胡文靜，朱冬梅，別同德，陸成彬，高德榮,2,4

(1.江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇揚(yáng)州 225007； 2.揚(yáng)州大學(xué)/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚(yáng)州 225009； 3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州 450002； 4.長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州434023 )

長(zhǎng)江中下游麥區(qū)是我國(guó)最大的稻麥輪作區(qū)，稻麥總產(chǎn)量占全國(guó)的1/3以上。上世紀(jì)90年代開(kāi)始，該麥區(qū)水稻機(jī)插秧和直播面積不斷擴(kuò)大，造成水稻收獲期不斷推遲，導(dǎo)致小麥播期逐步推遲。小麥遲播一方面導(dǎo)致冬前生長(zhǎng)嚴(yán)重不足，不利于形成壯苗和大穗，另一方面導(dǎo)致灌漿期縮短，粒重降低，同時(shí)增加灌漿期遭遇高溫的風(fēng)險(xiǎn)[1]，最終產(chǎn)量下降，一般減產(chǎn)750～900 kg·hm-2，嚴(yán)重遲播田塊減產(chǎn)超過(guò)30%。因此，培育和種植籽粒灌漿速率高的小麥品種是解決當(dāng)前生產(chǎn)上粒重減少、產(chǎn)量降低等問(wèn)題的主要手段。高德榮等[2]比較小麥品種(系)間在播種-拔節(jié)期和開(kāi)花-成熟期這2個(gè)階段的發(fā)育特性，發(fā)現(xiàn)揚(yáng)麥16遲播下產(chǎn)量顯著高于揚(yáng)麥20和寧麥13，同時(shí)與適期播種相比減產(chǎn)幅度最小。胡文靜等[3]在晚播條件下研究不同小麥品種的產(chǎn)量和品質(zhì)對(duì)施氮量和密度的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)揚(yáng)麥16的粒重和產(chǎn)量均最高。因此，推廣該類品種有利于保障小麥遲播高產(chǎn)。朱冬梅等[4]以長(zhǎng)江中下游地區(qū)7個(gè)主推小麥品種為試驗(yàn)材料，對(duì)小麥籽粒的灌漿速率相關(guān)性狀進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)揚(yáng)麥16、揚(yáng)麥158和揚(yáng)麥11的籽粒灌漿速率顯著高于普通品種。這些品種灌漿快、粒重和產(chǎn)量高的遺傳基礎(chǔ)尚不清楚。

前人研究發(fā)現(xiàn)小麥粒重與灌漿速率成正比，與灌漿持續(xù)時(shí)間和最高灌漿速率出現(xiàn)的時(shí)間無(wú)必然的關(guān)系[5-7]。苗永杰等[8]研究表明，黃淮麥區(qū)小麥粒重和灌漿速率各參數(shù)主要受基因型控制，建議采用平均灌漿速率對(duì)相關(guān)性狀進(jìn)行基因等位，有利于進(jìn)一步改良小麥品種粒重。王瑞霞等[9]定位了不同生態(tài)環(huán)境下小麥籽粒灌漿速率及千粒重QTL，發(fā)現(xiàn)10個(gè)可同時(shí)影響平均灌漿速率、最高灌漿速率和千粒重的基因組區(qū)段，有利于小麥產(chǎn)量分子標(biāo)記輔助育種。王文文等[10]對(duì)不同時(shí)期的小麥灌漿速率和粒重進(jìn)行QTL定位，發(fā)現(xiàn)平均灌漿速率與千粒重相關(guān)性最高，且由多基因控制。

與傳統(tǒng)的雙親本定位群體相比，多親本RIL群體定位QTL具有諸多優(yōu)勢(shì)[11]。本研究構(gòu)建了以鎮(zhèn)麥168、揚(yáng)麥20、揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥22為四親本的重組自交系(RIL)群體，結(jié)合小麥15K SNP芯片構(gòu)建連鎖圖譜[11]，定位小麥籽粒灌漿速率相關(guān)性狀的QTL，以期為選育籽粒灌漿快、粒重高的小麥新品種提供材料與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

將灌漿特性差異明顯的4個(gè)小麥親本鎮(zhèn)麥168(Zhenmai 168，ZM168)和揚(yáng)麥20(Yangmai 20，YM20)、揚(yáng)麥16(Yangmai 16，YM16)和揚(yáng)麥22(Yangmai 22，YM22)兩兩成對(duì)雜交(ZM168×YM20、YM16×YM22)，產(chǎn)生2對(duì)雙親本雜交種，將2對(duì)雙親本雜交種 F1再成對(duì)雜交產(chǎn)生四親本雜交種(ZM168/YM20//YM16/YM22)，四親本雜交種通過(guò)單粒傳法加代，自交6代，建成四交RIL群體，獲得158個(gè)穩(wěn)定株系的ZM168/YM20//YM16/YM22群體。

