小麥旗葉寬主效QTL QFlw-5B遺傳效應(yīng)解析

劉朦朦，張萌娜， 張倩倩，劉錫建，郭宇航，孫靳惠，武亞瑞，王素容，吳永振，孫 晗，崔 法，趙春華

(魯東大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山東煙臺 264025)

作物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)是光合作用，葉片是作物光合作用的主要器官[1-2]。旗葉是小麥生長后期光合效率最高的葉片，對光合作用的貢獻率占全部葉片光合作用貢獻率總和的 45%～58%[3-4]。旗葉的光合產(chǎn)物是小麥籽粒碳水化合物的重要來源[5]，提供了籽粒灌漿所需碳水化合物總量的 41%～43%[6]，對小麥籽粒產(chǎn)量的貢獻可達 1/3[7]，在籽粒和產(chǎn)量形成中起著重要的作用。旗葉性狀主要包括旗葉長、旗葉寬和旗葉面積。旗葉性狀對小麥產(chǎn)量影響很大，旗葉寬的影響顯著高于旗葉長和旗葉面積，旗葉越寬，葉片氣孔導(dǎo)度及胞間CO2濃度越大，越有利于氣體交換的進行和CO2的供應(yīng)[8]。小麥旗葉寬度與籽粒硬度等品質(zhì)性狀呈極顯著正相關(guān)[9]。因此挖掘與旗葉寬相關(guān)的優(yōu)異等位基因，開發(fā)分子標(biāo)記，進一步開展分子標(biāo)記輔助選擇育種，將大大加快小麥優(yōu)異品種的選育進程，為小麥產(chǎn)量性狀分子育種提供優(yōu)異基因資源和選擇工具。

小麥旗葉寬是受多基因控制的數(shù)量性狀，遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜。隨著分子生物學(xué)和生物統(tǒng)計的發(fā)展，以分子標(biāo)記遺傳圖譜和各種統(tǒng)計模型為基礎(chǔ)的數(shù)量性狀位點(quantitative trait loci,QTL)作圖技術(shù)，為研究數(shù)量性狀遺傳提供了有效的技術(shù)手段[10]。目前，國內(nèi)外有關(guān)旗葉性狀的QTL 研究已有諸多報道，Nalini等[11]確定了 25個關(guān)于旗葉長、旗葉寬和稈長的QTL；Fan等[12]在 8個環(huán)境中檢測到控制旗葉長、旗葉寬和旗葉面積的共 38個QTL；Wu等[13]在 4個環(huán)境中檢測到 11個有關(guān)旗葉寬的QTL；Hussain等[14]在4個環(huán)境中檢測到控制旗葉長、旗葉寬和旗葉面積的 30個QTL；Zhao等[15]在 4個環(huán)境中共檢測到 31個有關(guān)旗葉長、旗葉寬和旗葉面積的QTL；逯臘虎等[16]在小麥第四部分同源群上定位出 3個有關(guān)旗葉寬穩(wěn)定表達的主效QTL。但目前對于旗葉性狀遺傳效應(yīng)解析的報道并不多見。

本課題組利用科農(nóng) 9204與京 411構(gòu)建的重組自交系群體(KJ-RILs)在5B染色體上定位了一個控制旗葉寬的主效QTLQFlw-5B[12]。本研究在其基礎(chǔ)上利用SNP標(biāo)記進一步對QFlw-5B靶區(qū)段染色體進行加密，構(gòu)建高密度遺傳圖譜，進而對QFlw-5B進行定位，以期找出與其緊密連鎖的分子標(biāo)記并進行單倍型分析，明確其在育種上的應(yīng)用，為品種的遺傳改良提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為科農(nóng) 9204、京 411及其 188個家系組成的重組自交系群體(KJ-RIL)，由中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心李俊明研究員課題組提供。田間種植包括 8個環(huán)境，分別為 2011-2012年石家莊高氮環(huán)境(E1)，2011-2012年石家莊低氮環(huán)境(E2)，2012-2013年石家莊高氮環(huán)境(E3)，2012-2013年石家莊低氮環(huán)境(E4)，2012-2013年北京高氮環(huán)境(E5)，2012-2013年北京低氮環(huán)境(E6)，2012-2013年新鄉(xiāng)高氮環(huán)境(E7)，2012-2013年新鄉(xiāng)低氮環(huán)境(E8)，其相關(guān)性狀調(diào)查參照Fan等[12]的方法。310份育成品種(系)由本課題組收集和保存，其中包含 197份審定品種，詳見附表1。

1.2 QFlw-5B靶區(qū)段定位

結(jié)合前期QFlw-5B旗葉寬QTL定位結(jié)果[12]及靶區(qū)段分子標(biāo)記探針信息[17]，通過BLAST將靶區(qū)段分子標(biāo)記錨定于中國春參考基因組IWGSC RefSeq v1.0。利用完備區(qū)間作圖[18]軟件IciMapping v4.1(http://www.isbreeding.net/)和MapQTL 6.0對旗葉寬QTLQFlw-5B作進一步定位。

