小麥成熟期QTL定位與分析

董爽爽， 王利彬，程敦公，任 勇，張業(yè)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(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東青島 266109； 2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/小麥玉米國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部黃淮北部小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250100； 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081；4.四川省綿陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，四川綿陽(yáng) 621023； 5.河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所，河北石家莊 050051)

小麥作為我國(guó)主要的糧食作物之一，有著悠久的種植歷史，在我國(guó)當(dāng)前特有的一年兩熟制下，保障周年糧食豐產(chǎn)，對(duì)我國(guó)糧食安全具有重要意義。成熟期是小麥生產(chǎn)中的一個(gè)極其重要的性狀，過(guò)早或過(guò)晚成熟，都會(huì)使小麥的產(chǎn)量、品質(zhì)受到影響。若過(guò)早，可能導(dǎo)致產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降；若過(guò)晚，有可能遇到干熱風(fēng)，使產(chǎn)量大幅降低，甚至推遲下季作物的播種時(shí)間，影響下季作物豐產(chǎn)[1]。因此，適當(dāng)?shù)某墒炱趯?duì)小麥提升生產(chǎn)效益和增加周年糧食產(chǎn)量具有重要意義[2]。

小麥成熟期是受多基因控制的數(shù)量性狀，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著分子標(biāo)記的應(yīng)用和遺傳統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展，QTL定位技術(shù)也得到快速發(fā)展。利用QTL定位，能檢測(cè)出目標(biāo)性狀在染色體上的位置及其效應(yīng)，為進(jìn)一步進(jìn)行圖位克隆及復(fù)雜數(shù)量性狀的研究提供方法[3]。近年來(lái)，關(guān)于農(nóng)作物成熟期性狀的QTL定位有不少研究[4-11]，但關(guān)于小麥成熟期QTL定位的研究較少。Carter等[12]利用春小麥構(gòu)建的RIL群體檢測(cè)到5個(gè)成熟期QTL，其中有4個(gè)位于2D染色體上，1個(gè)位于7D染色體上。此外，F(xiàn)atima等[13]利用DH群體在充分灌溉和不灌溉兩種條件下對(duì)成熟期QTL進(jìn)行檢測(cè)，在充分灌溉條件下檢測(cè)到4個(gè)QTL，分別位于2B、6A和7A染色體上；在不灌溉的條件下也檢測(cè)到4個(gè)QTL，分別位于2D、7A和7B染色體上。余 馬[14]利用SHW-L1×川麥32構(gòu)建的包含171個(gè)家系的RIL群體為材料，定位了3個(gè)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(gè)家系的DH群體為材料，共檢測(cè)到4個(gè)QTL，分別位于3B、4A、4D和7D染色體上。Zou等[16]利用2個(gè)春小麥構(gòu)建的包含167個(gè)家系的RIL群體為研究材料，分別在4B和5A染色體上檢測(cè)到控制成熟期的QTL。可見(jiàn)，利用不同群體、在不同環(huán)境條件下檢測(cè)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(dá)的復(fù)雜性。因此，本試驗(yàn)以包含186個(gè)家系的RIL(F6)群體為材料，對(duì)小麥成熟期性狀進(jìn)行QTL定位，以期為小麥成熟期性狀的分子標(biāo)記輔助選擇育種提供理論依據(jù)。

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(jiàn)表1)構(gòu)建的一套F6家系的RIL群體為材料，該群體包含186個(gè)家系，由郝元峰博士提供。分子標(biāo)記遺傳連鎖圖譜總長(zhǎng)為2 464 cM，共包括5 301個(gè)標(biāo)記(4 120個(gè)DArT標(biāo)記、621個(gè)SNP標(biāo)記和560個(gè)傳統(tǒng)的DArT標(biāo)記)，這些標(biāo)記在小麥的21條染色體上均有分布，標(biāo)記間的平均距離為0.46 cM(表2)[17]。

表1 構(gòu)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(biāo)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(yàn)和性狀調(diào)查

田間試驗(yàn)在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和四川省綿陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院的試驗(yàn)田進(jìn)行。2014年、2015年和2016年12月上旬，分別將RIL群體的186個(gè)家系及其親本播種于山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所試驗(yàn)田；2015年11月上旬，RIL群體及其親本在四川省綿陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院的試驗(yàn)田種植。單行區(qū)，行長(zhǎng)1 m，行距25 cm，3次重復(fù)。田間管理與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)一致，觀察記載成熟期。當(dāng)胚乳呈蠟狀，子粒開(kāi)始變硬時(shí)進(jìn)入成熟期，以播種至成熟的天數(shù)作為成熟期，取3次重復(fù)的平均值進(jìn)行相關(guān)分析。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)小麥RIL群體以及親本的成熟期性狀進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)量分析。

利用Windows QTL Cartographer 2.5軟件的復(fù)合區(qū)間作圖法進(jìn)行QTL檢測(cè)，掃描步長(zhǎng)設(shè)為1.0 cM，進(jìn)行全基因組掃描，根據(jù)分析結(jié)果確定QTL的數(shù)目、效應(yīng)及在染色體上的位置。根據(jù) Churchill等[18]的方法，在P<0.05 水平下進(jìn)行1 000次的隨機(jī)性測(cè)驗(yàn)。當(dāng)閾值(LOD)大于2.5時(shí)，就認(rèn)為存在一個(gè)QTL。QTL命名公式[19]:q+目標(biāo)性狀(大寫(xiě)英文字母)+ “-” +所在染色體號(hào)數(shù)或連鎖群代號(hào)+QTL個(gè)數(shù)。

