汪 濤,張 毅,趙曉雪,陳 璨,司紅起,馬傳喜,盧 杰

(安徽農(nóng)業(yè)大學,安徽 合肥 230036)

隨著小麥(TriticumaestivumL.)單產(chǎn)的提高及水肥條件的改善,倒伏逐漸成為限制小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要因素之一。我國是世界上重要的小麥生產(chǎn)和消費大國,每年因倒伏而損失的糧食產(chǎn)量超過200萬t[1],倒伏易導致收獲延遲、品質(zhì)及籽粒商品性變差等不利后果[2]。根據(jù)發(fā)生部位不同,小麥倒伏分為根倒伏和莖倒伏2種類型,莖倒伏是小麥生產(chǎn)中常見類型,由莖稈節(jié)間的彎曲或者斷裂造成,主要發(fā)生在基部第2節(jié)間,且乳熟期是極易發(fā)生倒伏的時期[3]。育種實踐表明,小麥品種的抗倒性與株高和莖稈強度顯著相關[4],但株高的過度矮化會造成植株地上部分生物量降低、群體郁閉、病害加重,進而影響產(chǎn)量提升[5],當前,小麥抗倒伏育種更注重莖稈質(zhì)量的改善,由矮稈抗倒向壯稈抗倒轉變[6-8]。因此,研究小麥莖稈抗倒伏遺傳機理,將有助于培育抗倒伏小麥品種。

研究表明,除株高外,小麥莖稈形態(tài)及結構特征與抗倒伏性相關。小麥抗倒伏性與莖稈基部節(jié)間長度呈負相關,與基部第2節(jié)間的莖稈壁厚呈顯著正相關,倒伏易發(fā)生在基部第2節(jié)間,具有較短的基部第2節(jié)間、較大的莖稈粗度及壁厚的品種,其抗倒伏能力較強,反之則弱[4,9-12]。小麥莖稈中木質(zhì)素和纖維素含量與抗倒伏能力相關[13],研究發(fā)現(xiàn),小麥莖稈纖維素含量越高,莖稈抗壓強度越高,纖維素含量低的品種莖稈更脆,莖稈強度也弱,更容易發(fā)生倒伏[2,14-15]。此外,小麥抗倒伏遺傳機理的研究亦有報道,潘婷等[16]在染色體1B、3B、4A、4B和5A上定位到23個影響莖稈強度、莖稈直徑和髓腔直徑的QTLs,表型變異解釋率在3.5%～44.0%。劉凱等[17]利用90K芯片在4B染色體上檢測到9個控制小麥莖稈強度和基部第2節(jié)間壁厚的QTLs,可以解釋9.40%～36.60%的表型變異。此外,通過全基因組關聯(lián)分析,在自然群體的染色體1A、1B、2B、2D、3A、3B、4A、4B、5A、5B、5D、6B、7A、7B和7D上發(fā)現(xiàn)了37個與莖稈強度相關的標記,解釋了7.76%～13.77%的表型變異。潘婷[18]利用重組自交系 (Recombinant inbred lines,RILs),在3B和5A染色體上識別到2個莖稈強度相關的QTLs。Ma等[19-22]克隆了Ta-CCR1、Ta-COMT、Ta-CAD1等3個小麥莖稈木質(zhì)素合成基因。綜上,小麥抗倒伏是受多因素、多基因控制的復雜性狀,因此,確定適宜的抗倒伏評價指標,深入挖掘抗倒伏相關的基因或QTL,開發(fā)實用性分子標記或優(yōu)異等位變異,將有助于小麥抗倒伏性的遺傳改良。

本研究以莖稈強度差異顯著的小麥品種安農(nóng)0711和河農(nóng)825構建的RILs群體為基礎,測定多個環(huán)境下該群體乳熟期莖稈強度值及基部第2節(jié)間外莖、壁厚、長度、木質(zhì)素、纖維素等形態(tài)結構指標,同時利用小麥55K芯片多態(tài)性SNP標記對上述指標進行基因型鑒定,旨在探究影響小麥莖稈強度的形態(tài)結構指標,鑒定莖稈強度相關QTL,為小麥抗倒伏遺傳機理的研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與試驗設計

