不同灌溉模式下小麦穗粒数QTL定位分析

王 霖，孙雷明，黄 玲，邵敏敏，赵 凯，闫 璐，徐兴科，王继峰，冯维营

(济宁市农业科学研究院，山东济宁 272031)

在小麦产量构成三因素中，穗粒数受栽培条件和气候条件的影响最大，是影响高产稳产的最重要限制因素[1-3]。因此，提高穗粒数是选育高产稳产品种的主攻方向[4-6]。水分是影响小麦产量及稳定性的一个非常重要的非生物胁迫因子，干旱胁迫影响作物生长发育进程，抑制植株形态建成，造成穗粒数明显减少，导致减产。因此，通过遗传手段，增加穗粒数，在不同水分条件下获得高产稳产，具有十分重要的意义[7-8]。

穗粒数是由微效多基因控制的复杂数量性状，遗传基础复杂，单个基因效应小且易受环境影响[9]，由于缺少足够的形态与生理标记，运用普通遗传学的方法难以对其遗传规律进行深入分析。近年来，随着生物技术的快速发展和不断完善，利用SSR和SNP等分子标记进行高密度遗传图谱的构建，为多基因控制的数量性状研究提供了新的可能[10-11]。国内外学者在不同遗传背景及环境下，采用多种分析方法对小麦穗粒数QTL进行了定位研究[12-15]。几乎在小麦所有染色体上，都能检测到控制穗粒数的QTL。但是由于遗传背景的差异、环境的影响、作图及定位方法的不同，造成QTL的位置不同，而且效应值变化也较大，重复性较差，影响了这些QTL在育种中的应用。

随着人口的增加与环境的恶化，尤其是干旱少雨天气的多发，人们希望在较少的水分投入条件下获得较高的产量，耐旱节水基因位点分子标记辅助选育是一条有效途径，但是已有的大部分定位分析是在灌溉条件下进行的，在雨养环境中进行穗粒数QTL定位的研究很少。

本研究以多穗型抗旱小麦品种洛旱2号与大穗型高产品种潍麦8号杂交创制的含有302个家系的重组自交系(RIL)为材料，分别在3个干旱和3个灌溉条件下进行穗粒数QTL定位，并分析其与环境间的互作关系，以揭示穗粒数的遗传基础和QTL表达规律，为小麦穗粒数的分子标记辅助选择和节水高产小麦新品种培育奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以潍麦8号为母本、洛旱2号为父本进行有性杂交，采用单粒传法创制了含302个F8:9家系的重组自交系(RIL群体)。本研究即以该RIL群体及其亲本为材料。潍麦8号是一个大穗型寡分蘖的小麦品种，该品种具有穗大、分蘖少、叶色深、株型紧凑、茎秆粗、抗倒伏、产量潜力较高等特点；洛旱2号属于多穗、落黄较好、早熟、抗旱性好、适应性广的小麦品种。

1.2 穗粒数统计和分析

RIL群体及两亲本于2010年至2014年种植于济宁市农业科学研究院试验农场(分别用E1、E2、E3、E4和E5表示)，2013年在济宁种植的同时还在临沂市农业科学院试验农场种植(用E6表示)，田间试验采用单粒播种，株距4 cm，行长2 m，行距30 cm，每株系种植2行。E1、E2和E3起身期至拔节期和灌浆期各浇水一次；E4、E5和E6造墒播种，出苗后不再浇水，其他田间管理按当地正常栽培方法进行，生长期间没有发生严重病虫害和倒伏。成熟后每个株系选取20个单株，调查每个单株的主茎穗粒数，取其平均值。

利用 Excel和SPSS 13.0 软件进行频数分布和方差分析。

1.3 遗传图谱的构建和QTL分析

参考王 霖[16]的方法构建遗传图谱；采用QTL IciMapping 3.0 软件，基于完备区间作图法对各个环境表型值进行正态性和QTL分析，LOD值为2.5。QTL按照QTL+性状+群体名称+染色体+QTL数的方法命名。

2 结果与分析

2.1 亲本及群体表型变异分析

采用SPSS 13.0软件进行方差分析，结果表明，穗粒数在不同环境和RIL群体株系之间存在极显著差异(表1)，而且环境F值显著大于RIL群体株系之间的F值，说明环境和家系之间存在互作。RIL群体在6个环境中的平均穗粒数明显大于母本洛旱2号，小于父本潍麦8号，大于双亲平均值，表现为超亲遗传。6个环境下群体穗粒数的极差分别为29.73、39.47、33.30、36.60、23.50和30.40，变异系数分别为14.5、16.4、15.4、14.6、10.1和10.9。群体穗粒数的偏度系数和峰度系数都小于1，呈现正态分布连续变异，且出现超双亲分离现象(表2，图1)。

