劉 凱 鄧志英 張 瑩 王芳芳 劉佟佟 李青芳 邵 文 趙 賓 田紀(jì)春 陳建省

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小麥莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)性狀QTL的連鎖和關(guān)聯(lián)分析

劉 凱 鄧志英 張 瑩 王芳芳 劉佟佟 李青芳 邵 文 趙 賓 田紀(jì)春*陳建省*

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥品質(zhì)育種研究室 / 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東泰安 271018

小麥莖稈斷裂強(qiáng)度與倒伏特性關(guān)系密切, 并對(duì)產(chǎn)量有很大影響。本研究旨在解析莖稈斷裂強(qiáng)度的遺傳機(jī)制, 開發(fā)與該性狀緊密連鎖/關(guān)聯(lián)的分子標(biāo)記。利用山農(nóng)01-35′藁城9411重組自交系(RIL)群體(含173個(gè)F8:9株系)和由205個(gè)品種(系)構(gòu)成的自然群體, 借助90 k小麥SNP基因芯片、DArT芯片及傳統(tǒng)分子標(biāo)記技術(shù), 在2個(gè)環(huán)境中對(duì)兩群體的莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)性狀進(jìn)行連鎖分析和全基因組關(guān)聯(lián)分析。利用已構(gòu)建的高密度連鎖圖譜, 在4B染色體的TDURUM_CONTIG63670_287–IACX557和EX_C101685–RAC875_C27536等區(qū)段上, 檢測(cè)到9個(gè)控制小麥莖稈斷裂強(qiáng)度、株高、莖稈第2節(jié)間充實(shí)度、莖稈第2節(jié)壁厚相關(guān)性狀的加性QTL, 可解釋表型變異9.40%~36.30%。同時(shí), 利用包含24 355個(gè)SNP位點(diǎn)的復(fù)合遺傳圖譜, 在自然群體中檢測(cè)到37個(gè)與莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)性狀(< 0.0001)的標(biāo)記, 分別位于1A、1B、2B、2D、3A、3B、4A、4B、5A、5B、5D、6B、7A、7B和7D染色體, 可解釋表型變異7.76%~36.36%。在4B染色體上, 以連鎖分析檢測(cè)到控制莖稈斷裂強(qiáng)度的RAC875_C27536與關(guān)聯(lián)分析檢測(cè)到的Tdurum_contig4974_ 355標(biāo)記, 在復(fù)合遺傳圖譜上的距離為6.7 cM, 說明該區(qū)段存在控制小麥莖稈斷裂強(qiáng)度的重要基因。

普通小麥; QTL定位; 連鎖分析; 全基因組關(guān)聯(lián)分析; 莖稈斷裂強(qiáng)度

倒伏是小麥生產(chǎn)中普遍存在的問題, 不僅導(dǎo)致小麥產(chǎn)量降低、收割不便, 而且造成子粒癟瘦、容重降低、磨粉品質(zhì)和最終加工品質(zhì)變差、小麥商品性下降等問題[1]。小麥倒伏一般發(fā)生在莖稈基部10%~30%處[2], 即莖稈基部第2節(jié)和第3節(jié)。小麥莖稈斷裂強(qiáng)度是小麥自身抗倒性的綜合指標(biāo), 與莖粗和稈壁厚、節(jié)間密度、莖稈結(jié)構(gòu)特征以及莖稈化學(xué)成分關(guān)系密切。前人對(duì)小麥莖稈的形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)和生理學(xué)的研究較多, 但缺乏遺傳基礎(chǔ)研究[3]。在基因水平解析小麥莖稈斷裂強(qiáng)度的遺傳機(jī)制, 對(duì)利用分子標(biāo)記輔助選擇和分子設(shè)計(jì)育種具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)小麥莖稈基部節(jié)間長(zhǎng)度、莖粗、稈壁厚度及莖稈強(qiáng)度等進(jìn)行了QTL定位, 共檢測(cè)到30多個(gè)QTL[4-12]。主要分布在3B[4-7]、4B[8-10]、5A[11-12]染色體上。其中, Hai等[4]利用CA9613×H1488構(gòu)建的113個(gè)DH家系, 定位到6個(gè)控制莖稈強(qiáng)度、莖壁厚、髓腔直徑和莖粗的QTL, 其中在3A和3B上檢測(cè)到2個(gè)控制莖稈強(qiáng)度的QTL, 其表型貢獻(xiàn)率分別為10.6%和16.6%。Marza等[6]利用132個(gè)F12重組自交系, 檢測(cè)到3個(gè)與倒伏程度相關(guān)的QTL, 位于1B、4AL和5A染色體上, 貢獻(xiàn)率分別為16.7%、14.1%和23.0%。Verma等[8]利用Milan×Catbird創(chuàng)建的含有96個(gè)株系的DH 群體, 在4B和2D染色體上分別檢測(cè)到與基部第1節(jié)間長(zhǎng)和抗折斷力相關(guān)的QTL, 貢獻(xiàn)率分別為11%和13%。

