小麥RIL群體苗期抗旱性狀的QTL分析

滿君霞，張國華，徐加利，吳盼盼，韓 旭，趙 巖，李斯深

(1.山東農業大學農學院/作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018； 2.泰安市農業局，山東泰安 271000； 3.濱州市農業局，山東濱州 256600)

小麥是我國主要糧食作物之一，也是我國最重要的商品糧食和貯藏品種[1]。隨著全球變暖的加劇，干旱已成為世界性的熱點問題，嚴重制約著作物的生長發育和產量提高[2]。據統計，世界上70%的小麥種植于干旱和半干旱地區[3]，嚴重限制小麥的高產、穩產性[4]。我國小麥主要種植在降水少的北方地區，尤其在播種期間降水較少，經常遇到土壤干旱，抑制小麥的萌發和出苗，最終引起小麥產量的降低，因此水分脅迫一直是影響我國北方小麥生產的主要因素之一[5]。提高小麥幼苗的耐旱性可以克服土壤干旱的影響，進而為高產穩產奠定基礎[6]。

小麥抗旱性的鑒定指標主要包括形態指標和生理生化指標以及抗旱系數、抗旱指數等綜合指標[7-9]。一般抗旱系數值越大，品種的抗旱性越強[10]。小麥的抗旱性是由多基因控制的數量性狀，遺傳基礎復雜。苗期在干旱脅迫下的表現更為直觀，選育苗期抗旱性好的品種是提高小麥抗旱性的重要手段[11-13]。小麥苗期根系發育對其抗旱性有重要影響，苗期的根干重與抗旱性呈顯著正相關[7-8,14]。在干旱條件下，抗旱小麥品種的根系發達，根較長、根系入土深、根較重、根冠比高[15]。此外，小麥的苗高和芽鮮重也在一定程度上反映出品種的抗旱性[12]。

分子標記技術和生物信息學的發展為從分子水平上研究作物抗旱機理提供了可能，發掘抗旱相關性狀 QTL，對開展小麥抗旱分子育種具有促進作用。聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)高滲溶液誘導滲透脅迫最為類似于自然干旱，簡單易行、周期短、受環境影響小，已被廣泛應用于小麥[16]、水稻[17-18]等重要農作物苗期的耐旱性鑒定。在模擬條件下研究作物的抗旱性能夠最大限度的消除大田環境下不可控環境條件的影響[10]。前人開展了許多苗期抗旱性狀的QTL分析。例如，周曉果等[15]以小麥DH家系為材料，在水分脅迫和非水分脅迫條件下，對最長根長、根鮮重、根干重、根莖鮮重比和根莖干重比等根系性狀進行QTL定位，共檢測到11個加性效應QTL和15對上位效應QTL。張正斌等[19]對 33個與小麥水分利用效率有關的性狀進行了QTL分析，在6A和 6B上發現控制根系的多個QTL簇。Landjeva等[20]在模擬的干旱條件下調查小麥水培幼苗的根長、苗高等性狀，共發現35個QTL。

由于不同研究所用的分析群體以及分子標記圖譜不同，所得的結果也不盡相同，小麥抗旱性QTL還需要進一步研究，因此，本研究以小麥“泰農18×臨麥6號”RIL(Recombinant Inbred Lines)群體為材料，利用本實驗室構建的高密度遺傳圖譜[21]，在PEG-6000模擬干旱脅迫和正常供水兩種處理下，對苗期性狀及其抗旱系數進行QTL分析，以期為小麥抗旱基因的克隆、分子標記輔助育種等研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為 “泰農18×臨麥6號”RIL群體(TL-RIL，包括184個家系)及其親本。泰農18是本課題組選育的小麥品種，于2008年通過山東省農作物品種審定委員會審定。臨麥6號是臨沂市農科院選育的小麥品系。

