小麥穗粒數及千粒重主效QTL共定位區 QC-7AL>的精細定位及遺傳效應分析

孫宇慧，劉天相，石善黨，丁夢云，高 欣，王中華，李春蓮

(西北農林科技大學農學院/旱區作物逆境生物學國家重點實驗室，陜西楊凌 712100)

小麥是全球主要的糧食作物之一，提高小麥產量是解決人類糧食需求和保證全球糧食安全的主要途徑。小麥的單位面積產量由單位面積穗數、每穗粒數和平均粒重構成，三者關系的協調是小麥高產的關鍵。在產量構成因素中，單株穗數的遺傳力最低，早代進行直接選擇的效應較低；穗粒數的遺傳力比穗數的高，早代選擇有一定的效果；千粒重在三者中受遺傳特性的影響最大，其主要受加性效應基因的控制，因而早代選擇十分有效。研究表明，穗粒數和千粒重是提高產量最重要且可靠的指標[1-2]，在小麥品種產量構成因素的遺傳改良中，穗粒數和千粒重的改良在許多地區都取得了顯著的效果[3]。然而，小麥的穗粒數和千粒重為受多基因控制的數量性狀，受環境影響較大[4]，因而對此類性狀難以用傳統的遺傳學方法來進行基因定位和研究。此外，穗粒數與千粒重往往存在負相關性，傳統的育種方法很難使二者的優勢基因聚合，而采用分子標記輔助選擇結合分子設計育種手段則能有效地聚合優勢基因，縮短選擇周期，提高育種效率。

在前期研究中，本課題組利用寧7840×Clark的RIL群體通過QTL分析發現了一個與小麥穗粒數和千粒重相關的QTL共定位區，該區段位于小麥7AL染色體上的IWA7406～IWA6535之間，區間長度為6.5 cM，在不同環境中解釋穗粒數和千粒重的表型變異分別為12.9%～21.9%和10.9%～14.8%[5]。為了進一步研究該位點(定名為 QC-7AL>)對小麥穗粒數及千粒重的遺傳效應，本研究將對 QC-7AL>位點進行精細定位，分析 QC-7AL>位點控制小麥穗粒數和千粒重的遺傳效應，以篩選與這些性狀緊密連鎖的分子標記；分析 QC-7AL>位點與 QC-4BS>位點(小麥4BS染色體上的QTL富集區)對小麥穗粒數的互作效應，以期為小麥分子標記輔助選擇育種及多性狀聚合育種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為寧7840與Clark雜交F2代經過單粒傳法獲得的127個F12代重組自交系(Recombinant inbred line)，由美國堪薩斯州立大學Guihua Bai教授提供。寧7840為江蘇農科院育成的硬紅粒小麥品種，籽粒小而多，對小麥銹病及赤霉病具有抗性[6]；Clark為美國普渡大學育成的軟粒冬小麥品種，籽粒大，具有較好的產量潛力[7]。親本及RIL株系的穗粒數和千粒重性狀鑒定及表型值分析參見Li等[5]的方法。

1.2 遺傳連鎖圖譜的構建

采用9 K InfiniumTMiSelect SNP基因芯片及親本間有多態性的SSR標記對RIL群體進行分析，采用QTL IciMapping 3.2軟件構建遺傳連鎖圖譜。連鎖群的LOD閾值設為6.0，利用Kosambi作圖函數將重組率轉換為遺傳距離(cM)，根據SSR共識圖譜[8]及GrainGenes 2.0(https://wheat.pw.usda.gov/GG3/)公布的小麥SNP遺傳圖譜進行連鎖群染色體定位。

1.3 QTL分析

采用完備復合區間作圖法(ICIM-ADD)，利用QTL IciMapping 4.0軟件對穗粒數及千粒重等性狀進行QTL分析。在掃描步長為1.0 cM，α=0.001的水平上，利用置換檢測(Permutation test)檢驗法做1000 次重復，將第一類錯誤概率(假陽性)限制在5%，估算基因組范圍內的LOD閾值，并以此確定QTL在染色體上的位置及數目。

2 結果與分析

2.1 QC-7AL>的精細定位

本研究構建了寧7840×Clark遺傳連鎖圖譜，圖譜總遺傳長度為3 885.1 cM，覆蓋了小麥21個遺傳連鎖群。該圖譜中共有2 709個標記(2 404個SNP標記和366個SSR標記)，定位在45個連鎖群中，標記密度為1.43 cM。利用該圖譜對穗粒數和千粒重進行了QTL初步分析，將 QC-7AL>位點定位在小麥7A染色體長臂的IWA7406～IWA5913區間，區間長度為3.1 cM，該區間包括5個緊密連鎖的標記：IWA7406、IWA7407、IWA5913、IWA4196和IWA7409，并且該區間位于SSR標記Xgwm332附近(圖1)。將 QC-7AL>位點的IWA7406～IWA5913標記區間對應在660 K遺傳圖譜中，并參照已公布的小麥基因組數據對該區間進行了精細定位，結果(圖1)表明，該區間對應的物理距離約為5.63 Mb，其中包含473個SNP標記和81個基因。

KNPS和TKW分別為穗粒數和千粒重的英文縮寫；E1、E2和E3分別代表3個不同的環境KNPS and TKW are abbreviation of kernel number per spike and thousand-kernel weight，respectively；E1,E2 and E3 represent three different environments,respectively.