1.3 基因型掃描及數(shù)據(jù)處理

采用 SDS-酚法[19]從植株幼葉中提取DNA。利用小麥55K Affymetrix 芯片對 310份育成品種(系)組成的自然群體進行基因型鑒定，由北京康普森生物技術(shù)有限公司(http://www.kangpusen.com/)雜交分型獲得相關(guān)探針對應(yīng)材料的基因型。利用NCBI進行BLAST分析(ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/blast/executables/release/)，將每個SNP探針側(cè)翼序列與中國春的參考基因組IWGSC RefSeq v1.0進行比對，以明確SNP對應(yīng)的物理位置。結(jié)合310份自然群體基因型鑒定結(jié)果，在靶區(qū)段內(nèi)確定3個標(biāo)記AX-111065169(5B595513567)、AX-110922298(5B596618615)和AX-110913121(5B598056157)進行自然群體的單倍型分析。其中，優(yōu)異單倍型為AAA，非優(yōu)異單倍型為BBB，重組型為AAB、ABB、 BAA和BAB，雜合型為ABH、 AHA、 AHB、 AHH、 HAA、 BAH、 HAB、 HAH、 HBB和BHB。

2 結(jié)果與分析

2.1 QFlw-5B靶區(qū)段高密度遺傳連鎖圖譜構(gòu)建結(jié)果

在原圖譜基礎(chǔ)上[12]，構(gòu)建高密度遺傳連鎖圖譜，5B染色體新加密SNP標(biāo)記 5 938個[20]，進一步縮小了QFlw-5B靶區(qū)段的置信區(qū)間。圖1為5B靶區(qū)段染色體分子標(biāo)記加密之前低密度連鎖圖譜和加密之后高密度連鎖圖譜的比較，加密后圖譜明顯縮小了標(biāo)記間的平均遺傳距離。

圖1 QFlw-5B靶區(qū)段高密度遺傳連鎖圖譜及 QFlw-5B加密前后位置比較(加密前區(qū)間為80～110 cM，加密后區(qū)間為65～69 cM)

2.2 QFlw-5B在高密度遺傳圖譜的定位

利用兩個軟件(IciMapping 4.1 和 MapQTL 6.0)對QFlw-5B在高密度圖譜上進行進一步定位，兩個軟件均在 7個環(huán)境中(E1除外)檢測到在5BL染色體上的AX-110978403～AX-111671812區(qū)間內(nèi)有1個控制旗葉寬的主效QTL，LOD峰值也出現(xiàn)在此區(qū)間的61.22～68.60 cM遺傳距離范圍內(nèi)，LOD值為4.05～8.81(表1)，能夠解釋9.40%～19.76%的旗葉寬表型變異，來自科農(nóng) 9204的等位基因增加旗葉寬 0.04～0.07 cm。

表1 基于高密度遺傳圖譜7個環(huán)境下 QFlw-5B的定位結(jié)果Table 1 Location of QFlw-5Bin seven environments based on high-density genetic map

2.3 QFlw-5B對產(chǎn)量性狀的遺傳效應(yīng)

基于QFlw-5B緊密連鎖標(biāo)記(LOD峰值下標(biāo)記) AX-108884656對 188個KJ-RIL 進行基因型分組，結(jié)合其 8個環(huán)境下產(chǎn)量相關(guān)性狀表型數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果(圖2)表明，來自科農(nóng) 9204的優(yōu)異等位基因相對于京 411等位基因在增加旗葉寬的同時，8個環(huán)境下均能夠增加穗粒數(shù)，且對穗粒數(shù)的影響在E7下達到極顯著水平(P<0.01)。優(yōu)異等位基因在 6個環(huán)境下能增加千粒重(E2和E8除外)和單株產(chǎn)量(E4和E5除外)，平均單株產(chǎn)量增加 1.31%，而對單株穗數(shù)有一定的負效應(yīng)。

2.4 QFlw-5B靶區(qū)段在育成品種中的遺傳解析

2.4.1QFlw-5B靶區(qū)段單倍型分析

根據(jù) 310份育成品種(系)的芯片分析及SNP的物理位置信息，在QFlw-5B靶區(qū)間選取 3個SNP 標(biāo)記AX-111065169、AX-110922298和AX-110913121對310份育成品種(系)進行單倍型分析，靶區(qū)段優(yōu)異單倍型(科農(nóng) 9204基因型，AAA)所占比例為 16.13%；非優(yōu)異單倍型(京 411基因型，BBB)所占比例為 7.10%；重組型個體占 57.74 %；靶區(qū)段處于雜合狀態(tài)的材料占 10.32 %(表2)。

