不同水分環境下小麥株高性狀QTL定位分析

任艷云 王世充 邵敏敏 孫雷明 黃玲 趙凱 徐興科 王繼峰 馮維營 王霖

摘要：為了發掘控制小麥抗旱節水相關性狀的基因位點，為抗旱節水品種選育提供指導，本研究利用洛旱2號/濰麥8號的 F8∶9群體的302 份材料，在6個不同水分環境條件下進行試驗，對小麥抗旱相關株高性狀進行了 QTL 分析。結果顯示，在所有環境中共檢測到 17個控制株高的加性QTL，主要分布在 2B、3A、3B、4A、5A、5D、6B、7A 和 7B 染色體上，加性效應值為1.9196～5.3828 cm， 可解釋3.3160%～26.9489%的表型變異。在充分灌溉條件下的E1、E2和E3三個環境中共有14個QTL位點，25次被檢測到；在干旱脅迫環境下的E4、E5和E6三個環境中共有5個QTL位點，7次被檢測到。在所有檢測到的17個QTL位點中，有12個位點只在灌溉環境下被檢測到，有3個位點只在干旱脅迫環境下被檢測到，只有2個位點在灌溉和干旱脅迫環境下同時被檢測到。表明基因的表達受環境條件的影響較大，在QTL水平上表明基因與環境之間存在互作。定位在7A染色體上位于Xbarc049和Xgwm273之間的qPh-WL-7A.3，在三個水分脅迫環境下穩定表達，能增加株高2.4815～3.6972 cm，加性效應貢獻率在8.6426%～10.0711%，是一個與水分高效利用密切相關的QTL，可用于小麥抗旱基因改良及分子標記輔助育種。

關鍵詞：小麥；株高；QTL；干旱脅迫

中圖分類號：S512.103.2文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）09-0010-07

AbstractPlant height is one of the most important traits that associated with drought resistance of wheat. In order to explore the gene sites associated with drought resistance and water saving， and provide guidance for drought-resistant breeding of wheat， the plant height QTL was evaluated with the population of 302 recombinant inbred lines derived from a cross between drought-tolerant cultivar Luohan 2 and water-sensitive cultivar Weimai 8 in 6 different water regimes. Total 17 additive QTL loci for plant height were identified， and they distributed on chromosomes 2B， 3A， 3B， 4A， 5A， 5D， 6B， 7A and 7B， respectively. These QTL loci could explain the phenotypic variations varied from 3.3160%～26.9489% with the additive effects of 1.9196～5.3828 cm. Of which， 14 QTL loci were detected for 25 times in 3 irrigation environments （E1， E2 and E3）， and 5 QTL loci were detected for 7 times in 3 drought stress environments （E4， E5 and E6）. Of all the 17 QTL loci for plant height， 12 QTL loci were detected only in irrigation environment， 3 QTL loci were detected only in drought stress environment， and 2 QTL loci were detected in both environments. It suggested that the expression of these genes were greatly influenced by environmental condition， and showed that there was interaction between gene expression and environment on the level of QTL. qPh-WL-7A.3， which was located between Xbarc049 and Xgwm273 on 7A， could stably express in all the three drought stress environments， and increase plant height for 2.4815～3.6972 cm with the contributions of additive effects as 8.6426%～10.0711%. It indicated that the QTL was closely related to water efficient utilization and could be used in the genetic improvement of drought tolerance and molecular marker assisted breeding of wheat.

KeywordsWheat； Plant height； QTL； Drought stress

小麥是我國第三大糧食作物，主要分布在我國部分干旱、半干旱地區，水分脅迫一直是影響我國北方小麥生產的最主要因素[1]。小麥莖稈是支撐器官，支撐葉片和穗部器官。合理的葉片著生部位及著生角度，使群體冠層結構合理，有利于光合作用，提高群體生物合成總量。因此，株高影響著小麥的種植密度、株型、冠層結構、抗倒性能和收獲指數，是影響小麥產量的最重要因素之一[2]。研究表明，水分環境對小麥株高表型變異具有顯著影響，水分虧缺通常導致小麥株高和產量顯著降低[3，4]。在干旱脅迫條件下，小麥維持較高株高可增加花前莖稈碳水化合物貯存量和花后莖稈代謝向籽粒轉運量，有利于籽粒灌漿和增加粒重，從而有效補償產量的損失[5]，整體表現出小麥株高與產量及其產量構成因素間不同程度的正相關性[5-7]。株高不僅是對小麥基因型本身的反映，也是小麥從出苗到成熟整個生長過程對環境適應性反應的結果，大量研究表明，干旱脅迫下的株高與小麥的抗旱性呈高度正相關，是鑒定小麥抗旱性的可靠指標[8，9]。在干旱環境下，不僅小麥的最終株高（90～105 cm）與抗旱性呈高度正相關，拔節期的苗高也與抗旱性呈極顯著正相關。但小麥株高與其抗旱性之間的正相關關系有一定的限制，超過一定限度這種關系就會喪失[10]。因此，株高評價是小麥抗旱性的重要指標，合理株高是旱地小麥獲得較高產量的重要結構基礎[3]。

