盐胁迫下小麦幼苗相关性状QTL加性及其上位性效应分析

吴儒刚,陈广凤,李冬梅,田纪春

1.德州市农业科学研究院,山东德州253015

2.山东农业大学作物生物学国家重点实验室/山东省作物生物学重点实验室,山东泰安271018

3.德州学院生态与园林建筑学院,山东德州253023

盐胁迫下小麦幼苗相关性状QTL加性及其上位性效应分析

吴儒刚1*,陈广凤2,3*,李冬梅3,田纪春2**

1.德州市农业科学研究院,山东德州253015

2.山东农业大学作物生物学国家重点实验室/山东省作物生物学重点实验室,山东泰安271018

3.德州学院生态与园林建筑学院,山东德州253023

由小麦品种花培3号和豫麦57杂交获得了168个株系的DH群体为材料，分别用蒸馏水(对照)以及50、100 mmol/L NaCl溶液处理，对小麦幼苗的苗高、苗干重进行了QTL定位及效应分析。利用完备区间作图法，共检测到16个加性QTL和17对上位性互作QTL。其中，检测到8个控制苗高的QTL，分布在小麦2A、2D、3B、4D、6B和7B染色体上，单个QTL可解释3.38%～22.96%的遗传变异，位于4D和7B染色体上控制苗高的QSH4D和QSH7B两个QTL位点在两个环境中均被检测到，QSH4D在两个环境里的遗传贡献率分别为17.9%和22.96%，为一主效QTL位点；检测到8个控制苗干重的QTL，分布在小麦1A、1B、2B、2D、4D和5B染色体上，单个QTL可解释4.53%～9.10%的遗传变异。在1A染色体上控制小麦幼苗苗干重的QDSW1A，在盐胁迫和非盐胁迫下均稳定表达，贡献率分别为7.78%和7.87%，可用于小麦耐盐的分子标记辅助选择。加性效应和上位效性均对小麦幼苗苗高和苗干重的遗传起重要作用。

小麦(Triticum aestivum L.);幼苗;盐胁迫;加性效应;上位性效应

盐渍土是影响农作物产量的一个主要限制因素。随着人口的不断增长和人们对粮食需求的不断增加，粮食安全问题越来越突出[1]。除了采取一些盐渍土改良措施（如灌溉压碱）之外，对植物的抗盐性进行研究，培育耐盐性作物新品种是作物有效利用盐渍化土壤的一条根本途径。小麦耐盐性是多基因控制的数量性状，其分子机制及遗传机理比较复杂。耐盐指标的选择一直是进行耐盐鉴定的一个重要问题，在不同时期，选择不同的耐盐指标可能会得出不同的结果。前人对小麦耐盐性研究主要集中在小麦植株耐盐形态指标、生理生化指标等方面[2]。近十几年来，随着生物技术的快速发展，小麦耐盐的遗传基础特别是基因/QTL定位的研究成为热点。武玉清等[3]以小麦敏盐品种太空6号和耐盐品种德抗961杂交形成的F2和F2:3家系为试验材料，检测到2个苗高QTL，分别位于染色体5D和5A上；检测到2个根长QTL，均位于染色体5B上；检测到1个鲜重QTL，位于染色体5D上。任永哲等[4]以小偃54×京411重组自交系群体为材料，在盐胁迫条件下检测调控小麦苗期最大根长、根系干重、地上部干重和总干重及其相对性状的QTL位点，共检测到调控小麦苗期4个性状及其相对性状的25个QTL位点，分布在2D、3A、4B、5D和7B等共11条染色体上。杨彩凤等[5]利用由小麦品种花培3号和豫麦57杂交获得的168个株系的DH群体为材料，在不同盐胁迫处理下在小麦2A、2D、3A、3B、6B和7A等10条染色体上检测到控制小麦苗高的10个QTL，在1B、2A、3A、3D、4D和7D等9条染色体上检测到控制小麦主根长的12个QTL。在小麦耐盐的生理生化指标相关性状的QTL定位研究方面，Dubeovsky等[6]以与植物耐盐性密切相关的K+/Na+分离比为参数指标，利用RFLP分子标记将控制K+/Na+分离比的Knal基因定位在小麦4DL染色体上。Munnus等[7]利用3个F2群体，对控制Na+吸收性状的QTL进行定位，结果仅在一个F2群体的2A染色体的长臂上定位了一个控制Na+吸收性状的QTL。Morgan等[8]利用中国春与埃及红的一系列代换系把渗透调节基因定位在7A染色体上，认为小麦的渗透调节与一个隐性基因有关，1996年进一步用RFLP将渗透调节基因定位在7A染色体的短臂上。杨凯等[9]将控制小麦苗期叶片脯氨酸含量的基因定位在5A和5D染色体上。刘旭等[10]应用SSR标记检测到了一个与WMS67和WMSZ13标记紧密连锁的耐盐主效基因，定位在5BL染色体上。翁跃进等[11]用耐盐性强的小麦农家品种茶淀红与盐敏感品种农大85021杂交得到的F2群体，获得了与耐盐性连锁的RAPD标记OPZ09-590。单雷等[12]利用SSR-BSA的方法获得了与耐盐品种山融3号耐盐性状连锁的SSR标记Xgwm304，将该基因定位在5A染色体短臂上。

