小麥旗葉相關(guān)性狀的QTL定位

苗含笑,張耀元,陳春環(huán),吉萬全

(西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院,陜西楊凌 712100)

普通小麥(TriticumaestivumL.)是世界上三大糧食作物之一[1],為人類提供必需的蛋白和營養(yǎng)價值。旗葉作為小麥重要的光合器官,在灌漿期對小麥產(chǎn)量的形成貢獻率達40%以上[2-3]。研究發(fā)現(xiàn),旗葉長、旗葉寬和旗葉面積與單穗粒重均呈顯著正相關(guān)[4]。因此,對小麥旗葉相關(guān)性狀進行QTL定位和分析可為高產(chǎn)育種提供理論支撐。

旗葉相關(guān)性狀是一種復雜的數(shù)量性狀,受多個遺傳位點控制[5]。近年來,隨著定位技術(shù)水平的提高,小麥旗葉相關(guān)性狀QTL定位的報道逐漸增多[6-8]。趙 朋等[9]以寧春4號和寧春27號為親本構(gòu)建的包含128個株系的重組自交系(recombinant inbred line, RIL)群體為材料,利用307個SSR標記分別定位到6個旗葉長QTL和8個旗葉寬QTL。姚儉昕等[10]在5A染色體上定位到2個旗葉長QTL,其中Qfll.nwsuaf-5A.1可解釋9.48%～16.36%的表型變異。Zhao等[11]利用具有相同母本的3個RIL群體為材料,在4個環(huán)境下共鑒定到31個旗葉相關(guān)性狀QTL,主要分布在3B、4A、2A和7A染色體上。盡管已定位到許多旗葉相關(guān)性狀QTL,但通過精細定位挖掘獲得候選基因的位點較少。

簡化基因組測序(specific-locus amplified fragment sequencing, SLAF-seq)技術(shù)在SNP、KASP等標記的大規(guī)模開發(fā)中具有高通量和成本低的優(yōu)點,該技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)分群分析法(bulk segregant analysis, BSA)已廣泛應(yīng)用于多種作物不同性狀的QTL定位研究中[12]。

本研究以普通小麥品種品冬34和圓粒小麥品種MY11847雜交構(gòu)建的F7:8RIL群體為材料,通過SLAF-seq技術(shù)結(jié)合BSA方法對其旗葉相關(guān)性狀QTL進行定位,以期為今后開展小麥旗葉性狀相關(guān)基因的挖掘和未來小麥高產(chǎn)品種的選育奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為1個通過單粒傳法構(gòu)建的F7:8代小麥RIL群體。該群體包含356個株系,以品冬34為母本,MY11847為父本進行雜交獲得。其中,品冬34是由中國農(nóng)業(yè)科學院作物品種資源研究所選育的普通小麥品種,具有粒大、千粒重高和旗葉寬大的特點。MY11847是引進國外的圓粒小麥種質(zhì),具有粒小、千粒重低、旗葉短小的特點。該群體及親本于2019-2020年度種植于西北農(nóng)林科技大學試驗田,行長1 m,每個株系種植1行,每行播種10粒種子,并進行合理冬灌、除草、病蟲害防治等田間管理措施。

1.2 高密度遺傳圖譜的構(gòu)建

本課題組前期利用北京百邁客生物科技有限公司自主研發(fā)的SLAF-seq技術(shù)完成了RIL群體及親本的SLAF-seq,并結(jié)合BSA技術(shù)利用HighMap軟件構(gòu)建了高密度遺傳連鎖圖譜(未發(fā)表)。該圖譜總長為3 560.71 cM,共有13 600個標記位點,分布于小麥21條染色體上,標記間的平均距離為0.38 cM。

1.3 旗葉表型的測定

于小麥灌漿期(花后20 d),選取3株長勢一致的植株,對其主莖旗葉長和旗葉寬進行測量,并計算旗葉面積,旗葉面積=旗葉長×旗葉寬×0.75[13],以3次重復的平均值作為表型值。