2.4.2QFlw-5B靶區(qū)段單倍型在不同省份的選擇效應(yīng)分析

在271個育成品種(系)(表3)中，青海省含QFlw-5B靶區(qū)段優(yōu)異單倍型的品種占其品種總數(shù)的比例最高，為 35%，重組型也占35%；其次是河南省，含QFlw-5B靶區(qū)段優(yōu)異單倍型的品種占32%，重組型占42%；河北省材料中，含靶區(qū)段優(yōu)異單倍型的品種占 22%，重組型占 69%；四川省材料中，含靶區(qū)段優(yōu)異單倍型的品種占20%，重組型占 57%；北京市材料中，含靶區(qū)段優(yōu)異單倍型的品種占 5%，重組型品種占 50%；山東省材料中，含靶區(qū)段優(yōu)異單倍型品種占 5%，重組型品種占 79%。西藏，安徽省、云南省、陜西省、山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和甘肅省等省份的材料由于數(shù)量過少，在這里不做統(tǒng)計分析。

AAA:等位基因來自科農(nóng)9204的KJ-RIL；BBB：等位基因來自京411的KJ-RIL； **：AAA與BBB在E7環(huán)境下差異極顯著(P<0.01)。

AAA: KJ-RIL containing the allele derives from Kenong 9204; BBB: KJ-RIL containing the allele derives from Jing 411; **: The differences between AAA and BBB are significant under E7(P<0.01).

圖2QFlw-5B對產(chǎn)量性狀的遺傳效應(yīng)

Fig.2 Genetic effect ofQFlw-5Bon yield related traits

表2 310份高代育成品種(系)的 QFlw-5B單倍型分析Table 2 Haplotype analysis of QFlw-5Bin the 310 high generation varieties(lines)

優(yōu)異單倍型為AAA；非優(yōu)異單倍型為BBB；重組型包括AAB、ABB、BAA和BAB；雜合型包括ABH、AHA、AHB、AHH、HAA、BAH、HAB、HAH、HBB和BHB。表3同。

The excellent haplotype is AAA; The non-excellent haplotype is BBB; The recombinant type include AAB,ABB,BAA and BAB; The heterozygous type include ABH,AHA,AHB,AHH,HAA,BAH,HAB,HAH,HBB and BHB.The same in table 3.

2.4.3 含QFlw-5B優(yōu)異單倍型的品種

對 310個品種(系)中的 45個含QFlw-5B優(yōu)異單倍型的品種按省份來源分析(表4)。其中，青海省和河南省含有優(yōu)異單倍型的品種最多，都為 12個品種；其次是四川省，有9個含優(yōu)異單倍型的品種；山東省材料中，優(yōu)異單倍型品種為 6個；河北省材料中，優(yōu)異單倍型品種為 5個；北京市材料中只有 1個優(yōu)異單倍型品種?？梢姡蠖鄶?shù)省份材料中優(yōu)異單倍型的個數(shù)均較少。

3 討 論

在本研究中，QFlw-5B靶區(qū)段錨定到5BL物理圖譜上，對應(yīng)于5B:594145232～602570956的物理區(qū)間。在前人的研究中，Edae等[21]在5B:576921577的物理位置附近檢測到與穗粒數(shù)相關(guān)的QTL。Wang[22]和 Golabadi[23]在5B:577086664的物理位置附近，檢測到與千粒重、穗粒重相關(guān)的QTL[22-23]。Zhang等[24]在5B:61984378～5B:634179670的物理區(qū)間內(nèi)檢測到與千粒重相關(guān)的QTL。Liu等[25]在5B:598031683的物理位置附近檢測到與穗粒重相關(guān)的QTL?？梢?，靶區(qū)段附近存在與產(chǎn)量性狀相關(guān)的QTL位點。

本研究中，利用與QFlw-5B緊密連鎖分子標(biāo)記對產(chǎn)量相關(guān)性狀進行了分析，發(fā)現(xiàn)增加旗葉寬的標(biāo)記同時對穗粒數(shù)、千粒重和單株產(chǎn)量有一定的增效作用，對單株穗數(shù)有一定的負效應(yīng)，這與Zhao等[15]研究結(jié)果一致，因此在小麥育種中應(yīng)對寬旗葉的材料進行適當(dāng)?shù)倪x擇。

表3 不同省份品種(系)的 QFlw-5B 單倍型分析Table 3 Haplotype analysis of QFlw-5Bin varieties(lines) from different provinces

表4 含 QFlw-5B 優(yōu)異單倍型的品種(系)Table 4 Varieties(lines) of QFlw-5Bexcellent haplotype

QFlw-5B靶區(qū)段在 310份小麥育成品種(系)中的單倍型分析表明優(yōu)異單倍型在育種材料中已得到選擇，但選擇程度在不同省份各有差異。QFlw-5B靶區(qū)段優(yōu)異單倍型在源于青海省和河南省的材料中占比較高，表明QFlw-5B靶區(qū)段優(yōu)異單倍型在青海春麥、冬麥及河南冬麥育種中已被育種家優(yōu)先選擇，但是在源自北京市和山東省的材料中，QFlw-5B靶區(qū)段優(yōu)異單倍型占比較低，僅為 5%，表明QFlw-5B靶區(qū)段優(yōu)異單倍型在黃淮冬麥區(qū)育種中還未被育種家選擇。而重組型品種在所有省份中所占比例均較高，表明小麥旗葉寬改良還有很大空間。