不同灌溉模式下小麥穗粒數(shù)QTL定位分析

王 霖，孫雷明，黃 玲，邵敏敏，趙 凱，閆 璐，徐興科，王繼峰，馮維營

(濟(jì)寧市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東濟(jì)寧 272031)

在小麥產(chǎn)量構(gòu)成三因素中，穗粒數(shù)受栽培條件和氣候條件的影響最大，是影響高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的最重要限制因素[1-3]。因此，提高穗粒數(shù)是選育高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)品種的主攻方向[4-6]。水分是影響小麥產(chǎn)量及穩(wěn)定性的一個非常重要的非生物脅迫因子，干旱脅迫影響作物生長發(fā)育進(jìn)程，抑制植株形態(tài)建成，造成穗粒數(shù)明顯減少，導(dǎo)致減產(chǎn)。因此，通過遺傳手段，增加穗粒數(shù)，在不同水分條件下獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，具有十分重要的意義[7-8]。

穗粒數(shù)是由微效多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀，遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜，單個基因效應(yīng)小且易受環(huán)境影響[9]，由于缺少足夠的形態(tài)與生理標(biāo)記，運用普通遺傳學(xué)的方法難以對其遺傳規(guī)律進(jìn)行深入分析。近年來，隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展和不斷完善，利用SSR和SNP等分子標(biāo)記進(jìn)行高密度遺傳圖譜的構(gòu)建，為多基因控制的數(shù)量性狀研究提供了新的可能[10-11]。國內(nèi)外學(xué)者在不同遺傳背景及環(huán)境下，采用多種分析方法對小麥穗粒數(shù)QTL進(jìn)行了定位研究[12-15]。幾乎在小麥所有染色體上，都能檢測到控制穗粒數(shù)的QTL。但是由于遺傳背景的差異、環(huán)境的影響、作圖及定位方法的不同，造成QTL的位置不同，而且效應(yīng)值變化也較大，重復(fù)性較差，影響了這些QTL在育種中的應(yīng)用。

隨著人口的增加與環(huán)境的惡化，尤其是干旱少雨天氣的多發(fā)，人們希望在較少的水分投入條件下獲得較高的產(chǎn)量，耐旱節(jié)水基因位點分子標(biāo)記輔助選育是一條有效途徑，但是已有的大部分定位分析是在灌溉條件下進(jìn)行的，在雨養(yǎng)環(huán)境中進(jìn)行穗粒數(shù)QTL定位的研究很少。

本研究以多穗型抗旱小麥品種洛旱2號與大穗型高產(chǎn)品種濰麥8號雜交創(chuàng)制的含有302個家系的重組自交系(RIL)為材料，分別在3個干旱和3個灌溉條件下進(jìn)行穗粒數(shù)QTL定位，并分析其與環(huán)境間的互作關(guān)系，以揭示穗粒數(shù)的遺傳基礎(chǔ)和QTL表達(dá)規(guī)律，為小麥穗粒數(shù)的分子標(biāo)記輔助選擇和節(jié)水高產(chǎn)小麥新品種培育奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以濰麥8號為母本、洛旱2號為父本進(jìn)行有性雜交，采用單粒傳法創(chuàng)制了含302個F8:9家系的重組自交系(RIL群體)。本研究即以該RIL群體及其親本為材料。濰麥8號是一個大穗型寡分蘗的小麥品種，該品種具有穗大、分蘗少、葉色深、株型緊湊、莖稈粗、抗倒伏、產(chǎn)量潛力較高等特點；洛旱2號屬于多穗、落黃較好、早熟、抗旱性好、適應(yīng)性廣的小麥品種。

1.2 穗粒數(shù)統(tǒng)計和分析

RIL群體及兩親本于2010年至2014年種植于濟(jì)寧市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗農(nóng)場(分別用E1、E2、E3、E4和E5表示)，2013年在濟(jì)寧種植的同時還在臨沂市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗農(nóng)場種植(用E6表示)，田間試驗采用單粒播種，株距4 cm，行長2 m，行距30 cm，每株系種植2行。E1、E2和E3起身期至拔節(jié)期和灌漿期各澆水一次；E4、E5和E6造墑播種，出苗后不再澆水，其他田間管理按當(dāng)?shù)卣Ｔ耘喾椒ㄟM(jìn)行，生長期間沒有發(fā)生嚴(yán)重病蟲害和倒伏。成熟后每個株系選取20個單株，調(diào)查每個單株的主莖穗粒數(shù)，取其平均值。