1.4 旗葉相關(guān)性狀QTL的定位

用IciMapping V4.2軟件中的完備區(qū)間作圖法對RIL群體的旗葉長、旗葉寬和旗葉面積進行關(guān)聯(lián)分析,選擇MET模式進行QTL定位及遺傳效應(yīng)分析。若表型數(shù)據(jù)缺失,用“-100”表示,作圖步長設(shè)定為1.00 cM,LOD閾值設(shè)定為2.5。將表型變異解釋率超過10%的QTL視為主效QTL。根據(jù)國際命名規(guī)則進行QTL命名,即Q+性狀+機構(gòu)(nwafu,西北農(nóng)林科技大學)+染色體[14]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用EXCEL對小麥RIL群體及親本的旗葉相關(guān)性狀的分布頻率進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 RIL群體旗葉相關(guān)性狀的表型

從表1可以看出,親本品冬34的旗葉長、旗葉寬和旗葉面積顯著或極顯著高于MY11847,這3個性狀在RIL群體中均出現(xiàn)超親分離現(xiàn)象。進一步對RIL群體旗葉相關(guān)性狀的分布頻率進行分析,發(fā)現(xiàn)旗葉長、旗葉寬和旗葉面積均呈正態(tài)分布,符合數(shù)量遺傳性狀的特點,適合進行QTL定位(圖1)。

圖1 RIL群體旗葉相關(guān)性狀的表型頻率分布

表2 RIL群體旗葉相關(guān)性狀的QTL信息

2.2 旗葉相關(guān)性狀QTL的定位結(jié)果

利用前期構(gòu)建的遺傳連鎖圖譜,在RIL群體共檢測到24個旗葉相關(guān)性狀QTL(圖2)。共檢測到9個旗葉長QTL,分布在2A、2B、2D(2)、3D、4A、4B、5A和6A染色體上。其中,QFLL.nwafu-3D的側(cè)翼標記為Marker186719和Marker186728,可解釋14.71%的表型變異,為主效QTL,其加性效應(yīng)來自母本品冬34;QFLL.nwafu-2D.1的側(cè)翼標記為Marker125188和Marker125211,可解釋11.17%的表型變異,也為主效QTL,其加性效應(yīng)來自父本MY11847。其余7個QTL均為微效QTL,可解釋1.71%～3.89%的表型變異,除QFLL.nwafu-4A和QFLL.nwafu-5A的加性效應(yīng)來自MY11847外,其余QTL的加性效應(yīng)均來自品冬34。

FLL:旗葉長;FLW:旗葉寬;FLA:旗葉面積。

共檢測到7個旗葉寬QTL,分布在2D、4A、4D、5A、6A、6B和7D染色體上。其中,QFLW.nwafu-6B的側(cè)翼標記為Marker320056和Marker319761,可解釋13.14%的表型變異,為主效QTL,其加性效應(yīng)來自母本品冬34。其余6個QTL均為微效QTL,可解釋2.69%～3.95%的表型變異,除QFLW.nwafu-4A的加性效應(yīng)來自父本MY11847外,其余QTL的加性效應(yīng)均來自品冬34。

共檢測到8個旗葉面積QTL,分布在1B、2B、2D(2)、3D、4A、6A和6B染色體上。其中,QFLA.nwafu-3D的側(cè)翼標記為Marker186719和Marker186728,可解釋11.60%的表型變異,為主效QTL,其加性效應(yīng)來自母本品冬34。其余7個QTL均為微效QTL,可解釋2.08%～7.95%的表型變異,除QFLA.nwafu-1B、QFLA.nwafu-2D.1和QFLA.nwafu-4A的加性效應(yīng)來自父本MY11847外,其余QTL的加性效應(yīng)均來自品冬34。

值得注意的是,檢測到的3個旗葉面積QTL與3個旗葉長QTL位于相同遺傳區(qū)域。QFLA.nwafu-3D和QFLL.nwafu-3D的側(cè)翼標記均為Marker186719和Marker186728;QFLA.nwafu-2B和QFLL.nwafu-2B的側(cè)翼標記均為Marker97075和Marker97331;QFLA.nwafu-2D.1和QFLL.nwafu-2D.1的側(cè)翼標記均為Marker125188和Marker125211。其中,QFLA.nwafu-3D和QFLL.nwafu-3D均為主效QTL,加性效應(yīng)也均來自品冬34。綜合來看,這3個旗葉長QTL和3個旗葉面積QTL共定位的遺傳區(qū)域值得后續(xù)進一步關(guān)注,其中位于3D染色體的主效QTL遺傳區(qū)域尤其值得關(guān)注。

