小麥成熟期QTL定位與分析

董爽爽， 王利彬，程敦公，任 勇，張業倫，穆 平， 張玉梅，劉建軍，李豪圣，趙振東， 郝元峰， 曹新有

(1.青島農業大學農學院，山東青島 266109； 2.山東省農業科學院作物研究所/小麥玉米國家工程實驗室/農業部黃淮北部小麥生物學與遺傳育種重點實驗室，山東濟南 250100； 3.中國農業科學院作物科學研究所，北京 100081；4.四川省綿陽市農業科學研究院，四川綿陽 621023； 5.河北省農林科學院糧油作物研究所，河北石家莊 050051)

小麥作為我國主要的糧食作物之一，有著悠久的種植歷史，在我國當前特有的一年兩熟制下，保障周年糧食豐產，對我國糧食安全具有重要意義。成熟期是小麥生產中的一個極其重要的性狀，過早或過晚成熟，都會使小麥的產量、品質受到影響。若過早，可能導致產量降低、品質下降；若過晚，有可能遇到干熱風，使產量大幅降低，甚至推遲下季作物的播種時間，影響下季作物豐產[1]。因此，適當的成熟期對小麥提升生產效益和增加周年糧食產量具有重要意義[2]。

小麥成熟期是受多基因控制的數量性狀，自20世紀80年代以來，隨著分子標記的應用和遺傳統計學的發展，QTL定位技術也得到快速發展。利用QTL定位，能檢測出目標性狀在染色體上的位置及其效應，為進一步進行圖位克隆及復雜數量性狀的研究提供方法[3]。近年來，關于農作物成熟期性狀的QTL定位有不少研究[4-11]，但關于小麥成熟期QTL定位的研究較少。Carter等[12]利用春小麥構建的RIL群體檢測到5個成熟期QTL，其中有4個位于2D染色體上，1個位于7D染色體上。此外，Fatima等[13]利用DH群體在充分灌溉和不灌溉兩種條件下對成熟期QTL進行檢測，在充分灌溉條件下檢測到4個QTL，分別位于2B、6A和7A染色體上；在不灌溉的條件下也檢測到4個QTL，分別位于2D、7A和7B染色體上。余 馬[14]利用SHW-L1×川麥32構建的包含171個家系的RIL群體為材料，定位了3個成熟期的QTL，分別位于2D、4A和7D染色體上。Mccartney等[15]利用包含182個家系的DH群體為材料，共檢測到4個QTL，分別位于3B、4A、4D和7D染色體上。Zou等[16]利用2個春小麥構建的包含167個家系的RIL群體為研究材料，分別在4B和5A染色體上檢測到控制成熟期的QTL。可見，利用不同群體、在不同環境條件下檢測的成熟期 QTL 所在染色體也不完全相同，表明成熟期性狀的遺傳和基因表達的復雜性。因此，本試驗以包含186個家系的RIL(F6)群體為材料，對小麥成熟期性狀進行QTL定位，以期為小麥成熟期性狀的分子標記輔助選擇育種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

以人工合成六倍體小麥(Bubo)和T.speltaL.衍生系(Turtur)為親本(系譜見表1)構建的一套F6家系的RIL群體為材料，該群體包含186個家系，由郝元峰博士提供。分子標記遺傳連鎖圖譜總長為2 464 cM，共包括5 301個標記(4 120個DArT標記、621個SNP標記和560個傳統的DArT標記)，這些標記在小麥的21條染色體上均有分布，標記間的平均距離為0.46 cM(表2)[17]。

表1 構建RIL群體的親本系譜Table 1 Pedigree of the parental lines used to develop RIL populations

表2 遺傳標記在21條小麥染色體上的分布及密度Table 2 Distribution and density of genetic markers across 21 wheat chromosomes

1.2 研究方法

1.2.1 田間試驗和性狀調查

田間試驗在山東省農業科學院和四川省綿陽市農業科學研究院的試驗田進行。2014年、2015年和2016年12月上旬，分別將RIL群體的186個家系及其親本播種于山東省農業科學院作物研究所試驗田；2015年11月上旬，RIL群體及其親本在四川省綿陽市農業科學研究院的試驗田種植。單行區，行長1 m，行距25 cm，3次重復。田間管理與當地大田生產一致，觀察記載成熟期。當胚乳呈蠟狀，子粒開始變硬時進入成熟期，以播種至成熟的天數作為成熟期，取3次重復的平均值進行相關分析。

