小麥旗葉相關性狀的QTL定位

苗含笑,張耀元,陳春環,吉萬全

(西北農林科技大學農學院,陜西楊凌 712100)

普通小麥(TriticumaestivumL.)是世界上三大糧食作物之一[1],為人類提供必需的蛋白和營養價值。旗葉作為小麥重要的光合器官,在灌漿期對小麥產量的形成貢獻率達40%以上[2-3]。研究發現,旗葉長、旗葉寬和旗葉面積與單穗粒重均呈顯著正相關[4]。因此,對小麥旗葉相關性狀進行QTL定位和分析可為高產育種提供理論支撐。

旗葉相關性狀是一種復雜的數量性狀,受多個遺傳位點控制[5]。近年來,隨著定位技術水平的提高,小麥旗葉相關性狀QTL定位的報道逐漸增多[6-8]。趙 朋等[9]以寧春4號和寧春27號為親本構建的包含128個株系的重組自交系(recombinant inbred line, RIL)群體為材料,利用307個SSR標記分別定位到6個旗葉長QTL和8個旗葉寬QTL。姚儉昕等[10]在5A染色體上定位到2個旗葉長QTL,其中Qfll.nwsuaf-5A.1可解釋9.48%～16.36%的表型變異。Zhao等[11]利用具有相同母本的3個RIL群體為材料,在4個環境下共鑒定到31個旗葉相關性狀QTL,主要分布在3B、4A、2A和7A染色體上。盡管已定位到許多旗葉相關性狀QTL,但通過精細定位挖掘獲得候選基因的位點較少。

簡化基因組測序(specific-locus amplified fragment sequencing, SLAF-seq)技術在SNP、KASP等標記的大規模開發中具有高通量和成本低的優點,該技術結合傳統分群分析法(bulk segregant analysis, BSA)已廣泛應用于多種作物不同性狀的QTL定位研究中[12]。

本研究以普通小麥品種品冬34和圓粒小麥品種MY11847雜交構建的F7:8RIL群體為材料,通過SLAF-seq技術結合BSA方法對其旗葉相關性狀QTL進行定位,以期為今后開展小麥旗葉性狀相關基因的挖掘和未來小麥高產品種的選育奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為1個通過單粒傳法構建的F7:8代小麥RIL群體。該群體包含356個株系,以品冬34為母本,MY11847為父本進行雜交獲得。其中,品冬34是由中國農業科學院作物品種資源研究所選育的普通小麥品種,具有粒大、千粒重高和旗葉寬大的特點。MY11847是引進國外的圓粒小麥種質,具有粒小、千粒重低、旗葉短小的特點。該群體及親本于2019-2020年度種植于西北農林科技大學試驗田,行長1 m,每個株系種植1行,每行播種10粒種子,并進行合理冬灌、除草、病蟲害防治等田間管理措施。

1.2 高密度遺傳圖譜的構建

本課題組前期利用北京百邁客生物科技有限公司自主研發的SLAF-seq技術完成了RIL群體及親本的SLAF-seq,并結合BSA技術利用HighMap軟件構建了高密度遺傳連鎖圖譜(未發表)。該圖譜總長為3 560.71 cM,共有13 600個標記位點,分布于小麥21條染色體上,標記間的平均距離為0.38 cM。

1.3 旗葉表型的測定

于小麥灌漿期(花后20 d),選取3株長勢一致的植株,對其主莖旗葉長和旗葉寬進行測量,并計算旗葉面積,旗葉面積=旗葉長×旗葉寬×0.75[13],以3次重復的平均值作為表型值。

1.4 旗葉相關性狀QTL的定位

用IciMapping V4.2軟件中的完備區間作圖法對RIL群體的旗葉長、旗葉寬和旗葉面積進行關聯分析,選擇MET模式進行QTL定位及遺傳效應分析。若表型數據缺失,用“-100”表示,作圖步長設定為1.00 cM,LOD閾值設定為2.5。將表型變異解釋率超過10%的QTL視為主效QTL。根據國際命名規則進行QTL命名,即Q+性狀+機構(nwafu,西北農林科技大學)+染色體[14]。

1.5 數據統計分析

用EXCEL對小麥RIL群體及親本的旗葉相關性狀的分布頻率進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 RIL群體旗葉相關性狀的表型

從表1可以看出,親本品冬34的旗葉長、旗葉寬和旗葉面積顯著或極顯著高于MY11847,這3個性狀在RIL群體中均出現超親分離現象。進一步對RIL群體旗葉相關性狀的分布頻率進行分析,發現旗葉長、旗葉寬和旗葉面積均呈正態分布,符合數量遺傳性狀的特點,適合進行QTL定位(圖1)。

圖1 RIL群體旗葉相關性狀的表型頻率分布

表2 RIL群體旗葉相關性狀的QTL信息

2.2 旗葉相關性狀QTL的定位結果

利用前期構建的遺傳連鎖圖譜,在RIL群體共檢測到24個旗葉相關性狀QTL(圖2)。共檢測到9個旗葉長QTL,分布在2A、2B、2D(2)、3D、4A、4B、5A和6A染色體上。其中,QFLL.nwafu-3D的側翼標記為Marker186719和Marker186728,可解釋14.71%的表型變異,為主效QTL,其加性效應來自母本品冬34;QFLL.nwafu-2D.1的側翼標記為Marker125188和Marker125211,可解釋11.17%的表型變異,也為主效QTL,其加性效應來自父本MY11847。其余7個QTL均為微效QTL,可解釋1.71%～3.89%的表型變異,除QFLL.nwafu-4A和QFLL.nwafu-5A的加性效應來自MY11847外,其余QTL的加性效應均來自品冬34。

