不同水分條件下小麥回交導入系群體旗葉持綠性與千粒重的遺傳相關分析

辛筱筱，栗孟飛，劉 媛，程宏波，常 磊，陳菁菁，柴守璽，楊德龍

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室,甘肅農業大學生命科學技術學院， 甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學農學院， 甘肅 蘭州 730070)

小麥(TriticumaestivumL.)是我國四大糧食作物之一，常年播種面積約2.67×107hm2，占糧食作物播種總面積的27.0%左右，占糧食作物總產量的22.0%左右[1]。隨著農業用水資源的日益匱乏，干旱已成為小麥減產的最主要的環境影響因子，每年我國因不同程度干旱導致的小麥減產在30%以上，其危害相當于其他自然災害的總和[2]。研究表明，小麥產量形成是源-流-庫協同互作的復雜生理生化過程，主要取決于功能葉片的持綠性[3]。尤其是，小麥生育后期(抽穗期至灌漿期)是其產量形成的關鍵時期，同時也是對水分響應極為敏感的時期，該時期旗葉已成為小麥最為主要的光合器官[3-4]。在此條件下，小麥旗葉保持較高的葉綠素含量和一定的綠葉面積往往具有較高的產量潛勢，表現出較強的抗旱性[4]，這種性狀有利于植株延緩葉片衰老，改善蒸騰效率和延長光合作用時間[5]，從而有效地促進干物質積累、轉運和籽粒灌漿，提高粒重和產量[6]。因此，解析干旱脅迫條件下小麥生育后期旗葉持綠性與粒重關系及其遺傳特征對提高小麥抗旱遺傳改良效率具有重要意義。

小麥持綠性是一個復雜的生理代謝過程[7]。現已證明，葉綠素合成主要受谷氨酰tRNA還原酶、膽色素原合酶、尿葉琳原Ⅲ合酶、NADPH原葉綠素酸醋氧化還原酶、葉綠素合酶、葉綠素酸醋a氧化酶等關鍵酶及其基因表達調控[8]；且其表型易受基因型、環境、基因型×環境互作等因子的顯著影響[9-11]。借助分子數量遺傳學手段發現，小麥持綠性和千粒重屬于多基因控制的復雜數量性狀，遺傳力低，易受水分環境影響[9,12-13]。前人利用初級作圖群體，如重組近交系群體(recombinant inbred line，RIL)[11-12]、加倍單倍體群體(doubled haploid line，DH)[13]等，對小麥持綠性和千粒重進行數量性狀位點(quantitative trait locus，QTL)定位發現，控制這些性狀的QTL在小麥整個基因組上均有分布，其遺傳受加性、上位性及其與水分環境互作效應控制，且不同的環境和遺傳背景數量遺傳基礎有顯著差異。因此，利用不同背景小麥材料，設置不同的水分處理，有利于挖掘更多控制這些性狀的抗旱遺傳信息。

小麥回交導入系(introgression lines，ILs)群體的建立為小麥基因從初級定位向精細定位發展奠定了良好的材料基礎。通過多次回交建立的小麥ILs群體表現高比率的輪回親本基因型，同時保留少量供體親本染色體片段(基因)，有效排除了不同遺傳背景對導入基因的干擾，是檢測目標性狀QTL/基因，進行基因精細定位與克隆的理想遺傳材料。施偉等[14]利用晉麥47和長6878分別作為供體親本，魯麥14作為輪回親本，分別構建了兩套ILs群體，并對其進行了抗旱性相關性狀QTL定位分析。陳穩良等[15]以晉麥47為輪回親本，魯麥14為供體親本，構建ILs群體，通過分子標記技術檢測，對不同水分條件下小麥抗旱相關重要性狀和生理性狀進行了QTL定位。Ibrahim等[16]利用2套小麥ILs群體(Triso×Syn084和Devon×Syn084)對小麥抗旱相關性狀進行了精細定位。以上研究為揭示小麥抗旱性相關復雜數量性狀的遺傳特性和抗旱相關性狀精細定位奠定了良好的材料基礎和理論依據。因此，本研究以西峰20×晉麥47雜交創建的ILs群體作為供試材料，研究干旱脅迫和灌溉條件下不同發育時期小麥旗葉葉綠素含量和千粒重相關性及其數量遺傳特性，并對ILs群體的遺傳變異進行評價，旨在為小麥抗旱性研究和遺傳改良提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以強抗旱性的冬小麥西峰20為供體親本，以抗旱高產品種晉麥47為輪回親本，創建的ILs(BC3F4)群體160個株系為供試材料，群體兩親本在抗旱性和千粒重上遺傳差異較大。其中，供體親本西峰20是以西峰18作為母本，CA8055作為父本，通過有性雜交、分離世代的單株選擇，育成的具有抗旱、抗寒、抗病性強的新品種。輪回親本晉麥47是以12057為母本，(522×K37-20)為父本，經雜交，采用后裔育種選育而成，高產，抗寒耐凍性好，分蘗較強，灌漿速度快，現為國家黃淮旱地、山西省旱地、陜西省旱地區試的對照品種。