上述研究利用不同群体对小麦不同耐盐性状进行了基因定位，但利用DH群体对小麦幼苗相关性状QTL同时进行加性及上位性效应分析的研究尚未见报道。本研究利用豫麦57(父本)和花培3号(母本)培育的DH群体（168个家系）及其亲本为材料，在不同浓度的盐胁迫条件下定位调控小麦幼苗相关性状的QTL位点，旨在发掘调控小麦耐盐性的基因位点，为分子标记辅助选择小麦耐盐性状提供基因位点和连锁标记。

1 材料与方法

1.1 试验材料

高产、多抗的花培3号和综合性状优良的豫麦57杂交F1通过花药培养，经染色体加倍获得168个双单倍体(DH)系。花培3号和豫麦57分别于2006年和2004年通过河南省和国家农作物品种审定委员会审定，在黄淮麦区推广面积很大，在农艺性状和品质性状方面有较大差异。

1.2 盐胁迫处理和性状指标测定

精选DH群体168个家系的无病虫害饱满种子100粒置种子发芽盘中，先用3%H202消毒20 min，用蒸馏水充分洗净，然后将种子均匀摆在铺有2层滤纸的培养皿上，加入适量的蒸馏水，加盖，置于室温20±2℃的发芽室，进行催芽处理。待胚轴伸长1 cm时，挑选长势一致的幼苗置于5 cm x 5 cm 84穴的育苗盘中，将育苗盘置于配好盐分浓度的培养盆中。试验分3个处理，NaCl浓度分别为0 mmol/L（对照）、50 mmol/L、100 mmol/L，每个处理两次重复。处理25 d后，每个重复选出生长一致的6株幼苗分别测量苗高和苗干重。

1.3 分子遗传图谱

DH群体分子遗传连锁图由本研究室构建[13]。共有323个标记，包括284个SSR标记、37个EST标记、1个ISSR标记和1个HMW-GS标记位点。图谱全长2485.7 cm，平均两标记间的遗传距离是7.67 cm，形成24个连锁群分布于小麦的21条染色体上。

1.4 数据处理

利用SPSS17.0统计分析软件对小麦苗期不同盐胁迫下各个性状的表型数据进行正态性检验。利用构建的小麦遗传图谱，应用完备区间作图软件Icimapping3.2对3个处理条件下的苗高和苗干重分别进行QTL定位分析。QTL命名参照MeCoueh等[14]的方法。例如QSH2B：Q代表QTL，SH代表小麦苗高，2B指该QTL定位在2B染色体上。

2 结果与分析

2.1 亲本及DH群体幼苗苗高和苗干重表型分析

小麦双亲在不同处理下的幼苗苗高和苗干重差异较大，DH群体在不同处理下的幼苗苗高和苗干重变异范围较大（表1和图1）。对照与50 mmol/L NaCl处理苗高和苗干重差异均没有达到极显著水平，与100 mmol/L NaCl处理差异均达到极显著水平，说明本研究中只有100 mmol/L NaCl处理对苗高和苗干重构成了盐胁迫。不同浓度盐胁迫条件下苗高和苗干重的偏度值和峰度值的绝对值均小于1.0，表现出数量性状的遗传特点，所有性状均呈连续变异，表明所研究的性状均为多基因控制的数量性状，适合进行QTL定位分析。