以莖稈強度值差異顯著且株高相近的小麥品種安農(nóng)0711和河農(nóng)825構建的F9～F10120份重組自交系(RILs)群體為研究材料。

RILs群體于2019—2020年(以下稱2020年)種植于合肥大楊店高新技術農(nóng)業(yè)示范園(20HF:31.9 0N,117.2 0E)和淮北市濉溪縣五鋪農(nóng)場(20HB:33.7 0N,116.7 0E),2020—2021年(以下稱2021年)種植于淮北市濉溪縣五鋪農(nóng)場(21HB)和濟源市安徽隆平高科試驗站(21JY:35.04N,112.65E),每份試驗材料播種2行,行長2 m,行間距0.25 m,株距0.15 m,2次重復,大田常規(guī)管理。

1.2 測定項目及方法

參照肖世和等[23]描述的莖稈強度測定方法,稍做改動?；ê?8 d(乳熟期)測定莖稈強度,具體為每個家系選擇相鄰的、長勢相似的5個單莖,使用YYD-1A型莖稈強度儀(浙江拓普儀器有限公司)測定供試材料莖稈強度(SS),5次重復。花后28 d隨機選擇5株代表株測量表型數(shù)據(jù),用游標卡尺測量基部第2節(jié)間外徑(SBD)和基部第2節(jié)間壁厚(SWT),使用20 cm直尺測量基部第2節(jié)間長度(SBL)。采用硫酸蒽酮比色法[24]測定小麥基部第2節(jié)間纖維素含量(SCC),紫外分光光度計法[25]測定基部第2節(jié)間木質(zhì)素含量(SLC)。

1.3 多元線性回歸分析

以莖稈強度為因變量(y),莖稈性狀指標第2節(jié)間長(x1)、第2 節(jié)間粗(x2)、第2節(jié)間壁厚(x3)、第2節(jié)間纖維素含量(x4)和第2節(jié)間木質(zhì)素含量(x5)為自變量,分別應用SPSS軟件Linear過程“逐步法”建立多元線性回歸方程。

1.4 小麥55K芯片掃描及QTL分析

利用小麥55K芯片(北京博奧晶典生物科技有限公司)對(安農(nóng)0711×河農(nóng)825)衍生的120個RILs家系和雙親進行掃描。利用Excel將55K芯片中在雙親安農(nóng)0711和河農(nóng)825間存在基因型差異的SNP進行篩選和提取,剔除雙親都缺失、單親雜合或缺失的SNP標記,用于莖稈強度QTL分析。

QTLIciMapping v4.1軟件[26](http://www.isbreeding.net/software)中混合線性模型復合區(qū)間作圖法,基于2017—2021年的莖稈強度表型值進行QTL分析,將LOD閾值設為大于2.0。

1.5 數(shù)據(jù)處理

表型性狀數(shù)據(jù)整理由Excel軟件完成,表型數(shù)據(jù)間的相關性分析由IBM SPSS Statistics 25(www.spss.com)軟件完成,Origin 2022用于圖表制作。

2 結果與分析

2.1 RILs群體表型性狀分析

從表1可以看出,2020年合肥、2020年淮北、2021年淮北和2021年濟源4個試驗環(huán)境下,安農(nóng)0711的莖稈強度、基部第2節(jié)間莖粗、壁厚均高于河農(nóng)825,第2節(jié)間長度低于河農(nóng)825; 2020年合肥和2020年淮北2個環(huán)境下第2節(jié)間纖維素含量和木質(zhì)素含量均高于河農(nóng)825。RILs群體的莖稈性狀在各環(huán)境下均呈連續(xù)性分布(圖1),莖稈強度、基部第2節(jié)間長度、莖粗和木質(zhì)素含量在各環(huán)境中的偏度和偏峰絕對值均小于1,符合正態(tài)分布,基部第2節(jié)間壁厚和纖維素含量也基本符合正態(tài)分布,表明這些莖稈性狀均是多基因控制的數(shù)量性狀。表型數(shù)據(jù)變異系數(shù)8%～38%,在6個性狀均存在超親分離現(xiàn)象,且各環(huán)境下均表現(xiàn)一致。在這些性狀中,莖稈強度和第2節(jié)間壁厚變異系數(shù)分別為26%～38%和10%～23%,說明這2個性狀具有較高的遺傳變異和改良潛力。

表1 安農(nóng)0711/河農(nóng)825 RILs群體莖稈性狀統(tǒng)計Tab.1 Statistics of stem traits of Annong 0711/Henong 825 RILs population

圖1 RIL群體莖稈性狀和莖稈強度的表型分布Fig.1 Phenotypic distribution of stem traits and stem strength in RIL populations