隨著基因芯片技術(shù)和測(cè)序技術(shù)的發(fā)展, 自動(dòng)化程度更高的第3代單核苷酸多態(tài)性(SNP)標(biāo)記迅速應(yīng)用[13], 該標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用在基因組中具有遺傳穩(wěn)定、數(shù)量多、分布廣且易于檢測(cè)等特點(diǎn), 適合于數(shù)量龐大的檢測(cè)分析[14],在模式動(dòng)植物和重要農(nóng)作物中發(fā)揮著越來越重要的作用, 已成功應(yīng)用于人類[15]、果蠅[16]、水稻[17]、玉米[18]等多種生物的遺傳研究。而小麥?zhǔn)钱愒戳扼w, 基因組龐大, 與水稻、玉米等作物相比, 小麥SNP標(biāo)記的開發(fā)與利用較晚。迄今, 未見基于SNP標(biāo)記對(duì)小麥莖稈斷裂強(qiáng)度研究的報(bào)道。

近年來, 基于遺傳連鎖圖譜的QTL作圖及連鎖不平衡(LD)的關(guān)聯(lián)作圖(genome-wide association study, GWAS)技術(shù), 分別先后被應(yīng)用于控制小麥重要數(shù)量性狀的功能性等位變異檢測(cè)及基因研究中[19-20], 連鎖不平衡關(guān)聯(lián)作圖無需構(gòu)建專門的作圖群體, 并能同時(shí)檢測(cè)同一座位的多個(gè)等位基因, 但該方法易受群體結(jié)構(gòu)的影響而產(chǎn)生標(biāo)記與性狀間的偽關(guān)聯(lián)[21], 在作圖的效率上很大程度受群體LD水平、標(biāo)記密度等的影響; 而遺傳連鎖作圖適用于全基因組QTL掃描, 可以對(duì)某一個(gè)QTL進(jìn)行精細(xì)的遺傳定位, 但該技術(shù)需要根據(jù)所研究的性狀構(gòu)建專門的遺傳群體, 而且獲得的分子標(biāo)記受到群體親本遺傳背景影響, 實(shí)效性及應(yīng)用范圍常常受到一定限制。因此, 兩種作圖策略在QTL定位的精度和廣度、提供的信息量、統(tǒng)計(jì)分析方法等方面具有明顯的互補(bǔ)性。聯(lián)合兩種作圖策略可以極大地提高對(duì)復(fù)雜數(shù)量性狀的遺傳解析力度[22-23]。目前, 在玉米[23]、擬南芥[21]、毛白楊[24]中均有聯(lián)合利用兩種作圖策略進(jìn)行數(shù)量性狀遺傳解析的報(bào)道, 但在小麥中相關(guān)報(bào)道較少。

莖稈斷裂強(qiáng)度是影響小麥倒伏的重要因素, 迄今缺乏遺傳基礎(chǔ)研究[3]。雖有莖稈強(qiáng)度基因定位的報(bào)道, 但因研究使用的群體遺傳背景、群體大小以及分子標(biāo)記技術(shù)不同等原因, 檢測(cè)到的一致性基因位點(diǎn)不多; 另外, 前期研究使用的標(biāo)記大多是傳統(tǒng)的SSR、RFLP等標(biāo)記, 遺傳圖譜包含多態(tài)性標(biāo)記少、標(biāo)記間距離大, 定位到的莖稈強(qiáng)度相關(guān)性狀連鎖不緊密, 難以在育種實(shí)踐或深入研究中得以應(yīng)用。本研究利用2個(gè)高密度SNP圖譜, 利用關(guān)聯(lián)分析和連鎖分析兩種策略檢測(cè)小麥莖稈斷裂強(qiáng)度, 以期找到與小麥莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)性狀緊密連鎖的SNP 標(biāo)記, 為分子標(biāo)記開發(fā)、精細(xì)定位及其在小麥育種中聚合有利基因/QTL提供參考。

1 材料與方法

1.1 作圖群體

以山農(nóng)01-35′藁城9411重組自交系(RIL)群體進(jìn)行連鎖分析, 母本山農(nóng)01-35為大粒、成穗率低的高產(chǎn)品系, 其莖稈直徑為0.61 cm; 父本藁城9411為小粒、分蘗成穗率高品種, 莖稈較細(xì), 直徑0.44 cm。F1代經(jīng)一粒傳法自交9代, 得到含173個(gè)家系(F8:9)。

全基因組關(guān)聯(lián)分析采用205個(gè)品種(系)構(gòu)成的 自然群體, 包括我國(guó)冬麥區(qū)20世紀(jì)80年代以來的推廣品種或骨干親本132個(gè)、高代品系73份, 其中73份高代品系全部來自山東省。經(jīng)小麥全基因組均勻分布的3297個(gè)SNP標(biāo)記檢測(cè), 用Structure 2.0軟件分析結(jié)果表明, 該自然群體分為4個(gè)亞群[25]。

1.2 田間表型鑒定及數(shù)據(jù)分析

將2個(gè)群體在2013—2014年和2014—2015年2個(gè)生長(zhǎng)季種植于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站(山東泰安), 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 2次重復(fù), 每小區(qū)4行, 行長(zhǎng)2 m, 行距0.21 m。播種期分別為2013年10月6日和2014年10月9日, 按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式進(jìn)行田間管理, 生長(zhǎng)期內(nèi)沒有發(fā)生嚴(yán)重病蟲害和倒伏, 成熟時(shí)按小區(qū)機(jī)械收獲各株系, 收獲期分別為2014年6月8日和2015年6月9日。

