小麦花药伸出特性的QTL分析

王笑笑，宋鹏博，王 鑫，周 锋，张傲琰，张海龙，张泽源，冯 毅，孙道杰

(西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100)

小麦(L.)是世界上最重要的粮食作物之一，在人类生产生活中发挥着不可替代的作用。近年来，由于气候变暖导致小麦穗部真菌病害发生率和严重度增加，品种的花药伸出特性对小麦授粉结实性和赤霉病抗性的影响日益凸显，严重影响小麦生产。另外，花药伸出特性也是小麦杂种优势利用的重要研究内容。因此，发掘影响花药伸出特性的QTL，可为改良小麦品种的扬花期相关性状提供参考。

迄今为止，国内外许多学者对小麦的开花期性状进行了研究，并取得了一定的进展，但对影响花药发育和花药伸出特性的遗传机制知之甚少。花药伸出特性是花药在开花期间从小花中伸出来的一种现象。小麦的穗由穗轴和小穗组成，每个小穗包含2～5朵小花，每朵小花又包括1片外稃、1片内稃、3枚雄蕊、1枚雌蕊和1对浆片。小花开放主要受浆片膨胀的控制。在小麦开花时，位于外稃和子房基部之间的一对浆片在开花时迅速膨胀，撑开坚硬的外颖，使花药和柱头伸出。当浆片膨大失败没有足够的机械力撑开颖壳时，就会阻碍花粉流动，导致闭颖开花和自花授粉。花药伸出具有复杂的遗传学特性，并受多方面因素的影响，穗和小穗的大小及结构、颖片的韧性、浆片膨胀程度、花药大小、花丝长度以及开花持续时间等都有可能影响花药的伸出。

花药伸出特性一直是育种者关注的焦点。近年来有研究发现，赤霉病的严重程度与花药伸出特性紧密相关，大部分花药伸出特性QTL与赤霉病抗性QTL区间相同。残留的花药是赤霉病侵染初期的主要目标。由于开花时花药不能按时完全散落，导致授粉后的小花不能及时闭合，为真菌侵染提供了一个入口，因而快速且完全地花药伸出过程可以在一定程度上阻止赤霉病侵染。花药伸出特性是由多基因控制的数量性状。目前研究报道的与小麦花药伸出特性相关的QTL分别位于1A、1B、1D、2A、2B、2D、3B、4A、4B、4D、5A、5B、5D、6A、6B和7A染色体上。大部分影响花药伸出特性的QTL效应都比较小，在已报道的主效QTL中，除了与和基因紧密连锁的QTL外，仅Muqaddasi等在5A染色体上也发现了一个主效QTL。由此可见，与花药伸出特性相关的稳定的主效QTL较少，这可能与选择的亲本材料有关。因此，本研究以半闭颖小麦品种周8425B和开颖小麦品种小偃81为亲本构建的含102个株系的RIL群体为研究对象，利用90K SNP芯片对花药伸出特性进行QTL定位，挖掘新的能够稳定表达的主效QTL，以期为分子育种提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以半闭颖小麦品种周8425B和开颖小麦品种小偃81构建的包含102个株系的F代RIL群体为材料，于2019年10月播种于西北农林科技大学试验站(用E1表示)，间隔1个月为晚播环境(用E2表示)；于2020年10月也播种于西北农林科技大学试验站(用E3表示)，间隔1个月为晚播环境(用E4表示)。试验均采用随机区组设计，重复3次。每个株系种植2行，行长2 m，每行50株，行距0.25 m。其他田间管理措施同当地生产管理。

1.2 表型鉴定

在小麦开花期间，每个株系选取长势良好且均匀一致的3个单株(排除边际效应)，在所有环境中评估花药伸出的情况。利用并改进Hanafi等报道的两种方法进行表型鉴定。方法1：于小麦花后5～7 d，取长势均匀的小穗对其小花内剩余花药进行统计，计算花药伸出率；方法2：记录视觉花药伸出等级(0：没有花药伸出；1：1/3的花药伸出；2：2/3的花药伸出；3：花药完全伸出)。以小麦花药伸出率和视觉花药伸出等级两种性状表型值共同评估花药伸出特性。用Spass软件将单环境的重复值求其平均值后，再进行QTL分析。用W-test检测亲本表型间的差异显著性。用IciMapping V4.2中的‘AOV’包计算花药伸出特性的最佳线性无偏预测(best linear unbiased prediction,BLUP)、遗传方差等。根据Song等的方法计算遗传力，按照唐仕云等的方法计算遗传变异系数。

1.3 遗传图谱的构建

用90K SNP芯片对102个株系进行基因分型，用IciMapping V4.2中的BIN模块进行多态性分析并去除冗余标记，筛选出两亲本间存在多态性的标记，剔除偏分离标记(<0.001)和缺失率>20%的标记后，用IciMapping V4.2中的MAP模块将剩余标记进行排序，并将重组率转化为遗传距离(cM)，完成遗传图谱的构建。