大量研究表明，小麥株高屬于多基因控制的復雜數量性狀，主要受加性、上位性及環境互作效應調控[4，6，7，10-12]。迄今為止，通過突變體結合分子生物學手段已發現 25個矮稈基因（Rht）；此外借助分子遺傳學方法，發現了大量的控制株高的數量性狀位點（QTL），這些 QTL 幾乎分布在小麥整個基因組上[2，4，6，7，10-18]。因此利用不同遺傳背景的作圖群體，借助分子數量遺傳學方法，發掘在干旱條件下遺傳效應值穩定表達、能夠增加株高且在水分充足條件下不表達的數量性狀位點，對穩定株高、增加植株的抗旱性、提高產量及分子標記輔助選育抗旱小麥品種具有重要意義[12]。為此，本研究通過抗旱性差異較大的 2 個冬小麥品種洛旱2號（耐旱型） 與 濰麥8號（水分敏感型） 雜交創建的RIL群體為材料，在不同水分環境下對小麥株高進行 QTL 定位剖析，旨在為小麥株高抗旱遺傳改良和分子標記輔助選擇育種奠定理論基礎。

1材料與方法

1.1試驗材料

親本洛旱2號為多穗型抗旱小麥品種，由洛陽市農業科學研究院選育而成；濰麥8號為高產大穗水分敏感型小麥品種，由濰坊市農業科學院選育；以及由二者雜交經多代自交獲得的302個重組自交系（RIL，F8∶9）群體，簡稱WL。

1.2試驗設計

將WL群體及其親本于2010-2011、2011-2012、2013-2014年度種植于濟寧市農業科學研究院試驗農場（環境1、2、3，E1、E2、E3），采用灌溉模式，冬前澆越冬水，春季澆拔節水和灌漿水，其它管理同一般大田。2012-2013年度種植在濟寧市農業科學研究院試驗農場和臨沂市農業科學研究院試驗農場，采用控水模式，足墑播種，出苗后不澆水。其中濟寧試點設置兩個處理，一個為覆膜（環境4，E4），另一個為不覆膜（環境5，E5），臨沂試點不覆膜（環境6，E6），其余非水分管理措施同一般大田。每個家系和親本種植2行，行距30 cm，株距4 cm，行長2 m，每個環境1次重復，隨機排列。

1.3表型性狀調查和分析

于小麥開花15 d后，用直尺量取兩個親本及RIL家系的平均高度（從地面到穗的頂部，不連芒），5點平均作為平均株高。成熟后每個親本及各RIL家系隨機取5個單株，量取主莖高度（從分蘗節到穗的頂部，不連芒），取平均值作為主莖株高。

1.4遺傳圖譜的構建及QTL分析方法

應用MapMaker/EXP 3.0軟件構建連鎖圖譜，該圖譜包含348個位點，分布在23個連鎖群上，基因組全長3 132.2 cM，標記間的平均距離為9.0 cM。A基組長1 086.1 cM、B基組長1 170.8 cM，D基組長875.2 cM。單個染色體上的標記數目相差較大，以7B染色體上標記最多，為47個，3D上最少，只有2個。染色體長度以7B最長，為226.6 cM，3D最短為36.7 cM。7B染色體標記間的平均距離最短，為3.2 cM，6D染色體標記間的平均距離最長為19.9 cM。4D和6D各包含1個連鎖斷點[19]。

采用 SPSS 13.0軟件對表型數據進行正態分布分析。應 用 完 備 區 間 作圖軟件IciMapping v3.0 （http：//www.isbreeding.net/） 進行 QTL 分析。LOD 閾值設定為 2.5，步長為 1 cM，進行1 000次置換檢測。對6個環境的平均株高和4個環境的主莖株高進行了QTL分析。