參考魏鳳珍等[26]和姚金保等[27]描述的表型調(diào)查方法, 略加改動(dòng)。花后27 d調(diào)查株高; 花后18 d和27 d, 隨機(jī)選每株系5個(gè)主莖, 在離地面20 cm處用YYD-1型莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀(浙江托普儀器有限公司)測(cè)定田間莖稈斷裂強(qiáng)度。花后18 d和27 d, 取每株系5個(gè)主莖, 烘干后截取莖稈第2和第3節(jié)中間位置靠下4 cm稱重, 用YYD-1 型莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀(浙江托普儀器有限公司)測(cè)定2個(gè)節(jié)間的莖稈斷裂強(qiáng)度;同時(shí), 用游標(biāo)卡尺測(cè)莖稈外徑, 并取壓斷的4 cm莖稈上部, 用游標(biāo)卡尺測(cè)其壁厚。

利用SPSS 19.0對(duì)上述表型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用如下公式, 分別計(jì)算各性狀的廣義遺傳率。

式中,2g為遺傳方差,2ge為遺傳與環(huán)境互作方差,2e為環(huán)境方差,為環(huán)境數(shù),為重復(fù)數(shù)。

1.3 分子標(biāo)記檢測(cè)

DArT標(biāo)記的檢測(cè)及序列信息由澳大利亞Triticarte Pty. Ltd. (http://www.triticarte.com.au/)完成。SNP分析由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校植物科學(xué)系生物技術(shù)檢測(cè)中心利用Illumina SNP Genotyping 技術(shù)測(cè)試平臺(tái), 使用微珠芯片技術(shù)(BeadArray)完成, 用Genomestudio v1.0軟件分析其多態(tài)性。通過GrainGene2.0 (http://wheat.pw.usda. gov/GG2/index.shtml)獲得SSR引物序列等信息, 引物由上海桑尼生物科技有限公司合成。首先利用兩親本進(jìn)行多態(tài)性篩選, 再用篩選出的多態(tài)性引物檢測(cè)RIL群體所有株系。

1.4 遺傳圖譜

1.4.1 RIL群體連鎖圖譜 利用陳建省等[28]構(gòu)建的高密度遺傳圖譜, 該圖譜覆蓋小麥21條染色體, 包含6244個(gè)標(biāo)記(SNP標(biāo)記6001個(gè), DArT標(biāo)記216個(gè), SSR標(biāo)記27個(gè)), 總長(zhǎng)度為4895.29 cM, 兩標(biāo)記間平均遺傳距離為0.78 cM。

1.4.2 自然群體復(fù)合遺傳圖譜 利用陳廣鳳等[25]構(gòu)建的高密度復(fù)合遺傳圖譜, 該圖譜包含24 355個(gè)SNP標(biāo)記位點(diǎn), 覆蓋小麥全基因組3674.16 cM, 單個(gè)染色體長(zhǎng)度為118.91~241.38 cM, 標(biāo)記間平均遺傳距離為0.15 cM; 以B基因組中包含的SNP標(biāo)記最多, 占標(biāo)記位點(diǎn)總數(shù)的50.60%, 其次是A基因組(39.10%), D 基因組含標(biāo)記最少, 僅占標(biāo)記位點(diǎn)總數(shù)的10.31%。

1.5 QTL 定位

1.5.1 連鎖分析 用MAPMAKER/EXP3.0b軟件和Mapchart 2.1構(gòu)建分子標(biāo)記連鎖圖。利用基于混合線性模型的QTLNetwork 2.0 軟件對(duì)RIL群體莖稈斷裂強(qiáng)度進(jìn)行QTL分析。以單個(gè)環(huán)境中重復(fù)的平均值及2個(gè)環(huán)境平均值分別單獨(dú)進(jìn)行QTL定位。以= 0.05為統(tǒng)計(jì)檢測(cè)閾值, 即當(dāng)標(biāo)記的值小于統(tǒng)計(jì)檢測(cè)閾值時(shí), 認(rèn)為該標(biāo)記處存在1個(gè)與性狀有關(guān)的QTL。以莖稈強(qiáng)度相關(guān)性狀英文簡(jiǎn)寫和所對(duì)應(yīng)的染色體序號(hào)及在染色體上的位置命名檢測(cè)到的QTL, 如表示位于4B染色體上第13個(gè)標(biāo)記區(qū)間的QTL。

1.5.2 全基因組關(guān)聯(lián)分析 應(yīng)用TASSEL 3.0軟件(http://www.maizegenetics.net/)中的MLM (mixed linear model)進(jìn)行性狀和標(biāo)記之間的關(guān)聯(lián)分析, 選擇在小麥21條染色體長(zhǎng)臂和短臂上均勻分布的3297個(gè)SNP標(biāo)記, 用Structure 2.0軟件進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析, 采用admixed model, 設(shè)值為2~15, 參數(shù)iterations為100 000, burn-in period為100 000。每個(gè)值重復(fù)運(yùn)行5次。以設(shè)定的值所對(duì)應(yīng)的最大似然值為目標(biāo), 選擇合適的值作為亞群數(shù)目。用TASSEL3.0軟件計(jì)算Kinship值, 對(duì)群體結(jié)構(gòu)和基因型過濾后, 運(yùn)行MLM_Q+K模型。當(dāng)標(biāo)記的≤ 0.0001 (最小頻率為0.05)時(shí)認(rèn)為標(biāo)記與性狀存在關(guān)聯(lián)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥莖稈斷裂強(qiáng)度表型

