域在各個環(huán)境中都不相同, 但二者在各環(huán)境中的分布規(guī)律一致。其中, 抽穗期和開花期在2015溫江和2016崇州環(huán)境中的最高頻率分布區(qū)域分別是135～140 d和143～148 d, 在2015崇州環(huán)境中的最高頻率分布區(qū)域分別是125～130 d和138～143 d, 在2016溫江環(huán)境中的最高頻率分布區(qū)域分別是140～145 d和153～158 d (圖1)。

表1 野生二粒小麥D1滲入系群體及其雙親農(nóng)藝性狀的表型變異

小寫字母a、b和c表示相同環(huán)境的滲入系群體及其雙親性狀間在0.05概率水平差異顯著。

Lowercase letters a, b, and c indicate significant difference at the 0.05 probability level between introgression lines and its parents trait in the same environment.

基于BLUP數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析結(jié)果顯示, 野生二粒小麥D1滲入系群體的株高分別與分蘗數(shù)和千粒重呈顯著正相關(guān), 其相關(guān)系數(shù)分別為0.162 (<0.05)和0.300 (<0.01), 而與小穗數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為–0.351 (<0.01); 小穗數(shù)與分蘗數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為–0.342 (<0.01); 小穗數(shù)與抽穗期和開花期呈極顯著正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為0.311和0.209 (<0.01), 而與千粒重呈顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為–0.169 (<0.05); 抽穗期和開花期呈極顯著正相關(guān), 并且二者相關(guān)系數(shù)最高,=0.938 (<0.01) (表2)。

2.2 群體結(jié)構(gòu)和連鎖不平衡分析

基于群體結(jié)構(gòu)和連鎖不平衡LD分析, 野生二粒小麥滲入系群體可分為3個主要亞群; A、B、D基因組以及整體的平均2值隨著遺傳距離的增加而迅速衰減, 對于A、B、D亞基因組以及全基因組的LD衰減距離分別約為9、12、13和12 cM, 與前期研究結(jié)果描述一致[14]。

2.3 GWAS分析

GLM模型下共檢測到5176個MTA分布在21條染色體上, 與株高、分蘗數(shù)、小穗數(shù)、抽穗期、開花期和千粒重相關(guān)的顯著性狀關(guān)聯(lián)標(biāo)記(MTA)分別有1162、932、1566、529、630和357個, 其中與分蘗數(shù)相關(guān)的MTA的表型變異解釋率(PVE)最高為21.60% (表3)。MLM模型下共檢測到349個MTA, 與株高、分蘗數(shù)、小穗數(shù)、抽穗期、開花期和千粒重相關(guān)MTA分別有25、59、6、188、26和45個(表3)。其中, 在兩個模型中均檢測到147個穩(wěn)定的MTA,具體結(jié)果如下:

兩個模型一致檢測到14個株高的穩(wěn)定MTA, 它們位于1A、1B、2A、2B、3A、6D、7A和7B染色體上, 其中位于3A和6D染色體的MTA 在兩模型中的PVE值相對較高; 與分蘗數(shù)相關(guān)的55個穩(wěn)定MTA,分別定位在1B、2B、2D、3B、4A、4B、4D、6A、6B、7A和7D染色體上, 其中位于4B染色體的MTA在GLM和MLM中的PVE值最高, 分別為21.60%和8.04%; 與小穗數(shù)相關(guān)的5個穩(wěn)定MTA, 分別定位在3A、4A、7B和7D染色體上, 其中位于7D染色體的MTA1111098在GLM和MLM中的PVE值最高, 分別為21.18%和8.81%; 與抽穗期相關(guān)的39個穩(wěn)定MTA, 分別定位于1A、2B、2D、4D、5D、6A、6B、7A和7B染色體上, 其中在2B上檢測到的MTA最多;與開花期相關(guān)的19個穩(wěn)定MTA, 分別定位于2B、2D、3B、4B和7D染色體上, 其中在2B上檢測到的MTA最多, 并且2B染色體上的13個MTA與抽穗期中檢測到的相同; 與千粒重相關(guān)的15個穩(wěn)定MTA, 分別定位于3B、5A、6A、7A和7D染色體上, 其中在3B上檢測到的MTA最多(附表2)。此外, 從GWAS分析獲得的曼哈頓和Quantile-Quantile圖(圖2和圖3)分析可見, 與GLM的結(jié)果相比, MLM的表現(xiàn)更加保守。