表1 DH群体及其亲本幼苗苗高和苗干重表型分析Table1 Phenotypic performance of seedling height and dry seedling weight in the DH population and their parents

图1 苗高、苗干重在DH群体中的变异分布Fig.1 Distribution of seedling height and dry seedling weight in the DH population

2.2 DH群体幼苗苗高和苗干重QTL定位及效应分析

在三种处理下，共检测到控制小麦幼苗苗高和苗干重的16个加性QTL和17对上位性QTL，主要分布在1A、2D、3B、4D和7B等染色体上(图2，表2)，单个QTL可解释3.38%～22.96%的遗传变异。

2.2.1 苗高QTL分析三种处理下，共检测到8个影响苗高的加性QTL，对表型变异的贡献率为3.38%～22.96%。其中，对照处理检测到3个QTL，分布在4D、6B和7B染色体上，对表型变异的贡献率分别为17.9%、5.22和5.43%；50 mmol/L NaCl处理检测到2个QTL，分布在7B和4D上，贡献率分别为22.96%和3.38%；100 mmol/L NaCl处理检测到3个QTL，分布在2A、2D和3B上，贡献率分别为6.39%、5.37%和4.49%；QSH4D和QSH7B在对照处理和50 mmol/L NaCl处理均被检测到，对苗高的增效作用方向一致，增效等位基因均来自豫麦57，可增加苗高0.58 cm～1.47 cm，其加性效应总的贡献率分别为40.86%和8.81%。由于2个QTL在两个处理下同时检测到，说明其加性效应在小麦苗高遗传中起重要作用。

图2 苗高、苗干重性状的加性QTL在染色体上的位置◆1∶0 mmol/L NaCl苗高QTL；◆2∶50mmol/L NaCl苗高QTL；◆3∶100mmol/L NaCl苗高QTL；★1∶0 mmol/L NaCl的苗干重QTL；★2∶50mmol/L NaCl苗干重QTL；★3∶100mmol/L NaCl苗干重QTLFig.2 Positions of QTLs associated with seedling height and dry seedling weight◆1 QTL for seedling height under0mmol/L NaCl stress;◆2 QTL for seedling height under 50mmol/L NaCl stress;◆3 QTL for seedling height under 100mmol/L NaCl stress;★1 QTL for dry seedling weight under 0mmol/L NaCl stress;★2 QTL for dry seedling weight under 50mmol/L NaCl stress;★3 QTL for dry seedling weight under 100mmol/L NaCl stress

表2 苗高和苗干重性状的加性QTL位置、效应及贡献率Table 2 Positions,effects and contribution rates of additive QTLs for seedling height and dry seedling weight

检测到影响苗高的上位性互作位点10对（表3），每对互作位点对表型变异的贡献率为7.52%～16.26%，主要分布在6A、7D、1D和2D染色体上。对照处理检测到3对上位QTL，均具有正向效应，总的贡献率为37.21%；50 mmol/LNaCl处理检测到3对上位QTL，其中2对具有正向效应，1对具有负向效应，总的贡献率为25.68%；在100 mmol/L NaCl处理检测到4对上位QTL，其中3对具有正向效应，1对具有负向效应，总的贡献率为42.85%。以上结果说明，不同浓度盐胁迫下小麦苗高遗传除受加性QTL影响外，其上位性效应也起重要作用。

2.2.2 苗干重QTL分析三种处理下，共检测到8个影响苗干重的加性QTL，对表型变异的贡献率为4.53%～9.10%。其中，对照处理检测到3个QTL，分布在1A、2D和5B染色体上，对表型变异的贡献率分别为7.78%、8.54%和5.34%；50 mmol/LNaCl处理检测到3个QTL，分布在2B、2D和4D染色体上，对表型变异的贡献率为7.37%、8.03%和9.10%；100 mmol/L NaCl处理检测到2个QTL，分布在1A和1B染色体上，贡献率分别为7.87%和4.53%。三种处理检测到的QTL位点的增效等位基因均来自两亲本，说明双亲均含有调控小麦苗干重的增效基因。

