大麦株高类性状的遗传分析与QTL定位

姚佳延,于国琦,洪 益,吕 超,许如根

(植物功能基因组学教育部重点实验室,江苏省作物基因组学与分子育种重点实验室,江苏粮食作物现代产业技术协同创新中心,扬州大学 农业科技发展研究院，江苏 扬州 225009)

大麦(Hordeum vulgareL.)种植面积和产量均居世界禾谷类作物第四，仅次于玉米、水稻、小麦[1]。大麦具有适应性强、用途广泛等优点[2-3]。随着我国社会经济发展和居民食物消费结构改进，大麦的利用价值正在被人们重视[4]。株高、穗下节间长和穗长与大麦生物产量及抗倒性密切相关，生物产量是经济产量的基础和高产前提，但株高和生物产量偏高会增加大麦的倒伏风险。不同用途大麦品种的株高类性状的要求不同，青贮大麦要求株高高、穗下节间长，有利于形成高生物产量；籽粒用大麦要求株高矮、穗下节间和穗长长，有利于籽粒高产、稳产。此外，大麦株高类性状与株型构成和抗倒伏性有关。因此，株高类性状是大麦品种改良的重要目标性状[5-6]。

大麦矮化育种主要使用的半矮化基因有short culm 1 (hcm1)、semi-brachytic 1 (uzu 1)、semi-dwarf 1 (sdw1或denso)、breviarist-atum-e (ari-e)[7]。其中uzu1基因编码一个BR受体(HvBRI1)在我国大麦育种工作中得到了广泛的应用[6, 8]。株高类性状为数量性状，数量性状位点定位是研究数量性状遗传机制的重要手段[9-10]。Ren等[6]与Chen等[11]以株高、穗长、穗下各节间长为指标，在大麦7条染色体上均定位到株高、穗长、穗下节间长等性状相关的QTL。Chutimanitsakun等[12]在大麦2H的156 cM处定位到一个同时控制株高、穗长、产量的主效QTL，在1H、3H、5H、6H上定位到控制穗长的QTL。Wang等[5]在大麦7H的80 cM处定位到贡献率为23.2%的株高QTL。Peighambari等[13]筛选327个分子标记在72个大麦DH系中检测到3个株高QTL及2个穗长QTL。

随着分子标记与连锁图谱的发展，基因定位更加精确[14]。近年来，全基因组单核苷酸多态性(SNP)标记发掘与基因分型及高密度遗传图谱构建技术的发展，促进功能基因定位研究[12, 15]。本研究以我国饲用大麦泰兴9425与日本啤酒大麦Naso Nijo构建的177份DH群体及亲本为材料，构建群体的SNP分子图谱，对株高、穗下节间长和穗长进行遗传分析与QTL定位，为大麦株高类性状的分子标记辅助选择与精细定位奠定基础。

1 材料和方法

1.1 参试材料

以我国饲用大麦泰兴9425与日本啤酒大麦Naso Nijo的杂种F1的花药诱导产生的177个DH系及亲本材料。

1.2 田间设计

2018年将参试材料分别种植于新农场(32°23′N，119°23′E)和盐城市大中农场农科所试验田(33°7′N，120°39′E)。每份材料播种1行，行长1.0 m，行距0.3 m，每行人工点播20粒，3次重复。参照当地大田管理。

1.3 株高类性状调查

在参试材料收获前，每个行选取5株生长一致植株，测量株高(cm)、主穗长(cm)和穗下节间长(cm)。

1.4 DH群体遗传图谱

DH群体遗传图谱由扬州大学大麦研究所提供[16]，标记分布情况见表1。该遗传图谱含有1 551个SNP标记，覆盖大麦7条染色体、分布均匀，全长957.09 cM，2个标记间的平均遗传距离为0.61 cM，且各条染色体标记间的平均距离均小于1 cM，分别为0.60，0.95，0.41，0.69，0.68，0.93，0.47 cM。

表1 DH群体遗传图谱基本信息Tab.1 Basic information of DH population genetic map

1.5 数据处理

应用Excel 2016程序对试验数据初步处理，采用SPSS 16.0软件对DH群体进行描述性统计分析、方差分析、相关性分析。利用Windows QTL IciMaping V4.1.0.0 软件(http://www.isbreeding.net/software/)对株高类性状进行QTL定位分析，LOD阈值设定为3.0。

2 结果与分析

2.1 亲本及DH群体株高类性状的表现

亲本及DH群体株高类性状表现见表2。如表2所示，泰兴9425的株高、穗长、穗下节间长均低于Naso nijo，t测验表明，株高和穗长在亲本间差异极显著。DH群体株高、穗长、穗下节间长的变异系数分别为9.52%，11.43%，10.33%。株高、穗长和穗下节间长的遗传力分别为78.98%，89.31%和84.50%。

2.2 DH群体株高类性状的方差分析

DH群体株高类性状的方差分析结果列于表3。从表3可知，3个株高类性状在DH系间的差异均达到极显著水平(P<0.01)；穗长和穗下节间长在试点间差异均达到极显著水平(P<0.01)；株高和穗下节间长在环境与基因型互作间差异均达极显著水平(P<0.01)。说明大麦株高类性状由基因型、试点气候及栽培条件共同决定的，穗长和穗下节间长较易受试点条件影响。

