王健勝,王二偉,馬愛鋤,程世平

(1. 平頂山學(xué)院,河南 平頂山 467000;2. 河南省生態(tài)經(jīng)濟(jì)型木本植物種質(zhì)創(chuàng)新與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 平頂山 467000;3. 平頂山市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,河南 平頂山 467001)

【研究意義】莖稈是小麥植株形態(tài)的主要組成部分,也是小麥育種實(shí)踐中重點(diǎn)考察的指標(biāo)。小麥莖稈具有多種重要功能,包括水分及營養(yǎng)物質(zhì)的輸導(dǎo)和貯藏,對穗部的支撐,同時也具有一定的光合作用[1-2]。莖稈最突出的功能是其與小麥的倒伏性密切相關(guān)。育種實(shí)踐表明,抗倒伏是決定小麥最終產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,倒伏性差可能導(dǎo)致小麥減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)。小麥莖稈是由多個莖節(jié)組成,其中處于小麥穗部下的第一個節(jié)(穗下節(jié))的作用尤為突出[1],目前穗下節(jié)已作為小麥種質(zhì)篩選及新品種培育的重要指標(biāo),因此,開展小麥穗下節(jié)遺傳機(jī)制分析對其遺傳改良具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前,國內(nèi)外有關(guān)小麥穗下節(jié)的相關(guān)研究非常有限,只有少數(shù)學(xué)者針對小麥穗下節(jié)進(jìn)行了初步探索。項(xiàng)超等[1]利用91份小麥材料研究了穗下節(jié)性狀與灌漿速率及產(chǎn)量相關(guān)因素的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn),穗下節(jié)長度、粗度、體積與千粒重均呈正相關(guān)線性回歸顯著關(guān)系,穗下節(jié)長度最長類型灌漿特性綜合表現(xiàn)最好,穗下節(jié)粗度與中等類型灌漿特性無明顯差異,穗下節(jié)長度最長類型具有較高千粒重,因此,該研究認(rèn)為,在西南地區(qū)選擇穗下節(jié)最長、粗細(xì)中等的材料有助于選育灌漿特性、產(chǎn)量表現(xiàn)優(yōu)異的小麥新品種。王瑞清等[2]探討了穗下節(jié)對小麥粒重的影響,研究發(fā)現(xiàn),在對14個小麥品種穗下節(jié)遮光后,小麥千粒重均下降,下降幅度為4.88%～23.92%,表明穗下節(jié)不僅有支持和輸導(dǎo)作用,也是重要的光合器官,對小麥千粒重提高具有重要影響。Liu等[3]以5個重組自交系群體為材料,在構(gòu)建其高密度分子遺傳連鎖圖譜的基礎(chǔ)上,利用該圖譜對小麥穗下節(jié)直徑及其相關(guān)性狀進(jìn)行QTL定位分析,結(jié)果在1A、1D、2B、2D、3B、3D、4A、4B、4D、5A、5B、6B和7D染色體上共發(fā)現(xiàn)25個相關(guān)QTL,其中主效且穩(wěn)定的QTL有5個,QUid.sau-2CN-1D.1、QUid.sau-2SY-1D和QUid.sau-SC-3D是首次發(fā)現(xiàn)的穗下節(jié)直徑QTL;同時,研究開發(fā)了與部分穗下節(jié)QTL連鎖的KASP標(biāo)記,這些標(biāo)記可以有效用于目標(biāo)QTL近等基因系的構(gòu)建;另外,基于發(fā)現(xiàn)的主效且穩(wěn)定的QTL,研究預(yù)測分析了穗下節(jié)直徑候選基因。Yu等[4]利用2個重組自交系群體開展小麥穗下節(jié)長度QTL定位并對其在小麥株高方面的效應(yīng)做分析,共檢測到穗下節(jié)長度相關(guān)QTL 18個,該QTL主要位于1B、1D、2A、2B、3A、3B、4A、4D、5A、5B、6B、6D和7B染色體上,其表型解釋變異率為2.50%～20.10%,該QTL中4個來自親本‘Opata85’,而其余14個均來自人工合成小麥‘W7984’。Sang等[5]利用2個中國小麥優(yōu)異品種構(gòu)建的雙單倍體對小麥穗下節(jié)的總維管束、大維管束、小維管束及大維管束/小維管束進(jìn)行QTL分析,檢測到11個加性QTL和1對上位性QTL?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】雖然前人針對小麥穗下節(jié)開展了部分研究,但主要圍繞穗下節(jié)直徑、穗下節(jié)維管束等相關(guān)性狀展開,而專門針對小麥穗下節(jié)長度的研究極少,目前小麥穗下節(jié)長度遺傳機(jī)制仍不清楚。本研究材料“普冰3228”是普通小麥與冰草通過遠(yuǎn)緣雜交獲得的遺傳穩(wěn)定新種質(zhì)[6-8],除具有突出的高產(chǎn)、抗病等優(yōu)異性狀外,其穗下節(jié)長度表現(xiàn)也很突出,而有關(guān)該種質(zhì)穗下節(jié)長度的研究鮮有報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究將以“普冰3228”與“京4839”構(gòu)建的重組自交系群體為材料,對“普冰3228”穗下節(jié)長度進(jìn)行QTL定位及候選基因分析,以期為小麥穗下節(jié)遺傳機(jī)制解析及“普冰3228”在育種實(shí)踐中的有效利用提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

