春小麥灌漿期耐熱相關QTL定位

，， ，，，，董力*，*

(1.寧夏農林科學院 農業生物技術研究中心，寧夏 銀川 750002； 2.寧夏大學 農學院，寧夏 銀川 750021)

近10 a全球氣候明顯變暖[1]，預計到2050年平均溫度將會比現在高2 ℃[2]，高溫已經成為制約我國甚至世界小麥生產的重大氣候災害之一。小麥屬于喜涼作物，但小麥生育后期易受高溫天氣危害，引起小麥葉片萎蔫、生長勢減弱、育性降低并影響籽粒灌漿，造成小麥產量降低和品質變劣[3-6]。因此，研究小麥灌漿不同時期耐熱性的遺傳機制，挖掘并利用耐熱基因資源，選育耐熱小麥品種，對實現小麥高產、穩產具有重要的理論和實踐意義。

一些研究者在小麥形態性狀及耐熱性的遺傳機制方面已經做了有意義的探討。Vijayalakshmi等[7]研究表明，小麥染色體2A、3A、3B、6A、6B、7A與熱脅迫下葉片持綠性QTL關系密切。Mason等[8]利用1套重組自交系(RILs)群體進行耐熱性遺傳分析，以熱敏感指數為指標，檢測到5個穩定的耐熱相關QTL，分別定位在1A、2A、2B、3B染色體上。陳希勇等[9]以中國春-HOPE染色體代換系為試驗材料，利用細胞膜熱穩定性和大田生產條件下高溫脅迫2種方法對與耐熱性有關的基因進行染色體定位發現，耐熱品系HOPE的3D、4A、5A、5B染色體與耐熱性有關。由于不同研究者使用的研究材料和鑒定方法不同，對耐熱性QTL的檢測結果也不盡相同。前人對小麥耐熱性QTL的研究主要集中于灌漿中期，且進行的是單一高溫脅迫[10-15]，而在小麥灌漿中期和灌漿后期進行不同高溫脅迫，對小麥耐熱相關QTL進行定位的研究鮮有報道。為此，以春小麥RILs群體為試驗材料，進行不同高溫脅迫，以旗葉葉綠素含量、含水量、穗粒質量和千粒質量為指標，對春小麥耐熱相關QTL進行定位，旨在進一步揭示小麥耐熱性遺傳機制，為小麥耐熱性遺傳改良提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

以小麥寧春4號和寧春27號雜交構建的RILs群體(F13代，128個家系)及其親本為遺傳研究材料。寧春4號是1980年寧夏壯族自治區永寧縣小麥育繁所育成的春小麥品種，其高產、耐熱、優質、適應性廣，是寧夏回族自治區灌區種植時間最長的小麥品種[16]。寧春27號是寧夏壯族自治區固原市農業科學研究所選育的春小麥品種，其熱敏感、高產、優質、抗病，在寧夏回族自治區南部山區雨養地區大面積種植。寧夏農林科學院農業生物技術研究中心(寧夏農林科學院農業生物技術重點實驗室)前期已經構建了該RILs群體的遺傳連鎖圖譜[17]，并進行了春小麥碳同位素分辨率[18-19]的QTL定位分析。

1.2 試驗設計

試驗材料于2月下旬種植在寧夏農林科學院農作物研究所育種試驗基地，每個株系種植1行，行長1 m，行距15 cm，株距10 cm，重復3次，田間管理同大田生產。在春小麥灌漿中后期進行高溫脅迫處理(表1)，用長×寬×高為7 m×3 m×1.5 m的角鐵制成框架，固定于田間，周圍和頂部采用無色透明聚乙烯塑料薄膜(透光率≥95%)圍住，底部留距地30 cm的空隙，保證通風和氣體交換。溫控設施由開頂式氣室和能正反轉的電機及控溫組件組成，內有溫度報警裝置。高溫處理時間為灌漿中期(開花后16 d)和灌漿后期(開花后20 d)，在當天自然溫度最高時段(13:00—16:00)進行高溫處理，連續處理3 d。高溫處理前，每個株系選擇15株發育正常、無病蟲害、長勢大小基本相同的植株掛牌，用于高溫處理前、后旗葉葉綠素含量、相對含水量及收獲后穗粒質量和千粒質量的測定。