2結果與分析

2.1小麥平均株高及主莖高度的表型變異

RIL群體及其親本的株高參數如表1所示。在不同環境條件下，洛旱2號的株高顯著低于濰麥8號，RIL群體的株高平均值顯著高于雙親平均值，明顯的表現為傾高親遺傳。RIL群體的株高峰度系數和偏度系數絕對值都小于1，表現為

2.2株高QTL鑒定

在不同環境條件下，從小麥RIL群體中共檢測到 17個控制株高的加性QTL，主要分布在 2B、3A、3B、4A、5A、5D、6B、7A 和 7B 染色體上（表 2、圖 1） 。有 7個加性QTL 位點的加性效應來自于高值親本濰麥8號，具有增加株高的效應，加性效應值為 1.9196～4.4445 cm，單個QTL可解釋3.3160%～14.2412%的表型變異； 其余10 個加性QTL 來自于低值親本洛旱2號，具有降低株高的效應，加性效應值為 1.9798～5.3828 cm，可解釋5.0674%～26.9489%的表型變異。在6個環境共檢測到的32個點次加性 QTL中，有 10點次（涉及到6個QTL位點）可解釋超過 10% 的表型變異， 18點次（涉及到14個QTL位點）可解釋5%～10% 的表型變異。

2.3平均株高和主莖株高QTL分析

在E1、E2、E3和E4四個環境中共有15個株高QTL位點，28點次被檢測到（E5、E6兩個環境沒檢測主莖株高QTL）。其中有9個主莖株高QTL位點， 14點次被檢測到，分別位于2B、3A、4A、5A、5D、6B、7A、7B染色體上；有10個平均株高QTL位點，14點次被檢測到，分別位于3B、4A、5D、6B、7A、7B染色體上。檢測到的兩類QTL位點數及總次數大體相當。在這些QTL位點中，有4個被同時檢測到，占總數的26.7%，有5個位點只在主莖株高中被檢測到，占總數的33.3%，有6個位點只在平均株高中被檢測到，占總數的40.0%。

在某一特定環境中檢測到的主莖株高QTL和平均株高QTL的數目和位置不盡相同，大多數不能在相同位點被同時檢測到，只有少數主莖株高QTL和平均株高QTL被同時定位在染色體上相同位置。在那些沒被同時檢測到的QTL中，有些可以在其他環境下相同的位點被檢測到。如在E1環境中檢測到的5個平均株高QTL中，有2個（qPh-WL-7B.2 和qPh-WL-7B.3）在同環境下與檢測到的控制主莖高度的QTL定位在相同區間，有2個（qPh-WL-7A.2 和qPh-WL-3B）在E2環境中被檢測到，另有1個（qPh-WL-6B）在E2和E4環境中作為主莖株高被定位在相同的區間。

這說明株高QTL調控株高發育是比較多樣性的，一部分QTL同時對主莖和分蘗的發育都起一定的調控作用，另外一部分QTL對主莖調控作用強，還有一部分QTL對分蘗的調控作用強，且受環境條件的影響。在一定環境條件下二者同時表達，控制株高發育，但當環境條件改變后，原來對主莖調控作用強的QTL可能變弱，甚至不能檢測到，而對分蘗的調控作用變強；原來對分蘗調控作用強的部分QTL可能變弱，而對主莖的調控作用變強。同時也有某些QTL只對主莖或者分蘗的發育起調控作用。這部分QTL解釋了為什么有的小麥品種穗層整齊，主莖和分蘗高度相差較小，有的品種穗層不齊，主莖和分蘗高度差異較大的原因。

2.4小麥株高QTL在基因組中分布的不均勻性及其與水分環境互作

由圖 1 看出，在不同水分環境條件下，控制小麥株高的加性QTL在不同染色體間和同一染色體內的不同標記區段上呈現出明顯的不均勻分布，其中在 5D、7A 和7B上分布最多，均達3～4個。這些QTL在特定標記區間的聚集分布形成了 QTL 熱點區域，如 5D染色體Xcfe254-Xcfd78，7A 染色體Xmag2931-Xgwm273 和 7B 染色體 Xcfe266-Xgwm350 區間。說明，小麥株高QTL在基因組中并不是均勻分布，在某些特定區間可能集中攜帶大量控制株高的QTL。