表2 亲本及DH群体株高类性状的表现Tab.2 Plant height-related characters performance of parents and DH populations

表3 DH群体株高类性状的方差分析 (F值)Tab.3 Analysis of variance on plant height-related characters in DH population (F value)

2.3 株高类性状的相关性分析

株高类性状的相关性分析结果列于表4。由表4可知，株高与穗长、株高与穗下节间长、穗长与穗下节间长均呈极显著正相关(P<0.01)。相关系数分别为0.688,0.862和0.600，表明大麦株高越高，其穗下节间长和穗长越长。

表4 株高类性状的相关性Tab.4 Correlation coefficients between the traits of plant height-related characters

2.4 株高类性状的QTL分析

利用Windows QTL Icimapping V4.1.0.0软件，对3个株高类性状进行QTL定位，定位结果见表5。由表5可知，2个环境共定位到6个株高QTL，分别位于2H、3H、4H及7H上，未检测到两试点共同的QTL；两试点均值定位到4个株高QTL，其中位于3H上的qPH-3-1、4H上的qPH-4-1，与大中农场试点的2个株高QTL重演，且qPH-3-1的贡献率较大，在19.98%～38.30%。2个环境共定位到5个穗长QTL，其中QTL位于5H上的qSL-5-1在两试点重演；两试点均值定位到3个穗长QTL，包括位于5H上的qSL-5-1，但其贡献率偏小。2个环境下共定位到4个穗下节间长QTL，位于2H上的qSIL-2-1在两试点重演；两试点均值定位到2个穗下节间长QTL，包括位于2H上的qSIL-2-1，该QTL的贡献率在7.32%～13.94%。除第1，6染色体外，其他染色体上均有分布，LOD值为3.50～32.46，对表型变异的解释率为1.53%～38.30%。其中qPH-4-1、qPH-7-2、qSL-2-2、qSIL-2-1、qSIL-3-2均未见报道，可能为新位点。

3 讨论

株高是大麦最重要的性状之一，适宜的株高是确保高产的基础，既可以保证一定的生物产量，也可提高大麦的抗倒性，降低倒伏对大麦产量和品质不良影响[17]。大麦株高由包括穗长及4个左右节间与节构成，大麦穗长与穗型有关，一般垂穗型大麦品种的穗长大于直穗型品种，同一穗型品种间穗型的穗长差异较大[6, 11]，穗长的长短影响到穗粒数和粒型。穗下节间长影响到植株上部功能叶的分布与通风透光性，大麦品种的穗下节长度占株高的比例越高，其产量潜力越大。目前已报道的与株高相关的QTL多受环境影响[14]，利用多环境定位株高类性状的QTL，可提高定位QTL的稳定性[9, 15]。DH群体是一个永久性群体，可以实现多环境鉴定数量性状，不但可以提高定位基因的基因准确性，也可以分析基因与环境的互作效应[18]。大麦DH群体已广泛用于大麦株高类性状、产量性状、生物抗性和非生物抗性的遗传分析与QTL分析等[19-23]。本研究所用材料即为DH群体永久群体，通过多点鉴定大麦株高类性状，保证定位QTL的稳定性。

表5 株高类性状相关的QTLTab.5 QTL for plant height-related characters

本研究结果表明，大麦株高、穗长、穗下节间长的遗传力较高，分别为78.98%，89.31%，84.50%，主要受遗传因素控制，可在杂交育种早代进行较为严格的选择。鉴于株高与穗长和穗下节间长间存在极显著正相关，与前人的研究相同[3, 6, 13]。因此，在对3个性状选择时，应选择株高适宜、穗下节间长占株高比例较大、穗长略长的植株。本研究共检测的6个株高相关QTL中，2H上的qPH-2-1与PH-1[7]、Qph2.1[21]、11_11505[22]距离相近，可能为同一位点。qPH-2-2、qPH-7-2分别与Yu等[7]定位到的PH-2、PH-7距离较近；3H上的qPH3-1与Schmalenbach等[23]定位的来自野生大麦导入系的QHei.S42IL-3H.a距离较近，可能为同一位点。qPH-4-1、qPH-7-2附近未报道相关位点，可能存在新的控制株高的基因。5个穗长QTL中，4H上的qSL-4-1与Islamovic等[3]定位的QTL距离较近；5H定位到qSL-5-1与Lakew等[24]定位QTL位点相同；未见与qSL-2-1、qSL-2-2位置相近的穗长QTL报道，可能为新的穗长位点。4个穗下节间长QTL中，3H上的qSIL-3-1与Ren等[6]定位到的Qion3-9距离较近，可能为同一位点；qSIL-3-2附近未报道相关QTL，可能为新的穗下节间长位点；2H上定位到的稳定的qSIL-2-1，贡献率10%左右，该QTL未报道，可能为新的穗下节间长位点，尚需进一步验证。