試驗于2013年10月—2014年6月在甘肅省蘭州市榆中縣小麥試驗點(35°51′N，104°07′E，平均海拔1 900 m，平均氣溫6.6℃，年降雨量450 mm，年蒸發量1 450 mm，無霜期140 d)進行。小麥播前基肥施用量為純N 180 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2，K2O 75 kg·hm-2，在整個生育期內均不再施肥。田間試驗水分管理分為雨養，即干旱脅迫(drought stress，DS)和灌溉(well watered，WW)兩種處理，播前均統一灌底墑水900 m3·hm-2。灌溉處理按正常的田間水分管理進行，分別在越冬前、翌年拔節期和開花期補充灌水，每次灌水量均為600 m3·hm-2。雨養的試驗材料僅越冬前灌水750 m3·hm-2，其余生育期依靠自然降水，全生育期(播種至收獲)降水量為103 mm。以上試驗為隨機區組設計，3次重復，6行區，均為稀條播，行長1 m，行距0.2 m，每行點播小麥60粒。

1.2 試驗方法

1.2.1 目標性狀的測定 在小麥的抽穗期、開花期和灌漿期，利用便攜式葉綠素測定儀(SPAD-502Plus，日本)測定不同水分條件下ILs群體親本和各株系的旗葉葉綠素含量(ChlC)，分別記為ChlCh，ChlCf和ChlCg。在小麥收獲脫粒后，風干種子，測定各株系及其親本的千粒重(TGW)。以上表型測定均5次重復，求平均值，計算干旱脅迫系數(drought stress coefficient，DSC)，即干旱脅迫下表型值與灌溉條件下表型值的比值(DS/WW)，代表材料的抗旱性[17]。

2 結果與分析

2.1 小麥ILs群體與其親本葉綠素含量和千粒重的表型分析

在兩種水分條件下，小麥ILs群體兩親本不同發育階段旗葉ChlC和TGW表型值均呈顯著或極顯著差異(表1)。供體親本西峰20不同發育時期旗葉ChlC表型值顯著高于輪回親本晉麥47，而TGW表型值反之。ILs群體各性狀的表型值均介于兩親本之間，群體內各株系變異廣泛，存在超親分離現象，不同發育時期旗葉ChlC的變異系數在9.89%～16.71%(DS)和11.4%～16.54%(WW)之間；TGW的變異系數分別為8.39%(DS)和8.61%(WW)。表明，小麥ILs 群體雙親對所考察性狀有貢獻的等位基因在后代群體中得到廣泛分離，呈現出多基因控制的數量性狀特點，且目標性狀表型多偏于輪回親本晉麥47，體現出導入系群體的遺傳特性。同時，小麥ILs 群體所有目標性狀偏度和峰度系數的絕對值普遍小于1，表型符合正態分布，表明這些性狀系典型的多基因控制的復雜數量性狀。

小麥ILs群體及其雙親WW條件下的目標性狀表型值顯著高于DS條件下(表1)，各目標性狀的旱脅迫系數在0.79～0.91之間(圖1)。其中，西峰20的旗葉ChlC旱脅迫系數隨著生育期的推移穩定增大，千粒重的旱脅迫系數較高(0.90)。晉麥47的旗葉ChlC旱脅迫系數隨著生育期的推移而下降，千粒重的旱脅迫系數較低(0.87)。小麥ILs群體的旗葉ChlC旱脅迫系數在開花期最高(0.91)，千粒重的旱脅迫系數介于雙親之間(0.89)。由此看出，在個體和群體水平上反映出小麥旗葉ChlC和TGW的表型變異易受水分環境的影響。