1.2.2 數據處理

用SPSS 17.0統計軟件對小麥RIL群體以及親本的成熟期性狀進行基本統計量分析。

利用Windows QTL Cartographer 2.5軟件的復合區間作圖法進行QTL檢測，掃描步長設為1.0 cM，進行全基因組掃描，根據分析結果確定QTL的數目、效應及在染色體上的位置。根據 Churchill等[18]的方法，在P<0.05 水平下進行1 000次的隨機性測驗。當閾值(LOD)大于2.5時，就認為存在一個QTL。QTL命名公式[19]:q+目標性狀(大寫英文字母)+ “-” +所在染色體號數或連鎖群代號+QTL個數。

2 結果與分析

2.1 RIL群體及其親本成熟期性狀的表型分析

田間調查RIL群體及其親本成熟期，利用SPSS 17.0統計軟件進行基本統計量分析。從表3可以看出，親本Turtur比親本Bubo早成熟1～6 d，但兩親本2016年在濟南的成熟期相同，這可能是由于當年小麥生長后期的高溫造成的。表3還表明，RIL群體成熟期性狀具有明顯的超親分離，說明兩親本含有對表型變異起作用的基因。圖1表明，成熟期性狀呈連續變化，且符合正態分布，具有數量性狀遺傳的特點，因此可以進行QTL定位分析。

表3 RIL群體及其親本成熟期的表型分析Table 3 Phenotypic analysis of maturity in RIL population and their parents

圖1 4個環境下RIL群體成熟期的樣本分布圖Fig.1 Sample distribution of maturity of RIL population in four environments

2.2 QTL定位分析

利用Windows QTL Cartographer 2.5軟件的復合區間作圖法進行QTL檢測，在 LOD>2.5水平下，共定位到15個QTL位點，分布于小麥的1A、2B、2D、3A、4A、4B、5B、7A和7B染色體上(表4和圖2)。

2015年種植于濟南的RIL群體，共檢測出4個成熟期QTL，分布在2B、4B、5B和7A染色體上。2B染色體上檢測到的QTL位于wPt-2214～1129740區間內，LOD值為5.77，加性效應為0.74，可解釋8.99%的表型變異，暫命名為 qMat-2B>。4B染色體上檢測到的QTL位于1215714～1068877F0-44CG區間內，LOD值為2.96，加性效應為-0.50，可解釋4.42%的表型變異，暫命名為 qMat-4B-1>。5B染色體上檢測到的QTL位于1114874～wPt-664788區間內，LOD值為4.31，加性效應為0.81，可解釋10.33%的表型變異，暫命名為 qMat-5B>。7A染色體上檢測到的QTL位于1378784～4439613區間內，LOD值為4.69，加性效應為-0.64，可解釋7.46%的表型變異，暫命名為 qMat-7A-1>。

2016年種植于濟南的RIL群體，共檢測出4個成熟QTL，分布在4A、4B、7A和7B染色體上。4A染色體上的QTL位于1282907～1237610區間內，LOD值為3.61，加性效應為0.33，可解釋5.33%的表型變異，暫命名為 qMat-4A>。4B染色體上檢測到的QTL位于1215714～1068877F0-44CG區間內，LOD值為4.45，加性效應為-0.40，可解釋6.68%的表型變異，暫命名為 qMat-4B-2>。7A染色體上的QTL位于3941380～1181026區間內，LOD值為5.95，加性效應為-0.47，可解釋9.74%的表型變異，暫命名為 qMat-7A-2>。7B染色體上的QTL位于4409103～1233594區間內，LOD值為6.24，加性效應為0.52，可解釋9.58%的表型變異，暫命名為 qMat-7B-1>。

2016年種植于綿陽的RIL群體，共檢測出4個成熟期QTL，分布在2D、3A、7A和7B染色體上。2D染色體上的QTL位于1233111～3024321區間內，LOD值為3.37，加性效應為-0.50，可解釋9.64%的表型變異，暫命名為 qMat-2D>。3A染色體上的QTL位于1204736～5410381區間內，LOD值為3.36，加性效應為-0.39，可解釋5.84%的表型變異，暫命名為 qMat-3A>。7A染色體上的QTL位于4993018～1105227區間內，LOD值為5.23，加性效應為0.49，可解釋9.14%的表型變異，暫命名為 qMat-7A-3>。7B染色體上的QTL位于1109521～1373992區間內，LOD值為3.96，加性效應為0.47，可解釋7.12%的表型變異，暫命名為 qMat-7B-3>。

