小麥耐鹽性QTL的元分析

程宇坤,何萬龍,任 毅,耿洪偉

(1.新疆農業大學農學院/優質專用麥類作物工程技術研究中心/新疆作物遺傳改良與種質創新重點實驗室,新疆烏魯木齊 830052)

小麥耐鹽性是由多個基因控制的數量性狀,耐鹽機理復雜[1]。發掘小麥及其近緣物種中新的耐鹽遺傳位點并將其運用到育種工作中,已成為培育耐鹽小麥品種最經濟、有效且安全的方法。

任永哲等[2]以小偃54×京411 RIL群體為材料,檢測了鹽脅迫下調控小麥苗期性狀的QTL,發現多數調控小麥耐鹽性的QTL成簇位于3A、4A、4B、5B和5D染色體上。王秀華等[3]在鹽脅迫處理下對泰農18×臨麥6號RIL群體進行耐鹽性QTL定位,在3A、4A、7A和7B染色體上共定位到7個耐鹽性QTL。李世姣[4]以CH7034×SY95-71 RIL群體為材料進行耐鹽性QTL定位,在小麥5AL染色體上定位到1個穩定的耐鹽位點QKna.sx_5A?；糁緦W[5]以豆麥×矮抗58 RIL群體為材料進行耐鹽性QTL定位,共定位到8個QTL,其中Qarl-4A為主效QTL。

數量性狀基因座元分析(meta quantitative traits and loci,MQTL)可將不同研究數據進行整合,縮小置信區間[6]。Arcade等[7]開發出用于元分析的BioMercator軟件,可將目標性狀相關的所有QTL映射整合到一張遺傳圖譜上,對多個獨立試驗的QTL數據進行比對分析,并進一步縮小置信區間,獲得一致性MQTL。胡雅君等[8]通過對168個控制小麥籽?？扇苄蕴妓衔锖康腝TL進行元分析,構建一致性圖譜,最終獲得16個MQTL。王 鵬等[9]對113個粒長QTL和86個粒寬QTL進行元分析,獲得18個控制粒長的MQTL和8個控制粒寬的MQTL。程宇坤等[10]通過對342個小麥條銹病抗性QTL,通過元分析獲得了194個MQTL。

本研究對已報道的耐鹽性QTL[11]進行歸納整理,在Wheat composite 2004圖譜的基礎上,以Maccaferri等[12]以及DArT網站(https://www.diversityarrays.com/technology-and-resources/geneticmaps/)報道的小麥高密度分子標記圖譜作為參考,利用BioMercator v4.2.3軟件(http://moulon.inrae.fr/en/logiciels/biomercator/)將這些QTL映射到參考圖譜上,構建小麥耐鹽性QTL一致性圖譜,通過元分析挖掘MQTL,以期為小麥耐鹽遺傳機制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

以美國農業部公共數據庫(http://wheat.pw.usda.gov/)和已發表文獻[2,13-44]中控制小麥耐鹽性的QTL為研究對象。

1.2 方法

利用BioMercator v4.2.3軟件對收集到的小麥耐鹽QTL進行整理,包括QTL名稱、染色體位置、LOD值、表型變異率、緊密連鎖標記、置信區間、群體大小等,其中QTL位置(置信區間和QTL的最大可能位置)和遺傳貢獻率是進行QTL元分析的兩個必要參數。

利用BioMercator v4.2.3軟件對位于同一位點不同遺傳背景的N個獨立存在的目標性狀相關的QTL進行運算,計算出同一性狀QTL在同一位點或重疊位點上的MQTL。每個MQTL會給出五個模型(1、2、3、4和N),其中赤池信息量準則值(akaike-type criteria values,AIC)最小的模型為最優模型,即真實的QTL模型,按照最大似然函數比方法通過高斯定理計算其置信區間及物理位置。如果某個QTL置信區間未知,可通過Darvasi等[45]應用的的公式來估算95%置信區間。

C.I=530/(N×R2)

(1)

C.I=163/(N×R2)

(2)

其中,C.I為QTL的95%置信區間,N為遺傳群體的大小,R2為QTL的表型變異率。公式(1)適用于雜交群體(F2)和回交群體(BC),公式(2)適用于重組自交系群體(RIL)和近等基因系群體(NIL)。若QTL的置信區間已知,根據此公式也可計算出QTL的表型變異率[10]。