母本山農(nóng)01-35莖稈強(qiáng)度相關(guān)性狀均明顯大于父本藁城9411, 表明兩親本的抗倒伏特性差異很大; 由其衍生的RIL群體在各性狀上均出現(xiàn)超親分離, 且兩年度表現(xiàn)一致(表1)。RIL群體的莖稈斷裂強(qiáng)度、株高、花后27 d第2節(jié)壁厚、充實(shí)度的偏度及峰度絕對(duì)值都小于1, 均符合正態(tài)分布, 其他4個(gè)性狀也基本符合正態(tài)分布。株高和莖稈斷裂強(qiáng)度變異系數(shù)分別為9.52%~30.66%和9.32%~40.83%之間, 說明這2個(gè)性狀具有較大的改良潛力。

自然群體莖稈斷裂強(qiáng)度變幅較大(0.05~0.75 N), 變異系數(shù)為7.13%~43.67% (表1), 其中花后27 d第2節(jié)變異系數(shù)最大為43.67%; 偏度和峰度絕對(duì)值小于1, 符合正態(tài)分布。株高變幅為57.25~130.00 cm, 平均值為79.96 cm, 變異系數(shù)均超過10%, 偏度和峰度的絕對(duì)值小于1, 符合正態(tài)分布; 花后27 d第2節(jié)間充實(shí)度、壁厚變異系數(shù)為7.65%~49.34%, 平均值分別為1.73 × 10–2g cm–1和0.28 cm, 偏度和峰度絕對(duì)值小于1, 符合正態(tài)分布。

RIL群體在2個(gè)環(huán)境中, 花后18 d第2節(jié)與莖稈第3節(jié)斷裂強(qiáng)度差異顯著(< 0.05); 花后27 d的第2節(jié)與第3節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度差異也達(dá)到顯著水平; 第2節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度在花后18 d與花后27 d差異顯著, 而第3節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度在2個(gè)取材時(shí)期差異不顯著(圖1)。說明在RIL群體中, 基部節(jié)間莖稈強(qiáng)度存在顯著差異, 取樣時(shí)間對(duì)第2節(jié)莖稈強(qiáng)度有顯著影響, 而第3節(jié)莖稈強(qiáng)度則不受取樣時(shí)間影響。

自然群體在2個(gè)環(huán)境中, 花后27 d的第2節(jié)與第3節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度(圖1)差異均達(dá)到顯著水平(< 0.05); 而第2節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度在花后18 d與花后27 d差異顯著, 第3節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度在2個(gè)取材時(shí)期差異也達(dá)到顯著水平; 說明自然群體中取材時(shí)期和取材部位間的莖稈強(qiáng)度都存在顯著差異。

2.2 小麥莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)性狀廣義遺傳力和相關(guān)性

方差分析表明, RIL群體的莖稈斷裂強(qiáng)度、株高、花后27 d第2節(jié)間充實(shí)度和壁厚的基因型效應(yīng)差異顯著, 莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)性狀的廣義遺傳力為56.92%~78.08%; 自然群體的莖稈斷裂強(qiáng)度、株高、花后27 d第2節(jié)間充實(shí)度和壁厚的基因型差異也達(dá)顯著水平, 廣義遺傳力為53.18%~78.64% (表2)。表明莖稈斷裂強(qiáng)度遺傳力較高, 適合進(jìn)行遺傳分析。

相關(guān)性分析表明, 株高與田間莖稈斷裂強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)(表3)?；ê?7 d, 節(jié)間莖稈斷裂強(qiáng)度與第2節(jié)間充實(shí)度、壁厚均呈顯著正相關(guān), 說明該時(shí)期第2節(jié)間充實(shí)度和厚度增大, 有利于增加莖稈斷裂強(qiáng)度、提高抗倒伏能力。

2.3 小麥莖稈斷裂強(qiáng)度QTL 定位

2.3.1 連鎖分析 利用單個(gè)環(huán)境(E1和E2)中表型數(shù)據(jù)及環(huán)境平均值(AE)分別進(jìn)行QTL分析, 共檢測(cè)到控制莖稈斷裂強(qiáng)度9個(gè)主效QTL, 均位于4B染色體上, 表型貢獻(xiàn)率為9.40%~36.30% (圖2和表4), 其中的增效基因來自山農(nóng)01-35, 可增加田間莖稈斷裂強(qiáng)度0.083 N, 在E1、E2和AE中均被檢測(cè)到, 是一個(gè)穩(wěn)定位點(diǎn)。

花后18 d, 檢測(cè)到控制第2節(jié)和第3節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度的QTL各一個(gè), 增效基因位點(diǎn)全部來源于山農(nóng)01-35, 可分別增加莖稈斷裂強(qiáng)度2.10 N和0.98 N。位點(diǎn)在E1、E2、AE中均被檢測(cè)到。

花后27 d, 檢測(cè)到第2節(jié)和第3節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度、株高和第2節(jié)間充實(shí)度的QTL各一個(gè), 以及2個(gè)控制稈壁厚的QTL。和在E1、E2和AE環(huán)境下均被檢測(cè)到, 是穩(wěn)定的QTL。除株高外, 增效基因位點(diǎn)全部來源于山農(nóng)01-35, 檢測(cè)到的位點(diǎn)與位點(diǎn)在連鎖圖譜的遺傳距離為5.87 cM, 說明位點(diǎn)附近存在控制莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)性狀的基因。

