四倍體小麥株高和穗長性狀的QTL定位及其遺傳效應分析

陳黃鑫，李 聰，吳坤燕，王 岳，牟 楊，唐華蘋，唐力為，蘭秀錦，馬 建

(1.四川農業大學小麥研究所，四川成都 611130； 2.四川農業大學農學院，四川成都 611130；3.攀枝花市農林科學研究院，四川攀枝花 617061)

小麥作為全球重要的糧食作物之一，其產量的提高對于解決人口劇增導致的糧食短缺問題非常關鍵。而株高和穗長對小麥產量的提升具有積極的促進作用。

迄今為止，在小麥染色體上已經鑒定到許多控制株高和穗長的基因/QTL。20世紀中期，()和()矮稈基因的發掘，提高了作物的抗倒伏能力，進一步提高了作物產量，掀起了矮稈育種的綠色革命浪潮；之后，Peng等在圓錐小麥Aiganfanmai的7A染色體短臂上定位到控制株高的基因；Mo等利用UC1110和PI610750構建的包含186個株系的RIL群體為材料，在小麥6A染色體短臂上定位到控制株高的基因，這些株高基因與赤霉素途徑密切相關。此外，付美玉等利用矮稈突變體，使用外顯子捕獲測序和集群分離分析法，在2D染色體上檢測到1個控制株高的QTL；Xiong等基于55K SNP高密度遺傳圖譜，利用eh1和輪選987構建的包含207個株系的RIL群體為材料，在2A、4A、4B和6B染色體上共鑒定到7個控制株高的QTL，可解釋4.40%～ 34.40%的表型變異，在3A、4A、5B、6A、6B和7D染色體上檢測到9個控制穗長的QTL，可解釋 3.00%～22.00%的表型變異；Anuarbek等利用全基因組關聯分析對184份原始和馴化小麥進行了SNP位點挖掘，共檢測到15個控制株高的QTL和13個控制穗長的QTL；姚儉昕等利用小偃81和西農1376構建的包含120個株系的F代RIL群體為材料，共檢測到3個控制穗長的QTL，分布在2B、2D和5D染色體上；Deng等利用花培3和豫麥57構建的包含168個雙單倍體小麥群體為材料，在4個不同處理下共檢測到11個控制穗長的QTL；嚴 俊等以硬粒小麥Langdon和野生二粒小麥G18-16構建的包含152個株系的F代RIL群體為材料，在5A和7A染色體上共檢測到3個控制穗長的QTL。

關于小麥株高和穗長基因/QTL的研究已有較多報道，但由于六倍體普通小麥基因組龐大且復雜，同時受到現階段分子技術限制，研究較為困難。在小麥的進化或馴化過程中，四倍體硬粒小麥(L.，2=4=28，AABB)和野生二粒小麥(ssp.，2=4=28，AABB)分別是普通小麥的重要近緣物種和祖先種，同時也是六倍體小麥重要的二級資源庫。相比于六倍體小麥，四倍體小麥的基因組相對較小，染色體上也含有豐富的基因資源，研究起來相對簡單，從四倍體小麥的近緣物種中挖掘鑒定可用的基因資源并運用到六倍體小麥，成為現階段的主要育種手段之一，同時，四倍體硬粒小麥和野生二粒小麥具有一定的親緣關系，便于深入研究株高和穗長的遺傳基礎，對普通小麥高產育種有著重要意義。因此，本研究以硬粒小麥矮蘭麥和野生二粒小麥LM001構建的包含121個株系的F代RIL群體為材料，基于55K SNP芯片構建了遺傳連鎖圖譜，并結合5年8個生態環境的株高和穗長表型數據，挖掘與株高和穗長相關且能夠穩定表達的主效QTL，并分析其遺傳效應，為其精細定位和聚合育種提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為矮蘭麥和LM001及其通過單籽粒傳法構建的F代RIL群體。該群體包含121個株系，其親本為四川地方硬粒小麥品種矮蘭麥(母本)和野生二粒小麥LM001(父本)，兩者均為四倍體小麥，由四川農業大學小麥研究所收集并保存。其中，母本矮蘭麥穗長較短且株高較矮。

