小麥株高性狀的QTL定位分析

章 珍，翟洪翠，王華忠

（天津師范大學a.生命科學學院，b.天津市細胞遺傳與分子調控重點實驗室，天津 300387）

小麥株高性狀的QTL定位分析

章 珍，翟洪翠，王華忠

（天津師范大學a.生命科學學院，b.天津市細胞遺傳與分子調控重點實驗室，天津 300387）

以國際小麥作圖組織的重組自交系群體W7984×Opata85為材料，在兩種不同試驗環境（2009年天津東麗區、2009年天津西青區姚村）下，分析其親本及114個株系群體的株高，并利用QTL作圖軟件WinQTLCart2.5和區間作圖及復合區間作圖方法，對控制小麥株高性狀的QTL進行定位.共檢測到4個與小麥株高相關的QTLs，分別位于1A，3D，4A和7A染色體上，其中位于3D染色體上的QTL貢獻最大，可以解釋株高變異的10.3%～14.8%.

普通小麥；株高；數量性狀位點；區間作圖

20世紀60—80年代，矮桿和半矮桿小麥品種的推廣，對全世界小麥產量的提高起到了關鍵作用.除受主效矮稈基因控制外，小麥株高性狀還表現為受多基因控制的數量性狀特征.部分小麥染色體存在決定小麥株高的數量性狀位點（Quantitative trait locus，QTL），對小麥產量有重要作用.Cadalen等［1］檢用Courtot與中國春雜交產生的DH群體，除了檢測到Courtot所含的Rht－B1b和Rht－D1b矮稈基因外，還檢測到控制株高的另外3個QTL和1個互作位點，這些QTL可以分別解釋11.9%～19.1%的表型變異.Keller等［2］利用普通小麥Forno和斯卑爾脫小麥Oberkulmer的重組自交系群體，在3個環境中檢測到分布于9條染色體上的11個 QTLs，單個 QTL可解釋7.9%～31.4%的表型變異，全部QTLs可解釋72.6%的表型變異.劉冬成等［3］發現7個影響株高的QTLs，分別位于染色體1B，4B（2個），6A（2個），6D和7A上，每個QTL能解釋5.2%～50.1%的表型變異.周淼平等［4］利用重組自交系檢測到4個影響小麥株高的QTLs，分別位于1D，2B，4A和4D染色體上，單個QTL能夠解釋10.3%～33.8%的表型變異，降低株高的效應為3.2%～7.4%.王竹林等［5］利用SSR和AFLP分子標記構建連鎖圖，在3種試驗環境下分析了百農64×京雙16組合的218個株系群體株高，檢測到3個控制株高的QTLs，分別位于2B，4D和6A染色體上，貢獻率分別為7.3%～11.5%，7.4%～12.9%，5.7%～11.3%.影響株高的QTL很多，且各位點存在大量等位變異，當選用不同遺傳材料進行QTL分析時，可能會發現不同的基因；株高性狀受基因型、環境以及基因型與環境互作的影響較大，各個位點受環境影響的程度是一個未知領域［4］；同時一些影響株高性狀的其它基因位點與該基因的多效性也處于研究階段［6］.因此，關于小麥株高的QTL定位還需要進一步深入研究.

Opata85×W7984重組自交群體是國際小麥作圖組織用于構建小麥連鎖圖的作圖群體，該群體的雙親遺傳差異大，分子標記多態性頻率高，利用該群體繪制的小麥遺傳連鎖圖譜的分子標記近千個，平均每條染色體上有40多個標記，幾乎達到了飽和的程度.利用該群體已對小麥斑病（Pyrenophoratritici－repentis）［7］、小 麥 葉 銹 病 （Pucciniarecondite）［8］、小麥白粉病（Blumeriagraminis）、小麥品質和產量構成因素等［9］許多重要的目標性狀進行了QTL作圖.本研究利用該作圖群體親本及114個重組自交系為材料定位影響株高性狀的QTL，豐富小麥株高遺傳基礎理論.

1 材料與方法

1.1 植物材料

國際小麥作圖組織（ITMI）的 Opata85×W7984重組自交系群體及親本由南京農業大學作物遺傳與種質創新國家重點實驗室提供，其中Opata85為國際小麥玉米改良中心（CIMMYT）培育的春小麥品種，W7984是由硬粒小麥（Triticum durum）Altar84與粗山羊草（Ae.tarschii，DD基因組供體）CIGM86.940合成的雙二倍體，該群體共有114個株系用于本研究.

1.2 田間試驗

2008年秋分別將上述株系和親本同時播種于天津東麗區（北緯39.16東經117.35）及天津西青區姚村（北緯39.05東經117.11）兩地，采用隨機區組設計，2次重復，單行區，行長1m，行距0.3m，為防止邊際效應，在四周播種對照小麥，按常規方法進行田間管理，株高于2009年6月初小麥成熟期測量，分別測量東麗（Dongli，DL）和姚村（Yaocun，YC）兩個地點的數據，以每個株系3～5次重復的平均值作為該株系的表型值.