影响苗干重的上位互作位点共有7对（表3），每对互作位点对表型变异的贡献率为10.54%～14.10%。对照处理检测到2对上位QTL，1对具有正向效应，1对具有负向效应，总的贡献率为25.91%；50 mmol/LNaCl处理检测到2对上位QTL，其中1对具有正向效应，1对具有负向效应，总的贡献率为22.13%；100 mmol/L NaCl处理检测到3对上位QTL，其中2对具有正向效应，1对具有负向效应，总的贡献率为39.73%。以上结果说明，不同浓度盐胁迫下小麦苗干重遗传除受加性QTL影响外，其上位性效应也起重要作用。

表3 苗高和苗干重性状的上位性效应Table 3 Epistatic effects of QTLs for seedling height and dry seedling weight

3 讨论

本研究应用完备区间作图软件Icimapping 3.2，同时分析QTL加性效应和上位性效应，可以提供更多的位点信息。复杂性状的基因表达存在上位性作用在QTL定位研究中已经得到验证[15,16]。本研究中2个耐盐性状均检测到非等位基因的上位效应，因此进行分子标记辅助育种时，必须同时考虑对这些QTL有影响的其他位点的作用。

大量的证据表明，在发育的不同阶段，植物对盐的敏感性不同，小麦苗期被认为是小麦耐盐鉴定的主要时期[17]，因此，可以将苗期作为研究小麦耐盐性的一个重要时期进行研究。任永哲等[4]在小麦3A、4B、5B、5D和7B染色体上检测到盐胁迫下控制苗干重的5个QTL，杨彩凤等[5]利用同一群体在不同盐胁迫处理下在小麦2A、2D、3A、3B、6B和7A等10条染色体上检测到控制小麦苗高的10个QTL。本研究和任永哲等[4]研究相比，在相同染色体5B上检测到控制苗干重的QTL，但位置不同；和杨彩凤等[5]研究相比，在相同染色体6B和2D上检测到控制苗高的QTL，其中位于2D上的位点位置相近，可能是同一个QTL位点。本研究中，位于4D和7B染色体上控制苗高的QSH4D和QSH7B两个QTL位点在两个环境中均被检测到，并且，QSH4D在两个环境里的遗传贡献率分别为17.9%和22.96%，为一主效QTL位点，在同一区段未见过同类QTL报道。从以上不同研究结果的比较可以看出，使用不同作图群体或者同一作图群体对作物数量性状QTL的检测均会得到控制同一性状不尽相同的QTL位点，说明，作物数量性状由多基因控制，检测不同的作图群体，可发掘更多的QTL，同时也说明QTL的表达易受环境条件的影响，即使是用同一个作图群体在不同的环境下检测到的位点也会有所不同。