2.3.2全基因組關(guān)聯(lián)分析 共檢測(cè)到37個(gè)與小麥莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)(<0.0001), 分布在1B、2B、2D、3A、3B、4B、5A、5D、6B、7A、7B和7D染色體上(表5)。單個(gè)關(guān)聯(lián)位點(diǎn)表型變異貢獻(xiàn)率為7.76%~36.36% (表5)。通過TASSEL V3.0軟件分析, 獲得2個(gè)環(huán)境下莖稈斷裂強(qiáng)度全基因組關(guān)聯(lián)分析的QQ圖(圖3), 關(guān)聯(lián)群體的群體結(jié)構(gòu)得到了較好控制。

檢測(cè)到12個(gè)與小麥田間莖稈強(qiáng)度顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn), 分布在2B、2D、3A、4B、7A 和7D染色體上(表5和圖3)。其中, 在7A上檢測(cè)到7個(gè)位點(diǎn)(圖4), E2環(huán)境中檢測(cè)到貢獻(xiàn)率超過20%的5個(gè)顯著關(guān)聯(lián)標(biāo)記(Kukri_c13329_800、BS00072153_51、Tdurum_contig 4974_355、wsnp_Ex_c14654_22713386和D_contig 06359_118)。這些SNP可能與控制田間莖稈斷裂強(qiáng)度基因顯著關(guān)聯(lián)。值得一提的是, 在復(fù)合遺傳圖譜中, 4B染色體上的Tdurum_contig4974_355與利用RIL群體檢測(cè)到的田間莖稈斷裂強(qiáng)度標(biāo)記IACX557, 二者的遺傳距離為6.7 cM, 說明4B染色體上的這個(gè)區(qū)段由存在控制小麥莖稈斷裂強(qiáng)度的重要基因。

花后18 d, 檢測(cè)到3個(gè)與第2節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn), 分布在1B、3B、4B 染色體上, 貢獻(xiàn)率為8.65%~9.21%。檢測(cè)到6個(gè)與第3節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn), 均位于2B上3 cM的染色體區(qū)段內(nèi)(圖4), 貢獻(xiàn)率為8.10%~8.41%。

表1 兩年度RIL群體和自然群體小麥莖稈斷裂強(qiáng)度的表型值

SBSF: 田間莖稈斷裂強(qiáng)度; S18SBSL: 花后18 d莖稈第2節(jié)斷裂強(qiáng)度; T18SBSL: 花后18 d莖稈第3節(jié)斷裂強(qiáng)度; S27SBSL: 花后27 d莖稈第2節(jié)斷裂強(qiáng)度; T27SBSL: 花后27 d莖稈第3節(jié)斷裂強(qiáng)度; PH: 株高; S27FD: 花后27 d節(jié)間充實(shí)度; S27CWT: 花后27 d壁厚。

SBSF: stem-breaking strength in field test; S18SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 18 days after flowering (DAF); T18SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 18 DAF; S27SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 27 DAF; T27SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 27 DAF;PH: plant height; S27FD: filling degree of internode at 27 DAF; S27CWT: thickness of culm wall at 27 DAF.

柱上不同字母表示2個(gè)取材位置或取材時(shí)期存在顯著差異(< 0.05)。

Different letters above columns indicate significant difference between internodes of sampling stages at< 0.05.

表2 小麥莖稈斷裂強(qiáng)度的方差分析及廣義遺傳率(h2B)計(jì)算

SBSF: 田間莖稈斷裂強(qiáng)度; S18SBSL: 花后18 d莖稈第2節(jié)斷裂強(qiáng)度; T18SBSL: 花后18 d莖稈第3節(jié)斷裂強(qiáng)度; S27SBSL: 花后27 d莖稈第2節(jié)斷裂強(qiáng)度; T27SBSL: 花后27 d莖稈第3節(jié)斷裂強(qiáng)度; PH: 株高; S27FD: 花后27 d節(jié)間充實(shí)度; S27CWT: 花后27 d壁厚。**在< 0.01水平顯著,***在< 0.001水平顯著。

SBSF: stem-breaking strength in field test; S18SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 18 days after flowering (DAF); T18SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 18 DAF; S27SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 27 DAF; T27SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 27 DAF;PH: plant height; S27FD: filling degree of internode at 27 DAF; S27CWT: thickness of culm wall at 27 DAF.**Significant at< 0.01;***significant at< 0.001.

表3 莖稈強(qiáng)度相關(guān)性狀之間的相關(guān)性

SBSF: 田間莖稈斷裂強(qiáng)度; S18SBSL: 花后18 d莖稈第2節(jié)斷裂強(qiáng)度; T18SBSL: 花后18 d莖稈第3節(jié)斷裂強(qiáng)度; S27SBSL: 花后27 d莖稈第2節(jié)斷裂強(qiáng)度; T27SBSL: 花后27 d莖稈第3節(jié)斷裂強(qiáng)度; PH: 株高; S27FD: 花后27 d節(jié)間充實(shí)度; S27CWT: 花后27 d壁厚。*在<0.05水平顯著,**在<0.01水平顯著。

SBSF: stem-breaking strength in field test; S18SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 18 days after flowering (DAF); T18SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 18 DAF; S27SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 27 DAF; T27SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 27 DAF;PH: plant height; S27FD: filling degree of internode at 27 DAF; S27CWT: thickness of culm wall at 27 DAF.*Significant at< 0.05;**significant at< 0.01.