QTL定位圖只顯示部分標記名稱 Only a part of markers flanking the QTL region are displayed

表4 成熟期的QTL定位結果Table 4 QTL mapping result of maturity

2017年種植于濟南的RIL群體，共檢測出3個成熟期QTL，分布在1A、4B和7B染色體上。1A染色體上的QTL位于4018862～1087876區間內，LOD值為8.21，加性效應為-0.64，可解釋12.67%的表型變異，暫命名為 qMat-1A>。4B染色體上檢測到的QTL位于1215714～1068877F0-44CG區間內，LOD值為6.69，加性效應為-0.63，可解釋10.96%的表型變異，暫命名為 qMat-4B-3>。7B染色體上的QTL位于2326882～3385425區間內，LOD值為7.99，加性效應為-0.66，可解釋12.65%的表型變異，暫命名為 qMat-7B-2>。

3 討 論

目前，常用于小麥育種的分子標記有RFLP、RAPD、AFLP、SSR、EST、SNP和DArT等，其中SNP標記具有位點豐富、數量眾多、遺傳穩定性好和易于批量檢測等優點，DArT標記克服了以電泳技術為基礎的標記缺點，具有高通量、自動化程度高、耗時短等顯著特點。為此，本研究以結合二者特點、利用人工合成六倍體小麥(Bubo)和T.speltaL.衍生系構建的RIL遺傳群體為材料，運用DArT和SNP標記進行基因型分析而構建的總長為2 464 cM的遺傳連鎖圖譜(共包括5 301個標記，其中4 120個DArT標記、621個SNP標記和560個傳統的DArT標記)，對小麥成熟期的QTL進行定位。利用該群體及連鎖圖譜首先對小麥鐵鋅含量進行了QTL定位[17]，取得了較好的結果，將其分別定位在1B、3A、4B、5B、6A和7B染色體上，可解釋2.86%～16.75%的表型變異。

在之前報道的關于小麥成熟期的QTL定位中，各國科學家利用不同群體、不同標記類型，分別定位到一些主效QTL，主要分布在2B、2D、4A、4B、5A、6A、7A、7B和7D等染色體上，其中在2D和7D上發現的QTL最多。如余 馬[14]利用SHW-L1×川麥32群體，定位到2D、4A和7D染色體上的3個QTL，其貢獻率為4.6%～28.0%。Mccartney等[15]利用包含182個家系的DH群體為研究材料，定位在3B、4A、4D和7D染色體上的4個QTL，其貢獻率為3.4%～25.7%。本試驗在4A染色體上也檢測到控制成熟期的1個QTL，可解釋5.33%的遺傳變異，說明4A染色體上可能存在控制成熟期的QTL。Zou等[16]利用2個春小麥構建的包含167個家系的RIL群體為材料，在4B、5A染色體上定位到2個QTL，其中4B染色體上的QTL可解釋15.9%的表型變異，5A染色體上的QTL能解釋14.0%的表型變異。本試驗在4B染色體上檢測到控制成熟期的3個QTL，發現其效應來自親本Turtur。

本試驗利用3年4點的數據在1A、2B、2D、3A、4A、4B、5B、7A和7B染色體上共檢測到15個控制成熟期的QTL，其中，在1A、3A和5B上首次檢測到影響小麥成熟期的QTL，且可解釋遺傳變異較大，1A染色體上檢測到的QTL位于4018862～1087876區間內，LOD值為8.21，加性效應為-0.64，可解釋12.67%的表型變異，因此值得后期繼續關注。本研究結果顯示，2015年、2016年和2017年均在4B染色體的1215714～1068877F0-44CG區間內檢測到QTL(平均可解釋7.35%的表型變異)，且1215714～1068877F0-44CG區間內的QTL與1215714標記距離僅為0.01 cM，近乎共分離，這為下一步開發可用的分子標記進行輔助選擇的準確性奠定了堅實的基礎。