1.2 表型測(cè)定

試驗(yàn)于2018-2019年度在江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所灣頭試驗(yàn)基地進(jìn)行。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，11月10日播種，每個(gè)系種植3行，行長(zhǎng)1.3 m，行距23 cm。肥料運(yùn)籌為基施復(fù)合肥(N、P和K含量均為15%)800 kg·hm-2，壯蘗肥(尿素)50 kg·hm-2，拔節(jié)肥(尿素)200 kg·hm-2。開(kāi)花期用多酮和吡蟲啉防治赤霉病、白粉病、蚜蟲等病蟲害。其他管理與大田生產(chǎn)一致。灌漿速率測(cè)定參考朱冬梅等[4]的方法，每個(gè)株系在開(kāi)花期選擇開(kāi)花時(shí)期、穗型大小一致且無(wú)病蟲害的單穗50個(gè)，掛牌標(biāo)記，花后10 d開(kāi)始取樣，以后每隔 5 d在固定時(shí)間取樣1次，直至收獲。每次每個(gè)株系取10個(gè)單穗，剝?nèi)∽蚜＃?05 ℃下烘30 min殺青，80 ℃烘16～18 h至恒重，稱重計(jì)數(shù)，折算成千粒重。灌漿速率用每天每粒小麥增長(zhǎng)重量表明，單位為mg·粒-1·d-1。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Logistic方程Y=K/(1+ae-bx)[12]對(duì)籽粒灌漿進(jìn)程進(jìn)行擬合，方程中x為開(kāi)花后時(shí)間，Y為該時(shí)間點(diǎn)相應(yīng)的千粒重(干重)，a、b為方程對(duì)不同材料所確定的參數(shù)，K(mg·粒-1)為擬合理論最高千粒重，e指自然對(duì)數(shù)函數(shù)的底數(shù)。對(duì)該方程一階求導(dǎo)，可得籽粒灌漿速率方程，并可得到籽粒灌漿相關(guān)性狀的三個(gè)特征參數(shù)：最高灌漿速率；灌漿持續(xù)時(shí)間、籽粒平均灌漿速率。采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行表型數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

1.4 連鎖圖譜構(gòu)建和QTL定位

采用小麥15K SNP芯片對(duì)試驗(yàn)群體及親本進(jìn)行基因型分析，利用GAPL軟件(http://www.isbreeding.net)[13-14]“SNP”功能轉(zhuǎn)化原始基因型數(shù)據(jù)，同時(shí)過(guò)濾基因型數(shù)據(jù)：(1)刪除缺失1個(gè)及以上親本的標(biāo)記；(2)刪除親本或者群體中無(wú)多態(tài)的標(biāo)記。利用GAPL軟件“BIN” 功能刪除冗余標(biāo)記，“PLM” 功能構(gòu)建連鎖圖譜，“PLQ”功能的完備區(qū)間作圖法(ICIM)對(duì)群體的平均灌漿速率、最高灌漿速率、灌漿持續(xù)時(shí)間和千粒重進(jìn)行QTL定位，以LOD=2.5為閾值確定與上述性狀顯著相關(guān)的QTL。以“Q+性狀名稱英文縮寫+研究機(jī)構(gòu)名稱縮寫+染色體編號(hào)+染色體上的次序”的方式對(duì)QTL進(jìn)行命名。為了與前人結(jié)果比較，將連鎖標(biāo)記或者基因的序列與中國(guó)春參考基因組序列(EnsemblPlants數(shù)據(jù)庫(kù)，http://plants.ensembl.org/)進(jìn)行比對(duì)，獲得標(biāo)記或者基因的物理位置。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及群體的表型分析

表1可以看出，揚(yáng)麥16和鎮(zhèn)麥168的籽粒平均灌漿速率、最高灌漿速率和千粒重顯著高于揚(yáng)麥20和揚(yáng)麥22，四親本之間灌漿持續(xù)時(shí)間差異不顯著。群體的所有性狀最低值和最高值之間差異明顯，與親本的表型值相比存在超親分離，偏度和峰度絕對(duì)值均小于1，符合正態(tài)分布。