利用 Excel和SPSS 13.0 軟件進(jìn)行頻數(shù)分布和方差分析。

1.3 遺傳圖譜的構(gòu)建和QTL分析

參考王 霖[16]的方法構(gòu)建遺傳圖譜；采用QTL IciMapping 3.0 軟件，基于完備區(qū)間作圖法對各個環(huán)境表型值進(jìn)行正態(tài)性和QTL分析，LOD值為2.5。QTL按照QTL+性狀+群體名稱+染色體+QTL數(shù)的方法命名。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及群體表型變異分析

采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，穗粒數(shù)在不同環(huán)境和RIL群體株系之間存在極顯著差異(表1)，而且環(huán)境F值顯著大于RIL群體株系之間的F值，說明環(huán)境和家系之間存在互作。RIL群體在6個環(huán)境中的平均穗粒數(shù)明顯大于母本洛旱2號，小于父本濰麥8號，大于雙親平均值，表現(xiàn)為超親遺傳。6個環(huán)境下群體穗粒數(shù)的極差分別為29.73、39.47、33.30、36.60、23.50和30.40，變異系數(shù)分別為14.5、16.4、15.4、14.6、10.1和10.9。群體穗粒數(shù)的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)都小于1，呈現(xiàn)正態(tài)分布連續(xù)變異，且出現(xiàn)超雙親分離現(xiàn)象(表2，圖1)。

圖1 不同環(huán)境下穗粒數(shù)的頻數(shù)分布

2.2 穗粒數(shù)QTL的檢測結(jié)果分析

基于構(gòu)建的連鎖圖譜和6個環(huán)境的表型數(shù)據(jù)，運用QTL IciMapping 3.0 軟件對穗粒數(shù)進(jìn)行加性效應(yīng)定位分析。結(jié)果在6個環(huán)境下共檢測到24個穗粒數(shù)QTLs，位于16個位點(表3，圖2)，分別位于2B、3A、3B、3D、4A、4B、5A、5B、6B和7B共10條染色體上。其中7B上有3個位點，4B、5A、5B和6B各有2個位點，其他染色體上各有1個位點。三個染色體亞組中，B亞組上位點最多，涉及6個染色體，11個位點；A亞組次之，涉及3個染色體，4個位點；D亞組最少，只涉及到1條染色體，1個位點。這表明B亞組上相對于其他兩個亞組可能含有較多的穗粒數(shù)基因位點，但這也可能與本研究選用的試驗材料及D亞組上的標(biāo)記數(shù)目較少有關(guān)。單個QTL可解釋3.70%～20.43%的表型變異，其中6個QTLs可解釋大于10%的表型變異，15個QTLs可解釋5%～10%的表型變異，3個QTLs可解釋小于5%的表型變異。在所有檢測到的16個位點中有10個位點被檢測到一次，分別位于2B、3B、4A和4B；有5個位點在兩個環(huán)境中被檢測到(表3)，分別位于3D、5A、5B、6B和7B；只有1個位點同時在三個以上環(huán)境(E1、E4、E5和E6)中被檢測到，該QTL( Qknps-WL-3A)位于3A染色體上的標(biāo)記Xbarc012和 Xgpw2266之間， LOD值依次為4.95、10.94、2.90和10.44，分別可解釋12.52%、20.43%、7.18%和9.37%的表型變異，其加性效應(yīng)值依次為2.04、2.73、1.86和2.22，增效等位基因均來自親本濰麥8號，該QTL效應(yīng)值大，在所有的旱作環(huán)境中能夠穩(wěn)定表達(dá)。

表1 穗粒數(shù)方差分析結(jié)果Table 1 Variance analysis of kernel number per spike

表2 雙親及RIL群體穗粒數(shù)的表型分布Table 2 Phenotypic variation of kernel number per spike of the parents and the RIL population

表3 在限制澆水和灌溉模式下檢測到的穗粒數(shù)QTLTable 3 QTLs for kernel number per spike detected in restrict watering and irrigation modes

