小麦旗叶相关性状的QTL定位
2023-07-17苗含笑张耀元陈春环吉万全
苗含笑,张耀元,陈春环,吉万全
(西北农林科技大学农学院,陕西杨凌 712100)
普通小麦(TriticumaestivumL.)是世界上三大粮食作物之一[1],为人类提供必需的蛋白和营养价值。旗叶作为小麦重要的光合器官,在灌浆期对小麦产量的形成贡献率达40%以上[2-3]。研究发现,旗叶长、旗叶宽和旗叶面积与单穗粒重均呈显著正相关[4]。因此,对小麦旗叶相关性状进行QTL定位和分析可为高产育种提供理论支撑。
旗叶相关性状是一种复杂的数量性状,受多个遗传位点控制[5]。近年来,随着定位技术水平的提高,小麦旗叶相关性状QTL定位的报道逐渐增多[6-8]。赵 朋等[9]以宁春4号和宁春27号为亲本构建的包含128个株系的重组自交系(recombinant inbred line, RIL)群体为材料,利用307个SSR标记分别定位到6个旗叶长QTL和8个旗叶宽QTL。姚俭昕等[10]在5A染色体上定位到2个旗叶长QTL,其中Qfll.nwsuaf-5A.1可解释9.48%~16.36%的表型变异。Zhao等[11]利用具有相同母本的3个RIL群体为材料,在4个环境下共鉴定到31个旗叶相关性状QTL,主要分布在3B、4A、2A和7A染色体上。尽管已定位到许多旗叶相关性状QTL,但通过精细定位挖掘获得候选基因的位点较少。
简化基因组测序(specific-locus amplified fragment sequencing, SLAF-seq)技术在SNP、KASP等标记的大规模开发中具有高通量和成本低的优点,该技术结合传统分群分析法(bulk segregant analysis, BSA)已广泛应用于多种作物不同性状的QTL定位研究中[12]。
本研究以普通小麦品种品冬34和圆粒小麦品种MY11847杂交构建的F7:8RIL群体为材料,通过SLAF-seq技术结合BSA方法对其旗叶相关性状QTL进行定位,以期为今后开展小麦旗叶性状相关基因的挖掘和未来小麦高产品种的选育奠定基础。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试材料为1个通过单粒传法构建的F7:8代小麦RIL群体。该群体包含356个株系,以品冬34为母本,MY11847为父本进行杂交获得。其中,品冬34是由中国农业科学院作物品种资源研究所选育的普通小麦品种,具有粒大、千粒重高和旗叶宽大的特点。MY11847是引进国外的圆粒小麦种质,具有粒小、千粒重低、旗叶短小的特点。该群体及亲本于2019-2020年度种植于西北农林科技大学试验田,行长1 m,每个株系种植1行,每行播种10粒种子,并进行合理冬灌、除草、病虫害防治等田间管理措施。
1.2 高密度遗传图谱的构建
本课题组前期利用北京百迈客生物科技有限公司自主研发的SLAF-seq技术完成了RIL群体及亲本的SLAF-seq,并结合BSA技术利用HighMap软件构建了高密度遗传连锁图谱(未发表)。该图谱总长为3 560.71 cM,共有13 600个标记位点,分布于小麦21条染色体上,标记间的平均距离为0.38 cM。
1.3 旗叶表型的测定
于小麦灌浆期(花后20 d),选取3株长势一致的植株,对其主茎旗叶长和旗叶宽进行测量,并计算旗叶面积,旗叶面积=旗叶长×旗叶宽×0.75[13],以3次重复的平均值作为表型值。
1.4 旗叶相关性状QTL的定位
用IciMapping V4.2软件中的完备区间作图法对RIL群体的旗叶长、旗叶宽和旗叶面积进行关联分析,选择MET模式进行QTL定位及遗传效应分析。若表型数据缺失,用“-100”表示,作图步长设定为1.00 cM,LOD阈值设定为2.5。将表型变异解释率超过10%的QTL视为主效QTL。根据国际命名规则进行QTL命名,即Q+性状+机构(nwafu,西北农林科技大学)+染色体[14]。
1.5 数据统计分析
用EXCEL对小麦RIL群体及亲本的旗叶相关性状的分布频率进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 RIL群体旗叶相关性状的表型
从表1可以看出,亲本品冬34的旗叶长、旗叶宽和旗叶面积显著或极显著高于MY11847,这3个性状在RIL群体中均出现超亲分离现象。进一步对RIL群体旗叶相关性状的分布频率进行分析,发现旗叶长、旗叶宽和旗叶面积均呈正态分布,符合数量遗传性状的特点,适合进行QTL定位(图1)。
图1 RIL群体旗叶相关性状的表型频率分布
表2 RIL群体旗叶相关性状的QTL信息
2.2 旗叶相关性状QTL的定位结果
利用前期构建的遗传连锁图谱,在RIL群体共检测到24个旗叶相关性状QTL(图2)。共检测到9个旗叶长QTL,分布在2A、2B、2D(2)、3D、4A、4B、5A和6A染色体上。其中,QFLL.nwafu-3D的侧翼标记为Marker186719和Marker186728,可解释14.71%的表型变异,为主效QTL,其加性效应来自母本品冬34;QFLL.nwafu-2D.1的侧翼标记为Marker125188和Marker125211,可解释11.17%的表型变异,也为主效QTL,其加性效应来自父本MY11847。其余7个QTL均为微效QTL,可解释1.71%~3.89%的表型变异,除QFLL.nwafu-4A和QFLL.nwafu-5A的加性效应来自MY11847外,其余QTL的加性效应均来自品冬34。