1.2 試驗設計

試驗在山東農業大學溫室進行。采用水培法，試驗設置PEG模擬干旱脅迫(D)和正常供水(CK)兩種處理，重復3次。進行2次試驗，時間分別為2012年10月19日至11月19日(記為D1，CK1)和2012年11月28日至12月28日(記為D2，CK2)。模擬干旱脅迫處理的平均值記為DAV，正常供水處理的平均值記為CKAV。小麥RIL群體各家系及其父母本種子經過10%雙氧水消毒5 min后，用蒸餾水沖洗數次，放入培養皿中，在光照培養箱中培養幼苗(溫度為25 ℃，光照周期為12 h·d-1，相對濕度為60%～70%)。當幼苗長到一葉一心時，挑選長勢健壯一致的幼苗，植于發芽盤中并用海綿固定，每個株系1穴，每穴2株，每株系3次重復共6株 。將發芽盤置于盛有20 L Hoagland 營養液的黑色塑料盒中，保持根系在黑暗環境中生長，用塑膠封住發芽盤周圍間隙，防止水分蒸發。培養1天后，以含有 19.2% PEG-6000 的Hoagland 營養液進行模擬干旱脅迫處理(小麥抗旱性鑒定評價技術規范：GB/T 21121-2007)，正常供水處理則不加PEG。當對照植株長到三葉期時測定相關性狀[15]。

1.3 抗旱性狀測定和抗旱系數計算

本試驗調查以下性狀：苗高、最大根長、根數、苗鮮重、根鮮重、苗干重和根干重，每個性狀的表型值分別為3次重復的平均值。鮮重根冠比=根鮮重/苗鮮重；干重根冠比=根干重/苗干重。用兩次試驗的平均值計算抗旱系數：抗旱系數=脅迫下性狀測定值的平均值/非脅迫下性狀測定值的平均值。

1.4 數據統計分析和QTL定位

利用“泰農18×臨麥6號”RIL群體的高密度遺傳圖譜進行QTL分析[21]，該圖譜包括 10 739個位點，其中獨立位點 5 399個(3 788個DArT、 1 506個SNP、105個SSR位點)，總長 3 394.47 cM，平均密度0.63 cM/marker。QTL分析采用Icimapping 4.1軟件，步長為0.5 cM。LOD 的閾值通過置換檢測確定(permutation test)：命令在P=0.05 水平時使用 1 000次重復排列運算后，確定為LOD≥3.8。

定義相對較高頻率QTL(relative high frequency QTL,RHF-QTL)為在D1、D2、DAV(或CK1、CK2、CKAV)中的兩個或兩個處理以上檢測到的QTL；因抗旱系數按平均值計算，因此抗旱系數QTL也看做RHF-QTL。定義在同一染色體置信區間重疊涉及到3個以上性狀QTL為QTL簇[22-23]。

2 結果與分析

2.1 表型性狀

多數性狀在親本泰農18(Tainong 18)和臨麥6號(Linmai 6)之間表現出明顯的差異，并且所有性狀在RIL群體中均出現超親分離(表1)，變異系數的范圍為6.73%～37.92%，多數性狀-環境的變異系數超過10%。遺傳力最大為 70.20%(苗高,CK)，最小為48.00%(干重根冠比,CK)；干旱脅迫處理下比正常水分處理下的遺傳力稍低。

2.2 QTL分析

利用本課題組創建的遺傳圖譜[21]，用 IciMapping完備區間作圖法[24]進行QTL分析。結果表明，共檢測到43個QTL(58個單一性狀-環境組合QTL)(表2)，位于14條染色體(1A、1D、2A、2B、2D、3A、3B、4A、4B、5B、6A、6B、7B、7D)。其中28個QTL為正值，表明QTL的增加效應來自于母本泰農18；30個QTL為負值，表明其增加效應來自于父本臨麥6號。單一QTL可解釋3.39%～32.63%的表型變異，LOD最大值為52.88(鮮重根冠比)。上述QTL中，11個為在兩個或兩個以上個處理下檢測到的高頻表達QTL(RHF-QTL)，1個簇位于4B染色體上 (表3)。

在兩種水分處理下均檢測到的QTL有10個，分布在1A、3A、4B、5B、7B染色體上，其中有8個QTL(QSh-4B-1、QMrl-D-3A-2、QRn-D-5B-2、QSfw-4B-1、QSfw-4B-1、QRsfw-4B-1、QRsfw-D-4B-1、QRsdw-4B-1.1)的貢獻率均大于10%。只在干旱脅迫下檢測到的QTL有18個，分布在1D、2D、3A、3B、4A、4B、6A、7D染色體上，其中有6個QTL(QSh-3B-2.2、QMrl-4A-1、QSfw-6A-3、QRfw-6A-2.1、QRsfw-7D-1.2、QRsdw-4B-1.2)的貢獻率大于10%。僅在正常水分處理下檢測到的QTL有15個，分布在1A、1D、2A、2B、3B、4A、6B染色體上，其中有4個QTL(QMrl-3B-3.1、QSh-2B-2.1、QSh-2B-2.2、QRn-6B.2)的貢獻率大于10%。