本研究材料是小麥新種質(zhì)“普冰3228”與“京4839”雜交產(chǎn)生的重組自交系群體(RIL),該群體通過單籽粒法構(gòu)建,包括210個株系,均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李立會課題組提供。

1.2 小麥田間種植及其穗下節(jié)長度測定

在2019—2020年和2020—2021年將“普冰3228”ד京4839”RIL群體分株系在河南平頂山和陜西楊凌2種環(huán)境下種植,株系間采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個株系種植4行,3個重復(fù)。種植行長保持2 m,行距20 cm,株距6.7 cm,單籽粒點(diǎn)播。試驗(yàn)地周圍均種植保護(hù)行,按照普通產(chǎn)田水平進(jìn)行田間統(tǒng)一管理。待小麥成熟后,在每個株系中隨機(jī)選擇5～6株,利用直尺對小麥穗下節(jié)長度進(jìn)行測定,最后取其平均值作為該株系穗下節(jié)長度。

1.3 基因型檢測

采用SDS法提取基因組DNA[9],取親本和RIL群體幼苗葉片提取DNA,提取的DNA保存至TE中,并用瓊脂糖凝膠電泳法檢測其純度。然后將遺傳群體檢測質(zhì)量合格的樣品DNA送往北京博奧京典生物技術(shù)有限公司,由該公司基于Illumina SNP Genotyping技術(shù)測試平臺使用微珠芯片技術(shù)檢測,其多態(tài)性使用Genomestudio v1.0軟件分析,最終獲得研究遺傳群體的有效基因型。

1.4 遺傳圖譜構(gòu)建及QTL定位

基于遺傳定位群體的SNP基因型,利用QTL IciMapping 4.0 軟件構(gòu)建分子標(biāo)記遺傳連鎖圖譜,利用Mapmarker3.0軟件繪制遺傳連鎖圖譜。結(jié)合穗下節(jié)長度表型性狀,利用IciMapping 4.0軟件(http://www.isbreeding.net/)中的完備區(qū)間作圖法(ICIM-ADD)對穗下節(jié)長度進(jìn)行QTL檢測[10-11],設(shè)置參數(shù)為步移距離1 cM,PIN 0.001,LOD閾值為2.5,并計(jì)算每個QTL的加性效應(yīng)。QTL按照通用規(guī)則命名,具體為QTL+性狀英文縮寫+染色體+環(huán)境。

1.5 候選基因分析

以與穗下節(jié)長度性狀緊密連鎖SNP 標(biāo)記序列為探針,以QTL定位置信區(qū)間作為候選基因的預(yù)測區(qū)間,在小麥基因組數(shù)據(jù)庫(http://wheatomics.sdau.edu.cn/)上獲得穗下節(jié)長度初步候選基因,然后將初步候選基因在小麥基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(http://www.wheat-expression.com)中進(jìn)行表達(dá)分析,獲得穗下節(jié)長度相關(guān)候選基因,并對部分候選基因進(jìn)行功能注釋。