2.2 莖稈強度與其形態(tài)特征相關性分析

表2表明,RILs群體莖稈強度與基部第2節(jié)間長度呈負相關,在2021年淮北和2021年濟源環(huán)境下達極顯著水平(P<0.01);與基部第2節(jié)間莖粗和壁厚呈顯著正相關(P<0.05),且2021年濟源均達到極顯著(P<0.01);在2020年合肥和2020年淮北2個環(huán)境下與基部第2節(jié)間纖維素含量和木質(zhì)素含量均達到極顯著正相關(P<0.01),說明第2節(jié)間長度越短,莖粗和壁厚越大,纖維素和木質(zhì)素含量越高,越有利于增強莖稈強度,提高植株的抗倒伏性。

表2 RIL群體莖稈強度與莖稈性狀相關性分析Tab.2 Correlation analysis of stem strength and stem traits in RIL population

2.3 莖稈性狀對莖稈強度的回歸分析

由表3可知,對2020年合肥環(huán)境下莖稈性狀與莖稈強度進行多元回歸分析,VIF值均小于5,說明自變量之間不存在多重共線性,模型構建良好。在95%顯著水平下,從對小麥莖稈強度有影響的莖稈性狀中逐個淘汰不顯著的自變量,篩選出回歸系數(shù)達到顯著水平的莖稈性狀入選回歸方程。得到最優(yōu)線性回歸方程:

表3 莖稈性狀對莖稈強度的多元回歸分析結果(2020年合肥)Tab.3 Multiple regression analysis results of stem traits on stem strength(Hefei,2020)

y=-1.96+0.11x5+0.03x4+0.86x3

該方程中,基部第2節(jié)間壁厚(x3)回歸系數(shù)最大,為0.86,表明基部第2節(jié)間壁厚對小麥莖稈強度的貢獻最大;基部第2節(jié)間纖維素含量(x4)回歸系數(shù)為0.03,表明基部第2節(jié)間纖維素含量越高,小麥莖稈強度越大;基部第2節(jié)間木質(zhì)素含量(x5)回歸系數(shù)為0.11,表明基部第2節(jié)間木質(zhì)素含量對莖稈強度有較大影響。3個莖稈性狀共解釋41%的莖稈強度變化。

由表4可知,對2020年淮北環(huán)境下莖稈性狀與莖稈強度多元進行回歸分析,VIF值均小于5,說明自變量之間不存在多重共線性,模型構建良好。在95%顯著水平下,從對小麥莖稈強度有影響的莖稈性狀中逐個淘汰不顯著的自變量,篩選出回歸系數(shù)達到顯著水平的莖稈性狀入選回歸方程。得到最優(yōu)線性回歸方程:y=0.13+0.05x4。

表4 莖稈性狀對莖稈強度的多元回歸分析結果(2020年淮北)Tab.4 Multiple regression analysis results of stem traits on stem strength(Huaibei,2020)

該方程中,基部第2節(jié)間纖維素含量(x4)回歸系數(shù)為0.05,解釋24%的莖稈強度變化,表明基部第2節(jié)間纖維素含量越高,小麥莖稈強度越大。

2.4 小麥莖稈性狀QTL鑒定

如表5所示,基于小麥55K芯片篩選得到的11 135個二態(tài)性SNP標記和4個環(huán)境下莖稈性狀表型值,共檢測到19個與莖稈強度和莖稈性狀相關的QTLs,分布在1A、1D、2B、2D、4D、5A、5B、5D和7B染色體上,能夠解釋7.67%～65.33%的表型貢獻率。其中,在1D、2B、2D、4D、5A、5B、5D和7B染色體上共檢測到8個控制小麥莖稈強度的QTLs,解釋表型貢獻率為7.67%～61.46%,增效基因均來自安農(nóng)0711,Qss.ahau-5B、Qss.ahau-5D和Qss.ahau-7B均能在2個環(huán)境中檢測到,分別解釋8.57%～9.99%,10.35%～13.29%和7.67%～7.86%的表型變異率。在2021年濟源環(huán)境檢測到的Qss.ahau-5A解釋61.46%的表型變異率,可增加小麥莖稈強度0.39N。檢測到2個控制小麥基部第2節(jié)間長度的QTLs,位于1D和5D染色體,解釋表型貢獻率7.96%～15.48%,增效基因均來自河農(nóng)825。Qsbl.ahau-5D可在2020年合肥和2021年淮北2個環(huán)境檢測到,解釋12.10%～15.48%的表型變異率,可降低第2節(jié)間長度3.58～4.32 mm。在1A和1D染色體上檢測到2個控制基部第2節(jié)間莖粗的QTLs,增效基因均來自安農(nóng)0711,可增加第2節(jié)間莖粗0.15～0.23 mm。Qsbd.ahau-1D與調(diào)控莖稈強度的Qss.ahau-1D位置相同,解釋9.42%的表型變異率。檢測到1個控制基部第2節(jié)間壁厚的QTLs,位于1D染色體上,增效基因來源于安農(nóng)0711,該位點與調(diào)控第2節(jié)間長度的Qsbl.ahau-1D區(qū)間相同,解釋10.76%的表型變異率。在1D和4D染色體上檢測到2個控制基部第2節(jié)間纖維素含量的QTLs,解釋9.51%～10.76%的表型變異率,增效基因均來自安農(nóng)0711。檢測到4個控制基部第2節(jié)間木質(zhì)素含量的QTLs,分布在1A、5A、5D和7B染色體上,解釋10.82%～65.33%的表型變異率,加性效應均來自安農(nóng)0711,Qslc.ahau-5D在2020年合肥和2020年淮北2個環(huán)境均被檢測到,解釋10.82%～14.23%的表型變異率。Qslc.ahau-5A和Qss.ahau-5A位置相同,表型變異率分別為65.33%和61.46%。

