小麥籽粒硬度QTL的分析

周淼平 楊學(xué)明 張鵬 張平平 姚金保 何漪

摘要：小麥籽粒硬度是小麥分類和定級(jí)的重要標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)影響小麥面粉的最終用途。為了對(duì)小麥籽粒硬度的分子設(shè)計(jì)育種提供支撐，采用CI12633和揚(yáng)麥158配制的重組自交系群體，進(jìn)行連續(xù)3年種植和籽粒硬度分析，結(jié)合該群體遺傳連鎖圖，對(duì)影響小麥籽粒硬度的數(shù)量性狀座位（QTL）進(jìn)行分子定位。結(jié)果表明，小麥3D、5B、6A、6D和7A染色體上均存在影響小麥籽粒硬度的QTL，單個(gè)QTL可以解釋11.3%～25.1%的表型變異;其中6A和6D染色體上的QTL由親本CI12633貢獻(xiàn)，3D、5B和7A染色體上的QTL則來(lái)自親本揚(yáng)麥158;3D、6A、6D和7A染色體為新發(fā)現(xiàn)的QTL。這些QTLs可為長(zhǎng)江中下游麥區(qū)的軟質(zhì)弱筋小麥和硬質(zhì)中強(qiáng)筋小麥的培育提供參考。

關(guān)鍵詞：小麥;籽粒硬度;數(shù)量性狀座位（QTL）;分子設(shè)計(jì)育種

中圖分類號(hào)： S512.103? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）10-0072-03

小麥籽粒硬度是小麥商品化分類、定級(jí)和定價(jià)的重要標(biāo)準(zhǔn)，籽粒硬度不僅影響小麥籽粒的出粉率及面粉加工的能耗，還會(huì)通過(guò)影響面粉的流變學(xué)特性進(jìn)而影響面粉的加工品質(zhì)。因此，開(kāi)展小麥籽粒硬度遺傳機(jī)制的研究對(duì)于指導(dǎo)小麥品種改良具有極其重要的意義。

小麥籽粒的硬度受種植品種、種植環(huán)境及栽培措施的影響，其中品種基因型是主要影響因素[1]。研究發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒硬度是由多基因控制的數(shù)量性狀，主要由位于5D染色體短臂Ha位點(diǎn)的Pina和Pinb基因決定，軟質(zhì)對(duì)硬質(zhì)為顯性，當(dāng)2個(gè)基因均為野生型時(shí)，籽粒為軟質(zhì)，當(dāng)Pina缺失或Pinb發(fā)生突變時(shí)，籽粒表現(xiàn)為硬質(zhì)[2]。除Ha位點(diǎn)外，在1A、1B、4B、5A、5B、5D和7A等染色體上也發(fā)現(xiàn)了影響小麥籽粒硬度的數(shù)量性狀座位（QTL）[3-7]。由于以往的QTL定位研究多采用多態(tài)性相對(duì)較低的簡(jiǎn)單重復(fù)序列（SSR）標(biāo)記，遺傳連鎖圖的基因組覆蓋率偏低，部分QTL不能被檢出，導(dǎo)致單個(gè)研究定位的QTL數(shù)目少、總體表型解釋率低。隨著小麥參考基因組組裝的完成及基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，高通量標(biāo)記的開(kāi)發(fā)及高密度遺傳圖譜的構(gòu)建成為可能，小麥Q(jìng)TL的定位也愈來(lái)愈高效和準(zhǔn)確。

本研究擬采用籽粒硬度差異明顯的小麥品種CI12633和揚(yáng)麥158構(gòu)建的重組自交系群體為材料，結(jié)合該重組自交系群體的高密度遺傳連鎖圖，定位影響小麥籽粒硬度的QTLs，以期為今后小麥品質(zhì)設(shè)計(jì)育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 重組自交系群體和遺傳連鎖圖的構(gòu)建