為進一步明確親本野生二粒小麥在滲入系群體中的貢獻情況, 我們對已經(jīng)獲得的穩(wěn)定MTA進行篩選分析, 結(jié)果表明在這些關(guān)聯(lián)標(biāo)記中, 源自野生二粒小麥A、B基因組的標(biāo)記共有45個, 其中2B染色體上最多(27個), 主要影響分蘗數(shù)、開花期和抽穗期。其中與株高相關(guān)的6個穩(wěn)定MTA, 分別定位在1A、1B、2A、3A和7B染色體上; 位于5A和7A染色體上的2個穩(wěn)定MTA主要影響千粒重(表4)。

表2 野生二粒小麥D1滲入系群體的農(nóng)藝性狀基于BLUP數(shù)據(jù)的皮爾森相關(guān)性分析

*相關(guān)性在0.05概率水平差異顯著,**相關(guān)性在0.01概率水平差異顯著。

*correlation is significant at the 0.05 probability level;**correlation is significant at the 0.01 probability level.

圖1 野生二粒小麥D1滲入系群體的農(nóng)藝性狀在各環(huán)境下的頻率分布

實線箭頭代表親本野生二粒小麥D1, 虛線箭頭代表親本普通小麥CN16。WJ: 溫江; CZ: 崇州。

The solid arrow indicates the parent wild emmer wheat D1, and the dotted arrow indicates the parent common wheat CN16. WJ: Wenjiang; CZ: Chongzhou.

表3 野生二粒小麥D1滲入系群體在GLM和MLM模型下的農(nóng)藝性狀全基因組關(guān)聯(lián)分析

a: GLM與MLM兩種模型分別檢測到的顯著MTA個數(shù);b: GLM與MLM兩種模型都檢測到的顯著MTA個數(shù); MLM: 混合線性模型, GLM: 一般線性模型。

a: the total number of MTAs identified by GLM and MLM, respectively;b: the number of significant and stable MTAs detected by GLM and MLM; MLM: the mixed linear model; GLM: the general linear model.

圖2 基于混合線性模型下野生二粒小麥D1滲入系群體農(nóng)藝性狀的全基因組關(guān)聯(lián)曼哈頓掃描圖

A: 混合線性模型檢測到的顯著MTA, 紅線表示–log10()閾值為3.00; B: Quantile-Quantile圖中黑線表示預(yù)期值。

A: chromosomes carrying significant MTA detected by MLM, the red line indicates the –log10() threshold of 3.00; B: the black line indicates the expected values in Quantile-Quantile plots.

圖3 基于一般線性模型下野生二粒小麥D1滲入系群體農(nóng)藝性狀的全基因組關(guān)聯(lián)曼哈頓掃描圖

A: 一般線性模型檢測到的顯著MTA, 紅線表示–log10()閾值為3.00; B: Quantile-Quantile圖中黑線表示預(yù)期值。

A: chromosomes carrying significant MTA detected by GLM, the red lines indicate the –log10() threshold of 3.00; B: the black lines indicate the expected values in Quantile-Quantile plots.

表4 源于野生二粒小麥A、B基因組的性狀顯著關(guān)聯(lián)標(biāo)記

MTA: marker-trait associations.