表1 不同高溫脅迫處理溫度及時間

1.3 測定性狀及方法

1.3.1 葉綠素含量(SPAD值) 在旗葉頂部、中部、底部各取1個點采用SPAD-502型葉綠素儀測定SPAD值，測5片葉，計算平均值。

1.3.2 葉片相對含水量(RWC) 測定旗葉相對含水量，具體方法參照文獻[20]，3次重復，計算平均值。

1.3.3 穗粒質量 每個株系各取10個主穗，3次重復，脫粒，稱質量，計算平均值。

1.3.4 千粒質量 每個株系各取1 000粒，3次重復，稱質量，計算平均值。

1.4 遺傳連鎖圖構建和QTL定位分析

RILs群體21條染色體的遺傳連鎖圖包括291個標記位點，覆蓋全基因組總長度為2 576.09 cM，標記之間的平均遺傳距離為8.85 cM。把高溫脅迫和正常條件作為環境因子，采用QTL IciMapping 4.0[21]軟件和復合區間作圖法，在步長=1 cM、P=0.05顯著水平下，對不同環境、不同時期高溫脅迫下耐熱相關生理性狀、產量性狀進行QTL檢測，以LOD值 3.0作為閾值來判斷QTL是否存在。QTL的命名參照 McIntosh[22]的命名方法，即Q+性狀名稱縮寫+染色體+編號(如果同一條染色體存在多個QTL)。

2 結果與分析

2.1 不同高溫脅迫條件下親本及RILs群體表型變異分析

由表2和表3可知，在3種高溫脅迫條件下，小麥RILs群體及其親本的旗葉葉綠素含量和相對含水量有明顯差異。開花后不同時間、不同溫度處理條件下，親本旗葉葉綠素含量和相對含水量均表現為寧春4號高于寧春27號；RILs群體旗葉葉綠素含量的CV表現為T3

表2 不同高溫脅迫條件下親本和RILs群體旗葉葉綠素含量

表3 不同高溫脅迫條件下親本和RILs群體旗葉相對含水量

由表4和表5可知，隨著處理溫度升高，RILs群體及其親本的穗粒質量和千粒質量逐漸降低。相同高溫脅迫條件下，RILs群體灌漿中期處理比灌漿后期處理的變異程度大，說明灌漿中期高溫處理對穗粒質量和千粒質量影響較大，且灌漿中期38 ℃高溫處理后RILs群體穗粒質量和千粒質量降低最多。親本和RILs群體的穗粒質量和千粒質量均表現為寧春4號優于寧春27號。綜上，寧春4號的耐熱性表現在生理性狀和產量性狀2個方面。RILs群體中穗粒質量和千粒質量也表現出明顯的超親分離，偏度和峰度均較小，呈正態分布。表明RILs群體中控制高溫脅迫下穗粒質量和千粒質量的等位基因也得到廣泛分離。因此，該群體也適合對產量性狀進行QTL分析[23]。

表4 不同高溫脅迫條件下親本和RILs群體穗粒質量

2.2 高溫脅迫條件下春小麥RILs群體生理及產量性狀QTL分析

由表6可知，在3種高溫脅迫條件下，共檢測到45個控制春小麥旗葉葉綠素含量、相對含水量、穗粒質量和千粒質量的QTL。其中，控制葉綠素含量的QTL有13個，其表型貢獻率均大于10%，介于11.53%～32.39%，為主效QTL。對于Qcc-3B和Qcc-7B.2兩個QTL，等位基因來源于寧春27號，會降低葉綠素含量，其他的QTL增效等位基因均來自寧春4號，具有增加葉綠素含量的效應，葉綠素含量的遺傳以加性效應為主，其加性效應為1.189 5～4.233 1。控制葉片相對含水量的QTL相對較少，為8個，其表型貢獻率均大于10%，為主效QTL。這8個QTL均在單一試驗處理中被檢測到，說明葉片相對含水量受環境影響，其中寧春4號的等位基因可以增加旗葉葉片相對含水量。

由表6可知，在不同高溫脅迫條件下，共檢測到14個控制穗粒質量的QTL，Qsgw-6D.1、Qsgw-4B.1、Qsgw-6A.1、Qsgw-3A、Qsgw-4D、Qsgw-2A的表型貢獻率均大于10%，為主效QTL。Qsgw-6A.1和Qsgw-4B.1降低穗粒質量的效應均來源于寧春27號，其他QTL提高穗粒質量的效應均來源于寧春4號。

由表6可知，在不同高溫脅迫條件下，共檢測到控制千粒質量的QTL 10個，除Qtkw-2A和Qtkw-6D外，其他QTL的表型貢獻率均大于10%，為主效QTL。Qtkw-2B.2和Qtkw-7B.1增加千粒質量的效應均來源于寧春4號。在T3和T5處理條件下，均檢測到控制千粒質量的Qtkw-2B.1，標記區間為wmc661—wmc441。

由表6和圖1可知，T6處理條件下，控制葉綠素含量的Qcc-2A、控制穗粒質量的Qsgw-2A均位于2A染色體上，標記區間相同，均為gwm294—wmc644。T3和T5處理條件下，控制千粒質量的Qtkw-2B.1位于2B染色體上，標記區間為wmc661—wmc441。T2處理條件下，控制葉綠素含量的Qcc-5A、控制穗粒質量的Qsgw-5A均位于5A染色體上，標記區間相同，均為gwm415—cfa2190。T3和T4處理條件下，控制穗粒質量的Qsgw-5D位于5D染色體上，標記區間為cfd266—cfd67。

