何 瑞，馬靖福，劉 媛，張沛沛，栗孟飛， 王彩香，宿俊吉，程宏波，楊德龍

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學生命科學技術學院，甘肅蘭州 730070)

小麥(Triticumaestivum)是世界上最重要的谷類作物之一，全球的年產(chǎn)量在7億噸左右，占世界糧食生產(chǎn)總量的三分之一[1]。我國小麥主要種植在降雨量偏少的北方雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，該區(qū)域小麥生育期內(nèi)經(jīng)常遭受不同程度的干旱脅迫，嚴重限制小麥生長發(fā)育，最終導致產(chǎn)量下降[2-3]。因此，改善小麥自身的抗旱性與節(jié)水潛能，降低干旱對小麥產(chǎn)量的潛在影響，進而實現(xiàn)干旱地區(qū)小麥增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)是當今小麥研究的熱點方向。

粒形是小麥品質(zhì)評定的主要指標，籽粒的長、寬、厚和周長等與粒重具有高度的相關性，并對小麥產(chǎn)量具有潛在影響[4-8]。小麥的粒形是由多基因控制的數(shù)量性狀，遺傳模式復雜，容易受到環(huán)境因素的影響[9]。許多學者利用不同遺傳背景的重組自交系群體(recombinant inbred lines，RIL)[10-14]和加倍單倍體群體(double haploid lines，DH)[15-17]在多種環(huán)境條件下對小麥的粒形進行QTL定位，發(fā)現(xiàn)控制粒形的QTL覆蓋小麥的所有染色體，且在不同作圖群體和環(huán)境中QTL的數(shù)目和表達特點各不相同，其表達模式復雜。Kumari等[12]以NW1014×HUW468為親本構建的RIL群體進行QTL定位分析，發(fā)現(xiàn)控制粒長、粒寬、長寬比和周長的QTL分布在1A、2B、4A、5A、6A、7A和7D染色體上，單個QTL可解釋7.98%～55.86%的表型變異。周小鴻等[13]以Q1038×ZM9023為親本構建的RIL群體在三個不同的環(huán)境中檢測到24個與粒長、粒寬、粒厚和長寬比有關的QTL和7個QTL富集區(qū)，單個QTL可解釋5.37%～12.75%的表型變異。Chen等[16]以Hanxuan 10×Lumai 14為親本構建的DH群體為研究材料，在六個不同的環(huán)境檢測到28個與粒長、粒寬和長寬比相關的QTL，分別位于1B、2B、2D、4A、5A、5B、5D、6A、6B、7A和7B染色體上，單個QTL可解釋6.57%～ 20.99%的表型變異。Williams等[17]在兩個DH群體(W7984/Opata M85和Cayuge/Caledonia)中將36個與粒長、粒寬和粒厚有關的QTL定位在14條染色體上。然而，前人的研究主要集中在發(fā)掘控制小麥粒形QTL，及其加性效應分析方面，但對這些性狀的上位性效應及QTL與環(huán)境互作的遺傳剖析研究甚少，很難深入解析這些性狀的遺傳基礎。本研究以抗旱性強的冬小麥品種隴鑒19和水地高產(chǎn)品種Q9086為親本創(chuàng)建的RIL群體為供試材料，在兩個水分環(huán)境條件下，對粒形相關性狀進行QTL定位和遺傳解析，以期為小麥粒形相關性狀QTL的進一步精細定位和基因圖位克隆提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以抗旱性強的冬小麥品種隴鑒19和水地高產(chǎn)品種Q9086為親本創(chuàng)建的RIL群體120個株系為供試材料，兩親本在抗旱性和產(chǎn)量等相關農(nóng)藝性狀上有顯著差異[18]。

1.2 田間試驗與性狀測定

試驗材料于2016年10月至2017年7月和2017年10月至2018年7月在甘肅省榆中縣小麥試驗點 (35°51'N，104°07'E)種植，兩個年份環(huán)境依次記為E1和E2。該區(qū)域?qū)儆谖鞅眱?nèi)陸典型干旱區(qū)，年降雨量在400 mm以下，年蒸發(fā)量為 1 500 mm。小麥播前施基肥(K2O 60 kg·hm-2，N 180 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2)，此后整個小麥生育期內(nèi)均不再施肥。田間試驗隨機區(qū)組設計，每處理3次重復，均為稀條播，6行區(qū)，每行點播60粒，行長1.0 m，行距0.2 m。水分處理分為干旱脅迫(drought stress, DS)和正常灌溉(well-watered, WW)。播前統(tǒng)一灌水(900 m3·hm-2)，灌溉處理在在小麥生長發(fā)育的拔節(jié)期、抽穗期和開花期分別補充灌1次，每次灌水量為750 m3·hm-2；干旱脅迫處理僅在拔節(jié)期灌水750 m3·hm-2，其后完全依靠自然降水，兩個年份小麥生育期內(nèi)降水量分別為142 mm和137 mm。