1.3 統計分析和QTL定位

利用SAS軟件對小麥株高鑒定結果進行統計分析和正態性檢驗.

選取利用該重組自交系構建的遺傳圖譜中的461個標記用于QTL定位分析，標記均勻分布在小麥18條染色體上（6A，6B和6D未考慮），覆蓋2 972.1cM，標記間平均遺傳距離為6.45cM.不同標記在Opata85×W7984重組自交系群體中的分離數據從grain genes網站獲得（http：／／wheat.pw.usda.gov）.

使用QTL作圖軟件winQTLCart 2.5，采用區間作圖法和復合區間作圖法對控制小麥株高的QTL進行定位分析，以LOD值大于2.5作為QTL存在的閾值，顯著性水平為P＜0.05.

2 結果與分析

2.1 小麥群體株高性狀的統計分析

在兩種不同的試驗環境下，Opata85的平均株高為49.5cm，W7984的平均株高為74cm，雙親間相差24.5cm，差異達到極顯著水平.株系群體株高分析結果表明，株系間存在較大差異，其變異系數為12.7%～14.8%.利用SAS軟件對小麥株高性狀進行了統計分析，表現為連續變異且超親分離現象明顯.群體中偏斜度值與峰度值的絕對值都小于1.0，基本上呈正態分布（圖1，表1），表明小麥株高性狀是受多基因控制的數量性狀，其分布符合QTL作圖對群體的要求.

圖1 小麥株高在群體中的分布Figure 1 Frequency of plant height in the mapping population of wheat

表1 小麥親本及重組自交系群體中的株高分布Table 1 Frequency of plant height in mapping population of parents and RILs（W7984×Opata85）

2.2 小麥株高的QTL定位

使用QTL作圖軟件WinQTLCart2.5，利用區間作圖法對控制小麥株高的QTL進行定位分析，在DL環境生長的小麥定位到顯著的QTL；而在YC環境定位到3個QTLs，分別位于1A，3D和4A染色體上（表2，圖2），其中位于1A和4A染色體上的QTL是來自于親本W7984的基因，而位于3D染色體上的QTL是來自于親本Opata85的基因且貢獻率最大，可解釋株高變異的14.8%.

表2 區間作圖法檢測小麥株高QTLs的結果Table 2 QTLs of plant height based on interval analysis

圖2 定位在小麥染色體上的株高QTLsFigure 2 QTLs for plant height in wheat chromosome

利用復合區間作圖法進行株高QTL定位分析時，在DL環境定位到1個QTL，位于7A染色體上（表3，圖2），來自于親本Opata85，貢獻率為13.64%；在YC環境定位到1個QTL，位于3D染色體上（表3，圖2），來自于親本Opata85，貢獻率為10.3%.

3D染色體上的株高QTL在兩種環境中均能檢測到.兩種不同試驗環境下也檢測出了不同的QTLs，表明這些檢測出的QTLs受環境的影響較大.

表3 復合區間作圖法檢測小麥株高QTLs的結果Table 3 QTLs of plant height based on composite interval analysis

3 討論

在YC環境生長下的4A染色體上檢測到的QTL接近周淼平等［4］在4A染色體上所檢測到的QTL位點，在DL環境生長下的7A染色體上檢測到的位點接近劉冬成等［3］在7A染色體上所檢測到的QTL位點.上述2個QTLs位點，是不同研究者用不同材料在不同環境中發現的控制株高的QTL位點，表明位于4A和7A染色體上控制株高的數量性狀位點穩定可靠；而在YC環境生長下的小麥檢測到位于1A和3D染色體上的QTLs可能是本研究中發現的新的控制小麥株高的QTL.

Snape等［10］和 Sears［11］的研究結果表明，小麥中21條染色體中的大部分都與株高的遺傳變異有關，而本研究中只檢測到4個與小麥株高有關的QTL，這4個QTLs所能解釋的株高變異只有10.3%～14.8%，說明仍有部分QTL未能檢出.

具體來說，在本研究中使用區間作圖在DL環境中未找到QTL，而使用復合區間作圖卻找到1個QTL；使用區間作圖在YC環境中找到3個QTLs，而使用復合區間作圖卻找到1個QTL.其原因可能在于區間作圖定位的QTL區間往往太寬，如果一個性狀在同一染色體上有多個QTL存在時常常會標錯QTL的位置，致使QTL定位不準確甚至出錯誤，由此可以看出復合區間作圖更加精細和準確.另外，某一特定性狀的QTL在同一連鎖群的分布及數量是影響QTL定位精確度的又一主要因素.如果某一性狀在某一連鎖群上只有一個QTL，該QTL剛好處在某一標記座位上，且與標記表現為完全共分離，那么各種作圖方法做出的結果差別不大；相反，如果同一連鎖群上有多個QTL，則不同作圖方法的結果會有很大的差別［12］.由此可知，本研究檢測到的位于3D染色體上的QTL分布比較單一.再者，QTL之間的互作效應也是影響QTL檢測及定位精確性的一個因素［12］.如果QTL之間存在連鎖或上位性，不同作圖群體、不同作圖方法做出的結果會差別很大.用于QTL定位的群體概括起來分為：初級群體（F2，BCl，RIL，DH等），次級群體（NILs，ILs，CSSLs等），高級群體（SSSLs等）.本研究所選的是初級群體，由于遺傳背景的干擾，用初級群體很難檢測出效應小的QTL［13］.雖然在作圖方法上盡量對遺傳背景噪音進行了控制，但仍存在局限性.理論上講，作圖群體越大，等位基因分離越徹底，檢出QTL的能力就越強，但是在前人研究［14］和本研究中并不是如此.另外，不同群體所用的親本的親緣關系不同，基因型差異大小不一致，株高性狀潛在的QTL數目不一樣，因此檢出的QTL數目也會有差異.

