揚麥16籽粒灌漿速率相關性狀的QTL定位(小麥15K SNP芯片法)

胡文靜，朱冬梅，別同德，陸成彬，高德榮,2,4

(1.江蘇里下河地區農業科學研究所/農業農村部長江中下游小麥生物學與遺傳育種重點實驗室， 江蘇揚州 225007； 2.揚州大學/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心，江蘇揚州 225009； 3.河南農業大學/河南糧食作物協同創新中心，河南鄭州 450002； 4.長江大學農學院，湖北荊州434023 )

長江中下游麥區是我國最大的稻麥輪作區，稻麥總產量占全國的1/3以上。上世紀90年代開始，該麥區水稻機插秧和直播面積不斷擴大，造成水稻收獲期不斷推遲，導致小麥播期逐步推遲。小麥遲播一方面導致冬前生長嚴重不足，不利于形成壯苗和大穗，另一方面導致灌漿期縮短，粒重降低，同時增加灌漿期遭遇高溫的風險[1]，最終產量下降，一般減產750～900 kg·hm-2，嚴重遲播田塊減產超過30%。因此，培育和種植籽粒灌漿速率高的小麥品種是解決當前生產上粒重減少、產量降低等問題的主要手段。高德榮等[2]比較小麥品種(系)間在播種-拔節期和開花-成熟期這2個階段的發育特性，發現揚麥16遲播下產量顯著高于揚麥20和寧麥13，同時與適期播種相比減產幅度最小。胡文靜等[3]在晚播條件下研究不同小麥品種的產量和品質對施氮量和密度的響應，發現揚麥16的粒重和產量均最高。因此，推廣該類品種有利于保障小麥遲播高產。朱冬梅等[4]以長江中下游地區7個主推小麥品種為試驗材料，對小麥籽粒的灌漿速率相關性狀進行研究，發現揚麥16、揚麥158和揚麥11的籽粒灌漿速率顯著高于普通品種。這些品種灌漿快、粒重和產量高的遺傳基礎尚不清楚。

前人研究發現小麥粒重與灌漿速率成正比，與灌漿持續時間和最高灌漿速率出現的時間無必然的關系[5-7]。苗永杰等[8]研究表明，黃淮麥區小麥粒重和灌漿速率各參數主要受基因型控制，建議采用平均灌漿速率對相關性狀進行基因等位，有利于進一步改良小麥品種粒重。王瑞霞等[9]定位了不同生態環境下小麥籽粒灌漿速率及千粒重QTL，發現10個可同時影響平均灌漿速率、最高灌漿速率和千粒重的基因組區段，有利于小麥產量分子標記輔助育種。王文文等[10]對不同時期的小麥灌漿速率和粒重進行QTL定位，發現平均灌漿速率與千粒重相關性最高，且由多基因控制。

與傳統的雙親本定位群體相比，多親本RIL群體定位QTL具有諸多優勢[11]。本研究構建了以鎮麥168、揚麥20、揚麥16和揚麥22為四親本的重組自交系(RIL)群體，結合小麥15K SNP芯片構建連鎖圖譜[11]，定位小麥籽粒灌漿速率相關性狀的QTL，以期為選育籽粒灌漿快、粒重高的小麥新品種提供材料與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

將灌漿特性差異明顯的4個小麥親本鎮麥168(Zhenmai 168，ZM168)和揚麥20(Yangmai 20，YM20)、揚麥16(Yangmai 16，YM16)和揚麥22(Yangmai 22，YM22)兩兩成對雜交(ZM168×YM20、YM16×YM22)，產生2對雙親本雜交種，將2對雙親本雜交種 F1再成對雜交產生四親本雜交種(ZM168/YM20//YM16/YM22)，四親本雜交種通過單粒傳法加代，自交6代，建成四交RIL群體，獲得158個穩定株系的ZM168/YM20//YM16/YM22群體。

1.2 表型測定

試驗于2018-2019年度在江蘇里下河地區農業科學研究所灣頭試驗基地進行。采用隨機區組設計，11月10日播種，每個系種植3行，行長1.3 m，行距23 cm。肥料運籌為基施復合肥(N、P和K含量均為15%)800 kg·hm-2，壯蘗肥(尿素)50 kg·hm-2，拔節肥(尿素)200 kg·hm-2。開花期用多酮和吡蟲啉防治赤霉病、白粉病、蚜蟲等病蟲害。其他管理與大田生產一致。灌漿速率測定參考朱冬梅等[4]的方法，每個株系在開花期選擇開花時期、穗型大小一致且無病蟲害的單穗50個，掛牌標記，花后10 d開始取樣，以后每隔 5 d在固定時間取樣1次，直至收獲。每次每個株系取10個單穗，剝取籽粒，在105 ℃下烘30 min殺青，80 ℃烘16～18 h至恒重，稱重計數，折算成千粒重。灌漿速率用每天每粒小麥增長重量表明，單位為mg·粒-1·d-1。