小麥籽粒平均灌漿速率、最高灌漿速率之間的相關(guān)系數(shù)是0.973(P<0.01)，說(shuō)明這兩個(gè)性狀高度相關(guān)。千粒重與平均灌漿速率、最高灌漿速率和灌漿持續(xù)時(shí)間的相關(guān)系數(shù)分別為0.593(P<0.01)、0.593(P<0.01)和0.118(P>0.05)，說(shuō)明千粒重與平均灌漿速率和最高灌漿速率關(guān)系極顯著，與灌漿持續(xù)時(shí)間無(wú)顯著關(guān)系。

表1 親本和群體的籽粒灌漿速率相關(guān)性狀表型值統(tǒng)計(jì)分析Table 1 Statistic analysis of grain-filling rate related traits in the parents and population

2.2 QTL定位

利用小麥15K基因芯片鑒定群體材料得到2 761個(gè)高質(zhì)量SNP位點(diǎn)，利用GAPL軟件剔除無(wú)效標(biāo)記和冗余分析后，構(gòu)建覆蓋小麥21條染色體的連鎖圖譜[11]，長(zhǎng)度為13 167.1 cM，標(biāo)記間平均距離是19.6 cM。應(yīng)用完備區(qū)間作圖法(ICIM)共檢測(cè)到5個(gè)與小麥籽粒灌漿速率顯著相關(guān)的QTL(表2)，平均灌漿速率(GFRMean)與最高灌漿速率(GFRMax)的結(jié)果具有一致性。經(jīng)過(guò)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)這5個(gè)QTL分布在染色體3AL、4DL(2)、6AL和 7AL上，其中QGFRMean(Max)-yaas-3AL和QGFRMean(Max)-yaas-4DL.2增效基因僅來(lái)自揚(yáng)麥16(加性效應(yīng)為正)，分別位于3A染色體上的 659.4～660.4 Mb區(qū)間和4D染色體的471.2～475.0 Mb區(qū)間，LOD均為2.8，分別可解釋 4.5%～ 4.6%和3.4%～3.5%的表型變異。QGFRMean(Max)-yaas-4DL.1增效基因來(lái)自鎮(zhèn)麥168和揚(yáng)麥16，位于4D染色體的312.6～317.5 Mb區(qū)間，LOD值分別為6.5(GFRMean)和6.4(GFRMax)，可解釋9.3%的表型變異，QGFRMean(Max)-yaas-6AL和QGFRMean(Max)-yaas-7AL增效基因均來(lái)自鎮(zhèn)麥168、揚(yáng)麥20和揚(yáng)麥16，前者位于6A染色體的614.5～615.0 Mb區(qū)間，LOD均為3.3，可解釋4.1%的表型變異，后者位于7A染色體的512.1～524.7 Mb區(qū)間，LOD分別為3.1(GFRMean)和3.0(GFRMax)，可解釋 4.6%的表型變異。

共檢測(cè)到3個(gè)與灌漿持續(xù)時(shí)間顯著相關(guān)的QTL，通過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)QGFTime-yaas-3AL位于3A染色體的569.7～595.7 Mb區(qū)間，LOD為 5.7，可解釋7.5%的表型變異，增效基因來(lái)自鎮(zhèn)麥168和揚(yáng)麥22；QGFTime-yaas-4DL.1位于4D染色體的312.6～317.5 Mb區(qū)間，與QGFRMean(Max)-yaas-4DL.1位置一致，LOD為6.5，可解釋7.0%的表型變異，增效基因來(lái)自揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥22。QGFTime-yaas-4DL.2位于4D染色體的471.2～475.0 Mb區(qū)間，與QGFRMean(Max)-yaas-4DL.2位置一致，LOD為 2.8，可解釋2.7%的表型變異，增效基因來(lái)自揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥22(表2)。

共檢測(cè)到3個(gè)與千粒重顯著相關(guān)的QTL，通過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，QTGW-yaas-4AL.1和QTGW-yaas-4AL.2分別位于4A染色體的 605.7～ 605.8 Mb區(qū)間和659.2～662.0 Mb區(qū)間，LOD分別為4.4 和2.9，分別可解釋6.6%和3.9%的表型變異，這兩個(gè)QTL增效基因都來(lái)自揚(yáng)麥20和揚(yáng)麥16。QTGW-yaas-4DS位于4D染色體的80.2～86.8 Mb區(qū)間，LOD 為8.5，可解釋9.2%的表型變異，增效基因來(lái)自鎮(zhèn)麥168和揚(yáng)麥16。

表2 小麥籽粒灌漿速率相關(guān)性狀QTLTable 2 Quantitative trait loci (QTLs) for grain-filling rate related traits in population