FLL:旗葉長;FLW:旗葉寬;FLA:旗葉面積。

共檢測到7個旗葉寬QTL,分布在2D、4A、4D、5A、6A、6B和7D染色體上。其中,QFLW.nwafu-6B的側翼標記為Marker320056和Marker319761,可解釋13.14%的表型變異,為主效QTL,其加性效應來自母本品冬34。其余6個QTL均為微效QTL,可解釋2.69%～3.95%的表型變異,除QFLW.nwafu-4A的加性效應來自父本MY11847外,其余QTL的加性效應均來自品冬34。

共檢測到8個旗葉面積QTL,分布在1B、2B、2D(2)、3D、4A、6A和6B染色體上。其中,QFLA.nwafu-3D的側翼標記為Marker186719和Marker186728,可解釋11.60%的表型變異,為主效QTL,其加性效應來自母本品冬34。其余7個QTL均為微效QTL,可解釋2.08%～7.95%的表型變異,除QFLA.nwafu-1B、QFLA.nwafu-2D.1和QFLA.nwafu-4A的加性效應來自父本MY11847外,其余QTL的加性效應均來自品冬34。

值得注意的是,檢測到的3個旗葉面積QTL與3個旗葉長QTL位于相同遺傳區域。QFLA.nwafu-3D和QFLL.nwafu-3D的側翼標記均為Marker186719和Marker186728;QFLA.nwafu-2B和QFLL.nwafu-2B的側翼標記均為Marker97075和Marker97331;QFLA.nwafu-2D.1和QFLL.nwafu-2D.1的側翼標記均為Marker125188和Marker125211。其中,QFLA.nwafu-3D和QFLL.nwafu-3D均為主效QTL,加性效應也均來自品冬34。綜合來看,這3個旗葉長QTL和3個旗葉面積QTL共定位的遺傳區域值得后續進一步關注,其中位于3D染色體的主效QTL遺傳區域尤其值得關注。

3 討論

旗葉在小麥生長發育中起重要作用,旗葉形態的改良是小麥育種計劃的重要目標之一。雖然旗葉相關性狀易于調查,但其屬于典型的數量性狀,受多個遺傳位點調控,因此對旗葉相關性狀的遺傳研究非常有限,尤其是相關基因的克隆更為少見。本研究通過對品冬34和MY11847為親本構建的RIL群體進行QTL定位,鑒定到了新的潛在的控制旗葉表型的遺傳位點,雖然只有一年的表型數據作為支撐,但我們正在進行旗葉相關性狀多年多點數據的收集,后續將繼續進行QTL定位。本研究得到的QTL初步定位結果與已報道的小麥產量相關性狀QTL的比較中,發現一些較為可靠的遺傳區間,為后續旗葉性狀相關基因的進一步挖掘和鑒定提供線索。

本研究在3D染色體117.62～118.79 Mb的區間鑒定到旗葉長主效位點QFLL.nwafu-3D,雖然與前人報道的旗葉性狀相關QTL區間不重疊,但是與產量相關性狀QTL存在共定位遺傳區間,如穗延伸長度位點QSEL.sicau-2SY-3D.1(107.9～119.6 Mb)[15]以及千粒重位點QTgw.cau-3D1(90.8～170.5 Mb)[16]。本研究在2D染色體31.52～34.20 Mb的區間鑒定到旗葉長主效位點QFLL.nwafu-2D.1,與Ma等[17]定位到的千粒重位點QTGW(33.0～34.2 Mb)以及Arif等[18]定位到的千粒重位點Q.Tkw_Mo09-2D和Q.Sl_M02-2D.3(33.9～35.8 Mb)存在區間部分重疊現象。本研究在2B染色體鑒定到的旗葉長位點QFLL.nwafu-2B(70.6～72.4 Mb)雖是微效QTL,但與前人報道的旗葉相關性狀QTL區間存在區間部分重疊現象,如QFLL-2B和QFLA-2B[19],二者側翼標記均為barc318和wmc344,對應物理區間均為47.2～165.6 Mb。前人在該區間也鑒定到了千粒重位點QTGW(73.6 Mb)[20]以及開花位點Q.Flt_Sa09-2B.1(69.4～88.8 Mb)[18]。

旗葉作為小麥灌漿的重要光合器官,其大小或角度可對籽粒灌漿和最終籽粒飽滿度產生重要影響,間接影響小麥產量,側面解釋了本研究發現的旗葉相關性狀QTL與千粒重或灌漿有關QTL共定位于相同遺傳區域的合理性。

本研究發現的旗葉寬主效位點QFLW.nwafu-6B位于6B染色體546.19～559.57 Mb區間內,與已報道的粒長位點QGl.cau-6B.3(542.6～557.5 Mb)[21]和穗長位點qSL6B.1(551.6 Mb)[22]的遺傳區間重疊,推測可能是同一位點的多效性或是某個QTL簇中相鄰的多個遺傳位點所致,后續可通過不同QTL的連鎖標記進行區別和驗證。

綜上,相較于旗葉寬QTL,旗葉面積QTL與旗葉長QTL更易共定位于相同遺傳區間,推測旗葉面積受旗葉長影響較大;同時,旗葉相關性狀QTL與粒重相關QTL也存在密切聯系。本研究作為小麥旗葉性狀遺傳位點發掘的初步嘗試,可為相關基因的分離鑒定以及分子標記輔助育種提供理論依據,對于高產小麥品種的選育與改良具有重要意義。