2.2 QC-7AL>位點對穗粒數及千粒重的效應

本研究分析了 QC-7AL>位點對穗粒數、千粒重的效應，結果(表1)表明，在 QC-7AL>位點，增加穗粒數、降低千粒重的等位基因(AA)均來自寧7840，在所檢測的5個環境中AA單倍型的平均穗粒數為30.7～40.0，而aa單倍型的平均穗粒數為27.7～35.7， QC-7AL>位點對穗粒數的遺傳效應為9.3%～14.3%；AA單倍型的千粒重為21.7～29.2 g，而aa單倍型的千粒重為24.5～32.1 g， QC-7AL>位點對千粒重的遺傳效應為8.7%～13.7%。并且AA和aa的表型值差異在所有檢測的環境中均達到了顯著或極顯著水平，表明 QC-7AL>位點對穗粒數和千粒重具有明顯相反的遺傳效應。

2.3 QC-7AL>與 QC-4BS>位點對穗粒數的互作效應

在前期研究中，本課題組利用相同的群體在 QC-4BS>富集區定位了一個控制小麥穗粒數的位點，發現來自寧7840的等位基因具有減少穗粒數的效應[5]，與 QC-7AL>對穗粒數的效應正好相反。本研究分析了 QC-7AL>與 QC-4BS>位點對穗粒數的互作效應，結果(圖2)表明，平均穗粒數最多的為同時含有 QC-7AL>與 QC-4BS>位點的株系(AAbb基因型)，其次為只含一個位點的株系(AABB或aabb基因型)，不含有這兩個位點的株系(aaBB基因型)的平均穗粒數最少，說明 QC-7AL>與 QC-4BS>位點對小麥穗粒數具有明顯的互作效應。此外，從圖2中還可看出， QC-7AL>位點對穗粒數的遺傳效應略大于 QC-4BS>位點。

表1 QC-7AL>位點對小麥穗粒數及千粒重的效應Table 1 Effects of QC-7AL on kernel number per spike and thousand-kernel weight in wheat

圖2 QC-7AL>與 QC-4BS>位點對小麥穗粒數的互作效應Fig.2 Interaction effects between QC-7AL> and QC-4BS on wheat kernel number per spike

3 討 論

本研究發現， QC-7AL>位點定位于小麥7A染色體長臂的IWA7406～IWA1531標記區間，該區間位于SSR標記Xgwm332附近。目前，只有本課題組在該染色體區間發現與穗粒數相關的QTL或者基因[5]，但是在多個研究及不同的群體中均發現，在Xgwm332附近存在控制千粒重的QTL，而且均為主效QTL[9-14]，表明 QC-7AL>位點存在控制小麥千粒重的基因。Su等[15]將控制千粒重的QTL精細定位在IWB13913～IWA5913之間，區間距離為1.3 cM，并將該QTL定名為 TaTKW-7AL>。此外，Su等[15]在 TaTKW-7AL>區間定位了一個主效的與粒長相關的QTL，并證明 TaTKW-7AL>位點增加千粒重的效應是由其增加粒長的效應引起的。這些研究進一步表明， QC-7AL>位點是與小麥產量因子相關的染色體區段，并且可能存在著一因多效的遺傳效應，因此對 QC-7AL>位點進行更進一步的精細定位及其所在功能基因的克隆及遺傳效應研究，將對小麥產量性狀的遺傳研究及高產育種具有重要的理論指導意義。

本研究發現， QC-7AL>位點對小麥穗粒數和千粒重具有明顯相反的遺傳效應，可能存在著一因多效的遺傳機制。而且， QC-7AL>與 QC-4BS>位點均存在控制小麥穗粒數的基因，但二者的效應相反，進一步分析發現，這兩個位點對穗粒數具有明顯的互作效應，且 QC-7AL>位點對穗粒數的遺傳效應略大于 QC-4BS>位點。因此，在分子設計育種中宜注重顯隱性基因的選擇與聚合，同時兼顧同一位點(如 QC-7AL>)對不同性狀(如穗粒數和千粒重)和不同位點(如 QC-7AL>和 QC-4BS>)對同一性狀(穗粒數)的遺傳效應，篩選高產株系，根據育種目的進行優異基因的聚合及優良性狀的選擇。