2.4 相關(guān)候選基因預(yù)測

使用中國春小麥基因組參考序列(RefSeq v.1.0)和野生二粒小麥基因組參考序列(WEWSeq v.1.0)對表現(xiàn)穩(wěn)定的MTA進行比對, 共推定了21個與6個農(nóng)藝性狀相關(guān)的候選基因。株高、分蘗數(shù)、小穗數(shù)、抽穗期、開花期和千粒重相關(guān)的候選基因分別有5、4、3、7、7和1個(附表3)。株高相關(guān)的5個基因由生長素響應(yīng)因子、鈣敏感受體和果膠裂解酶家族蛋白構(gòu)成; 分蘗數(shù)相關(guān)的基因包括熱激蛋白DnaJ、富含甘氨酸的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)蛋白和磷酸葡萄糖/磷酸鹽轉(zhuǎn)運子; 與小穗數(shù)相關(guān)的基因有氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白和多核苷酸轉(zhuǎn)移酶; 與抽穗期相關(guān)的基因由位于2B染色體的糖轉(zhuǎn)運蛋白、鈣依賴性蛋白激酶(CDPKs)、驅(qū)動蛋白、富含亮氨酸的蛋白激酶家族蛋白、F-box蛋白、抗病蛋白和位于4D染色體的乙烯反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子構(gòu)成, 其中位于2B染色體的6個基因同時也與開花期性狀相關(guān); 此外與開花期相關(guān)的基因還包括MADS-box轉(zhuǎn)錄因子; 千粒重相關(guān)的候選基因與細(xì)胞周期蛋白有關(guān)(附表3)。

3 討論

3.1 野生二粒小麥主要農(nóng)藝性狀在普通小麥背景下的響應(yīng)

在我們前期研究工作的基礎(chǔ)上, 本研究通過所創(chuàng)制的野生二粒小麥滲入系群體從分子水平進一步揭示野生二粒小麥的農(nóng)藝性狀(千粒重、株高、分蘗數(shù)、小穗數(shù)、抽穗期和開花期)在普通小麥背景下的遺傳和重組情況。

總體上, 野生二粒小麥滲入系群體的株高和親本野生二粒小麥D1相比已經(jīng)顯著降低, 大多數(shù)材料都處于中稈和中高稈水平, 并且與分蘗數(shù)和千粒重呈顯著正相關(guān), 這和前人的研究結(jié)論相一致[25-26]。有關(guān)研究表明, 小麥株高與植株抗倒伏能力、產(chǎn)量和品質(zhì)之間都有一定相關(guān)性, 適宜的株高有利于形成較多的分蘗數(shù)、增加千粒重, 從而有效提高小麥產(chǎn)量[27-29]。此外, 野生二粒小麥滲入系群體的抽穗期和開花期與親本CN16的差異不顯著, 但是顯著短于野生二粒小麥D1, 同時分蘗數(shù)和小穗數(shù)基本達(dá)到了親本普通小麥CN16的水平。這些結(jié)果都表明野生二粒小麥滲入系群體的株高、分蘗數(shù)、小穗數(shù)、開花期和抽穗期性狀都在向著現(xiàn)代小麥育種目標(biāo)有利的方向發(fā)展。特別是千粒重也同樣達(dá)到了親本普通小麥CN16的水平, 甚至大部分材料的千粒重都超過了雙親本身。小麥產(chǎn)量構(gòu)成的三因素中, 千粒重對最終產(chǎn)量的影響起著主要作用, 而小麥粒重的高低主要決定于籽粒體積(即庫容)的大小[30]。本研究中的親本普通小麥CN16是矮稈、穗數(shù)型(千粒重小)的國審高產(chǎn)品種, 這暗示野生二粒小麥滲入系群體千粒重增加的主要緣由在于其籽粒庫容的增大, 因為野生二粒小麥籽粒長度明顯長于普通小麥CN16, 而CN16的籽粒寬度和厚度大于野生二粒小麥, 經(jīng)過它們遠(yuǎn)緣雜交產(chǎn)生的滲入系后代由于整合了雙親籽粒的優(yōu)良特性, 引起籽粒體積在三維空間上進一步擴大, 使得籽粒庫容得以改良, 進而增加籽粒千粒重而提高產(chǎn)量, 這充分證實了我們之前對于野生二粒小麥能夠改良普通小麥庫容性的推測[17]。顯然, 野生二粒小麥基因的導(dǎo)入, 能使普通小麥栽培品種的千粒重得到很好改良, 對提高小麥產(chǎn)量具有很大潛力, 而且所創(chuàng)制滲入系的綜合農(nóng)藝性狀也符合高產(chǎn)育種目標(biāo), 這與我們之前關(guān)于野生二粒小麥在改良普通小麥的品質(zhì)、抗性的同時, 不但沒有傷及反而提高了高產(chǎn)相關(guān)農(nóng)藝性狀的結(jié)果具有一致性[11-13,15-17]。

