小麥穗頂部和基部小穗結實粒數的全基因組關聯分析

馬婕龍，張 政，史雨剛，曹亞萍，孫黛珍，王曙光

（1.山西農業大學農學院，山西太谷030801；2.山西農業大學小麥研究所，山西臨汾041000）

小麥（Triticum aestivumL.）作為主要糧食作物，為世界上1/3 以上的人口提供了能量來源[1-2]。隨著人口不斷增長，糧食短缺將繼續是人類面臨的難題，所以，提高籽粒產量仍是未來小麥育種的主要目標之一[3]。穗作為小麥地上部最后一個發育器官，它的發育情況將直接影響穗粒數，進而影響小麥籽粒產量[4]。而穗頂部和基部結實粒數作為穗粒數重要組成部分，對穗粒數影響很大，但在小麥育種中往往容易被忽視[5]。

小麥花序呈復穗狀，多個互生的小穗在穗軸兩側交錯排列，且每個小穗可分化出3～9 朵小花，但小穗上部小花由于發育時間短，往往會退化，而基部的2～5 朵小花則可以正常發育，同一穗中小花的發育順序取決于小花穗位，先穗中部小花，其次為穗基部和頂部小花[6-7]。顯然小麥穗部小花的發育并不是同步進行的，且最先發育的小花可以繼續發育并形成籽粒，而后發育的小花更容易喪失生活力和生育力[8]。研究表明，小花的生育力與其在穗部位置密切相關[9]，環境因素和栽培措施也會影響小花的分化和發育以及結實率[10]。

穗頂部和基部小花低生育率在禾谷類作物中是非常常見的現象，如玉米的“禿頭”[11-12]。研究發現，在小麥中小穗結實粒數與穗粒數呈極顯著正相關，穗頂部和基部小花低生育力會造成頂部和基部小穗結實率降低，將直接影響整穗穗粒數[13-14]。在水稻中已經發現影響穗頂部和基部小花發育的相關基因[15]。目前在小麥中關于穗頂部和基部結實粒數的相關研究報道較少，但是有較多關于不育小穗的研究。MA 等[16]通過利用重組自交系在13 條染色體上均檢測到與小花不育相關的QTL 位點；XU 等[17]利用不同氮磷水平下生長的重組自交系群體，在2D 染色體上的Xwmc112～Xbarc168區間內檢測到1 個與小花不育相關的QTL。

全基因組關聯分析（Genome-wide association study，GWAS）是基于連鎖不平衡，對多個個體的目標性狀與全基因組范圍內的標記進行關聯分析，進而挖掘出與目標性狀相關的基因，可用來鑒定與復雜性狀相關聯的基因變異[18]。

本研究通過分析236 份小麥種質資源在4 個環境下的穗頂部結實粒數和穗基部結實粒數，并與106 對SSR 標記進行關聯分析，篩選出相關的優異等位變異，為分子標記輔助選擇來提高小麥穗頂部結實粒數和基部結實粒數，進而提高小麥產量提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究中所用的236 份小麥種質資源由我國北方冬小麥育成品種和骨干親本組成，包括225 份國內品種、5 份國外品種以及6 份來源未知的品種。

1.2 試驗方法

試驗材料于2016 年9 月和2017 年9 月在山西農業大學農作站小麥試驗基地種植，包括雨養（DS）和灌溉（WW）2 種水分處理，共4 種環境，即2017DS、2017WW、2018DS 和2018WW。其中，干旱條件為在小麥生長發育期間只依靠自然降雨補充水分，不增加人工灌溉；灌溉是指除自然降雨外，還根據田間墑情分別于越冬前、返青期、拔節期和灌漿中期增加人工灌溉。每個處理均為隨機區組設計，重復3 次，播種時，每份材料挑選70 粒飽滿無損傷的種子，均勻點播在行長2 m、行間距20 cm 的2 行小區內。

成熟時每個材料選取10 個長勢一致的穗子，分別檢測麥穗從頂部數第1、2、3 小穗結實粒數（分別簡稱頂1（T1）、頂2（T2）、頂3（T3））以及穗子從基部數第1、2、3 小穗結實粒數（分別簡稱基1（B1）、基2（B2）、基3（B3）），取平均值作為表型值。

1.3 數據分析

所用SSR 標記的多態性篩選以及群體結構分析參照張東等[19]的方法進行，所有SSR 位點的等位變異數、等位基因頻率、多態性信息指數（PIC）參照LIU 等[20]的方法計算。參照EVANNO 等[21]利用K＋Q 的模型進行亞群數量分析。使用TASSEL 3.0 軟件中的混合線性模型（MLM），根據計算出的Q 值和K 值進行標記與表型性狀數據的關聯分析。群體表型數據利用SPSS 20.0 進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同環境下小麥穗頂部和基部小穗結實粒數的變化