表6 高溫脅迫條件下小麥各性狀QTL定位分析

○：千粒質量QTL(T1)；●：葉綠素含量QTL(T3)；△：葉綠素含量QTL(T6)；▲：葉片相對含水量QTL(T4)；◎：穗粒質量QTL(T6)；☆：千粒質量QTL(T3)；★：葉片相對含水量QTL(T5)；◆◇：千粒質量QTL(T3)；□：千粒質量QTL(T5)；■：穗粒質量QTL(T5)； ▽：葉綠素含量QTL(T1)；▼：葉片相對含水量QTL(T6)；#：穗粒質量QTL(T3)；@：葉綠素含量QTL(T5)；&：葉綠素含量QTL(T4)；＊：葉綠素含量QTL(T5)；≡∑：千粒質量QTL(T3)；※：穗粒質量QTL(T2)；§：穗粒質量QTL(T5)；№：千粒質量QTL(T2)；⊕：葉綠素含量QTL(T6)；⊙：葉片相對含水量QTL(T2)；【：葉片相對含水量QTL(T4)；】：穗粒質量QTL(T5)；︻：葉綠素含量QTL(T2)；︼：穗粒質量QTL(T2)；《：葉片相對含水量QTL(T1)；》：葉片相對含水量QTL(T2)；︽：葉綠素含量QTL(T1)；︾：葉綠素含量QTL(T3)；﹁：穗粒質量QTL(T3)；﹂：穗粒質量QTL(T4)；『：葉綠素含量QTL(T4)；』：穗粒質量QTL(T2)；﹃：穗粒質量QTL(T4)；〒：穗粒質量QTL(T5)；﹄：葉片相對含水量QTL(T3)；々:穗粒質量QTL(T1)；⊿：穗粒質量QTL(T5)；¤：千粒質量QTL(T3)；￠：葉綠素含量QTL(T4)；￡：葉綠素含量QTL(T5)；㊣：千粒質量QTL(T3)；∏：千粒質量QTL

(T5)；∈：穗粒質量QTL(T1)

圖1春小麥灌漿期耐熱相關QTL在染色體上的分布

3 結論與討論

據預測，未來全球平均氣溫每升高1 ℃，小麥產量將減產約6%[24]。在我國，小麥籽粒灌漿期經常遭遇30 ℃以上的高溫天氣，其危害面積可達小麥種植面積的2/3，使小麥減產10%～20%[25]。因此，挖掘作物抗高溫基因資源，進而培育抗高溫新品種，來應對氣候變暖的威脅，具有重要的戰略意義。

本研究采用人工搭建日光溫室增溫的大田鑒定方法，試驗環境比較接近大田自然環境，是灌漿期高溫處理的較理想方法之一。寧春4號和寧春27號分別是寧夏回族自治區灌區和雨養地區2種生態環境下育成的具有代表性的優良品種，它們的株高、葉形、穗型、籽粒大小等性狀差異很大。本研究以寧春4號×寧春27號雜交的RILs為作圖群體，檢測到13個控制小麥葉綠素含量的QTL，分別位于1D、2A、3A、3B、4B、5A、5D、6A、7B染色體上。Vijayalakshmi等[7]利用冬小麥耐熱品種Ventnor和熱敏感品種Karl92構建了101個RILs，分別在2A、3A、3B、6A、6B、7A染色體上檢測到9、1、1、2、2、1 個控制葉綠素含量的QTL。Talukder等[13]利用GBS-SNP標記構建RILs小麥遺傳圖譜，經分析發現控制葉綠素含量的QTL分別位于1B、1D、6A、7A染色體上，但這些QTL所在染色體區段與本研究結果均不一致。這可能是由于試驗材料、鑒定方法以及QTL定位工具等不同造成的，這也說明了小麥耐熱機制的復雜性[26]。當然，本研究也有與前人研究結果相近的地方[9,14-15]。例如，本研究與陳希勇等[9]均在5B染色體上檢測到與耐熱性有關的加性QTL，與Mason等[14]、李世平等[15]均在7B染色體上檢測到與耐熱性有關的加性QTL。

數量性狀一般受多個基因調控，環境條件對基因的表達也有一定影響，因此，導致QTL定位結果的重復性不高。本研究在T6和T2處理條件下分別檢測到Qcc-2A、Qsgw-2A和Qcc-5A、Qsgw-5A所在的染色體位置相同，分別位于標記gwm294—wmc644和gwm415—cfa2190，其加性效應均來自寧春4號。T3和T5處理條件下，控制千粒質量的Qtkw-2B.1位于2B染色體上，標記區間為wmc661—wmc441。T3和T4處理條件下，控制穗粒質量的Qsgw-5D位于5D染色體上，標記區間為cfd266—cfd67。數量性狀受環境影響較大，在2個及以上環境中重復出現的QTL才是穩定表達的QTL。因此，利用永久性作圖群體，通過多年多環境的QTL分析檢測能夠穩定表達的QTL，對小麥耐熱性遺傳改良和育種更具有實際意義[27]。