2.2.1 形態性狀的QTL

苗高(SH)：共檢測到5個QTL，分布在2B(2個QTL)、3B(2個QTL)、4B染色體，可解釋6.71%～30.32%的表型變異。其中QSh-4B-1的平均貢獻率為23.37%，在兩種水分處理下均能檢測到，是主效RHF-QTL，增加QTL效應來自臨麥6號。

最大根長(MRL)：共檢測到5個QTL，分布在1D、3B(2個QTL)、4A、6B染色體上，可解釋6.21%～12.10%的表型變異。其中，QMrl-3B-3.1的平均貢獻率為11.42%，在兩種處理下均能檢測到，是RHF-QTL，增加QTL效應來自臨麥6號。

表1 RIL群體及其親本的性狀表現Table 1 Phenotypic performance for investigated traits of the RILs and their parents

(續表1 Continued table 1)

性狀Trait處理Treatment親本 Parent泰農18Tainong 18臨麥6號Linmai 6RIL(n=184)平均值AV最小值MIN最大值MAX標準差SD變異系數CV/%遺傳力Heritability/%DAV0.36 0.41 0.35 0.22 0.45 0.04 10.36 50.00 CK10.21 0.27 0.20 0.09 0.29 0.03 14.79 CK20.79 0.38 0.60 0.14 1.18 0.23 37.92 CKAV0.50 0.32 0.40 0.18 0.71 0.11 28.22 48.00 SH-D0.85 0.77 0.82 0.68 0.98 0.06 6.73 MRL-D0.99 1.06 0.98 0.79 1.21 0.08 8.11 RN-D1.15 1.07 1.17 0.83 1.86 0.17 14.52 SFW-D0.47 0.51 0.45 0.26 0.70 0.07 16.32 RFW-D1.02 1.12 1.03 0.67 1.64 0.19 18.72 SDW-D0.76 0.80 0.73 0.45 1.23 0.14 19.47 RDW-D1.20 1.28 1.11 0.70 1.88 0.21 19.08 RSFW-D2.33 2.30 2.42 1.56 3.85 0.29 12.02 RSDW-D0.72 1.28 0.96 0.49 2.23 0.29 30.16

SH：苗高；MRL：最大根長；RN：根數；SFW：苗鮮重；RFW：根鮮重；SDW：苗干重；RDW：根干重；RSFW：鮮重根冠比；RSDW：干重根冠比。性狀-D：該性狀的抗旱系數；D1、CK1：2012年10月19日至11月19日進行的PEG脅迫處理(D1)和非脅迫處理(CK1)；D2、CK2：2012年11月28日至12月28日進行的PEG脅迫處理(D2)和非脅迫處理(CK2)； DAV、CKAV：兩次脅迫處理的平均值(DAV)和兩次非脅迫處理的平均值(CK2)。下同。

SH:Shoot height; MRL:Maximum root length; RN:Root number; SFW:Shoot fresh weight; RFW:Root fresh weight; SDW:Shoot dry weight; RDW:Root dry weight; RSFW:Root-shoot ratio in fresh weight; RSDW:Root-shoot ratio in dry weight.Trait-D:Drought resistance coefficient of corresponding traits;D1and CK1:PEG stress treatment(D1) and non-stress treatment(CK1) from October 19 to November 19,2012; D2and CK2:PEG stress treatment(D2) and non-stress treatment(CK2) from November 28 to December 28,2012; DAVand CKAV:Mean value of two stress treatments(DAV) and average of two non-stress treatments(CK2).The same below.