2 結(jié)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(diào)查RIL群體及其親本成熟期，利用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)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(jì)南的成熟期相同，這可能是由于當(dāng)年小麥生長(zhǎng)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(shuō)明兩親本含有對(duì)表型變異起作用的基因。圖1表明，成熟期性狀呈連續(xù)變化，且符合正態(tài)分布，具有數(shù)量性狀遺傳的特點(diǎn)，因此可以進(jìn)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(gè)環(huán)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(fù)合區(qū)間作圖法進(jìn)行QTL檢測(cè)，在 LOD>2.5水平下，共定位到15個(gè)QTL位點(diǎn)，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(jì)南的RIL群體，共檢測(cè)出4個(gè)成熟期QTL，分布在2B、4B、5B和7A染色體上。2B染色體上檢測(cè)到的QTL位于wPt-2214～1129740區(qū)間內(nèi)，LOD值為5.77，加性效應(yīng)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(cè)到的QTL位于1215714～1068877F0-44CG區(qū)間內(nèi)，LOD值為2.96，加性效應(yīng)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(cè)到的QTL位于1114874～wPt-664788區(qū)間內(nèi)，LOD值為4.31，加性效應(yīng)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(cè)到的QTL位于1378784～4439613區(qū)間內(nèi)，LOD值為4.69，加性效應(yīng)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(jì)南的RIL群體，共檢測(cè)出4個(gè)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(qū)間內(nèi)，LOD值為3.61，加性效應(yīng)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(cè)到的QTL位于1215714～1068877F0-44CG區(qū)間內(nèi)，LOD值為4.45，加性效應(yīng)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(qū)間內(nèi)，LOD值為5.95，加性效應(yīng)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(qū)間內(nèi)，LOD值為6.24，加性效應(yīng)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(yáng)的RIL群體，共檢測(cè)出4個(gè)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(qū)間內(nèi)，LOD值為3.37，加性效應(yīng)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(qū)間內(nèi)，LOD值為3.36，加性效應(yīng)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(qū)間內(nèi)，LOD值為5.23，加性效應(yīng)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(qū)間內(nèi)，LOD值為3.96，加性效應(yīng)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(biāo)記名稱(chēng) Only a part of markers flanking the QTL region are displayed

表4 成熟期的QTL定位結(jié)果Table 4 QTL mapping result of maturity

2017年種植于濟(jì)南的RIL群體，共檢測(cè)出3個(gè)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(qū)間內(nèi)，LOD值為8.21，加性效應(yīng)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(cè)到的QTL位于1215714～1068877F0-44CG區(qū)間內(nèi)，LOD值為6.69，加性效應(yīng)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(qū)間內(nèi)，LOD值為7.99，加性效應(yīng)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(biāo)記有RFLP、RAPD、AFLP、SSR、EST、SNP和DArT等，其中SNP標(biāo)記具有位點(diǎn)豐富、數(shù)量眾多、遺傳穩(wěn)定性好和易于批量檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，DArT標(biāo)記克服了以電泳技術(shù)為基礎(chǔ)的標(biāo)記缺點(diǎn)，具有高通量、自動(dòng)化程度高、耗時(shí)短等顯著特點(diǎn)。為此，本研究以結(jié)合二者特點(diǎn)、利用人工合成六倍體小麥(Bubo)和T.speltaL.衍生系構(gòu)建的RIL遺傳群體為材料，運(yùn)用DArT和SNP標(biāo)記進(jìn)行基因型分析而構(gòu)建的總長(zhǎng)為2 464 cM的遺傳連鎖圖譜(共包括5 301個(gè)標(biāo)記，其中4 120個(gè)DArT標(biāo)記、621個(gè)SNP標(biāo)記和560個(gè)傳統(tǒng)的DArT標(biāo)記)，對(duì)小麥成熟期的QTL進(jìn)行定位。利用該群體及連鎖圖譜首先對(duì)小麥鐵鋅含量進(jìn)行了QTL定位[17]，取得了較好的結(jié)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(bào)道的關(guān)于小麥成熟期的QTL定位中，各國(guó)科學(xué)家利用不同群體、不同標(biāo)記類(lèi)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(fā)現(xiàn)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(gè)QTL，其貢獻(xiàn)率為4.6%～28.0%。Mccartney等[15]利用包含182個(gè)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(gè)QTL，其貢獻(xiàn)率為3.4%～25.7%。本試驗(yàn)在4A染色體上也檢測(cè)到控制成熟期的1個(gè)QTL，可解釋5.33%的遺傳變異，說(shuō)明4A染色體上可能存在控制成熟期的QTL。Zou等[16]利用2個(gè)春小麥構(gòu)建的包含167個(gè)家系的RIL群體為材料，在4B、5A染色體上定位到2個(gè)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(yàn)在4B染色體上檢測(cè)到控制成熟期的3個(gè)QTL，發(fā)現(xiàn)其效應(yīng)來(lái)自親本Turtur。

本試驗(yàn)利用3年4點(diǎn)的數(shù)據(jù)在1A、2B、2D、3A、4A、4B、5B、7A和7B染色體上共檢測(cè)到15個(gè)控制成熟期的QTL，其中，在1A、3A和5B上首次檢測(cè)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(cè)到的QTL位于4018862～1087876區(qū)間內(nèi)，LOD值為8.21，加性效應(yīng)為-0.64，可解釋12.67%的表型變異，因此值得后期繼續(xù)關(guān)注。本研究結(jié)果顯示，2015年、2016年和2017年均在4B染色體的1215714～1068877F0-44CG區(qū)間內(nèi)檢測(cè)到QTL(平均可解釋7.35%的表型變異)，且1215714～1068877F0-44CG區(qū)間內(nèi)的QTL與1215714標(biāo)記距離僅為0.01 cM，近乎共分離，這為下一步開(kāi)發(fā)可用的分子標(biāo)記進(jìn)行輔助選擇的準(zhǔn)確性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。