3 討 論

3.1 QTL的比較分析

由于小麥籽粒灌漿性狀測(cè)定的繁瑣性，目前對(duì)小麥籽粒灌漿速率相關(guān)參數(shù)的QTL定位的研究還很少見(jiàn)。Kirigwi等[15]在干旱條件下利用小麥重組自交系在4A染色體上定位到一個(gè)影響籽粒灌漿速率的QTL，王文文等[10]在2A和5A染色體上定位到與小麥不同發(fā)育時(shí)期籽粒灌漿速率相關(guān)的QTL 。王瑞霞等[9]在3A染色體上定位到1個(gè)控制小麥籽粒平均灌漿速率的QTL，經(jīng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)與本研究定位到的QGFRMean-yaas-3AL不在同一位置。本研究在4D染色體上檢測(cè)到與籽粒平均灌漿速率、最高灌漿速率、灌漿持續(xù)時(shí)間和千粒重相關(guān)的QTL，經(jīng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)與王瑞霞等[9]在4D染色體上定位到的同時(shí)影響小麥籽粒平均灌漿速率、最高灌漿速率和千粒重的QTL區(qū)域不一致，有待進(jìn)一步驗(yàn)證它們之間的關(guān)系。Gao等[16]利用周8425B/中國(guó)春遺傳群體檢測(cè)到與千粒重顯著相關(guān)的QTLQTKW.caas-4AL，經(jīng)比對(duì)與本研究定位到的QTGW-yaas-4AL.2是相同位置，推測(cè)是同一QTL。已報(bào)道的與小麥千粒重有關(guān)的基因主要有TaGS5-3A[17]、TaGW2-6A[18-19]和TaGW8-7A[20-22]等。王君嬋等[23]研究表明，揚(yáng)麥16攜帶TaGW2-6A，TaGW8-7A和TaGS5-3A的優(yōu)異等位變異，經(jīng)序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)，這3個(gè)基因與本研究在3A、6A和7A染色體定位到的相關(guān)QTL均不在同一位置，且距離較遠(yuǎn)，這可能與定位群體的背景和大小、連鎖圖的標(biāo)記密度、試驗(yàn)環(huán)境和表型測(cè)定誤差等有關(guān)。小麥籽粒灌漿持續(xù)時(shí)間主要由特定地區(qū)的氣候和耕作栽培制度決定，而且不同粒重類型品種間灌漿持續(xù)時(shí)間差異不顯著[7-8]，因此前人未對(duì)籽粒灌漿持續(xù)時(shí)間做過(guò)QTL定位，本研究首次定位到3個(gè)與小麥籽粒灌漿持續(xù)時(shí)間相關(guān)的QTL，4D染色體上的位點(diǎn)與籽粒灌漿速率相關(guān)QTL位置一致，這些QTL的穩(wěn)定性、有效性和對(duì)粒重的影響，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2 QTL的遺傳性分析

通過(guò)四親本RIL群體中共檢測(cè)到5個(gè)與小麥籽粒灌漿速率相關(guān)的QTL和3個(gè)與千粒重相關(guān)的QTL，平均灌漿速率和最高灌漿速率的位點(diǎn)具有高度一致性，揚(yáng)麥16是累加籽粒灌漿速率和千粒重增效基因最多的親本，而揚(yáng)麥22中未檢測(cè)到籽粒灌漿速率和千粒重的增效基因，這與四親本中揚(yáng)麥16的籽粒灌漿速率和千粒重最高，而揚(yáng)麥22的籽粒灌漿速率和千粒重最低的表型結(jié)果 一致。

4 結(jié) 論

本研究共檢測(cè)到5個(gè)新的與小麥籽粒灌漿速率相關(guān)的QTL，分別位于染色體3AL、4DL(2)、6AL和 7AL上；定位到3個(gè)與千粒重相關(guān)的QTL，分別位于染色體4AL(2)和4DS上；首次定位到3個(gè)與籽粒灌漿持續(xù)時(shí)間相關(guān)的QTL，分別位于染色體3A和4D(2)上。揚(yáng)麥16是累加籽粒灌漿快和粒重高基因最多的品種。結(jié)果表明小麥籽粒灌漿速率和千粒重的遺傳特性比較復(fù)雜，與多個(gè)基因/QTL的效應(yīng)有關(guān)，累加較多的籽粒灌漿快和千粒重高等優(yōu)良基因可以培育出灌漿快和粒重高的品種。本研究為選育籽粒灌漿快和粒重高的小麥新品種提供材料與技術(shù)支撐。

致謝: 感謝中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所數(shù)量遺傳課題組張魯燕研究員提供的GAPL軟件，并且在QTL定位中給予的悉心指導(dǎo)。