小麥成熟后，使用萬深SC-G自動考種分析儀測定籽粒的長、寬、長寬比、周長及千粒重；使用數(shù)顯游標卡尺(精度為0.02 mm)測定其粒厚。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與QTL定位分析

采用SPSS V19.0統(tǒng)計軟件對粒形性狀的表型進行描述分析、方差分析和相關分析。采用Toker[19]的方法計算廣義遺傳力。

利用前期構建的小麥RILs群體遺傳連鎖圖譜進行粒形的QTL定位分析，該連鎖圖譜共定位了524個SSR標記，形成的21個連鎖群組覆蓋小麥的所有染色體，全長2 266.7 cM，兩標記間的平均遺傳距離為4.3 cM[20-21]。利用QTL IciMapping V4.0軟件，采用復合區(qū)間作圖法CIM(composite interval mapping)檢測干旱脅迫和正常灌水條件下RIL群體粒形的加性QTL(A-QTL)和上位性QTL(AA-QTL)及其與環(huán)境的互作效應，掃描步長為2.0 cM。以LOD≥2.5為閾值判斷QTL是否存在，利用各QTL的加性效應、上位性效應及其與環(huán)境的互作效應解析其對控制小麥粒形相關性狀的遺傳基礎。

2 結果與分析

2.1 表型分析

在不同的水分環(huán)境中，RIL群體及其雙親的粒長、粒寬、粒厚、長寬比和周長表型差異顯著(表1)。干旱脅迫條件下的各粒形性狀表型值均顯著低于灌溉處理，親本Q9086的粒形性狀表型值均顯著高于隴鑒19，但RIL群體干旱脅迫條件下的變異系數(shù)高于灌溉處理，分別為3.71%～6.34%(DS)和2.88%～5.42%(WW)，說明干旱脅迫處理導致粒形性狀的表型變異增大。RIL群體粒形性狀的表型均值介于兩個親本之間，且存在超親分離現(xiàn)象，偏度和峰度普遍小于1，表現(xiàn)出典型的數(shù)量遺傳特點。

2.2 粒形QTL加性效應及其與水分環(huán)境的互作

在不同水分環(huán)境條件下，共定位到26個控制粒形相關性狀的A-QTL，主要分布在1B、1D、3B、4B、5A、5B、5D、6A和7B染色體上(表4，圖1)?？刂屏ｉL和周長的A-QTL各有5個，控制粒寬和長寬比的A-QTL各有6個，控制粒厚的A-QTL有4個，單個A-QTL對表型變異的貢獻率為3.60%～13.90%。其中Qkl.acs-1B.1、Qkw.acs-6A.1和Qkp.acs-1B.1對表型變異的貢獻率較大，分別為13.90%、11.07%和13.38%。有12個A-QTL對表型變異有正向效應(0.02**～ 0.19**)，其增效等位基因來自于親本Q9086，其余14個A-QTL對表型變異有負向效應 (-0.13**～-0.02**)，其增效等位基因來自于親本隴鑒19。這表明控制粒形相關性狀的增效等位基因在兩個親本之間均有分布。但控制粒長和周長的增效等位基因70%來自Q9086，控制粒厚和長寬比的增效等位基因80%來自隴鑒19，說明親本Q9086在RIL群體中貢獻了較多的調(diào)控粒長和周長的基因，而隴鑒19貢獻了較多的調(diào)控粒厚和長寬比的基因。另外，檢測到16個A-QTL與水分環(huán)境互作顯著，但是并未發(fā)現(xiàn)能在不同水分環(huán)境條件下穩(wěn)定表達的位點，其中有8個A-QTL與干旱環(huán)境的互作表現(xiàn)為正效應 (0.01**～0.05**)，增加了粒形相關性狀表型值，其余8個A-QTL與干旱脅迫環(huán)境的互作表現(xiàn)為負效應(-0.03**～ -0.01**)，降低了粒形相關性狀表型值，這些A-QTL與水分環(huán)境互作的貢獻率均較低，為 0.11%～3.05%。

表1 不同水分環(huán)境中小麥RIL群體粒形性狀的表型分布Table 1 Phenotypic values of kernel morphology in the wheat RILs population under different environments

表2 小麥RIL群體粒形性狀方差分析Table 2 Variance analysis of kernel morphology traits in the wheat RILs population

表3 不同處理下小麥RIL群體粒形性狀的相關性Table 3 Correlation of kernel morphology traits in the wheat RILs population under different treatments

從圖1可知，控制粒形的A-QTL不勻分布在不同染色體或同一染色體的不同區(qū)間，其位點數(shù)目為2～6個，形成了7個QTL熱點區(qū)域，即Xgwm153～Xmag981(1B)區(qū)間檢測到控制粒長和周長的A-QTL；Xwmc231～Xbarc173(3B)和Xbarc59～Xbarc232(5B)區(qū)間檢測到控制長寬比和粒寬的A-QTL；Xgwm149～Xgwm495(4B)和Xgwm186～Xcfa2185(5A)區(qū)間檢測到控制粒長和周長的A-QTL；Xgwm292～Xwmc161(5D)區(qū)間檢測到控制粒厚和粒寬的A-QTL；Xksum255～Xbarc171(6A)區(qū)間檢測到控制周長和粒寬的A-QTL。

2.3 粒形QTL上位性效應及其與水分環(huán)境的互作

在不同水分環(huán)境條件下，共定位到22對控制粒形相關性狀的AA-QTL，主要分布在1A、1B、2A、2B、2D、3A、3B、3D、4A、4B、5B和6B染色體上(表5)。控制粒長和粒寬的AA-QTL各有4對，控制粒厚的AA-QTL有6對，控制長寬比的AA-QTL有3對，控制周長的AA-QTL有5對，對表型變異的貢獻率為0.52%～2.76%，這些AA-QTL主要是通過微效A-QTL之間的互作形成。其中，8對AA-QTL的上位性效應表現(xiàn)為正效應(0.03**～0.20**)，即親本型上位性效應大于重組型上位性效應；其余14對AA-QTL的上位性效應表現(xiàn)為負效應(-0.25**～ -0.03**)，即重組型上位性效應大于親本型上位性效應。另外，檢測到12對AA-QTL與水分環(huán)境發(fā)生顯著的互作效應，其中6對AA-QTL與干旱脅迫環(huán)境的互作效應表現(xiàn)為正效應 (0.01**～0.06**)，增加了粒形相關性狀表型值，其余6對AA-QTL與干旱脅迫環(huán)境的互作效應表現(xiàn)為負效應(-0.05**～ -0.01**)，降低了粒形相關性狀表型值，但這些AA-QTL與水分環(huán)境互作的貢獻率較低，為0.15%～0.82%。

表4 不同環(huán)境條件下小麥RIL群體粒形性狀QTL加性效應及其與水分環(huán)境互作Table 4 Addictive effects and interaction effects of QTL×water environment of the identified QTL on kernel morphology traits of the RILs population in wheat under different environments

3 討 論

研究表明小麥粒形是由多基因控制的數(shù)量性狀，遺傳模式復雜[9,22-24]。在不同遺傳背景的作圖群體中檢測到粒形QTL的數(shù)目和位置存在差異[10,14,16]，在相同作圖群體的不同環(huán)境中QTL的結果也會有所不同[10-16]，說明粒形性狀QTL的表達模式受環(huán)境和作圖群體的影響。本研究利用抗旱性和粒形有顯著差異的兩個冬小麥品種隴鑒19和Q9086為親本創(chuàng)建的RIL群體，在兩個水分環(huán)境條件下對小麥粒形相關性狀進行QTL定位，共檢測到26個A-QTL，每個環(huán)境中A-QTL表達的數(shù)量和位置均不同，在兩種環(huán)境中并未檢測到穩(wěn)定表達的A-QTL，這進一步說明了控制小麥粒形相關性狀的A-QTL表達容易受到環(huán)境因素的影響。本研究在1B、1D、3B、4B、5A、5B、5D、6A和7B染色體上檢測到了控制粒長、粒寬和粒厚的A-QTL，這與前人[11,14-15,17,22]的研究一致，說明上述染色體上可能存在調(diào)控籽粒生長發(fā)育的重要基因，這些穩(wěn)定表達的A-QTL可用于進一步精細定位。此外，周小鴻等[13]和Li等[24]在1D、2D、3B和4B染色體上發(fā)現(xiàn)了控制長寬比的A-QTL，Kumari等[12]在5A、4A和7B染色體上發(fā)現(xiàn)了控制周長的A-QTL，這與本研究的結果不同，推測Qkl/kw.acs-1B、Qkl/kw.acs-3B.1、Qkl/kw.acs-3B.2、Qkl/kw.acs-5B.1、Qkl/kw.acs-5B.2、Qkl/kw.acs-7B.1、Qkp.acs-1B.1、Qkp.acs-4B.1、Qkp.acs-5A、Qkp.acs-5B.1和Qkp.acs-6A可能是本研究新發(fā)現(xiàn)的控制長寬比和周長QTL。本研究在1B染色體的Xgwm153～Xmag981區(qū)間內(nèi)檢測到了控制粒長和周長的A-QTL，前人在相近區(qū)間發(fā)現(xiàn)了控制粒長[11,24]的A-QTL，但并未檢測到控制周長的A-QTL，推測可能是本研究發(fā)現(xiàn)的新位點。本研究在6A染色體的Xksum255～Xbarc171區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個貢獻率較大的位點Qkw.acs-6A.1，在與此相近的區(qū)間，Sun等[11]和Su等[25]也分別發(fā)現(xiàn)了控制粒寬和千粒重的A-QTL，因此，Qkw.acs-6A.1可能是分子標記輔助選擇育種和產(chǎn)量相關性狀改良的重要位點。前人研究表明，加性和上位性及其二者與環(huán)境的互作效應在數(shù)量性狀的遺傳中具有不可忽視的作用[26-30]，在粒形性狀遺傳中A-QTL的作用并不是完全獨立，還取決于它與其他位點或與環(huán)境因素的相互作用。本研究也證實了粒形性狀的遺傳模式受到加性和上位性及其二者與環(huán)境互作效應的影響。本研究共檢測到22對控制粒形相關性狀的AA-QTL，它們對表型變異的貢獻率為0.52%～2.76%。參與上位性QTL的位點主要是微效QTL，與單個A-QTL的貢獻率(3.60%～13.90%)相比，它們的貢獻率較小，這與前人[26,29]研究結果一致，這說明粒形性狀的遺傳模式同時受到主效QTL的加性和微效QTL的上位性影響。本研究還發(fā)現(xiàn)各粒形性狀的A-QTL和AA-QTL與環(huán)境存在互作效應，但它們與環(huán)境的互作效應對表型變異的貢獻率較小，分別為0.11%～3.05%和0.15%～0.82%，這與前人[26,28]的研究結果相同，進一步說明在加性效應、上位性效應及其二者與環(huán)境互作效應中，加性和上位性效應在粒形性狀的遺傳中起主要作用，加性×環(huán)境互作及上位性×環(huán)境互作效應較小。

圖1 小麥RIL群體籽粒性狀QTL圖譜Fig.1 QTL map of kernel traits of the RIL population in wheat

表5 不同環(huán)境條件下小麥RIL群體粒形性狀QTL上位性效應及其與水分環(huán)境互作Table 5 Epistatic effects and interaction effects with QTL×water environment of the identified QTL on the kernel morphology traits of the RILs population in wheat under different environments

基因型×環(huán)境互作是決定基因型在不利環(huán)境中適應性的關鍵，導致的表型變異稱為表型可塑性，數(shù)量性狀的表型可塑性產(chǎn)生于QTL與環(huán)境之間的相互作用[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，水分環(huán)境是影響小麥粒形表型變異的重要因素，A-QTL中粒寬受水分環(huán)境影響最大，長寬比、周長、粒厚和粒長次之；AA-QTL中粒厚受水分環(huán)境影響最大，周長、長寬比、粒寬和粒長次之，這與前人[28,30]的研究結果不同，說明粒形相關性狀的QTL可以具有不同的表達模式，以響應不同的環(huán)境。Yang等[20]也認為這種現(xiàn)象可能是在不同環(huán)境中對QTL的檢測不一致，或QTL的表達會因不同環(huán)境的影響發(fā)生變化，說明小麥粒形遺傳模式復雜性。因此，只有利用不同的作圖群體并在多種環(huán)境條件下對粒形的加性、上位性及其與環(huán)境的互作效應進行深入地探究，才能更好更有效地解析粒形的遺傳機制。

粒形對小麥的產(chǎn)量具有潛在的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，粒長、粒寬、粒厚和周長與粒重具有顯著或極顯著的正相關，其中粒寬與粒重的相關性最高，說明粒寬對提高粒重具有重要的作用。本研究中還發(fā)現(xiàn)了7個A-QTL熱點區(qū)域(Xgwm153～Xmag981、Xwmc231～Xbarc173、Xgwm149～Xgwm495、Xgwm186～Xcfa2185、Xbarc59～Xbarc232、Xgwm292～Xwmc161、Xksum255～Xbarc171)，在其分子標記區(qū)間內(nèi)同時控制著兩個粒形性狀。這些連鎖的分子標記可為小麥粒形相關性狀QTL的進一步精細定位和基因圖位克隆提供良好的理論基礎。