根數(RN)：共檢測到9個QTL，分布在1A(2個QTL)、1D、2A、3B、4A(2個QTL)、6B(2個)染色體，可解釋3.39%～14.07%的表型變異，無RHF-QTL 。

苗鮮重(SFW)：共檢測到3個QTL，分布在1D、4B、6A染色體，可解釋7.39%～17.16%的表型變異。QSfw-4B-1的平均貢獻率為15.37%，在兩種水分處理下均能檢測到，是主效RHF-QTL，增加QTL效應來自臨麥6號。

根鮮重(RFW)：共檢測到6個QTL，分布在2D、3A、4A、4B、6A(2個QTL)染色體上，可解釋 5.08%～10.65%的表型變異。

苗干重(SDW)：共檢測到1個QTL，位于4B染色體，QSdw-4B-1的平均貢獻率為13.42%，在兩種水分處理下均能檢測到，是主效RHF-QTL，增加QTL效應來自臨麥6號。

根干重(RDW)：共檢測到3個QTL，分布在2D、3B、4A染色體上，可解釋6.49%～9.52%的表型變異。

鮮重根冠比(RSFW)：共檢測到3個QTL，分布在4B、7D(2個QTL)染色體，可解釋 3.99%～32.63%的表型變異。QRsfw-4B-1的平均貢獻率為23.88%，在兩種水分處理下均能檢測到，是主效RHF-QTL，增加QTL效應來自泰農18。

干重根冠比(RSDW)：共檢測到3個QTL，分布在3B、4B(2個QTL)染色體，可解釋 9.77%～25.02%的表型變異。

2.2.2 抗旱系數的QTL

所有9個性狀的抗旱系數中，僅檢測到3個性狀抗旱系數的QTL。

最大根長抗旱系數(MRL-D)：共檢測到3個QTL，分布在1A、3A、7B染色體，可解釋 6.45%～10.38%的表型變異。

根數抗旱系數(RN-D)：共檢測到1個QTL (QRn-D-5B-2)，位于5B染色體上，貢獻率為 12.80%，增加效應來自泰農18。

鮮重根冠比抗旱系數(RSFW-D)：共檢測到1個QTL(QRsfw-D-4B-1)，位于4B染色體上，貢獻率為12.97%，增加效應來自臨麥6號。

表2 不同水分處理下的抗旱性狀QTL定位Table 2 QTLs for drought resistance related traits detected in different drought treatments using the RILs

2.3 QTL簇分析

本研究中，在4B染色體上發現了一個QTL簇，包括4個形態性狀的QTL(QSh-4B-1、QSfw-4B-1、QSdw-4B-1、QRsfw-4B-1)和1個抗旱系數QTL(QRsfw-D-4B-1)。這5個QTL的平均貢獻率較高，變化范圍為12.97%～20.69%，是主效RHF-QTL。QRsfw-4B-1的增加效應來自泰農18，其他4個QTL增加效應均來自臨麥6號(表3)。

表3 不同水分處理下的抗旱性狀QTL簇Table 3 QTL Clusters of drought resistance related traits under different drought treatments

3 討 論

小麥的抗旱性是由多基因控制的復雜的數量性狀，是小麥本身的遺傳特性和環境共同作用的結果。本試驗以PEG-6000模擬干旱脅迫，在很大程度上可以消除環境的干擾。在以往的研究中，已經定位到許多關于小麥苗期抗旱性狀的QTL[6,15]。Zhang 等[6]在染色體4B上定位到一個控制株高的QTL，本研究在4B染色體上也定位到1個控制苗高的QTL，貢獻率為23.37%，從系譜分析，這個QTL可能與rht-B1基因有關。周曉果等[15]在6B染色體上定位到控制最大根長的QTL，本研究在6B染色體上也定位到一個控制最大根長的QTL，可解釋6.54%的表型變異。由于不同研究者利用的群體和標記類型不同，難以根據分子標記進行詳細比較，本研究的大多數QTL定位在新的分子標記區間。

多個QTL定位在染色體同一區域形成QTL簇，前人在小麥中發現了許多QTL簇[23,25-26]。本研究在4B染色體上發現了一個QTL簇，包括4個形態性狀的QTL(QSh-4B-1、QSfw-4B-1、QSdw-4B-1、QRsfw-4B-1)和1個抗旱系數QTL (QRsfw-D-4B-1)。Yuan等[26]利用該RIL群體進行了苗期和成株期P效率相關性狀的QTL分析，在該區域也發現了一個QTL簇(C5)，包括SDW(苗干重)、TDW(植株總干重)、RSDW(干重根冠比)、SPUTE(苗期P利用效率)、SN(單位面積穗數)、GWP(單株粒重)、GPTUE(籽粒的P利用效率)的QTL。這表明該區域不但與抗旱相關，而且與P利用效率性狀相關。該區間覆蓋的標記(D-3022151～D-4008856)可以用作標記輔助選擇。