本研究中，对照处理与50 mmol/L NaCl处理小麦幼苗苗高和苗干重差异均没有达到极显著水平，与100 mmol/L NaCl处理差异均达到极显著水平(表1)，说明在本研究中只有100 mmol/L NaCl处理对苗高和苗干重构成了盐胁迫。检测到控制苗高的8个QTL中，非盐胁迫下（对照和50 mmol/L NaCl处理）检测到5个QTL，位于4D、6B和7B染色体上，盐胁迫下（100 mmol/L NaCl处理）检测到3个QTL，位于2A、2D和3B染色体上。其中QSH4D和QSH7B在非盐胁迫的两种处理下稳定表达，QSH4D在两个环境的贡献率分别为17.9%和22.96%，为主效QTL；检测到控制苗干重的8个QTL中，非盐胁迫下（对照和50 mmol/L NaCl处理）检测到6个QTL，位于1A、2B、2D、4D和7B染色体上，盐胁迫下（100 mmol/L NaCl处理）检测到2个QTL，位于1A和1B染色体上，其中QDSW2D在非盐胁迫的两种处理下稳定表达，贡献率分别为8.54%和8.03%；QDSW1A在盐胁迫和非盐胁迫下稳定表达，贡献率分别为7.78%和7.87%。根据不同环境下表达的情况将控制苗高和苗干重的16个加性QTL分成3类，第一类1个QTL：QDSW1A，在非盐胁迫和盐胁迫条件下均表达的QTL；第二类7个QTL：QSH4D、QSH6B、QSH7B、QDSW2D、QDSW5B、QDSW2B和QDSW4D，只在非盐胁迫条件下表达的QTL；第三类4个QTL：QSH2A、QSH2D、QSH3B和QDSW1B，受盐胁迫诱导表达的QTL。这说明不同的QTL在各自的环境中更为有效[18,19]，从不同环境条件下不尽相同的QTL表达模式分析，认为只有在非盐胁迫和盐胁迫两种环境下均表达的QTL如QDSW1A对耐盐性有贡献，可用于小麦耐盐性的分子标记辅助选择，而只在盐胁迫下表达的QTL可能与耐盐适应性反应有关，未必对耐盐性有实质性贡献，进一步研究可能对揭示盐敏感机理有重要启示。

4 结论

影响小麦幼苗苗高、苗干重的16个加性QTL和17对上位性互作QTL，主要分布在1A、2D、3B、4D和7B等染色体上，单个QTL可解释3.38%～22.96%的遗传变异。在1A染色体上控制小麦幼苗苗干重的QDSW1A，在盐胁迫和非盐胁迫下均稳定表达，贡献率分别为7.78%和7.87%，可用于小麦耐盐的分子标记辅助选择。加性效应和上位效性应对小麦幼苗相关性状的遗传起重要作用。

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Analysis on Quantitative Trait Loci Additive and Epistatic Effects of Wheat Seedling Under Salt Stress

WU Ru-gang1*,CHEN Guang-feng2,3*,LI Dong-mei3,TIAN Ji-chun2**
1.Dezhou Academy of Agricultural Sciences,Dezhou 253015,China
2.State Key Laboratory of Crop Biology/Shandong Provincial Key Laboratory of Crop Biology/Shandong Agricultural University,Tai'an 271018,China
3.College of Ecology and Garden Architecture/Dezhou University,Dezhou 253523,China

Seedling height and dry seedling weight are important indexes to evaluate salt tolerance of wheat seedlings.To detect quantitative trait loci(QTL)associated with seedling height and dry seedling weight at seedling stage in wheat,a set of 168 doubled haploid(DH)lines derived from the cross between Huapei 3 and Yumai 57 was treated with distilled water(CK), 50 and 100 mmol/L of NaCl.Based on inclusive composite interval mapping(ICIM)method,we identified 16 additive QTLs and 17 pairs of epistatic QTLs for seedling height and dry seedling weight under CK and salt stress.A total of eight QTLs for seedling height were detected distributed on chromosomes 2A,2D,3B,4D,6B and 7B,and explained phenotypic variation ranging from 3.38%to 22.96%.A total of eight QTLs for dry seedling weight were detected distributed on chromosomes 1A, 1B,2B,2D,4D and 5B,which accounted for 4.53-9.10%of the phenotypic variation.The QDSW1A for dry seedling weight expressed both in CK and salt stress,which could be used in marker-assisted selection in wheat breeding programs.The results indicate that both additive effects and epistatic effects are important genetic bases for wheat seedling traits.

Wheat(Triticum aestivum L.);seedling stage;salt stress;additive effects;epistatic effects

S330

A

1000-2324(2015)05-0652-06

2014-10-20

2014-11-06

国家自然科学基金(31171554);国家转基因生物新品种培育重大专项(2013ZX08002003);山东省农业良种工程项目(鲁农良种字【2014】96号)

吴儒刚(1980-),男,学士,农艺师,主要从事小麦遗传育种研究工作.E-mail:w882002@126.com

*同等贡献作者:陈广凤(1975-),女,硕士,讲师,主要从事小麦遗传育种研究工作.E-mail:cgfdz@163.com

**通讯作者:Author for correspondence.E-mail:jctian@sdau.edu.cn