1.4 QTL的检测

利用完备复合区间模型(ICIM)对4个环境下的表型值及BLUP值分别进行QTL检测。在α=0.05水平下进行1 000次的排列检验，确定LOD值的大小，采用正反逐步回归法控制背景，步长设为1 cM。利用IciMapping V4.2中的MET模块对多环境互作进行QTL检测。用Mapchart V2.2绘制QTL在染色体上的分布图。通过中国春参考基因组(IWGSC RefSeq V1.0)对本研究所检测到的QTL侧翼标记序列进行比对，以获取相应标记的物理位置，在中国春参考基因组(http://202.194.139.32/jbrowse- 1.12.3-release)中查询前人已经报道的标记位置，确定本研究发现的QTL与前人报道的QTL是否一致。以“+染色体”和“+染色体”分别命名以花药伸出率和视觉花药伸出等级两种方法定位到的QTL，以花药伸出率和视觉花药伸出等级两种方法共同定位到的QTL用“+染色体”表示。

2 结果与分析

2.1 表型数据分析

从表1可以看出，周8425B和小偃81的花药伸出特性在不同环境下均存在显著性差异，且RIL群体的表型数据呈现连续分布且存在超亲分离现象。这表明花药伸出特性是由多个基因控制的数量性状。花药伸出率和视觉花药伸出等级的遗传力分别为0.99和0.93，表明它们主要受遗传因子影响，环境因素对其影响较小。

表1 亲本及RIL群体花药伸出特性的统计分析Table 1 Statistic analysis of anther elongation characteristics of parents and RIL population

2.2 遗传图谱构建结果

小麦90K SNP芯片中的81 588个标记通过筛选过滤后，剩余7 225个多态性标记，划分为 1 738个Bin标记，这些标记构成的遗传连锁图谱共包含28个连锁群，覆盖小麦21条染色体。图谱全长为2 068.80 cM，平均图距为1.19 cM，其中A基因组的长度最长，D基因组的长度最短。90K SNP芯片在小麦A、B、D基因组中的连锁标记数分别为740、832和166个(表2和图1)。

2.3 花药伸出特性的QTL定位结果

共检测到8个控制花药伸出特性的QTL(表3)，分别位于3A、3B、5B、6B、6D和7A染色体上，单个QTL可解释3.49%～26.09%的表型变异。、和可在花药伸出率和视觉花药伸出等级调查中均被检测到。其中，在花药伸出率调查的E2和MET(环境互作)环境中被检测到，在视觉花药伸出等级调查的E4和MET环境中被检测到，可解释3.65%～10.48%的表型变异，为微效QTL，其加性效应来自父本小偃81；在花药伸出率调查的E1、E2和MET三个环境中被检测到，在视觉花药伸出等级调查的E1、E2、E3、E4和MET五个环境中被检测到，可解释8.12%～26.09%的表型变异，平均表型变异解释率为17.00%，为稳定表达的主效QTL，其加性效应来自母本周8425B；在花药伸出率调查的E4和MET环境中被检测到，在视觉花药伸出等级调查的E1和MET环境中均被检测到，可解释 3.49%～8.93%的表型变异，为微效QTL，其加性效应来自母本周8425B。

图1 花药伸出特性QTL在染色体上的分布

表2 Bin标记在不同染色体上的分布情况Table 2 Distribution of Bin markers on different chromosomes

另外，花药伸出率QTL定位调查结果中，除、和外，也定位到、和，其中和在E3、E4和MET三个环境中均被检测到，分别可解释6.26%～16.98%和6.25%～15.02%的表型变异，其加性效应分别来自父本小偃81和母本周8425B；在E4和MET环境中被检测到，可解释6.82%～11.71%的表型变异，其加性效应来自母本周8425B。视觉花药伸出等级QTL定位结果中，除、和外，也检测到和，其中在E4和MET环境中被检测到，可解释3.99%～10.76%的表型变异；而在E4和MET环境中被检测到，可解释3.85%～9.55%的表型变异，这两个QTL的加性效应均来自母本周8425B。

表3 RIL群体花药伸出特性的定位信息Table 3 Location information of anther elongationtraits in RIL population

3 讨 论

在选择作图群体时，两个亲本之间表型差异的大小及亲缘关系的远近不仅影响群体内多态性标记的数量，同时也与连锁图谱的标记密度和QTL定位结果的准确性密切相关。SNP标记在染色体上分布均匀且数目众多，其构建的高密度连锁图谱有利于将QTL定位在较小的区间内，极大地降低了候选基因预测的难度。本研究利用小麦90K基因芯片对包含102个家系的RIL群体及其亲本进行扫描分型，共筛选出1 738个Bin标记，连锁图谱全长为2 068.8 cM，平均图距为1.19 cM，并构建了覆盖小麦21条染色体的高密度遗传图谱。所构建图谱的Bin标记在A染色体组有740个，B染色体组有832个，D染色体组有166个，D基因组的标记数目比A、B染色体组少，这可能与六倍体小麦的来源及人工选择有关。

本研究共定位到8个控制花药伸出特性的QTL。其中位于6B染色体上的，与Muqaddasi等报道的位点侧翼标记位置接近，推测是同一QTL；位于3A染色体上的位于参考基因组727.399～729.691 Mb处，与Muqaddasi等报道的位点区间位置部分重叠，推测是同一QTL；位于6D染色体上的和、3B染色体上的、5B染色体上的以及7A染色体上的，与前人报道的QTL位置均不同，推测这些QTL均为新的控制花药伸出特性的QTL。通过小麦花药伸出率和视觉花药伸出等级两个性状表型值共同评估花药伸出特性，结果更加可靠。本研究通过这两个性状表型值进行定位且在多个环境下稳定表达的QTL有3个，分别为、和，这些QTL可为改良小麦品种的扬花期相关性状提供参考。