3 討論

旗葉在小麥生長發(fā)育中起重要作用,旗葉形態(tài)的改良是小麥育種計劃的重要目標之一。雖然旗葉相關(guān)性狀易于調(diào)查,但其屬于典型的數(shù)量性狀,受多個遺傳位點調(diào)控,因此對旗葉相關(guān)性狀的遺傳研究非常有限,尤其是相關(guān)基因的克隆更為少見。本研究通過對品冬34和MY11847為親本構(gòu)建的RIL群體進行QTL定位,鑒定到了新的潛在的控制旗葉表型的遺傳位點,雖然只有一年的表型數(shù)據(jù)作為支撐,但我們正在進行旗葉相關(guān)性狀多年多點數(shù)據(jù)的收集,后續(xù)將繼續(xù)進行QTL定位。本研究得到的QTL初步定位結(jié)果與已報道的小麥產(chǎn)量相關(guān)性狀QTL的比較中,發(fā)現(xiàn)一些較為可靠的遺傳區(qū)間,為后續(xù)旗葉性狀相關(guān)基因的進一步挖掘和鑒定提供線索。

本研究在3D染色體117.62～118.79 Mb的區(qū)間鑒定到旗葉長主效位點QFLL.nwafu-3D,雖然與前人報道的旗葉性狀相關(guān)QTL區(qū)間不重疊,但是與產(chǎn)量相關(guān)性狀QTL存在共定位遺傳區(qū)間,如穗延伸長度位點QSEL.sicau-2SY-3D.1(107.9～119.6 Mb)[15]以及千粒重位點QTgw.cau-3D1(90.8～170.5 Mb)[16]。本研究在2D染色體31.52～34.20 Mb的區(qū)間鑒定到旗葉長主效位點QFLL.nwafu-2D.1,與Ma等[17]定位到的千粒重位點QTGW(33.0～34.2 Mb)以及Arif等[18]定位到的千粒重位點Q.Tkw_Mo09-2D和Q.Sl_M02-2D.3(33.9～35.8 Mb)存在區(qū)間部分重疊現(xiàn)象。本研究在2B染色體鑒定到的旗葉長位點QFLL.nwafu-2B(70.6～72.4 Mb)雖是微效QTL,但與前人報道的旗葉相關(guān)性狀QTL區(qū)間存在區(qū)間部分重疊現(xiàn)象,如QFLL-2B和QFLA-2B[19],二者側(cè)翼標記均為barc318和wmc344,對應(yīng)物理區(qū)間均為47.2～165.6 Mb。前人在該區(qū)間也鑒定到了千粒重位點QTGW(73.6 Mb)[20]以及開花位點Q.Flt_Sa09-2B.1(69.4～88.8 Mb)[18]。

旗葉作為小麥灌漿的重要光合器官,其大小或角度可對籽粒灌漿和最終籽粒飽滿度產(chǎn)生重要影響,間接影響小麥產(chǎn)量,側(cè)面解釋了本研究發(fā)現(xiàn)的旗葉相關(guān)性狀QTL與千粒重或灌漿有關(guān)QTL共定位于相同遺傳區(qū)域的合理性。

本研究發(fā)現(xiàn)的旗葉寬主效位點QFLW.nwafu-6B位于6B染色體546.19～559.57 Mb區(qū)間內(nèi),與已報道的粒長位點QGl.cau-6B.3(542.6～557.5 Mb)[21]和穗長位點qSL6B.1(551.6 Mb)[22]的遺傳區(qū)間重疊,推測可能是同一位點的多效性或是某個QTL簇中相鄰的多個遺傳位點所致,后續(xù)可通過不同QTL的連鎖標記進行區(qū)別和驗證。

綜上,相較于旗葉寬QTL,旗葉面積QTL與旗葉長QTL更易共定位于相同遺傳區(qū)間,推測旗葉面積受旗葉長影響較大;同時,旗葉相關(guān)性狀QTL與粒重相關(guān)QTL也存在密切聯(lián)系。本研究作為小麥旗葉性狀遺傳位點發(fā)掘的初步嘗試,可為相關(guān)基因的分離鑒定以及分子標記輔助育種提供理論依據(jù),對于高產(chǎn)小麥品種的選育與改良具有重要意義。