表5 RILs群體莖稈強度相關的QTLTab.5 QTLs related to stem strength in RILs population

3 結論與討論

在小麥抗倒伏研究中,莖稈強度、倒伏指數(shù)、莖稈彈性、莖稈折斷力及自然倒伏的級別與面積等指標均可用于評價其抗倒伏性,其中,莖稈強度指標因與小麥的抗倒伏性呈正相關且檢測容易、重復性好,應用較為廣泛[27]。研究表明,小麥莖稈強度與節(jié)間長度、莖粗、壁厚等多種莖稈性狀相關[28]。前人報道小麥基部節(jié)間莖粗和壁厚與莖稈強度呈極顯著正相關[6,29],本研究發(fā)現(xiàn),在4個環(huán)境下,莖稈強度與基部第2節(jié)間莖粗和壁厚呈顯著或極顯著正相關,與基部第2節(jié)間長度呈負相關。表明提高小麥基部第2節(jié)間莖粗和壁厚,有助于提高莖稈強度,對增強小麥抗倒伏能力具有重要意義。此外,本研究結果顯示,2020年合肥和淮北2個環(huán)境下莖稈強度與基部第2節(jié)間纖維素含量和木質(zhì)素含量均達到了極顯著水平,這與陳曉光[30]的研究結果較為一致,表明基部第2節(jié)間纖維素含量和木質(zhì)素含量是影響小麥莖稈強度的重要指標。多元回歸分析方程表明,基部第2節(jié)間纖維素含量在2020年合肥和淮北環(huán)境下均是重要的因變量,綜上可見,基部第2節(jié)間纖維素含量是影響小麥莖稈強度的關鍵指標。

本研究基于11 135個多態(tài)性SNPs標記和4個環(huán)境下的莖稈強度、第2節(jié)間長度、莖粗和壁厚以及2個環(huán)境下的第2節(jié)間纖維素和木質(zhì)素含量表型值,共檢測到19個與莖稈性狀相關的QTLs位點,分布在9條染色體上,這說明小麥莖稈性狀是多基因控制的數(shù)量性狀,受環(huán)境影響較大。本研究在2D染色體上定位的Qss.ahau-2D位于標記AX-94774565和AX-108995193之間,解釋18.59%的表型貢獻率,郭會君[31]在2D上的附近區(qū)域也定位到1個控制莖稈強度的QTL,解釋12.00%的表型貢獻率,說明該區(qū)域可能存在控制莖稈強度的主效QTL。郭會君[31]在3B和5B上定位到調(diào)控基部第2節(jié)間莖粗的QTL,潘婷[18]在1B和3B上定位到控制莖粗的QTL,本研究檢測到2個調(diào)控基部第2節(jié)間莖粗的QTL位點位于1A和1D染色體上,不同于前人研究結果。目前,調(diào)控莖稈基部第2節(jié)間壁厚的QTL分布在2A、2D、3B、4A、4B、4A、5D和6A染色體上[18,32],而本研究檢測到調(diào)控基部第2節(jié)間壁厚的QTL位于1D染色體上,不同于前人的研究結果,可能是一個新的位點。本研究中,在1D染色體上,與標記AX-110771095和AX-109431570連鎖的QTL位點同時控制基部第2節(jié)間長度、壁厚及纖維素含量3個性狀,解釋表型貢獻率為7.96%～10.76%,可作為小麥抗倒伏研究的候選位點。