3.2 農(nóng)藝性狀顯著關(guān)聯(lián)位點及候選基因

對于農(nóng)藝性狀相關(guān)位點的研究前人已經(jīng)有很多報道, 相關(guān)學(xué)者在不同的群體中檢測到控制株高的QTL分布在1B、2D、3B、5A、5B、6A和7D染色體上[31-32]。我們在1B染色體上同樣檢測到株高關(guān)聯(lián)的MTA。Sourdille等[33]在2B和7B上發(fā)現(xiàn)了控制抽穗期的位點, Huang等[34]在2A、2D、3B、5A、6A和7B上定位了7個抽穗期相關(guān)QTL, 本研究在2B、2D、6A和7B上也檢測到了相似的位點。B?rner等[35]在2B、2D、5A和5D上定位了控制開花期的位點, 本研究也在2B、2D上檢測到開花期關(guān)聯(lián)的MTA。此外, 本研究在野生二粒小麥滲入系群體的2B染色體上檢測到與抽穗期和開花期同時相關(guān)的MTA區(qū)段, 而且發(fā)現(xiàn)控制抽穗期和開花期的MTA在染色體上集聚成簇, 推測可能是由于單基因多效或者是多基因緊密連鎖共同控制這兩個性狀, 至于其具體緣由尚需進一步探究。本研究中在3B、5A、6A、7A和7D染色體上發(fā)現(xiàn)的千粒重相關(guān)MTA, 在前人報道的相應(yīng)染色體上也均有發(fā)現(xiàn)[36-38]。

本研究在供試的野生二粒小麥滲入系群體中推定得到21個性狀相關(guān)的候選基因。其中, 與株高相關(guān)的基因與生長素響應(yīng)因子和鈣敏感受體等相關(guān)。有研究表明生長素響應(yīng)因子與植物的生長發(fā)育密切相關(guān), 如植物的向性運動、頂端優(yōu)勢、側(cè)根發(fā)生、細(xì)胞伸長、細(xì)胞分裂及細(xì)胞分化等都有生長素響應(yīng)因子的參與[39]。本研究發(fā)現(xiàn)分蘗數(shù)相關(guān)的基因包括熱激蛋白DnaJ和富含甘氨酸的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)蛋白等。李春喜和趙廣才[40]報道富含甘氨酸的一類超級蛋白家族在植物中廣泛存在并與激素響應(yīng)相關(guān), 而小麥分蘗的變化動態(tài)又與內(nèi)源激素關(guān)系密切。黃祥富等[41]研究發(fā)現(xiàn)熱激蛋白與植物種子發(fā)育也密切相關(guān)。因此我們推測熱激蛋白在一定程度上也影響了野生二粒小麥滲入系的分蘗和小穗數(shù)。野生二粒小麥滲入系群體中位于2B染色體的抽穗期和開花期相關(guān)基因與F-box蛋白和鈣依賴性蛋白激酶(CDPKs)等有關(guān), 而已有研究表明, F-box基因家族是植物中最大的基因家族之一, 其基因編碼的蛋白能夠調(diào)節(jié)多種多樣的生命活動, 如延緩植物衰老、調(diào)控植物開花等[42]。同時, 我們檢測到與開花期相關(guān)的基因中還包括MADS-box轉(zhuǎn)錄因子, 現(xiàn)已證明MADS- box基因是禾本科植物(如大麥、小麥等)開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中最重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子[43]。本研究結(jié)果還表明, 與千粒重相關(guān)的基因和細(xì)胞周期蛋白有關(guān), 而前人研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞周期蛋白在細(xì)胞周期調(diào)控中具有新功能, 并指出通過調(diào)節(jié)細(xì)胞周期蛋白能夠提高谷物的產(chǎn)量[44]。在未來的研究中需要進行功能分析以進一步了解這些候選基因調(diào)控小麥相關(guān)農(nóng)藝性狀的途徑。本研究中鑒定的農(nóng)藝性狀顯著MTA以及相關(guān)的候選基因可為克隆優(yōu)異農(nóng)藝性狀相關(guān)基因提供重要信息, 用于分子標(biāo)記輔助育種, 從而為綜合利用野生二粒小麥進行普通小麥遺傳改良提供重要的理論依據(jù)。