表1 不同環境下小麥穗頂部和基部小穗結實粒數的變異比較

通過調查2 a 共4 個環境下236 份小麥品種資源的穗頂部小穗結實粒數和基部小穗結實粒數，結果表明（表1），所有性狀都存在較大的變異，穗頂部小穗結實粒數的變異系數為12.44%～29.69%，穗基部小穗結實粒數的變異系數為13.14%～71.11%。比較發現，穗頂部小穗結實粒數的變異系數大多在20%左右，整體要低于穗基部小穗結實粒數，穗基部小穗結實粒數在多個環境條件下的變異系數都要高于20%。

在雨養條件下，穗頂部第1、2、3 小穗結實粒數分別為0.13～3.13、0.20～3.07、0.40～4.33 粒，穗基部第1、2、3 小穗結實粒數分別為0～3.00、0.40～3.60、0.80～4.93 粒。在灌溉條件下，穗頂部第1、2、3 小穗結實粒數分別為0.20～4.27、0.33～3.20、0.47～3.00 粒，穗基部第1、2、3 小穗結實粒數分別為0～3.70、0.27～4.20、1.07～4.40 粒。結果表明，小麥穗頂部結實粒數和基部結實粒數在群體品種間存在較大的遺傳變異。

2.2 小麥穗頂部和基部小穗結實粒數與標記間的關聯分析

利用穗頂部小穗結實粒數和基部小穗結實粒數與SSR 標記進行全基因組關聯分析，結果表明（表2），在P＜0.01 水平下，共檢測到6 個位點與穗頂部第1 個小穗結實粒數顯著相關，表型解釋率為5.87%～30.73%，分別位于染色體1A、1D、2B、3B、6B和6D 上，其中，標記Xgwm55（6D）關聯到2 個環境，即17DS 和17WW，表型解釋率分別為11.69%和20.62%；且除了Xgwm232（1D）和Xwmc361（2B）外，其他標記的表型解釋率均高于10%，其中，Xgwm164（1A）的表型解釋率為30.73%，P值為1.15×10-9，均高于其他位點。檢測到9 個與穗頂部第2 個小穗結實粒數顯著相關的位點，表型解釋率為5.92%～20.56%，分別位于染色體2A、2D、3A、4D、5B 和5D 上，其中，Xgwm539（2D）和Xgwm484（2D）的表型解釋率高于其他各顯著關聯位點，分別為20.56%和20.00%。檢測到7 個與穗頂部第3 個小穗結實粒數顯著相關的位點，表型解釋率為5.73%～15.34%，分別位于染色體1A、2A、2D、3B、4B、5D 和6D 上，除了標記Xgwm102（2D）和Xgwm538（4B）外，其他標記的表型解釋率均高于10%。與穗基部小穗結實粒數顯著相關的位點共檢測到5 個，其中與穗基部第1、2 個小穗結實粒數顯著相關的位點各有1 個，分別為Xgwm55（6D）和Xgwm5（3A），表型解釋率分別為11.50%和10.66%；與穗基部第3 個小穗結實粒數顯著關聯的位點有3 個，即Xgwm285（3B）、Xgwm161（3D）與Xcfe172（3D），表型解釋率分別為14.96%、16.22%和6.84%。

2.3 小麥穗頂部和穗基部小穗結實粒數優異等位變異及其效應分析

對每個關聯位點優異等位變異及其效應進行分析，結果表明（表3），與穗頂部第1 個小穗的結實粒數顯著相關的6 個位點中，Xgwm132-6B128等位變異效應最大，可增加結實粒數0.14 粒；Xwmc361-2B216等位變異頻率最高，為74.63%，可增加結實粒數0.02 粒。與穗頂部第2 個小穗的結實粒數顯著相關的9 個位點中，Xgwm102-2D142等位變異效應最大，可增加結實粒數0.19 粒；Xgwm609-4D111等位變異頻率最高，為47.32%，可增加結實粒數0.08 粒。與穗頂部第3 個小穗的結實粒數顯著相關的7 個位點中，Xgwm102-2D142等位變異效應最大，可增加結實粒數0.20 粒；Xcfd266-5D165等位變異頻率最高，為50.24%，可增加結實粒數0.04 粒。與穗基部小穗結實粒數顯著相關的位點中，Xgwm55-6D128可增加基部第1 個小穗的結實粒數0.07 粒；等位變異頻率最高的是Xgwm5-3A168，為31.22%，可增加穗基部第2 個小穗結實粒數0.17 粒；Xcfe172-3D144等位變異在18WW 環境下可增加穗基部第3 個小穗結實粒數0.34 粒。