图1 不同环境下穗粒数的频数分布

2.2 穗粒数QTL的检测结果分析

基于构建的连锁图谱和6个环境的表型数据，运用QTL IciMapping 3.0 软件对穗粒数进行加性效应定位分析。结果在6个环境下共检测到24个穗粒数QTLs，位于16个位点(表3，图2)，分别位于2B、3A、3B、3D、4A、4B、5A、5B、6B和7B共10条染色体上。其中7B上有3个位点，4B、5A、5B和6B各有2个位点，其他染色体上各有1个位点。三个染色体亚组中，B亚组上位点最多，涉及6个染色体，11个位点；A亚组次之，涉及3个染色体，4个位点；D亚组最少，只涉及到1条染色体，1个位点。这表明B亚组上相对于其他两个亚组可能含有较多的穗粒数基因位点，但这也可能与本研究选用的试验材料及D亚组上的标记数目较少有关。单个QTL可解释3.70%～20.43%的表型变异，其中6个QTLs可解释大于10%的表型变异，15个QTLs可解释5%～10%的表型变异，3个QTLs可解释小于5%的表型变异。在所有检测到的16个位点中有10个位点被检测到一次，分别位于2B、3B、4A和4B；有5个位点在两个环境中被检测到(表3)，分别位于3D、5A、5B、6B和7B；只有1个位点同时在三个以上环境(E1、E4、E5和E6)中被检测到，该QTL( Qknps-WL-3A)位于3A染色体上的标记Xbarc012和 Xgpw2266之间， LOD值依次为4.95、10.94、2.90和10.44，分别可解释12.52%、20.43%、7.18%和9.37%的表型变异，其加性效应值依次为2.04、2.73、1.86和2.22，增效等位基因均来自亲本潍麦8号，该QTL效应值大，在所有的旱作环境中能够稳定表达。

表1 穗粒数方差分析结果Table 1 Variance analysis of kernel number per spike

表2 双亲及RIL群体穗粒数的表型分布Table 2 Phenotypic variation of kernel number per spike of the parents and the RIL population

表3 在限制浇水和灌溉模式下检测到的穗粒数QTLTable 3 QTLs for kernel number per spike detected in restrict watering and irrigation modes

本研究中，在E1至E6环境中依次检测到3、8、3、3、3和4个穗粒数QTLs，分别可解释16.40%、40.71%、21.96%、18.29%、24.01%和16.97%的表型变异。除E2定位到的位点数较多，解释的总体表型变异较大外，其他环境都只定位到3～4个QTLs，总解释率较小，只为20%左右。这在一定程度上说明穗粒数是受多基因控制的数量性状，单个效应值较小，在大多数环境中因为与环境及其他基因间的互作效应不能被同时检测到。尽管如此，在不同的环境中，一般仍有少数几个QTL对穗粒数具有较大的影响，这从理论上说明了通过QTL定位分析，然后用分子标记对具有较大效应值的QTL进行标记辅助选择，进行增效基因聚合，对提高穗粒数和产量是一条有效途径。

2.3 不同水分环境下检测到的穗粒数QTL差异

表3说明，在充分灌溉条件下的三个环境(E1、E2和E3)中，共有14个QTLs，11个位点被检测到；在限制水分的三个环境(E4、E5和E6)中共有10个QTLs，7个位点被检测到。后者明显少于前者。在所有检测到的16个位点中，有9个位点只在灌溉环境下被检测到，有5个位点只在限制水分环境下被检测到，只有2个位点在充分灌溉和限制水分环境下同时被检测到。这说明穗粒数QTL的表达具有多样性，受环境和水分的影响较大。在水分充足的条件下，有较多的QTL可以充分表达，能够被检测到；而在土壤水分含量较低的情况下，某些QTL的表达量受到影响而减少，不能被检测到。因此，那些在多个环境中被检测到，特别是在水旱两种环境下都被检测到的QTL对提高品种对水分的适应性，具有重要的意义。

空心三角和实心三角表示加性等位基因分别来自于潍麦8号和洛旱2号。QTLs marked by a filled triangle and an unfilled triangle on the right, indicate that Luohan2 and Weimai 8 alleles increase kernel number per spike, respectively.