1.1.1 親本及重組自交系群體的構(gòu)建 CI12633品種是提莫菲維小麥的六倍體衍生系，該品系籽粒小，但籽粒硬度較高;揚(yáng)麥158為江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所培育的品種，該品種適應(yīng)性廣，綜合抗病性好，曾在長(zhǎng)江中下游地區(qū)大面積種植，籽粒硬度中等。

重組自交系群體以揚(yáng)麥158為母本、CI12633為父本，采用單粒傳的方法培育，該群體含有198個(gè)家系，2017年已達(dá)第7代，本研究對(duì)其中94個(gè)家系進(jìn)行基因型分析和籽粒硬度的測(cè)定。

1.1.2 遺傳連鎖圖的構(gòu)建 采用二代測(cè)序方法開(kāi)發(fā)該群體的單核苷酸多態(tài)性（SNP）標(biāo)記，選取含有95%以上家系基因型的SNP標(biāo)記，去除共分離分子標(biāo)記，結(jié)合群體多態(tài)性SSR標(biāo)記，用JoinMap 4.0軟件構(gòu)建遺傳連鎖圖，詳見(jiàn)周淼平等的研究[8]，該遺傳圖譜覆蓋2 510.7 cM，含有3 355個(gè)分子標(biāo)記，包含31個(gè)連鎖群，根據(jù)SSR和小麥基因組信息，可以將所有連鎖群分配至相應(yīng)的染色體上。

1.2 親本和重組自交系群體的籽粒硬度測(cè)定

親本和群體各家系于2017、2018、2019年種植于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動(dòng)物科學(xué)基地，行長(zhǎng) 1.6 m，行寬0.25 m，每行均勻播種20粒種子，每個(gè)親本和家系間間隔1行，按常規(guī)管理，小麥成熟后收獲種子，曬干。每個(gè)親本和家系隨機(jī)取150粒籽粒，用Perten SKCS4100單籽粒硬度測(cè)定儀測(cè)定籽粒硬度指數(shù)，以硬度指數(shù)指示籽粒硬度，硬度指數(shù)數(shù)值越高，籽粒硬度越大。

1.3 數(shù)據(jù)分析和QTL定位

各個(gè)試驗(yàn)重組自交系群體的籽粒硬度指數(shù)最小值、最大值和平均值及試驗(yàn)間相關(guān)系數(shù)用R軟件計(jì)算。籽粒硬度QTL分析用MapQTL 5.0軟件[9]，先用QTL區(qū)間作圖法（interval mapping）初步定位，然后用復(fù)合QTL作圖法（MQM Mapping）進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)置換檢測(cè)（permutation test）推薦的極大似然函數(shù)比的常用對(duì)數(shù)（likelihood of odd，LOD值）判定是否存在QTL。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本和重組自交系群體籽粒硬度的測(cè)定結(jié)果

于2017、2018、2019年連續(xù)3年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動(dòng)物科學(xué)基地對(duì)親本和重組自交系群體各家系進(jìn)行試驗(yàn)。由表1可以看出，親本CI12633的籽粒硬度與揚(yáng)麥158差異明顯，3年的種植結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)這一結(jié)果;CI12633、揚(yáng)麥158的3年平均籽粒硬度指數(shù)分別為68.5、47.9;群體的籽粒硬度指數(shù)呈連續(xù)分布，且有超親現(xiàn)象，表明小麥籽粒硬度性狀是由多基因控制的數(shù)量性狀。

在本試驗(yàn)中，小麥籽粒硬度的遺傳力較高，受環(huán)境的影響小，可以從群體各家系連續(xù)3年試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)看出：2017年群體籽粒硬度指數(shù)與2018、2019年群體籽粒硬度指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)均為0.8，2018年群體籽粒硬度指數(shù)與2019年群體籽粒硬度指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)為0.7。