1.3 數據統計與分析

用Logistic方程Y=K/(1+ae-bx)[12]對籽粒灌漿進程進行擬合，方程中x為開花后時間，Y為該時間點相應的千粒重(干重)，a、b為方程對不同材料所確定的參數，K(mg·粒-1)為擬合理論最高千粒重，e指自然對數函數的底數。對該方程一階求導，可得籽粒灌漿速率方程，并可得到籽粒灌漿相關性狀的三個特征參數：最高灌漿速率；灌漿持續時間、籽粒平均灌漿速率。采用Microsoft Excel 2016進行表型數據的統計分析。

1.4 連鎖圖譜構建和QTL定位

采用小麥15K SNP芯片對試驗群體及親本進行基因型分析，利用GAPL軟件(http://www.isbreeding.net)[13-14]“SNP”功能轉化原始基因型數據，同時過濾基因型數據：(1)刪除缺失1個及以上親本的標記；(2)刪除親本或者群體中無多態的標記。利用GAPL軟件“BIN” 功能刪除冗余標記，“PLM” 功能構建連鎖圖譜，“PLQ”功能的完備區間作圖法(ICIM)對群體的平均灌漿速率、最高灌漿速率、灌漿持續時間和千粒重進行QTL定位，以LOD=2.5為閾值確定與上述性狀顯著相關的QTL。以“Q+性狀名稱英文縮寫+研究機構名稱縮寫+染色體編號+染色體上的次序”的方式對QTL進行命名。為了與前人結果比較，將連鎖標記或者基因的序列與中國春參考基因組序列(EnsemblPlants數據庫，http://plants.ensembl.org/)進行比對，獲得標記或者基因的物理位置。

2 結果與分析

2.1 親本及群體的表型分析

表1可以看出，揚麥16和鎮麥168的籽粒平均灌漿速率、最高灌漿速率和千粒重顯著高于揚麥20和揚麥22，四親本之間灌漿持續時間差異不顯著。群體的所有性狀最低值和最高值之間差異明顯，與親本的表型值相比存在超親分離，偏度和峰度絕對值均小于1，符合正態分布。

小麥籽粒平均灌漿速率、最高灌漿速率之間的相關系數是0.973(P<0.01)，說明這兩個性狀高度相關。千粒重與平均灌漿速率、最高灌漿速率和灌漿持續時間的相關系數分別為0.593(P<0.01)、0.593(P<0.01)和0.118(P>0.05)，說明千粒重與平均灌漿速率和最高灌漿速率關系極顯著，與灌漿持續時間無顯著關系。

表1 親本和群體的籽粒灌漿速率相關性狀表型值統計分析Table 1 Statistic analysis of grain-filling rate related traits in the parents and population

2.2 QTL定位

利用小麥15K基因芯片鑒定群體材料得到2 761個高質量SNP位點，利用GAPL軟件剔除無效標記和冗余分析后，構建覆蓋小麥21條染色體的連鎖圖譜[11]，長度為13 167.1 cM，標記間平均距離是19.6 cM。應用完備區間作圖法(ICIM)共檢測到5個與小麥籽粒灌漿速率顯著相關的QTL(表2)，平均灌漿速率(GFRMean)與最高灌漿速率(GFRMax)的結果具有一致性。經過比對，發現這5個QTL分布在染色體3AL、4DL(2)、6AL和 7AL上，其中QGFRMean(Max)-yaas-3AL和QGFRMean(Max)-yaas-4DL.2增效基因僅來自揚麥16(加性效應為正)，分別位于3A染色體上的 659.4～660.4 Mb區間和4D染色體的471.2～475.0 Mb區間，LOD均為2.8，分別可解釋 4.5%～ 4.6%和3.4%～3.5%的表型變異。QGFRMean(Max)-yaas-4DL.1增效基因來自鎮麥168和揚麥16，位于4D染色體的312.6～317.5 Mb區間，LOD值分別為6.5(GFRMean)和6.4(GFRMax)，可解釋9.3%的表型變異，QGFRMean(Max)-yaas-6AL和QGFRMean(Max)-yaas-7AL增效基因均來自鎮麥168、揚麥20和揚麥16，前者位于6A染色體的614.5～615.0 Mb區間，LOD均為3.3，可解釋4.1%的表型變異，后者位于7A染色體的512.1～524.7 Mb區間，LOD分別為3.1(GFRMean)和3.0(GFRMax)，可解釋 4.6%的表型變異。

共檢測到3個與灌漿持續時間顯著相關的QTL，通過比對發現QGFTime-yaas-3AL位于3A染色體的569.7～595.7 Mb區間，LOD為 5.7，可解釋7.5%的表型變異，增效基因來自鎮麥168和揚麥22；QGFTime-yaas-4DL.1位于4D染色體的312.6～317.5 Mb區間，與QGFRMean(Max)-yaas-4DL.1位置一致，LOD為6.5，可解釋7.0%的表型變異，增效基因來自揚麥16和揚麥22。QGFTime-yaas-4DL.2位于4D染色體的471.2～475.0 Mb區間，與QGFRMean(Max)-yaas-4DL.2位置一致，LOD為 2.8，可解釋2.7%的表型變異，增效基因來自揚麥16和揚麥22(表2)。