由于基因型和環境的互作導致許多控制數量性狀的QTL在不同的環境下表達水平不一致，也就是說，環境條件影響QTL檢測：受環境影響小的QTL，在多個環境中均可被檢測出，而受環境影響大的QTL在有的環境中未被檢測出，在另外的環境中則能被檢測出.正如本研究的結果所示，可能是由于株高性狀受環境條件的影響較大，導致兩個環境條件下檢測到的QTL有所不同.

［1］ Cadalen T，Sourdill P，Charmet G，et al.Molecular markers linked to Genes affecting plant height in wheat using a doubled－haploid population［J］.TAG Theoretical and Applied Genetics，1998，96（6，7）：933－940.

［2］ Keller M，Karutz Ch，Schmid J E，et al.Quantitative trait loci for lodging resistance in a wheat×spelt population ［J］.Theor Appl Genet，1999，98：1171－1182.

［3］ 劉東成，高睦槍，關榮霞，等.小麥株高性狀的QTL分析［J］.遺傳學報，2002，29（8）：706－711.

［4］ 周淼平，黃益洪，任麗娟，等.利用重組自交系檢測小麥株高的QTL［J］.江蘇農業學報，2004，20（4）：201－206.

［5］ 王竹林，王輝，孫道杰，等.小麥株高的QTL分析［J］.西北農林科技大學學報，2008，36（12）：59－63.

［6］ Korzun V，Roder M S，Ganal M W，et al.Genetic analysis of the dwarfing gene（Rht8）in wheat.Part I：Molecular mapping ofRht8on the short arm of chromosome 2Dof bread wheat（TriticumaestivumL.）［J］.Theor Appl Genet，1998，96：1104－1109.

［7］ Faris J D，Anderson J A，Feancl L J，et al.RELP mapping of resistance to chlorosis nduction by Pyrenophora tritici－repentis in wheat［J］.Theor Appl Genet，1997，94：98－103.

［8］ Nelson J C，Singh R P，Autrique J E，et al.Mapping genes conferring and suppressing leaf rust resistance in wheat［J］.Crop Sci，1997，37：1928－1935.

［9］ Borner A，Schumann E，Furste A，et al.Mapping of quantitative trait loci determining agronomic important characters in hexaploid wheat （Triticum aestivum L.）［J］.Theor Appl Genet，2002，105：921－936.

［10］ Snape J W，Law C N，Worland A J.Whole chromosome analysis of height in wheat［J］.Heredity，1977，38：25－36.

［11］ Sears E R.The aneuploids of common wheat［J］.Univ M Res Bull，1954，572：1－58.

［12］ 席章營，朱芬菊，臺國琴，等.作物QTL分析的原理與方法［J］.Chinese Agricultural Science Bulletin，2005，21（1）：88－92.

［13］ Darvasi A，Weinreb A，Minke V，et al.Detecting marker－QTL linkage and estimating QTL gene effect and map location using a saturated genetic map［J］.Genetic，1993，134：943－951.

［14］ Hyne V，Kearsey M J，Pike D J，et al.QTL analysis：unreliability and bias in estimation procedures［J］.Molecular Breeding，1995（1）：273－282.

QTL mapping for plant height of wheat

ZHANGZhen，ZHAIHongcui，WANGHuazhong
（a.College of Life Science，b.Tianjin Key Laboratory of Cyto－Genetical and Molecular Regulation，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

A population of 114RILs lines from the cross of W7984×Opata85was used for wheat plant height genetic analysis and QTL mapping.The genetic linkage map was based on the 461segregation markers in this population published online.With the QTL mapping software WinQTLCart2.5and the methods of interval mapping and composite interval mapping，4putative QTLs related to plant height were detected in this population and respectively located on chromosomes 1A，3D，4Aand 7A.The largest contributive locus was identified on chromosome 3D，accounting for 10.3%—14.8%plant height phenotypic variation.

common wheat；plant height；QTL；interval mapping

Q943

A

1671－1114（2011）02－0073－04

2010－10－11

天津市自然科學基金資助項目（08JCYBJC5000）；天津市高等學校科技發展基金資助項目（20070916）

章 珍（1982—），女，碩士研究生.

王華忠（1976—），男，副教授，博士，主要從事植物遺傳學方面的研究.

（責任編校 紀翠榮）