2 結(jié)果與分析

2.1 “普冰3228” × “京4839” RIL群體穗下節(jié)長度表型性狀分析

“普冰3228” × “京4839” RIL群體穗下節(jié)長度存在較豐富的遺傳差異(表1,圖1)。在2020年平頂山地區(qū),定位群體穗下節(jié)長度分布于34.00～117.50 cm,平均77.63 cm,而在同一地區(qū)的2021年,群體穗下節(jié)分布于16.00～77.00 cm,平均52.28 cm,由此可知,不同年度遺傳群體在平頂山地區(qū)均具有較長的穗下節(jié)。2020年和2021年在平頂山地區(qū)變異系數(shù)分別為20.95%、16.01%,可見遺傳群體在同一環(huán)境下的不同年度均具有豐富的遺傳差異。在楊凌環(huán)境下,群體穗下節(jié)長度分布于19～53 cm,平均37.40 cm,由此可知,與平頂山環(huán)境相比,楊凌環(huán)境下遺傳群體穗下節(jié)相對較短,同時該環(huán)境下的變異系數(shù)也較小,只有15.88%,表明楊凌環(huán)境下遺傳群體的遺傳差異相對較小。對該群體在3個環(huán)境下穗下節(jié)綜合比較發(fā)現(xiàn),編號為2、3、8、10、41、89、98、104和126株系穗下節(jié)表現(xiàn)均較好。研究也對該遺傳群體穗下節(jié)長度的遺傳力進(jìn)行估算,發(fā)現(xiàn)該群體的遺傳力表現(xiàn)較好,為86.39%。此外,研究對“普冰3228” × “京4839” RIL群體在不同環(huán)境下穗下節(jié)長度進(jìn)行相關(guān)性分析,由表2可知,不同環(huán)境間該群體穗下節(jié)長度均呈正相關(guān),在平頂山環(huán)境下的2020年和2021年其穗下節(jié)呈極顯著正相關(guān)。從遺傳群體穗下節(jié)長度在不同環(huán)境及不同年際的分布(圖1)可以看出,其均表現(xiàn)為正態(tài)或近正態(tài)分布,說明該性狀是受多基因控制的數(shù)量性狀。

表1 “普冰3228” × “京4839” RIL群體穗下節(jié)長度差異及遺傳力分析Table 1 The difference and heritability analysis for uppermost-internode length in the RIL population of ‘Pubing3228’בJing4839’

表2 “普冰3228” × “京4839” RIL群體穗下節(jié)長度在不同環(huán)境下的相關(guān)系數(shù)Table 2 The correlation coefficient for uppermost-internode length of the ‘Pubing3228’בJing4839’ RIL population under the different environments

圖1 “普冰3228” × “京4839” RIL群體穗下節(jié)長度分布Fig.1 The distribution of the uppermost-internode length in the RIL population of ‘Pubing3228’בJing4839’

2.2 “普冰3228” × “京4839” RIL群體穗下節(jié)長度QTL定位

研究共檢測到小麥穗下節(jié)QTL 6個,該QTL主要分布于2B、4B、4D、5B和6D染色體上(表3,圖2)。這些QTL的LOD值介于2.55～7.88,解釋變異率分布于3.43%～15.84%。在發(fā)現(xiàn)的QTL中,定位于4B染色體上AX-109373490～AX-111540511區(qū)間和定位于4D染色體上AX-110984743～AX-109230716區(qū)間的2個QTL的表型解釋變異率均超過10%,說明其為穗下節(jié)的主效QTL。多環(huán)境下穩(wěn)定QTL對小麥穗下節(jié)遺傳機(jī)制深入研究更為重要,本研究檢測到1個穗下節(jié)穩(wěn)定QTL,其位于4D染色體上的AX-110984743～AX-109230716區(qū)間,該QTL在平頂山和楊凌環(huán)境下均被檢測到,同時從上述分析可知,該穩(wěn)定QTL也是穗下節(jié)主效QTL,因此該QTL應(yīng)作為穗下節(jié)重點(diǎn)基因位點(diǎn)在后期研究中予以關(guān)注。從QTL的加性效應(yīng)來看,除4B、6D染色體上發(fā)現(xiàn)的2個QTL為負(fù)值外,其余QTL均為正值,表明絕大多數(shù)QTL均來自母本“普冰3228”。從不同環(huán)境下QTL檢測效果來看,本研究在楊凌和平頂山均分別發(fā)現(xiàn)了3個QTL。