共檢測到3個與千粒重顯著相關的QTL，通過比對發現，QTGW-yaas-4AL.1和QTGW-yaas-4AL.2分別位于4A染色體的 605.7～ 605.8 Mb區間和659.2～662.0 Mb區間，LOD分別為4.4 和2.9，分別可解釋6.6%和3.9%的表型變異，這兩個QTL增效基因都來自揚麥20和揚麥16。QTGW-yaas-4DS位于4D染色體的80.2～86.8 Mb區間，LOD 為8.5，可解釋9.2%的表型變異，增效基因來自鎮麥168和揚麥16。

表2 小麥籽粒灌漿速率相關性狀QTLTable 2 Quantitative trait loci (QTLs) for grain-filling rate related traits in population

3 討 論

3.1 QTL的比較分析

由于小麥籽粒灌漿性狀測定的繁瑣性，目前對小麥籽粒灌漿速率相關參數的QTL定位的研究還很少見。Kirigwi等[15]在干旱條件下利用小麥重組自交系在4A染色體上定位到一個影響籽粒灌漿速率的QTL，王文文等[10]在2A和5A染色體上定位到與小麥不同發育時期籽粒灌漿速率相關的QTL 。王瑞霞等[9]在3A染色體上定位到1個控制小麥籽粒平均灌漿速率的QTL，經比對發現與本研究定位到的QGFRMean-yaas-3AL不在同一位置。本研究在4D染色體上檢測到與籽粒平均灌漿速率、最高灌漿速率、灌漿持續時間和千粒重相關的QTL，經比對發現與王瑞霞等[9]在4D染色體上定位到的同時影響小麥籽粒平均灌漿速率、最高灌漿速率和千粒重的QTL區域不一致，有待進一步驗證它們之間的關系。Gao等[16]利用周8425B/中國春遺傳群體檢測到與千粒重顯著相關的QTLQTKW.caas-4AL，經比對與本研究定位到的QTGW-yaas-4AL.2是相同位置，推測是同一QTL。已報道的與小麥千粒重有關的基因主要有TaGS5-3A[17]、TaGW2-6A[18-19]和TaGW8-7A[20-22]等。王君嬋等[23]研究表明，揚麥16攜帶TaGW2-6A，TaGW8-7A和TaGS5-3A的優異等位變異，經序列比對發現，這3個基因與本研究在3A、6A和7A染色體定位到的相關QTL均不在同一位置，且距離較遠，這可能與定位群體的背景和大小、連鎖圖的標記密度、試驗環境和表型測定誤差等有關。小麥籽粒灌漿持續時間主要由特定地區的氣候和耕作栽培制度決定，而且不同粒重類型品種間灌漿持續時間差異不顯著[7-8]，因此前人未對籽粒灌漿持續時間做過QTL定位，本研究首次定位到3個與小麥籽粒灌漿持續時間相關的QTL，4D染色體上的位點與籽粒灌漿速率相關QTL位置一致，這些QTL的穩定性、有效性和對粒重的影響，還有待進一步驗證。

3.2 QTL的遺傳性分析

通過四親本RIL群體中共檢測到5個與小麥籽粒灌漿速率相關的QTL和3個與千粒重相關的QTL，平均灌漿速率和最高灌漿速率的位點具有高度一致性，揚麥16是累加籽粒灌漿速率和千粒重增效基因最多的親本，而揚麥22中未檢測到籽粒灌漿速率和千粒重的增效基因，這與四親本中揚麥16的籽粒灌漿速率和千粒重最高，而揚麥22的籽粒灌漿速率和千粒重最低的表型結果 一致。

4 結 論

本研究共檢測到5個新的與小麥籽粒灌漿速率相關的QTL，分別位于染色體3AL、4DL(2)、6AL和 7AL上；定位到3個與千粒重相關的QTL，分別位于染色體4AL(2)和4DS上；首次定位到3個與籽粒灌漿持續時間相關的QTL，分別位于染色體3A和4D(2)上。揚麥16是累加籽粒灌漿快和粒重高基因最多的品種。結果表明小麥籽粒灌漿速率和千粒重的遺傳特性比較復雜，與多個基因/QTL的效應有關，累加較多的籽粒灌漿快和千粒重高等優良基因可以培育出灌漿快和粒重高的品種。本研究為選育籽粒灌漿快和粒重高的小麥新品種提供材料與技術支撐。

致謝: 感謝中國農業科學院作物科學研究所數量遺傳課題組張魯燕研究員提供的GAPL軟件，并且在QTL定位中給予的悉心指導。