本研究中，在E1至E6環(huán)境中依次檢測到3、8、3、3、3和4個穗粒數(shù)QTLs，分別可解釋16.40%、40.71%、21.96%、18.29%、24.01%和16.97%的表型變異。除E2定位到的位點數(shù)較多，解釋的總體表型變異較大外，其他環(huán)境都只定位到3～4個QTLs，總解釋率較小，只為20%左右。這在一定程度上說明穗粒數(shù)是受多基因控制的數(shù)量性狀，單個效應(yīng)值較小，在大多數(shù)環(huán)境中因為與環(huán)境及其他基因間的互作效應(yīng)不能被同時檢測到。盡管如此，在不同的環(huán)境中，一般仍有少數(shù)幾個QTL對穗粒數(shù)具有較大的影響，這從理論上說明了通過QTL定位分析，然后用分子標(biāo)記對具有較大效應(yīng)值的QTL進(jìn)行標(biāo)記輔助選擇，進(jìn)行增效基因聚合，對提高穗粒數(shù)和產(chǎn)量是一條有效途徑。

2.3 不同水分環(huán)境下檢測到的穗粒數(shù)QTL差異

表3說明，在充分灌溉條件下的三個環(huán)境(E1、E2和E3)中，共有14個QTLs，11個位點被檢測到；在限制水分的三個環(huán)境(E4、E5和E6)中共有10個QTLs，7個位點被檢測到。后者明顯少于前者。在所有檢測到的16個位點中，有9個位點只在灌溉環(huán)境下被檢測到，有5個位點只在限制水分環(huán)境下被檢測到，只有2個位點在充分灌溉和限制水分環(huán)境下同時被檢測到。這說明穗粒數(shù)QTL的表達(dá)具有多樣性，受環(huán)境和水分的影響較大。在水分充足的條件下，有較多的QTL可以充分表達(dá)，能夠被檢測到；而在土壤水分含量較低的情況下，某些QTL的表達(dá)量受到影響而減少，不能被檢測到。因此，那些在多個環(huán)境中被檢測到，特別是在水旱兩種環(huán)境下都被檢測到的QTL對提高品種對水分的適應(yīng)性，具有重要的意義。

空心三角和實心三角表示加性等位基因分別來自于濰麥8號和洛旱2號。QTLs marked by a filled triangle and an unfilled triangle on the right, indicate that Luohan2 and Weimai 8 alleles increase kernel number per spike, respectively.

2.4 穗粒數(shù)QTL增效等位基因位點在父母本中的分布

從表3可以看出，在水分充足的三個環(huán)境中共定位到11個位點，其中4個位點的增效等位基因來自于濰麥8號，7個位點來自于洛旱2號。在限制水分的三個環(huán)境中共定位到7個位點，其中3個位點的增效等位基因來自于濰麥8號，4個位點來自于洛旱2號。這在分子水平上說明洛旱2號耐旱性較好、適應(yīng)性較廣是因為其含有較多的與產(chǎn)量呈正相關(guān)的基因位點，在不同的環(huán)境條件下，總會有足夠多的基因充分表達(dá)，促成高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。另一方面，在兩種環(huán)境類型中，雖然來自于抗旱親本洛旱2號的增效位點較多，但是濰麥8號也提供了增加穗粒數(shù)的基因位點，而這些位點可能和品種的抗旱性有關(guān)，說明耐旱節(jié)水基因不只是來自于抗旱親本，高產(chǎn)品種中同樣也含有此類基因。因此，利用高產(chǎn)親本資源和耐旱節(jié)水資源雜交創(chuàng)制遺傳群體進(jìn)行QTL分析，不僅能夠發(fā)現(xiàn)耐旱型種質(zhì)資源的耐旱基因，而且還能夠發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)型種質(zhì)資源中的耐旱基因，有利于耐旱基因的充分發(fā)掘，而這一點更為重要。