表3 “普冰3228” × “京4839” RIL群體穗下節(jié)長度QTL定位Table 3 QTL mapping for uppermost-internode length in the ‘Pubing3228’בJing4839’RIL population

2.3 小麥穗下節(jié)候選基因分析

基于上述穗下節(jié)長度QTL定位結(jié)果,在目標(biāo)QTL定位遺傳區(qū)段內(nèi)獲得穗下節(jié)初步候選基因674個。將這些候選基因分別在小麥根、莖、葉、籽粒等主要組織器官內(nèi)進(jìn)行模擬表達(dá),篩選出只在小麥莖組織特異表達(dá)量大的基因作為穗下節(jié)長度候選基因,最終獲得穗下節(jié)長度候選基因15個(表4),這些基因分布在小麥4D染色體上9994582～36839260 bp區(qū)段內(nèi),其中與AX-110984743位點(diǎn)關(guān)聯(lián)的基因有9個,包括TraesCS4D01G014100、TraesCS4D01G019600、TraesCS4D01G035600、TraesCS4D01G026200、TraesCS4D01G039200、TraesCS4D01G040300、TraesCS4D01G041200、TraesCS4D01G044400、TraesCS4D01G045400,與AX-109230716位點(diǎn)關(guān)聯(lián)的基因有6個,分別是TraesCS4D01G040300、TraesCS4D01G041200、TraesCS4D01-G044400、TraesCS4D01G045400、TraesCS4D01G058000、TraesCS4D01G061100。

表4 本研究預(yù)測的小麥穗下節(jié)長度候選基因Table 4 The candidate genes and their information for wheat uppermost-internode length identified in the study

由表4可知,這些候選基因功能多樣,其中大部分候選基因編碼一些功能蛋白,例如,TraesCS4D01G019600可能編碼一種雙功能嘌呤生物合成蛋白,TraesCS4D01G035600可能編碼一種紡錘極體相關(guān)蛋白,TraesCS4D01G026200可能編碼一種ARM重復(fù)序列超家族蛋白,TraesCS4D01G040300可能編碼一種逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子蛋白,TraesCS4D01G044400可能編碼一種Myb類轉(zhuǎn)錄因子家族蛋白。部分候選基因編碼一些功能酶,例如,TraesCS4D01G014100可能編碼一種逆轉(zhuǎn)錄酶,TraesCS4D01G045400可能編碼一種DNA解旋酶。也有部分候選基因編碼一些與光合作用相關(guān)的復(fù)合體或亞基,例如,TraesCS4D01G045400可能編碼光合NDH亞復(fù)合體L2,TraesCS4D01G061100可能編碼光系統(tǒng)I反應(yīng)中心亞基N。個別候選基因編碼生物活性相關(guān)的調(diào)節(jié)因子,TraesCS4D01G044400可能編碼一種MVB通路蛋白中Vps4活性的調(diào)節(jié)因子。

3 討 論

與其它農(nóng)藝性狀相比,目前有關(guān)小麥穗下節(jié)的研究極少,已有研究主要集中于穗下節(jié)的解剖及與產(chǎn)量的關(guān)系等方面[1-2, 12]。前人研究與育種實(shí)踐表明,穗下節(jié)長度對小麥株高、株型和產(chǎn)量等均有重要影響,一般來說,在株高相同的情況下,穗下節(jié)在合理范圍內(nèi)相對較長,其株型和產(chