大穗材料高麦1号/ 密小穗F2群体穗长性状的QTL初步定位

刘书含，侯立江，华冠勋，宋瑜龙，牛 娜，马守才，宋亚珍，王军卫，张改生

(西北农林科技大学农学院/国家杨凌农业生物技术育种中心/国家小麦改良中心杨凌分中心/小麦育种教育部工程研究中心/陕西省作物杂种优势研究与利用重点实验室，陕西杨凌 712100)



大穗材料高麦1号/ 密小穗F2群体穗长性状的QTL初步定位

刘书含，侯立江，华冠勋，宋瑜龙，牛 娜，马守才，宋亚珍，王军卫，张改生

(西北农林科技大学农学院/国家杨凌农业生物技术育种中心/国家小麦改良中心杨凌分中心/小麦育种教育部工程研究中心/陕西省作物杂种优势研究与利用重点实验室，陕西杨凌 712100)

摘要：为了解小麦穗长性状的遗传特性，并将其应用于分子标记辅助育种，以大穗材料高麦1号/密小穗的292个植株的F2群体为材料，利用SSR标记对穗长进行了QTL定位分析。结果表明，选用500对SSR引物对高麦1号和密小穗两个亲本进行多态性检测，共获得180对在双亲间有多态性的引物，多态性引物检出率为36.0%。利用这180对引物进一步进行F2群体筛选，有96对引物在群体中表现出多态性，占多态性标记的53.3%。利用QTL_IciMapping软件构建出小麦染色体组的8个连锁群图谱，并将96对SSR引物定位到遗传连锁图谱上。图谱全长1 383.29 cM，标记间的平均遗传距离15.37 cM。平均每个连锁群有11.25个标记，含有标记最多的是4A和6B染色体，各有17个标记，其次是3A和7B染色体，含有9～14个标记，1B和5D染色体含有的标记最少，只有5～7个。共检测出7个与穗长相关的QTL位点，包括6个加性QTL和1个加性+显性QTL。7个QTL的加性效应值均为正值，单个QTL的贡献率为2.04%～15.26%。其中3A染色体上的QTL位点距离其最近标记只有0.58 cM，为连锁最紧密的一个位点，并且其加性效应值最大，可解释表型变异的15.26%。因此，3A染色体上存在控制穗长的主效基因。

关键词：小麦；F2群体；穗长；QTL；连锁图谱

穗长是小麦的一个重要农艺性状，与小麦的三个产量构成因素密切相关，许多育种家将穗长性状作为育种和考种环节中的一个重要指标。已有的研究发现，小麦穗长的遗传力和杂种优势均较高。目前，国内外研究者利用不同群体进行小麦穗部相关性状的QTL定位已有诸多报道。Li等[1]以Opata85和W-7984杂交构建的重组自交系群体(RILs)为研究对象，检测到7个与穗长相关的QTL，分别位于1A、4A、7A和7B四条染色体的长臂上以及1B染色体的短臂上，基因作用方式为显性效应，亲本Opata85的穗长等位基因具有增加穗长的效应。Sourdille等[2]选用DH群体为研究对象，共定位了5个与穗长相关的QTL位点，分别位于1AL、2BS、2DS、4AS和5AS染色体上，单个QTL可解释6.9%～11.6%的穗长变异。Kumar等[3]以WL711×PH132构建的100份RILs进行小麦穗长QTL定位时，共检测到8个QTL，分别位于2BL和2DL两条染色体上，单个QTL的贡献率为9.86%～18.10%。Manickavelu等[4]以中国春×KT19-1构建的F8代RILs群体为材料，检测到4个控制穗长的QTL，分别位于2A和5AL上，对表型变异的贡献率为7.7%～49.4%。Patil等[5]利用PDW233×Bhalegaon 4获得的RILs群体共检测到5个控制穗长的QTL，它们与环境效应紧密相关，分别位于3B、4B和7A上，贡献率为7.08%～16.35%。但这众多研究结果却存在差异，导致这一结果的原因可能是试验材料和群体类型不一样，此外，环境因素也会对试验数据调查的准确性造成影响。

杨在君和彭丽娟[6]认为穗长是一个具有高遗传力的数量性状。卢 翔等[7]认为穗长性状是由多基因控制的，但不存在主基因，这与毕晓静等[8]的研究结果相一致。杜希朋等[9]也认为穗长受微效多基因控制，无主基因。而海 燕等[10]研究认为控制穗长的基因对数较少，主效基因作用明显。不同的研究结果表明，穗长性状遗传具有复杂性。目前，有关穗长基因的克隆还未见报道，因此，对穗长进行QTL研究显得尤为重要。

高麦1号和密小穗，在籽粒形态及大小、株高、穗长、穗粒数及穗粒重等性状上差异显著，且后代遗传变异丰富，是研究小麦农艺性状重要基因/QTL比较理想的材料。所以，本研究以高麦1号和密小穗杂交构建的含292个植株的F2群体为试验材料，利用微卫星(Simple sequence repeat,SSR)标记对穗长进行数量性状基因座(Quantitative trait locus,QTL)定位分析，以期对小麦穗长性状QTL进行初步定位，为下一步的精细定位和分子标记辅助育种奠定基础，同时为研究小麦穗长遗传提供参考。

1材料与方法

1.1试验材料及其田间种植

供试材料为高麦1号、密小穗及其二者杂交所获得的292个F2代材料，均由本实验室提供。2013年10月上旬将所有材料播种于西北农林科技大学试验农场，2行区，行长l m，行距25 cm，株距6 cm，田间管理同大田生产，生长期间没有发生倒伏和其他病害。成熟后，统计穗长数值。

1.2引 物

本研究所用SSR引物信息均可从 http://wheat.pw.usda.gov网站上搜索得到，大部分引物由Invitrongen公司合成，部分引物由西北农林科技大学农学院韩德俊实验室提供。

1.3DNA的提取及PCR扩增

DNA提取采用常规CTAB法。PCR反应体系(20 μL)：模板DNA(50 ng·μL-1)1.5 μL ，2×TaqMaster Mix(Vazyme Biotech公司)10 μL，上下游引物(10 mmol·L-1)各1 μL，ddH2O补足至20 μL。PCR反应程序：95 ℃预变性3 min；94 ℃变性30 s，55～60 ℃退火30 s(各引物具体退火温度参考http: //wheat.pw.usda.gov网站)，72 ℃延伸1 min，30个循环；72 ℃延伸7 min，4 ℃保存。

1.4连锁图谱的构建和QTL定位

根据SSR扩增结果，将与高麦1号相同的带型记为2，与密小穗相同的带型记为0，杂合、缺失或者模糊的带型记为1；穗长表型值记录方式与带型统计相同。利用QTL_IciMapping作图软件构建连锁图谱。利用SPSS软件对小麦穗长的表型数据进行统计分析。用QTL_IciMapping软件(http://www.isbreeding.net)中ICIM-ADD方法以及复合区间作图法进行QTL分析。检测过程中，以LOD=2.5为统计检测阈值[13]，step值为1 cM，若LOD≥2.5，则认为该区间LOD值最高处所对应的位点即为该性状的1个QTL，并计算每个QTL的贡献率和加性效应值。QTL的命名方式：Q+性状名称缩写+染色体编号+编号。

2结果与分析

2.1亲本及其F2群体的穗长分析

由图1、表1可知，2个亲本穗部性状差异较大，其中，高麦1号在穗长上为高值亲本，平均穗长14 cm；密小穗为低值亲本，平均穗长4.1 cm。F2群体中，穗长最大值为20.0 cm，最小值为3.0 cm，平均10.5 cm (表1)。F2群体穗长偏斜度值(0.585)和峰度值(-0.522)的绝对值都小于1，符合正态分布(图2)。

图1　亲本表型

性状Trait亲本 Parent高麦1号Gaomai1密小穗Mixiaosui亲本间差值DifferencebetweenparentsF2群体 F2population平均值Mean变化范围Range标准差Standarddeviation变异系数Coefficientofvariation/%穗长 Spikelength/cm144.19.9**10.5**3.0～20.04.1439.4

** 表示差异达极显著水平

** indicated the level of highly significant difference

图2　F2 群体的穗长表型分布

2.2遗传图谱的构建

利用所选500对SSR引物对高麦1号和密小穗两个亲本进行多态性检测，共获得180对多态性引物，多态性引物检出率为36.0%。然后利用这180对引物进一步进行F2群体基因型分析，有96对引物在群体中表现多态性，占多态性标记的53.3%，其中部分多态性引物在群体中存在模糊带型，多态性不可靠。未免造成多态性遗漏，本研究将不可靠的多态性结果保留，后续研究会进一步证实这些多态性的可靠性。利用QTL_IciMapping软件构建出小麦染色体组的8个连锁图谱，并将96对SSR引物定位到遗传连锁图谱上。图谱全长为1 383.29 cM，标记间的平均遗传距离为15.37 cM。平均每个连锁群有11.25个标记，含有标记最多的是4A和6B染色体，各有17个标记，其次是3A和7B染色体，含有9～14个标记，1B和5D染色体含有的标记最少，都只有5～7个(图3)。

“*”代表该位置存在1个加性QTL；“*。”代表该位置为在1个加性+显性QTL

“*” indicated there was one additive QTL at this locus;“*。” indicated there was one additive+dominant QTL

图3小麦穗长QTL在染色体上的位置

Fig.3Positions of QTLs for spike length

2.3穗长QTL分析

采用QTL_IciMapping软件中ICIM-ADD方法以及复合区间作图法进行QTL分析，结果共检测到7个与穗长相关的QTL，包括6个加性QTL和1个加性+显性QTL，并没有检测到上位性QTL(图3、表2)。1B、2D、3A、4A和6B染色体上各检测到1个QTL位点，其中，1B染色体上的QTL位于Xbarc137～Xwmc134之间，距离Xwmc134标记3.05 cM，该位点为加性QTL，对应的效应值是0.45，可解释为5.26%的穗长变异，暂命名为 Qsl1B；2D染色体上的QTL位于Xcfd53～Xwmc18之间，与标记Xwmc18相距1.89 cM，该位点为加性QTL，对应的效应值是0.48，可解释10.09%的穗长变异，暂命名为 Qsl2D；染色体3A上的QTL位于barc310～Xbarc314之间，距离Xbarc314标记0.58 cM,该位点为加性QTL，对应的效应值是0.53，可解释15.26%的穗长变异，暂命名为 Qsl3A；4A染色体上的QTL位于Xbarc61～Xgwm637之间，与标记Xgwm637相距4.02 cM，该位点为加性QTL，对应的效应值是0.29，可解释3.09%的穗长变异，暂命名为 Qsl4A；6B染色体上的QTL位于Xgwm508～Xgwm132之间，与标记Xgwm132相距3.72 cM，该位点基因作用方式为加性+显性，对应的效应值是0.34，可解释2.04%的穗长变异，暂命名为 Qsl6B。7B染色体上检测到2个QTL位点，其中，1个位于Xgwm611～Xwmc581之间，与标记Xwmc581相距2.85 cM，该位点为加性QTL，对应的效应值是0.31，可解释7.34%的穗长变异，暂命名为 Qsl7B-1；另1个位于Xgwm273～Xgdm147之间，与标记Xgwm273相距3.69 cM，该位点也为加性QTL，对应的效应值是0.26，可解释6.58%的穗长变异，暂命名为 Qsl7B-2。

表2　复合区间作图法检测到的穗长QTL

3讨 论

本研究利用高麦1号和密小穗两个穗长差异明显的小麦品种进行杂交，以其F2群体作为研究对象，构建遗传连锁图谱，用复合区间作图法共检测出6个与穗长相关的加性QTL位点和1个与穗长相关的加性+显性QTL位点。7个QTL的加性效应值均为正值，贡献率为2.04%～15.26%。其中，3A染色体上的QTL位点距离其最近标记只有0.58 cM，为连锁最紧密的一个位点，并且其加性效应值最大，可解释表型变异的15.26%。因此，3A染色体上很可能含有与穗长相关的基因，后续实验应该重点研究3A染色体。

在小麦穗长QTL研究中，利用不同的作图群体检测出的QTL位置并不完全相同，这些差异反应了QTL遗传和表达的复杂性，与遗传背景关系密切。Li等[1]在1B染色体的短臂和7B染色体的长臂上检测到与穗长相关的QTL均为显性，而本研究在1B及7B染色体上检测到的QTL均为加性，显性QTL位于6B染色体上。Kumar等[3]在其所选的群体1中，共检测到8个QTL，其中2BL上的7个QTL位于Xwmc272～Xwmc474区间，加性效应值均为负值，单个QTL的贡献率为9.86%～18.10%；2DL染色体上检测到1个QTL位于区间Xgwm349～Xgwm382区间，加性效应值为-0.33，可解释11.36%的表型变异。王 瑾等[11]选用通过人工来合成的大穗型小麦进行QTL定位研究时，将 2个与穗长相关的QTL分别定位于4A和2D上，单个QTL可解释l%～22%的表型变异。张坤普等[12]以豫麦57(父本)和花培3号(母本)培育的168个DH群体作为研究对象，结果检测到5个与穗长相关的QTL，基因作用方式均为加性，它们分别位于2B、2D、4D、5D以及6B染色体上，可解释穗长性状37.46%的表型变异。本研究在2D和4A染色体上也检测到与穗长相关的2个QTL，但所对应的标记区间不同，应为不同的QTL。杨 睿等[13]在3A染色体的Xbarc356～Xbarc51区间检测到1个控制穗长的主效QTL，加性效应为0.82，贡献率为13.93%。本研究在3A染色体上检测到的QTL位于Xbarc310～Xbarc314区间，二者所属区间相同，可能为同一位点。另外，崔 勇等[14]利用亲本豫麦57(父本)和花培3号(母本)培育的168个DH群体研究不同施氮期对小麦主要农艺性状QTL的影响，在不施氮(T0)水平下，检测到5个穗长QTL，分别位于2A、2D、5D、6B和7B染色体上。其中，7B染色体上的QTL位点所属标记区间与本研究一致，很可能为同一位点。这些相同区间的QTL若能进一步被证实，将对克隆穗长基因以及开发穗长相关的标记提供依据。

本研究中所选的亲本为高麦1号和密小穗，两个亲本的穗长差异明显，且亲缘关系较远。在292个F2分离群体中，穗长分离明显，且有明显的两极超亲现象。与同类研究穗长性状的材料相比，具有更大的优势。

在提高小麦产量研究中，育种和考种是其重要的环节，在这两大环节中，育种家都会注重小麦的一些农艺性状测量，穗长就是其中的一个重要指标。小麦许多产量性状属于数量性状，由微效多基因控制。相关研究证实穗长性状的遗传力相当高。研究小麦穗长的遗传规律以及不同穗长组合的杂种优势差异是小麦穗长性状研究的两个重要方面，只有了解和掌握了小麦穗长的遗传规律，才能更好的将其应用于育种中。本研究定位了7个与穗长相关的QTL位点，这些定位的QTL若能进一步被确认，则将为分子标记辅助育种奠定一定的基础。

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Quantitative Trait Loci Mapping of Spike Length Using F2Population of Gaomai 1/Mixiaosui in Wheat(TriticumaestivumL.)

LIU Shuhan,HOU Lijiang,HUA Guanxun,SONG Yulong,NIU Na,MA Shoucai,SONG Yazhen,WANG Junwei,ZHANG Gaisheng

(College of Agronomy,Northwest A&F University/National Yangling Agricultural Biotechnology & Breeding Center/Yangling Branch of State Wheat Improvement Center/Wheat Breeding Engineering Research Center,Ministry of Education/Key Laboratory of Crop Heterosis of Shaanxi Province,Yangling,Shaanxi 712100,China)

Abstract:Spike length is one of the important factors determining wheat yield. To understand the genetic characteristics of spike length characters in wheat,and to apply it in molecular marker assisted breeding,the trait of spike length was selected as the research object. At present,domestic and foreign researchers have used different groups to anchor the QTL location of spike related traits in wheat,but there are many differences in the results. In this study,the QTLs of spike length were analyzed using simple sequence repeat (SSR) markers with a population consisting of 292 F2 lines derived from the cross between Gaomai 1 and Mixiaosui. Using DNA markers and QTL mapping,the QTLs of spike length were determined. Eight linkage groups were constructed by QTL-IciMapping software,and 96 pairs of SSR primers were located on the genetic linkage map. The full length of the map is 1383.29 cM,and the average genetic distance between the markers is 15.37 cM. On average,there are 11.25 markers in each linkage group.Seven QTL loci associated with spike length were detected,including six additive QTLs and one additive+dominant QTL. Seven QTL additive effect value were positive,with the contribution rate of 2.04% to 15.26%. The distance between the QTL locus on chromosome 3A and the nearest marker is only 0.58 cM,and the additive effect value of the QTL locus on chromosome 3A is the largest,which can explain 15.26% of the phenotypic variation. Therefore,chromosome 3A is likely to contain the main effect genes associated with spike length,and the follow-up study should focus on chromosome 3A.

Key words:Triticum aestivum L.; F2 population; Spike length; QTL; Linkage map

中图分类号：S512.1；S330

文献标识码：A

文章编号：1009-1041(2016)04-0409-06

通讯作者：王军卫(E-mail: wjw@nwsuaf.edu.cn); 张改生(E-mail: zhanggaisheng18@sohu.com)

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)重大专项(2011AA10A106); 陕西省科技统筹创新工程计划课题(2014KTZB02-01-02); 西北农林科技大学唐仲英育种基金项目

收稿日期：2015-12-09修回日期：2016-01-23

网络出版时间：2016-04-01

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160401.1529.006.html

第一作者E-mail:435238851@qq.com(刘书含)；E-mail:hlj2013@nwsuaf.edu.cn(侯立江，与第一作者同等贡献)