花后27 d, 檢測(cè)到3個(gè)與第2節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn), 分布在3A、6B、7B染色體上, 貢獻(xiàn)率為9.09%~11.42%。檢測(cè)到3個(gè)與第3節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn), 分布在5A、5D、7B染色體上, 貢獻(xiàn)率為7.99%~9.29%。與株高顯著關(guān)聯(lián)的標(biāo)記有3個(gè), 分布在2B、4A、5B染色體上, 與第2節(jié)間充實(shí)度、壁厚顯著關(guān)聯(lián)的標(biāo)記共7個(gè), 分布在1A、1B和3A染色體上, 貢獻(xiàn)率為7.88%~13.77%。

3 討論

3.1 小麥莖稈斷裂強(qiáng)度與抗倒性

小麥莖稈斷裂強(qiáng)度是衡量抗倒性的重要指標(biāo)之一, 與小麥莖稈的莖粗、壁厚、莖稈結(jié)構(gòu)、莖稈密度等形態(tài)學(xué)特征關(guān)系密切[4]。前人報(bào)道莖粗、壁厚和節(jié)間充實(shí)度與抗倒性呈顯著正相關(guān)[26,29]; 本研究結(jié)果闡明第2莖稈斷裂強(qiáng)度與莖稈第2節(jié)間充實(shí)度、壁厚呈顯著正相關(guān), 而與株高呈顯著負(fù)相關(guān)(表2), 結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)適當(dāng)降低株高、增加莖粗、壁厚和節(jié)間充實(shí)度, 尤其是提高第2、第3節(jié)間莖稈斷裂強(qiáng)度, 對(duì)增強(qiáng)小麥抗倒伏能力具有重要實(shí)踐意義, 閔東紅等[30]也有類似的報(bào)道。小麥株高是影響倒伏的重要農(nóng)藝性狀, 也是育種家田間選擇淘汰后代材料的重要依據(jù)之一。20世紀(jì)60年代以來, 矮化育種[31]極大提高了小麥抗倒伏能力。但小麥植株過矮會(huì)導(dǎo)致葉層密集、病蟲害加重、植株早衰和生物產(chǎn)量降低等負(fù)面效應(yīng)。一般認(rèn)為株高在75~85 cm的品種不易倒伏[1]。目前, 在小麥矮化育種的基礎(chǔ)上, 通過分子標(biāo)記輔助選擇(marker-assisted selection, MAS)來提高小麥莖稈斷裂強(qiáng)度, 增強(qiáng)小麥抗倒伏能力, 是實(shí)現(xiàn)小麥再高產(chǎn)的一條有效途徑。本研究在4B染色體上檢測(cè)到的和與莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)性狀緊密連鎖, 可為小麥育種中聚合和利用控制莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)性狀的有利基因/QTL提供參考。

各性狀詳細(xì)名稱見表1。The trait names correspond with those given in Table 1.

表5 莖稈斷裂強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)位點(diǎn)及其對(duì)表型變異的貢獻(xiàn)率(R2)

(續(xù)表5)

SBSF: 田間莖稈斷裂強(qiáng)度; S18SBSL: 花后18 d莖稈第2節(jié)斷裂強(qiáng)度; T18SBSL: 花后18 d莖稈第3節(jié)斷裂強(qiáng)度; S27SBSL: 花后27 d莖稈第2節(jié)斷裂強(qiáng)度; T27SBSL: 花后27 d莖稈第3節(jié)斷裂強(qiáng)度; PH: 株高; S27FD: 花后27 d節(jié)間充實(shí)度; S27CWT: 花后27 d壁厚。在“環(huán)境”列中, E1、E2和AE分別表示2013–2014、2014–2015年度和兩年平均。

SBSF: stem-breaking strength in field test; S18SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 18 days after flowering (DAF); T18SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 18 DAF; S27SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 27 DAF; T27SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 27 DAF;PH: plant height; S27FD: filling degree of internode at 27 DAF; S27CWT: thickness of culm wall at 27 DAF. In the “Environment” column, E1, E2, and AE indicate 2013–2014, 2014–2015 growing seasons and their average, respectively.

3.2 連鎖與關(guān)聯(lián)作圖分析定位小麥莖稈強(qiáng)度基因

前人對(duì)小麥重要農(nóng)藝性狀研究方法多為單獨(dú)利用遺傳群體連鎖作圖的傳統(tǒng)QTL定位或利用自然群體進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析, 但這兩種作圖策略各有優(yōu)缺點(diǎn), 關(guān)聯(lián)作圖分析具有高作圖分辨率, 但連鎖不平衡作圖效率低, 易造成假陽性關(guān)聯(lián)結(jié)果[32]; 而遺傳連鎖作圖卻能利用稀有等位基因和較低的標(biāo)記覆蓋度將所有QTL 定位于染色體不同位置, 但作圖分辨率低且遺傳分離只涉及到父母本[33]。Qin等[34]通過聯(lián)合連鎖與關(guān)聯(lián)分析策略得到一個(gè)控制玉米粒長(zhǎng)的候選基因(), Lu等[23]通過聯(lián)合關(guān)聯(lián)與連鎖分析策略同時(shí)定位到與玉米散粉至吐絲的間隔期緊密連鎖的分子標(biāo)記()。本研究通過聯(lián)合連鎖與關(guān)聯(lián)分析策略利用2個(gè)高密度SNP 圖譜分別在4BS染色體上定位到控制小麥莖稈斷裂強(qiáng)度的標(biāo)記(RAC875_C27536和Tdurum_contig4974_355), 結(jié)果相互驗(yàn)證, 置信區(qū)間較小, 隨著小麥基因組測(cè)序的逐漸完成, 研究結(jié)果能為小麥莖稈斷裂強(qiáng)度的精細(xì)定位或功能基因克隆奠定基礎(chǔ)。