3 討 論

劉新元等[17]在小麥3D染色體上同時定位到一個苗高耐旱系數(shù)QTL和胚芽鞘長耐旱系數(shù)QTL，與本研究在E4和E5環(huán)境中定位的 Qknps-WL-3D有共同的標(biāo)記Xmag500；在6B染色體上定位到的根冠鮮重比耐旱系數(shù)與本研究在E6環(huán)境下檢測到的 Qknps-WL-6B.1有共同的標(biāo)記Xwes180；在7B染色體上定位的胚芽鞘長耐旱系數(shù)QTL與本研究定位的 Qknps-WL-7B.3有共同的標(biāo)記Xwmc488.1，很有可能分別是相同的QTL。劉新元等[17]在3B染色體上的Xbarc164標(biāo)記附近定位的根冠干重比耐旱系數(shù)QTL，與本研究在E5環(huán)境下定位到的 Qknps-WL-3B位置相近；在3A染色體上的Xgpw2266標(biāo)記附近定位到的根鮮重耐旱系數(shù)QTL，與本研究在E1、E4、E5和E6環(huán)境下檢測到的 Qknps-WL-3A處在相近位置，有可能是相同的QTL。

本課題組還將本研究所用的RIL群體于2008-2010年度在泰安，2009-2010年度在濟(jì)寧三個水澆地環(huán)境中種植，并對穗粒數(shù)進(jìn)行QTL分析，共定位到15個QTL[16]，分別位于1A、1D、2A、2B、3A、3D、5A、5B、5D、6A、6B、7A和7B染色體上，單個QTL可解釋穗粒數(shù)變異的2.94～14.57% 。其中分別有1個位點在三個環(huán)境、兩個環(huán)境和平均環(huán)境中被檢測到。本研究檢測到的位于2B、3A、5A、6B和7B染色體的QTL與該研究定位于相應(yīng)染色體上的QTL位于同一位點。其中位于3A染色體標(biāo)記Xbarc012和Xgpw2266之間的 Qknps-WL-3A.1在三個環(huán)境及平均環(huán)境中穩(wěn)定表達(dá)，LOD值為4.95～11.94，可解釋10.84%～23.22%的表型變異，加性效應(yīng)值為2.04～4.452，增效等位基因來自于濰麥8號，與本研究定位于3A的QTL處于同一位置，為同一個QTL。該QTL在9個環(huán)境中有7次被檢測到，在其中的3個水分脅迫環(huán)境下均被檢測到，而且在模擬干旱環(huán)境中亦被檢測到與根鮮重耐旱系數(shù)相關(guān)。綜合以上結(jié)果表明，在3A染色體標(biāo)記Barc012和Xgpw2266之間存在與產(chǎn)量性狀和抗旱性相關(guān)QTL，有可能是一因多效，也可能是一個基因簇。目前，在3A染色體上，Zhang等[7]利用一個雙單倍體群體在3A染色體標(biāo)記Xwmc488.2和Xwmc488.3之間和Xbarc356和Xwmc489.2之間定位到2個穗粒數(shù)QTL，劉 凱等[14]利用高密度SNP遺傳圖譜在標(biāo)記Kukri_C43524_106和Bobwhite_C13704_244之間檢測到1個QTL，Lee等[18]報道過1個穗粒數(shù)QTL與標(biāo)記Xgwm247連鎖。通過分析發(fā)現(xiàn)，它們處在相近的區(qū)域，但是由于沒有共同的標(biāo)記，不能推測它們是相同的QTL，很可能是1個新的QTL。因此，該位點的發(fā)現(xiàn)對于分子標(biāo)記輔助選擇和小麥耐旱性基因的精細(xì)定位和圖位克隆具有重要意義。

比較發(fā)現(xiàn)，在本研究中定位穗粒數(shù)QTL的2B、3B、3D、4A、4B、5A、5B、6B和7B染色體上，在其他研究中都有報道QTL存在，但是由于構(gòu)建的遺傳圖譜相同的標(biāo)記較少，沒有發(fā)現(xiàn)具有共同標(biāo)記的QTL出現(xiàn)，不能斷定這些QTL是相同的或新的QTL。因此，進(jìn)一步開發(fā)出多個遺傳背景下的共同標(biāo)記，對增加不同研究者之間定位結(jié)果的相互驗證，對產(chǎn)量相關(guān)性狀QTL的精細(xì)定位、克隆和分子標(biāo)記輔助育種更具有應(yīng)用價值。