4 結(jié)論

從野生二粒小麥滲入系群體中共檢測到147個與6個農(nóng)藝性狀相關(guān)的穩(wěn)定標(biāo)記, 并推定了21個候選基因。其中, 與抽穗期和開花期同時相關(guān)的標(biāo)記在2B染色體上聚集成簇, 位于7A染色體與千粒重顯著相關(guān)的候選基因與細(xì)胞周期蛋白有關(guān), 該基因可能參與調(diào)控千粒重。

附表 請見網(wǎng)絡(luò)版: 1) 本刊網(wǎng)站http://zwxb. chinacrops.org/; 2) 中國知網(wǎng)http://www.cnki.net/; 3) 萬方數(shù)據(jù)http://c.wanfangdata.com.cn/Periodical- zuowxb.aspx。

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Genome-wide association study for agronomic traits in common wheat lines derived from wild emmer wheat

LIU Jia, GONG Fang-Yi, LIU Ya-Xi, YAN Ze-Hong, ZHONG Xiao-Ying, CHEN Hou-Lin, HUANG Lin*,and WU Bi-Hua*

State Key Laboratory of Crop Gene Exploration and Utilization in Southwest China / Triticeae Research Institute, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, Sichuan, China

Wild emmer (ssp.) is the tetraploid progenitor of common wheat with wide genotypic variations, which is an important germplasm resource for common wheat improvement. In this study, the plant height, tiller number, spikelet number, heading date, anthesis date, and 1000-kernel weight of 161introgression lines derived from wild emmer were phenotyped in four environments of different years and locations. We performed genome-wide association study (GWAS) of agronomic traits using 13,116 DArT markers to identify marker-trait associations (MTA) and candidate genes. A total of 147 stable markers associated with the tested 6 agronomic traits were identified. Among them, some MTAs were associated with both heading and anthesis date, and these MTAs were clustered on chromosome 2B. In addition, a total of 21 candidate genes related to the agronomic traits were deduced in introgression lines derived from wild emmer. Among them, the candidate gene associated with 1000-kernel weight on chromosome 7A maybe related to cyclin protein. These MTAs and candidate genes could provide the essential information for cloning genes related to excellentagronomic traits and further provide basis and guidance for comprehensive utilization of wild emmer for genetic improvement in common wheat background.

wild emmer wheat; common wheat; agronomic traits; wide hybridization; GWAS

10.3724/SP.J.1006.2023.21006

本研究由四川省國際科技創(chuàng)新合作項目(2021YFH0110)和四川省生物育種重大科技專項(2022ZDZX0014)資助。

This study was supported by the International Science and Technology Innovation Cooperation Project of Sichuan Province (2021YFH0110) and the Major Science and Technology Project for Biological Breeding of Sichuan Province (2022ZDZX0014).

伍碧華, E-mail: wubihua2017@126.com; 黃林, E-mail: lhuang@sicau.edu.cn

E-mail: jialiu251776931@163.com

2022-01-25;

2022-09-05;

2022-09-28.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220926.1848.002.html

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