2.2 小麥ILs群體葉綠素和千粒重的相關分析

從表2看出，在不同水分環境條件下，小麥ILs群體不同發育時期旗葉ChlC間呈不同程度的正相關(r=0.256～0.505**，DS；0.312*～0.429**，WW)。而ChlC與TGW間呈現極顯著正相關(r=0.500**～0.629**，DS；0.488**～0.622**，WW)，其中灌漿期的旗葉ChlC與TGW表現出較高的相關性(r=0.629**，DS；0.622**，WW)，且DS條件下的相關系數普遍高于WW。說明在DS條件下，小麥灌漿期維持較高的葉綠素含量對千粒重具有重要作用。

表1 不同水分條件下小麥ILs及其親本的性狀表型值 Table 1 Phenotypes of the ILs and its parents under different water conditions

注：ChlCh, ChlCf和ChlCg分別表示抽穗期、開花期和灌漿期旗葉葉綠素含量；TGM表示千粒重，DS和WW分別表示干旱脅迫和灌溉處理。*P<0.05; **P<0.01.下同

Note: ChlCh, ChlCf and ChlCg mean chlorophyll content of wheat flag leaves at heading, flowering, and grain-filling stages, respectively; TGW means thousand-grain weight; DS and WW mean drought-stress and well-watered treatment, respectively. *P<0.05; **P<0.01. The same below.

圖1 小麥ILs群體與其親本葉綠素含量和 千粒重的旱脅迫系數

Fig.1 Drought stress coefficients of chlorophyll content of flag leaf and 1000-grain weight of wheat ILs and its parents

2.3 小麥ILs群體旗葉葉綠素和千粒重的通徑分析

由表3看出，在不同水分條件下，小麥ILs群體的開花期和灌漿期旗葉ChlC對TGW均有極顯著的正向直接作用，且灌漿期正向直接作用較大(0.582**,DS; 0.312**,WW)，而拔節期的直接作用較小(-0.074,DS;0.087,WW)。在DS條件下，開花期旗葉ChlC對TGW的間接總效應呈正向作用，而拔節期和灌漿期為負向間接作用；在WW條件下，灌漿期ChlC對TGW的間接總效應呈正向作用，而拔節期和開花期的為負向間接作用。由此可見，小麥不同發育時期旗葉葉綠素對千粒重的作用具有復雜性。對小麥ILs群體不同發育時期旗葉ChlC對TGW的總效應(直接作用與間接作用之和)

表2 不同水分條件下小麥ILs群體各性狀之間的相關系數 Table 2 Correlation coefficients among traits of wheat ILs under different water conditions

注：**, 相關性在0.01水平上顯著；*相關性在0.05水平上顯著。

Note: **, correlation is significant at the 0.01 level; *, correlation is significant at the 0.05 level.

進行綜合分析發現，DS條件下總效應分別為-0.231、0.464和0.429；WW條件下分別為-0.137、0.130和0.425。說明在不同水分條件下開花期和灌漿期旗葉葉綠素對千粒重有促進作用，且在干旱脅迫下的作用更為顯著。

2.4 小麥ILs群體旗葉葉綠素和千粒重遺傳力及表型多樣性分析

由表4可以看出，在不同水分條件下，小麥ILs群體在不同發育時期ChlC遺傳力在0.29～0.62(DS)和0.20～0.43(WW)之間，表型多樣性指數在0.74～0.78(DS)和0.71～0.76(WW)之間，相比較開花期的ChlC具有較高的遺傳力和表型多樣性指數。TGW的遺傳力為0.52(DS)和0.50(WW)，表型多樣性指數為0.83(DS)和0.82(WW)。各目標性狀整體表現出表型多樣性指數較高，遺傳力低的數量性狀的特點，且DS條件下的各性狀遺傳力和表型多樣性指數高于WW條件下的，表明干旱脅迫在一定程度上豐富了各目標性狀表型多樣性。