在所有的17個加性QTL中，有3個位點被4次定位在相同的區間，有1個位點被重復檢測到3次，有4個位點被重復檢測到2次，其余QTL 均為環境特異表達。在被檢測到4次的3個QTL中，有的位于染色體相同的位置，有的位置稍有不同。如在7B染色體上Xcfe266.1-Xwmc488.2 區間的QTL，4次定位的位置完全相同，但同在同條染色體上Xwmc179.2-Xmag1708 區間定位到的QTL，有3次定位在相同的位置，另外1次定位在相差1 cM的位置。這些位點因環境不同，對株高表型變異的貢獻率也有顯著差異，如qPh-WL-7B.2，對株高表型變異的貢獻率為8.4338%～26.9489%，說明這些重要位點盡管在多環境中能穩定表達，但其表達形式和強度仍存在較強的環境依賴性。

從表2中可以看出，不同環境中檢測到的QTL數目也不相同，6個環境中檢測到的QTL 數量差異較大。在 E1、E2和E3環境中分別有8個QTL 被檢測到，而在E4、E5 和E6環境中分別只檢測到4、2個和1個 QTL，同樣表明基因的表達

受環境條件的影響較大，這在QTL水平上表明基因與環境之間存在互作。在控水和充分灌溉兩種環境下檢測到的QTL位點數和次數也有明顯的差異。在控水環境下檢測到的株高QTL明顯少于充分灌溉環境下的數量。在充分灌溉條件下，E1、E2和E3三個環境中共有14個QTL位點，25次被檢測到；在限制水分環境下的E4、E5和E6三個環境中共有5個位點，7次被檢測到。在所有檢測到的17個位點中，有12個位點只在灌溉環境下被檢測到，有3個位點只在限制水分環境下被檢測到，只有2個位點在充分灌溉和水分脅迫環境下同時被檢測到。

3討論與結論

小麥抗旱性是由多基因控制的復雜數量性狀，受到許多形態結構性狀、生長發育性狀、產量構成性狀和生理生化性狀的直接或間接影響，利用普通的細胞遺傳和數量遺傳學方法難以進行深入研究[18]。近年來，隨著分子生物技術的快速發展和不斷完善，分子遺傳學與傳統數量遺傳學的交叉結合、各類作物分子標記遺傳連鎖圖譜的構建、比較基因組學及相關的分子遺傳學研究為作物抗旱性改良提供了新的機遇。通過對與抗旱相關基因緊密連鎖的分子標記的鑒定分析，可以把這一復雜的數量性狀分解成為單個的孟德爾因子進行分析和選擇。一旦找到與抗旱節水相關基因緊密連鎖的標記，就可以在育種工作中進行標記輔助選擇，大大提高選擇效率[20]。

大量研究表明，小麥株高是小麥抗旱性的一個重要指標，通過不同遺傳背景和不同環境條件下的QTL定位分析，可以為分子標記輔助育種提供理論支撐[12，21]。本研究通過在不同水分環境下的株高QTL定位分析發現，水分對株高基因的表達影響很大，部分在水分充足條件下效應值較高的QTL在水分匱缺的環境下效應值變小，甚至不表達，這也許是水分匱缺條件下株高明顯降低的主要原因之一。但株高過矮，不利于小麥群體的建成，不利于群體光合作用和有機物的積累，不利于產量的提高，所以，在抗旱育種中那些在水分充足和匱乏環境下同時表達的QTL對干旱條件下小麥株高的建成具有較重要的意義，特別是那些在水分充足時未被檢測到，只在干旱條件下被檢測到的QTL，對在干旱脅迫下小麥株高的建成、增加碳水化合物的積累、提高產量具有非常重要的意義。

本研究定位到7A染色體上Xbarc049和Xgwm273之間的qPh-WL-7A.3，在三個水分匱乏的環境下穩定表達，株高增加2.4815～3.6972 cm，加性效應貢獻率都在8.6426%～10.0711%，是一個與水分高效利用密切相關的QTL。梁子英等[22]以小麥品系“0911-46”與品系“42”雜交獲得的F2及其衍生F2∶3群體為材料，應用SSR標記構建連鎖圖譜，在7A染色體Xbarc336-Xwmc607區間檢測到控制株高的QTL。葉亞瓊等[12]以冬小麥重組近交系群體[隴鑒19（耐旱）×Q9086（水分敏感）]采用條件復合區間作圖法對4個環境不同水分條件下的株高進行QTL定位分析，在7A上發現了1個在多環境表達的加性QTL。張正斌等[23]關于小麥水分利用效率（WUE）改良的生理遺傳研究表明，小麥7AS 染色體臂上載有高WUE 基因。本研究定位到的這個QTL與這些QTL處于相似位置，有可能是同一個QTL，進一步相互驗證了試驗結果的真實性。該研究結果為進一步進行重要抗旱基因的精細定位、克隆及 QTL 分子標記輔助育種奠定了基礎。

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