1.2 試驗方法和表型鑒定

對119份RIL群體及其親本分別于2017-2021年種植在四川省崇州市試驗基地(分別用2017CZ、2018CZ、2019CZ、2020CZ和2021CZ表示)，并于2020年和2021年也種植在四川省成都市溫江區試驗基地(分別用2020WJ和2021WJ表示)，進行株高和穗長的表型鑒定；于2020年也種植在四川省雅安市試驗基地(用2020YA表示)，僅進行穗長的表型鑒定。于小麥成熟期，每個株系選取生長良好且長勢一致的三個單株(排除邊際效應)，使用米尺和直尺測量株高和穗長(不包括芒)。播種方法為單粒播種，每個株系播種一行，行長1.5 m，行距0.3 m，株距0.1 m，按當地常規小麥生產進行田間管理。

1.3 遺傳圖譜的構建和QTL定位

利用本課題組前期基于小麥55K SNP芯片構建的遺傳連鎖圖譜，結合表型數據，用IciMapping 4.1 (https://www.isbreeding.net/)軟件中的完備復合區間作圖法(ICIM-ADD)對株高和穗長QTL進行檢測，參數設置為：Step=1 cM，PIN值=0.001，LOD閾值=2.5，并計算出每個QTL的表型變異和加性效應，同時進行QTL的多環境分析，參數設置為：Step=1 cM，PIN值=0.001，LOD閾值=8。QTL命名按照國際遺傳命名規則(https://wheat.pw.usda.gov/ggpages/wgc/98/Intro.htm)進行。在Graingenes 2.0(https://wheat.pw.usda.gov/gg2/index.shtml)和NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)網站檢索前人已經報道的小麥株高和穗長QTL及其側翼標記和基因信息，并與中國春的最新參考基因組v2.1、硬粒小麥參考基因組和野生二粒小麥參考基因組2.0進行比對，獲得標記的物理位置。

1.4 統計分析

用Microsoft Excel 2016對株高和穗長的表型數據進行平均值的計算；用SAS 9.1.3對株高和穗長進行BLUP值和廣義遺傳力()的計算；用Origin 2021繪制株高和穗長的頻率分布圖和箱線圖；用IBM SPSS Statistics 27進行獨立樣本T檢驗，分析顯著性水平(異常值不做數據分析)；根據55K SNP芯片數據查找本研究中株高和穗長QTL側翼標記的物理位置。

2 結果與分析

2.1 親本及其RIL群體株高和穗長的表型分布

從表1可知，親本LM001的株高在除2018CZ之外的6個環境中均極顯著高于矮蘭麥；而LM001的穗長僅在2021CZ環境下顯著高于矮蘭麥。RIL群體株高和穗長的遺傳力分別為0.79和0.70，表明它們受遺傳因素影響較大，受環境影響較小。RIL群體在不同環境下的株高和穗長都存在超親分離現象，且兩者的頻率分布圖在每個環境下均呈近似正態分布(圖1)。因此，株高和穗長性狀具有典型的數量遺傳學特點，可用作QTL檢測。

圖1 不同環境下RIL群體株高和穗長的頻率分布

表1 不同環境下親本及RIL群體株高和穗長的表型分布

2.2 株高和穗長QTL的檢測結果

結合本課題組前期構建的遺傳連鎖圖譜，并結合5年8個生態環境的表型數據，共鑒定到7個株高QTL和17個穗長QTL，分布在9條染色體上(表2)。

表2 基于RIL群體檢測到的株高和穗長QTL

7個株高QTL分別位于2A、2B、4B、5A、6A和7A染色體上，其中，4B染色體上的在3個環境中被檢測到，可解釋 9.17%～20.03%的表型變異，為穩定表達的主效位點，其加性效應來源于母本矮蘭麥；7A染色體上的在2個環境中被檢測到，可解釋10.44%～14.48%的表型變異，也為穩定表達的主效位點，其加性效應來源于父本LM001；其他5個QTL僅在單個環境中檢測到，可解釋7.46%～11.94%的表型變異。

17個穗長QTL分別位于2A、2B、3A、4A、4B、5A和6B染色體上，其中，2B染色體上的在5個環境中被檢測到，可解釋10.41%～16.29%的表型變異，為穩定表達的主效位點，其加性效應來源于父本LM001；4B染色體上的和6B染色體上的均在2個環境中被檢測到，分別可解釋7.54%～11.70%和7.68%～ 8.27%的表型變異，其加性效應均來源于母本矮蘭麥，其中，也為穩定表達的主效位點；其他15個QTL僅在1個環境中檢測到，可解釋6.52%～17.10%的表型變異。