連鎖和關(guān)聯(lián)分析都可以檢測(cè)數(shù)量性狀位點(diǎn), 兩種方法定位到的QTL在位置上大部分具有一致性[35-36]。本研究利用目前最具發(fā)展?jié)摿Φ腟NP標(biāo)記, 具有遺傳穩(wěn)定、密度高、易于檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn), 但其分型錯(cuò)誤率和成本相對(duì)較高, 且需轉(zhuǎn)化為CAPS標(biāo)記或其他標(biāo)記才能便于在標(biāo)記輔助選擇中利用, 操作繁瑣。因此, 在新一輪高密度遺傳圖譜構(gòu)建中, 可以根據(jù)QTL所在染色體上的相同或鄰近標(biāo)記遺傳距離及物理距離, 并結(jié)合小麥測(cè)序信息和比較基因組學(xué)策略, 整合前人定位的小麥莖稈強(qiáng)度相關(guān)QTL, 進(jìn)一步驗(yàn)證和發(fā)掘小麥莖稈強(qiáng)度穩(wěn)定的主效基因位點(diǎn)。本研究通過連鎖與關(guān)聯(lián)分析都在4BS染色體上定位到控制莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)性狀的標(biāo)記, 但兩種定位方法定位到的基因位點(diǎn)在染色體上仍有一定距離, 可能主要是由于兩種策略的原理及利用的群體不同; 且小麥莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)性狀多數(shù)為多基因控制的數(shù)量性狀(單基因遺傳率低, 環(huán)境影響大), 在環(huán)境檢測(cè)中出現(xiàn)不穩(wěn)定性等因素, 這有待進(jìn)一步多環(huán)境確認(rèn)。

曼哈頓圖中1~21分別代表: 1A, 1B, 1D, 2A, 2B, 2D, 3A, 3B, 3D, 4A, 4B, 4D, 5A, 5B, 5D, 6A, 6B, 6D, 7A, 7B, 7D染色體。SBSF: 田間莖稈斷裂強(qiáng)度; S18SBSL: 花后18 d莖稈第2節(jié)斷裂強(qiáng)度; T18SBSL: 花后18 d莖稈第3節(jié)斷裂強(qiáng)度; S27SBSL: 花后27 d莖稈第2節(jié)斷裂強(qiáng)度; T27SBSL: 花后27 d莖稈第3節(jié)斷裂強(qiáng)度; PH: 株高; S27FD: 花后27 d節(jié)間充實(shí)度; S27CWT: 花后27 d壁厚。

In Manhattan plot, 1?21 represent chromosomes 1A, 1B, 1D, 2A, 2B, 2D, 3A, 3B, 3D, 4A, 4B, 4D, 5A, 5B, 5D, 6A, 6B, 6D, 7A, 7B, 7D, respectively. SBSF: stem-breaking strength in field test; S18SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 18 days after flowering (DAF); T18SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 18 DAF; S27SBSL: stem-breaking strength of the second internode at 27 DAF; T27SBSL: stem-breaking strength of the third internode at 27 DAF;PH: plant height; S27FD: filling degree of internode at 27 DAF; S27CWT: thickness of culm wall at 27 DAF.

3.3 QTL定位結(jié)果比較

目前, 國(guó)內(nèi)外在小麥莖稈斷裂強(qiáng)度QTL定位方面的報(bào)道較少。本研究在4B 染色體上通過連鎖分析檢測(cè)到莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)的9個(gè)QTL; 關(guān)聯(lián)分析檢測(cè)到2個(gè)與莖稈斷裂強(qiáng)度顯著關(guān)聯(lián)標(biāo)記。Verma等[8]和陳廣鳳等[25]也在4B染色體上檢測(cè)到控制倒伏指數(shù)、株高、節(jié)間長(zhǎng)度的QTL, 說明4B上存在控制莖稈強(qiáng)度相關(guān)性狀的重要基因。本研究通過關(guān)聯(lián)分析, 發(fā)現(xiàn)在3A染色體上存在田間和花后27 d第2節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度的顯著關(guān)聯(lián)標(biāo)記各1個(gè), 在3B染色體上存在花后18 d第2節(jié)莖稈斷裂強(qiáng)度的顯著關(guān)聯(lián)標(biāo)記, Li等[4]在3A和3B上也檢測(cè)到控制莖稈強(qiáng)度的2個(gè)QTL; Berry等[37]在3A上檢測(cè)到2個(gè)控制莖稈強(qiáng)度的QTL。根據(jù)本研究結(jié)果和前人報(bào)道, 初步推斷3A染色體上可能存在控制莖稈強(qiáng)度的重要基因。小麥4B染色體上存在矮稈基因, 本研究通過連鎖分析在也4B染色體上檢測(cè)到1個(gè)株高QTL (), 但該基因位點(diǎn)與不在同一連鎖群上, 可能為一個(gè)控制株高的新位點(diǎn)。小麥4D染色體上除矮稈基因[8]外, 前人定位到多個(gè)控制株高的QTL[25,38-39], 而本研究未檢測(cè)到4D染色體上與株高相關(guān)的QTL/顯著關(guān)聯(lián)標(biāo)記。前人已在2D[4]和5AL[11-12]上發(fā)現(xiàn)控制莖稈壁厚的QTL, 本研究在1A、3A和4B上單環(huán)境中檢測(cè)到莖稈壁厚相關(guān)QTL/顯著關(guān)聯(lián)標(biāo)記。