2.2 小麥籽粒硬度性狀的QTL定位結(jié)果

根據(jù)3年重組自交系群體籽粒硬度測(cè)定資料，結(jié)合已經(jīng)構(gòu)建的該群體高密度遺傳連鎖圖，采用復(fù)合區(qū)間作圖，共檢測(cè)到5個(gè)QTL位點(diǎn)，分別位于3D、5B、6A、6D和7A染色體上（圖1），單個(gè)QTL可以解釋11.3%～25.1%的表型變異，其中6A、6D染色體QTL由親本CI12633貢獻(xiàn)，3D、5B、7A染色體的QTL則來(lái)自親本揚(yáng)麥158（表2），7B、7D染色體雖然在區(qū)間作圖中檢測(cè)到QTL，但未能通過(guò)復(fù)合區(qū)間作圖的檢測(cè)。

在本研究發(fā)現(xiàn)的QTL中，位于3D、5B和6D染色體的QTL均只在1年表型資料中檢測(cè)到，屬于不穩(wěn)定QTL，可能與特定的環(huán)境有關(guān)。位于7A、6A染色體的QTL分別在2、3年表型資料中檢測(cè)到，屬于較為穩(wěn)定的QTL，可以在今后的標(biāo)記輔助育種或設(shè)計(jì)育種中發(fā)揮重要作用，特別是位于6A染色體的QTL，不僅穩(wěn)定，而且表型解釋率和加性效應(yīng)均較高，與之緊密連鎖的分子標(biāo)記是SNP標(biāo)記，可進(jìn)行高通量篩選。

3 討論與結(jié)論

采用重組自交系群體3年表型資料及遺傳連鎖圖，分別在3D、5B、6A、6D和7A染色體上定位了影響小麥籽粒硬度的QTL。由于親本CI12633和揚(yáng)麥158籽粒硬度均超過(guò)軟質(zhì)小麥，且對(duì)小麥籽粒硬度的影響最大，位于5D染色體的Ha位點(diǎn)在群體中未出現(xiàn)分離，因此推測(cè)2個(gè)親本在該位點(diǎn)均為硬質(zhì)突變型。與已有研究相比，位于3D、6A和6D染色體上的QTL尚未見(jiàn)報(bào)道，為新發(fā)現(xiàn)的QTL，特別是6A染色體的QTL比較穩(wěn)定，表型解釋率高，加性效應(yīng)明顯，可在今后小麥籽粒硬度的遺傳育種中發(fā)揮重要作用。

Groos等借助2個(gè)硬質(zhì)小麥構(gòu)建的重組自交系群體，曾在5B染色體上發(fā)現(xiàn)1個(gè)影響小麥籽粒硬度的QTL，可解釋7.9%～9.4%的表型變異[4]，根據(jù)SSR標(biāo)記信息，該QTL與本研究中檢測(cè)到的位于5B染色體的QTL位置接近，可能為相同的QTL。Kumar等采用重組自交系群體在2地連續(xù)2年進(jìn)行表型資料分析發(fā)現(xiàn)，在7A染色體的364.8～373.1 cM位置存在影響籽粒硬度的QTL，可解釋7.4%的表型變異[7]，但是根據(jù)小麥基因組信息，本研究檢測(cè)到的位于7A染色體上的QTL與之相距較遠(yuǎn)，為不同的QTL。

根據(jù)籽粒硬度，小麥可以分為軟質(zhì)麥與硬質(zhì)麥，用軟質(zhì)麥磨制的面粉顆粒度小、破損淀粉含量低、面粉吸水率低，適合制作餅干和糕點(diǎn)等;用硬質(zhì)麥磨制的面粉顆粒度大、破損淀粉含量高、面粉吸水率較高，適合制作面包和優(yōu)質(zhì)面條等[1]。在本研究中，親本CI12633為引進(jìn)的白粉病抗源，后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，其對(duì)小麥紋枯病和莖基腐病均有較好的抗性[8，10];揚(yáng)麥158的綜合抗病性好，曾在長(zhǎng)江中下游地區(qū)大面積種植。因此，可根據(jù)最終加工目的及親本特性，結(jié)合本研究發(fā)現(xiàn)的影響籽粒硬度的QTL，指導(dǎo)針對(duì)長(zhǎng)江中下游麥區(qū)的軟質(zhì)弱筋及中強(qiáng)筋等品質(zhì)小麥的品種改良。

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