2.4 穗粒数QTL增效等位基因位点在父母本中的分布

从表3可以看出，在水分充足的三个环境中共定位到11个位点，其中4个位点的增效等位基因来自于潍麦8号，7个位点来自于洛旱2号。在限制水分的三个环境中共定位到7个位点，其中3个位点的增效等位基因来自于潍麦8号，4个位点来自于洛旱2号。这在分子水平上说明洛旱2号耐旱性较好、适应性较广是因为其含有较多的与产量呈正相关的基因位点，在不同的环境条件下，总会有足够多的基因充分表达，促成高产稳产。另一方面，在两种环境类型中，虽然来自于抗旱亲本洛旱2号的增效位点较多，但是潍麦8号也提供了增加穗粒数的基因位点，而这些位点可能和品种的抗旱性有关，说明耐旱节水基因不只是来自于抗旱亲本，高产品种中同样也含有此类基因。因此，利用高产亲本资源和耐旱节水资源杂交创制遗传群体进行QTL分析，不仅能够发现耐旱型种质资源的耐旱基因，而且还能够发现高产型种质资源中的耐旱基因，有利于耐旱基因的充分发掘，而这一点更为重要。

3 讨 论

刘新元等[17]在小麦3D染色体上同时定位到一个苗高耐旱系数QTL和胚芽鞘长耐旱系数QTL，与本研究在E4和E5环境中定位的 Qknps-WL-3D有共同的标记Xmag500；在6B染色体上定位到的根冠鲜重比耐旱系数与本研究在E6环境下检测到的 Qknps-WL-6B.1有共同的标记Xwes180；在7B染色体上定位的胚芽鞘长耐旱系数QTL与本研究定位的 Qknps-WL-7B.3有共同的标记Xwmc488.1，很有可能分别是相同的QTL。刘新元等[17]在3B染色体上的Xbarc164标记附近定位的根冠干重比耐旱系数QTL，与本研究在E5环境下定位到的 Qknps-WL-3B位置相近；在3A染色体上的Xgpw2266标记附近定位到的根鲜重耐旱系数QTL，与本研究在E1、E4、E5和E6环境下检测到的 Qknps-WL-3A处在相近位置，有可能是相同的QTL。

本课题组还将本研究所用的RIL群体于2008-2010年度在泰安，2009-2010年度在济宁三个水浇地环境中种植，并对穗粒数进行QTL分析，共定位到15个QTL[16]，分别位于1A、1D、2A、2B、3A、3D、5A、5B、5D、6A、6B、7A和7B染色体上，单个QTL可解释穗粒数变异的2.94～14.57% 。其中分别有1个位点在三个环境、两个环境和平均环境中被检测到。本研究检测到的位于2B、3A、5A、6B和7B染色体的QTL与该研究定位于相应染色体上的QTL位于同一位点。其中位于3A染色体标记Xbarc012和Xgpw2266之间的 Qknps-WL-3A.1在三个环境及平均环境中稳定表达，LOD值为4.95～11.94，可解释10.84%～23.22%的表型变异，加性效应值为2.04～4.452，增效等位基因来自于潍麦8号，与本研究定位于3A的QTL处于同一位置，为同一个QTL。该QTL在9个环境中有7次被检测到，在其中的3个水分胁迫环境下均被检测到，而且在模拟干旱环境中亦被检测到与根鲜重耐旱系数相关。综合以上结果表明，在3A染色体标记Barc012和Xgpw2266之间存在与产量性状和抗旱性相关QTL，有可能是一因多效，也可能是一个基因簇。目前，在3A染色体上，Zhang等[7]利用一个双单倍体群体在3A染色体标记Xwmc488.2和Xwmc488.3之间和Xbarc356和Xwmc489.2之间定位到2个穗粒数QTL，刘 凯等[14]利用高密度SNP遗传图谱在标记Kukri_C43524_106和Bobwhite_C13704_244之间检测到1个QTL，Lee等[18]报道过1个穗粒数QTL与标记Xgwm247连锁。通过分析发现，它们处在相近的区域，但是由于没有共同的标记，不能推测它们是相同的QTL，很可能是1个新的QTL。因此，该位点的发现对于分子标记辅助选择和小麦耐旱性基因的精细定位和图位克隆具有重要意义。

比较发现，在本研究中定位穗粒数QTL的2B、3B、3D、4A、4B、5A、5B、6B和7B染色体上，在其他研究中都有报道QTL存在，但是由于构建的遗传图谱相同的标记较少，没有发现具有共同标记的QTL出现，不能断定这些QTL是相同的或新的QTL。因此，进一步开发出多个遗传背景下的共同标记，对增加不同研究者之间定位结果的相互验证，对产量相关性状QTL的精细定位、克隆和分子标记辅助育种更具有应用价值。