FLL:旗叶长;FLW:旗叶宽;FLA:旗叶面积。
共检测到7个旗叶宽QTL,分布在2D、4A、4D、5A、6A、6B和7D染色体上。其中,QFLW.nwafu-6B的侧翼标记为Marker320056和Marker319761,可解释13.14%的表型变异,为主效QTL,其加性效应来自母本品冬34。其余6个QTL均为微效QTL,可解释2.69%~3.95%的表型变异,除QFLW.nwafu-4A的加性效应来自父本MY11847外,其余QTL的加性效应均来自品冬34。
共检测到8个旗叶面积QTL,分布在1B、2B、2D(2)、3D、4A、6A和6B染色体上。其中,QFLA.nwafu-3D的侧翼标记为Marker186719和Marker186728,可解释11.60%的表型变异,为主效QTL,其加性效应来自母本品冬34。其余7个QTL均为微效QTL,可解释2.08%~7.95%的表型变异,除QFLA.nwafu-1B、QFLA.nwafu-2D.1和QFLA.nwafu-4A的加性效应来自父本MY11847外,其余QTL的加性效应均来自品冬34。
值得注意的是,检测到的3个旗叶面积QTL与3个旗叶长QTL位于相同遗传区域。QFLA.nwafu-3D和QFLL.nwafu-3D的侧翼标记均为Marker186719和Marker186728;QFLA.nwafu-2B和QFLL.nwafu-2B的侧翼标记均为Marker97075和Marker97331;QFLA.nwafu-2D.1和QFLL.nwafu-2D.1的侧翼标记均为Marker125188和Marker125211。其中,QFLA.nwafu-3D和QFLL.nwafu-3D均为主效QTL,加性效应也均来自品冬34。综合来看,这3个旗叶长QTL和3个旗叶面积QTL共定位的遗传区域值得后续进一步关注,其中位于3D染色体的主效QTL遗传区域尤其值得关注。
3 讨论
旗叶在小麦生长发育中起重要作用,旗叶形态的改良是小麦育种计划的重要目标之一。虽然旗叶相关性状易于调查,但其属于典型的数量性状,受多个遗传位点调控,因此对旗叶相关性状的遗传研究非常有限,尤其是相关基因的克隆更为少见。本研究通过对品冬34和MY11847为亲本构建的RIL群体进行QTL定位,鉴定到了新的潜在的控制旗叶表型的遗传位点,虽然只有一年的表型数据作为支撑,但我们正在进行旗叶相关性状多年多点数据的收集,后续将继续进行QTL定位。本研究得到的QTL初步定位结果与已报道的小麦产量相关性状QTL的比较中,发现一些较为可靠的遗传区间,为后续旗叶性状相关基因的进一步挖掘和鉴定提供线索。
本研究在3D染色体117.62~118.79 Mb的区间鉴定到旗叶长主效位点QFLL.nwafu-3D,虽然与前人报道的旗叶性状相关QTL区间不重叠,但是与产量相关性状QTL存在共定位遗传区间,如穗延伸长度位点QSEL.sicau-2SY-3D.1(107.9~119.6 Mb)[15]以及千粒重位点QTgw.cau-3D1(90.8~170.5 Mb)[16]。本研究在2D染色体31.52~34.20 Mb的区间鉴定到旗叶长主效位点QFLL.nwafu-2D.1,与Ma等[17]定位到的千粒重位点QTGW(33.0~34.2 Mb)以及Arif等[18]定位到的千粒重位点Q.Tkw_Mo09-2D和Q.Sl_M02-2D.3(33.9~35.8 Mb)存在区间部分重叠现象。本研究在2B染色体鉴定到的旗叶长位点QFLL.nwafu-2B(70.6~72.4 Mb)虽是微效QTL,但与前人报道的旗叶相关性状QTL区间存在区间部分重叠现象,如QFLL-2B和QFLA-2B[19],二者侧翼标记均为barc318和wmc344,对应物理区间均为47.2~165.6 Mb。前人在该区间也鉴定到了千粒重位点QTGW(73.6 Mb)[20]以及开花位点Q.Flt_Sa09-2B.1(69.4~88.8 Mb)[18]。
旗叶作为小麦灌浆的重要光合器官,其大小或角度可对籽粒灌浆和最终籽粒饱满度产生重要影响,间接影响小麦产量,侧面解释了本研究发现的旗叶相关性状QTL与千粒重或灌浆有关QTL共定位于相同遗传区域的合理性。
本研究发现的旗叶宽主效位点QFLW.nwafu-6B位于6B染色体546.19~559.57 Mb区间内,与已报道的粒长位点QGl.cau-6B.3(542.6~557.5 Mb)[21]和穗长位点qSL6B.1(551.6 Mb)[22]的遗传区间重叠,推测可能是同一位点的多效性或是某个QTL簇中相邻的多个遗传位点所致,后续可通过不同QTL的连锁标记进行区别和验证。
综上,相较于旗叶宽QTL,旗叶面积QTL与旗叶长QTL更易共定位于相同遗传区间,推测旗叶面积受旗叶长影响较大;同时,旗叶相关性状QTL与粒重相关QTL也存在密切联系。本研究作为小麦旗叶性状遗传位点发掘的初步尝试,可为相关基因的分离鉴定以及分子标记辅助育种提供理论依据,对于高产小麦品种的选育与改良具有重要意义。