多環境分析結果(表3)表明，當LOD閾值為8時，共檢測到13個QTL，其中，在單環境中穩定表達的主效QTL(、、和)在多環境中也能被檢測到，進一步表明這4個QTL為穩定的QTL。

表3 多環境分析株高和穗長QTL

2.3 與株高和穗長相關且穩定表達的主效QTL的遺傳效應

根據同一性狀主效QTL側翼標記的基因型和效應位點來源，將RIL群體的121個株系分 成兩類，一類是僅攜帶相應QTL增效位點 的株系，一類是不攜帶相應QTL增效位點的 株系。

進一步對這兩類株系進行檢測，結果(表4)表明，單個生態環境條件下，對于株高，攜帶增效位點株系的株高在各個環境下均顯著或極顯著高于不攜帶該位點的株系，增幅為 9.60%～ 21.35%；攜帶增效位點株系的株高在除2020WJ和2021WJ之外的5個環境下均極顯著高于不攜帶該位點的株系，增幅為 5.79%～18.20%。對于穗長，攜帶增效位點株系的穗長在除2018CZ和2020YA之外的6個環境下均極顯著高于不攜帶該位點的株系，增幅為 0.80%～ 16.98%；攜帶增效位點株系的穗長在2017CZ、2020CZ和2021CZ三個環境下均顯著或極顯著高于不攜帶該位點的株系，增幅為 2.11%～11.93%。

表4 穩定表達的穗長和株高主效QTL的遺傳效應

2.4 與株高和穗長相關且穩定表達的主效QTL的聚合效應

分別用株高和穗長的BLUP值，結合側翼標記的基因型，對主效QTL進行聚合效應分析。對于株高，僅攜帶或增效位點株系的株高極顯著高于不攜帶任何位點的株系，增幅分別為6.70%和 5.42%；同時攜帶和增效位點株系的株高也顯著或極顯著高于僅攜帶或增效位點的株系以及不攜帶任何位點的株系，增幅分別為3.91%、5.17%和10.87%(圖2a)。對于穗長，僅攜帶或增效位點株系的穗長極顯著高于不攜帶任何位點的株系，增幅分別為7.36%和 6.39%；同時攜帶和增效位點株系的穗長也極顯著高于僅攜帶或的株系以及不攜帶任何位點的株系，增幅分別為6.19%、7.16%和14.01%(圖2b)。

圖中百分數表示兩個株系之間株高或穗長的變幅。*和**分別表示株系之間在0.05和0.01水平上差異顯著。

3 討 論

本研究定位到的位于4B染色體短臂上，與Liu等定位到的距離較近，推測與可能是等位位點；位于7A染色體短臂上，與前人在7A染色體定位到的、和物理位置均無重疊區段，說明可能是新的控制株高的QTL；位于2B染色體長臂上，與前人定位到的QTL物理位置均無重疊，可能是新的控制穗長的QTL；位于4B染色體長臂上，與李樂晨定位到的穗長QTL位點距離較近。此外，在2B染色體上已經報道的、4B染色體上已經報道的以及7A染色體上已經報道的與本研究定位到的QTL位點區間無重疊，但是由于QTL定位精確度存在局限性和遺傳背景的干擾，很難排除、和基因對、、和的影響，因此需要進一步用分子標記或精細定位來確定。

本研究在RIL群體的后代中發現了超親分離性狀，這種現象不僅有基因分離產生的作用，還存在著基因自由組合對性狀的影響。和(控制株高)、和(控制穗長)效應位點分別來自兩個不同的親本，株高和穗長的聚合效應顯著，同時株高和穗長的表型增加也并非簡單的累加，說明多個主效QTL位點的存在可能是產生超親性狀的主要原因。聚合多個QTL可用于育種工作，能夠避免單個QTL的效應不足，同時增加所聚合QTL的效應，提高分子輔助選擇育種的效率。聚合多個抗病基因能夠提升作物廣譜抗性和持久性。例如，劉 凱等將、和基因聚合，選育出抗稻瘟病的水稻新品系鹽稻 1626。本研究結果表明，聚合育種同樣可以運用于株型和穗型的遺傳改良，對于培育理想株型的小麥有著積極意義。但不同基因/QTL之間還可能存在位點冗余、位點掩蓋、上位效應等復雜的互作機制，因此，在進行聚合分析時應進行多方面的研究。