表3 關聯標記的優異等位變異及其效應

3 討論

3.1 多環境下關聯的位點及其優異等位變異效應

本研究在2 a 共4 種環境下對小麥穗頂部和基部第1、2、3 小穗結實粒數進行關聯分析，共關聯到分布在1A、1D、2A、2B、2D、3A、3B、3D、4B、4D、5B、5D、6B 和6D 染色體上的27 對SSR 標記，共檢測到28 個顯著關聯位點，表型解釋率為5.73%～30.73%，且均檢測到對小穗結實粒數具有正向效應的優異等位變異。在與穗頂部結實粒數相關的位點中，Xgwm132-6B128等位變異可以增加穗頂部第1 個小穗結實粒數0.14 粒；Xgwm102-2D142等位變異可以分別增加17WW 環境條件下的穗頂部第2、3 個小穗結實粒數0.19、0.20 粒；在與穗基部結實粒數相關的位點中，Xgwm5-3A168、Xgwm161-3D153和Xcfe172-3D144等位變異在不同環境條件下可以分別增加穗基部第1、2、3 小穗結實粒數0.17、0.29、0.34 粒；同時檢測到Xgwm55-6D128等位變異可分別增加穗頂部和基部第1 小穗結實粒數0.04、0.07 粒。這些優異等位變異對于利用標記輔助選擇，增加小穗結實粒數，進而增加穗粒數具有重要的應用價值。

3.2 關聯位點的穩定性和一因多效性

本研究中發現，Xgwm55（6D）在17DS 和17WW條件下，同時與穗頂部第1 個小穗結實粒數顯著關聯，在17DS 和18DS 條件下分別與穗基部第1 個小穗結實粒數和穗頂部第3 個小穗結實粒數顯著關聯，而郭杰[22]研究發現，Xgwm55與穗基部第3 個小穗結實粒數顯著關聯；張東等[19]研究發現，Xgwm55在多個環境條件下與株高和穗長顯著關聯；PERRETANT 等[23]研究發現，Xgwm55與一個籽粒硬度相關的QTL 位點連鎖。本研究在17WW 條件下，檢測到標記Xgwm95（2A）與穗頂部第3 個小穗結實粒數顯著關聯，在18DS 條件下與穗頂部第2 個小穗結實粒數顯著關聯，且Xgwm95-2A119等位變異頻率相對較高，為48.78%。魏添梅[24]在水、旱2 種環境下研究發現，Xgwm95與株高極顯著關聯；王暉等[25]檢測到一個千粒質量QTL 位于2A 染色體的Xgwm372～Xgwm95標記區間；張穎君等[26]利用洋小麥/中優9507 建立的重組自交系群體，將與籽粒休眠相關的標記定位在Xgwm372～Xgwm95標記區間，與Xgwm95遺傳距離為1.4 cM；張娜等[27]研究發現，標記Xgwm95與抗葉銹病基因Lr45連鎖。本研究發現，在17WW 條件下，Xgwm102（2D）同時與穗頂部第2、3 個小穗結實粒數顯著關聯。張政等[28]研究發現，該位點與小麥開花期極顯著關聯。本研究發現，17WW 和17DS 條件下，Xgwm285（3B）分別與穗頂部和穗基部第3 個小穗結實粒數顯著關聯。常成等[29]研究發現，Xgwm285與除草劑抗藥性顯著相關。顯然，以上檢測到的這4 個位點具有穩定性和一因多效性，為今后分子標記輔助育種提供了重要參考價值。

4 結論

本研究利用4 個環境條件下的小麥穗頂部和基部結實粒數與106 對SSR 標記進行關聯分析，共檢測到28 個顯著關聯位點，發現Xgwm132-6B128、Xgwm102-2D142、Xgwm5-3A168、Xgwm161-3D153以及Xcfe172-3D144為增加小麥穗頂部或基部小穗結實粒數的優異等位變異位；發現Xgwm55（6D）、Xgwm95（2A）、Xgwm102（2D）和Xgwm285（3B）為多環境下穩定檢測到具有一因多效性的標記位點，這些發現對于改善小麥穗頂部和基部結實粒數，增加籽粒產量具有重要參考價值。