已報(bào)道與緊密連鎖或直接相關(guān)的農(nóng)藝性狀有多個(gè), Cadalen等[38]利用DH群體在4B染色體上檢測(cè)到株高特異標(biāo)記, 并與矮稈基因緊密連鎖; Quarrie等[40]在附近檢測(cè)到控制穗粒數(shù)的QTL簇; Huang等[41]檢測(cè)到的Xgwm149標(biāo)記和Liu等[42]檢測(cè)到的Xgwm113標(biāo)記也在附近; 而Shimin等[43]在Xwmc657–Xgwm495 (在本區(qū)間內(nèi))檢測(cè)到排除影響的控制穗數(shù)、穗長(zhǎng)和穗粒數(shù)的QTL。本研究定位到的莖桿強(qiáng)度分子標(biāo)記RAC875_C27536和Tdurum_contig4974_355也都在附近, 且在復(fù)合遺傳圖譜上的遺傳距離為6.7 cM, 但尚不能確定以上位點(diǎn)與的關(guān)系。

4 結(jié)論

在4B染色體TDURUM_CONTIG63670_287? IACX557和EX_C101685?RAC875_C27536等區(qū)段上, 檢測(cè)到9個(gè)控制小麥莖稈斷裂強(qiáng)度、株高、莖稈第2節(jié)間充實(shí)度、莖稈第2節(jié)壁厚相關(guān)性狀的加性QTL, 可解釋表型變異9.40%~36.30%。主效、穩(wěn)定基因位點(diǎn)、和顯著關(guān)聯(lián)標(biāo)記, 可用于莖稈斷裂強(qiáng)度相關(guān)性狀的分子標(biāo)記開發(fā)和基因精細(xì)定位。

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Linkage Analysis and Genome-Wide Association Study of QTLs Controlling Stem-Breaking-Strength-Related Traits in Wheat

LIU Kai, DENG Zhi-Ying, ZHANG Ying, WANG Fang-Fang, LIU Tong-Tong, LI Qing-Fang, SHAO Wen, ZHAO Bin, TIAN Ji-Chun*, and CHEN Jian-Sheng*

Group of Wheat Quality Breeding, College of Agronomy, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, China

Stem strength has close relationship with lodging character, thereby, affects final yield in wheat. The objectives of this study were to unravel the genetic mechanism of stem-breaking-strength-related traits and find molecular markers closely linked or associated with these traits. We tried to map the stem-breaking-strength-related QTLs through linkage analysis using the RIL population consisting of 173 F8:9lines derived from Shannong 01-35′Gaocheng 9411) and association analysis using a nature population consisting of 2015 wheat varieties. Both populations were planted in two environments and genetically screened with the 90 k SNP array, DArT technology, and traditional molecular markers. By means of the existing high-density genetic map, nine additive QTLs were detected in different regions onchromosome 4B, such as DURUM_CONTIG63670_287–IACX557 and EX_C101685–RAC875_C27536, which controlled stem-breaking strength, plant height, filling degree of the second internode and culm wall thickness of the second internode and explained 9.40%–36.30% of the phenotypic variations. By means of a composite map (containing 24 355 SNPs) based on the Illumina Infinium assay, a total of 37 SNPs were found in the natural population to be associated with stem-breaking-strength-related traits (< 0.0001). These SNPs were distributed on chromosomes 1B, 2B, 2D, 3A, 3B, 4B, 5A, 5D, 6B, 7A, 7B, and 7D and explained 7.76%–36.36% of the phenotypic variations. The genetic distance between RAC875_C27536 detected through linkage analysis and Tdurum_contig4974_355 detected through genome-wide association analysis was 6.7 cM in the composite map, indicating the presence of important genes controlling stem strength in this region.

Common wheat; QTL mapping; Linkage analysis; Genome-wide association study (GWAS); Stem-breaking strength

10.3724/SP.J.1006.2017.00483

本研究由山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015ZRB01179), “小麥重要品質(zhì)性狀形成和改良的分子基礎(chǔ)”育種專項(xiàng)和山東省種質(zhì)資源創(chuàng)制課題資助。

This study was supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province, China (2015ZRB01179), the breeding project of “Molecular Foundation for Formation and Improvement of Main Quality Traits of Wheat”, and the Shandong Provincial Project for Germplasm Resource Innovation.

陳建省, E-mail: jshch@sdau.edu.cn; 田紀(jì)春, E-mail: jctian@sdau.edu.cn

2016-05-27;

E-mail: liukaiyouxiang@163.com

Accepted(接受日期): 2016-11-02;

Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2016-11-29.

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20161129.0838.002.html