2 結果與分析

2.1 小麥耐鹽性QTL信息收集和圖譜整合結果

從小麥數據庫和已發表文獻中檢索小麥耐鹽性QTL,共收集到215個QTL,來自于29不同遺傳背景群體,包括Berkut×Worrakatta、SR3×JN177、魯麥21×山農0431、TK6×DK961等,具體信息見表1。以Maccaferri等[12]以及DArT網站報道的小麥DArT標記圖譜作為參考,利用BioMercator v4.2.3軟件中的QTL projection功能將收集到的QTL逐一映射到參考圖譜上,結果發現共有100個QTL被映射到參考圖譜上,這些QTL的LOD值變化范圍為1.51～22.35,表型變異率為2.07%～39.21%(表2)。

表1 小麥耐鹽性QTL數據的整合Table 1 Integration of QTL data for salt tolerance in wheat

表2 小麥耐鹽性QTL的元分析Table 2 Meta-analysis of QTL for salt tolerance in wheat

2.2 小麥耐鹽性QTL的元分析結果

利用BioMercator v4.2.3軟件對耐鹽性QTL進行元分析,以5個模型中AIC值最小為準,確定其MQTL位置,最終將100個耐鹽性MQTL映射到小麥21條染色體上(表2)。每條染色體分布的MQTL數目不同,平均每條染色體分布4.7個MQTL。有85個MQTL映射到構建的一致性圖譜上,其中在4A染色體上分布的MQTL數目最多,有8個;在6D染色體上分布的MQTL數目最少,只有1個。在4A染色體Xgwm219～Xbarc78標記區間(包含7個MQTL)、3B染色體Xwpt-800213～Xwpt-9432標記區間(包含5個MQTL)和7B染色體Xbarc176～Xwgp45標記區間(包含6個MQTL)分布的MQTL存在重疊區域,即耐鹽性QTL熱點區域(圖1),這些熱點區域可能含有控制小麥耐鹽性的重要基因。

染色體右側的豎線表示QTL的置信區間。豎線上方的數字表示MQTL編號。The vertical line on the right side of chromosome means the confidence inderval of QTL. The number above vertical line means the code of MQTL.圖1 小麥耐鹽性QTL的一致性圖譜Fig.1 Consensus map of QTL for salt tolerance in wheat

3 討論

3.1 參考圖譜的選擇

元分析中最重要的是參考圖譜的選擇。在小麥相關性狀元分析中最常用的是以Wheat composite 2004為參考圖譜,該圖譜包含SSR、AFLP、RFLP等標記。隨著大量新型標記(如SNP、DArT)被廣泛應用到小麥相關性狀的QTL定位中,導致新的QTL無法映射到該參考圖譜中。本研究在Wheat composite 2004圖譜的基礎上,以Maccaferri等[12]和DArT 4.0網站報道的小麥分子標記圖譜作為參考,該圖譜包含SNP、DArT以及SSR等標記,元分析獲得的MQTL區間更小。

3.2 小麥耐鹽性QTL元分析及一致性圖譜的構建

張瑤堯[46]利用163個SSR標記構建F2群體的遺傳連鎖圖譜,并對小麥苗期耐鹽性QTL進行定位,結果檢測到147個耐鹽性QTL,其中9個為一因多效位點,LOD值為2.66～5.12,可解釋2.89%～13.98%的表型變異。本研究發現的熱點區域共包含18個一因多效位點,LOD值為1.51～22.35,可解釋2.07%～39.21%的表型變異。楊彩鳳等[21]通過QTL定位,在3A、1B和5B染色體發現了3個與根部耐鹽相關的QTL。本研究結果與其結果進行比對后發現,本研究中位于3A染色體Xwmc527～Xwmc264標記區間的QTL,遺傳距離從11.12 cM縮短至0.23 cM;位于1B染色體Xbarc119～Xcfe203.2標記區間的QTL,遺傳距離從24.34 cM縮短至0.27 cM;位于5B染色體Xbarc36～Xgdm標記區間的QTL,遺傳距離從27.84 cM縮短至20.5 cM。說明元分析能更有效的對QTL進行遺傳效應解析,進而篩選耐鹽相關候選基因。

4 結論

本研究收集到215個小麥耐鹽QTL,將整理的QTL信息映射到參考圖譜上,最終映射到100個MQTL,發現了3個與耐鹽相關的MQTL熱點區域。本研究為小麥耐鹽新基因甄別及其精細定位提供分子依據。