表3 不同水分條件下小麥ILs群體不同發育時期葉綠素含量對千粒重的通徑分析 Table 3 Path analysis of flag leaf chlorophyll contents at different growth stages to thousand-grain weight of wheat ILs under different water conditions

表4 不同水分條件下小麥ILs群體各性狀的 遺傳力和多樣性指數 Table 4 Heritability and diversity index of traits in wheat ILs under different water conditions

3 討 論

小麥持綠性和千粒重是小麥重要的生理和農藝性狀，是產量形成的重要影響因子[13,19-20]。小麥功能葉片持綠性，即較高的葉綠素含量與光合速率與強度，干物質的積累與轉運，籽粒灌漿和產量的形成密切相關[4-6,21-22]。然而，小麥持綠性和千粒重對水分環境響應極為敏感，干旱脅迫可以加速葉綠素降解，促進葉片衰老，削弱光合作用能力，影響籽粒灌漿，從而導致千粒重和產量顯著降低，并且具有顯著基因型差異和基因型×水分環境互作差異[9-11]。本研究發現，在干旱脅迫條件下，小麥ILs群體及其親本旗葉葉綠素含量和千粒重較正常灌溉顯著下降，但供體親本西峰20不同發育階段旗葉葉綠素含量顯著高于輪回親本晉麥47；群體表型介于雙親之間，更偏向輪回親本晉麥47，且各目標性狀表型旱脅迫系數有顯著差異，說明小麥ILs群體所考察的目標性狀表型對水分環境敏感，存在顯著的基因型和發育階段差異。同時發現，小麥ILs群體不同發育時期旗葉葉綠素含量與千粒重間呈現極顯著正相關，其中灌漿期旗葉葉綠素含量與千粒重表現出較高的相關性(r=0.629**,DS;0.622**,WW)，且干旱脅迫條件下的相關系數普遍高于灌溉的。通徑分析進一步表明，小麥ILs群體旗葉葉綠素對千粒重均具有顯著的正向直接作用，且灌漿期正向直接作用較大(0.582**,DS;0.312**,WW)，干旱脅迫條件下的總效應大于灌溉的。說明在干旱脅迫條件下，小麥灌漿期維持較高的葉綠素含量對千粒重貢獻尤為重要。從而在小麥群體水平上進一步證實了小麥不同基因型品種間比較得出的，在干旱脅迫條件下保持小麥生育后期旗葉較高的葉綠素含量和較多綠葉面積有利于延長光合作用時間和干物質的積累轉運，促進籽粒灌漿，增加粒重和產量[6,10,23]的觀點。

小麥持綠性和千粒重是典型的微效多基因控制的復雜數量性狀[9,12-13,20-21]。前人利用初級作圖群體DH群體[20]和RIL群體[9,12,21]對小麥持綠性和千粒重遺傳剖析發現，控制這些性狀的QTL在小麥整個基因組上均有分布，其遺傳受加性、上位性、加性與水分環境互作和上位性與水分環境互作效應控制，不同的水分環境和發育階段所檢測到的QTL的數目、定位區間，以及各遺傳因子的效應顯著不同。說明控制這些數量性狀的基因可能以一定的時空方式表達，在不同環境和不同的發育階段下具有不同的表達模式[9,12,24-25]。因此，加速開展不同水分環境、不同遺傳背景小麥材料后代群體的持綠性和千粒重數量遺傳研究，有利于發掘該性狀更為豐富的抗旱遺傳信息。本研究利用1套ILs群體對不同水分條件下該群體不同發育時期的持綠性和千粒重表型變異發現，各目標性狀的表型值介于雙親之間，群體內株系表型變異廣泛，存在超親分離現象，多樣性指數高，遺傳力低，易受水分環境的影響。表明該群體雙親對所考察性狀有貢獻的等位基因在其后代群體中得到廣泛分離，呈現出多基因控制的數量性狀特點，且目標性狀表型多偏向于輪回親本晉麥47，體現出導入系群體的遺傳特性。這些研究結果將為進一步解析干旱調控小麥持綠性和千粒重表型變異的遺傳基礎，及其QTL精細定位奠定良好的材料和理論基礎，對小麥抗旱遺傳改良具有重要意義。

致謝：感謝中國農科院作物科學研究所景蕊蓮研究員為本試驗提供實驗材料。

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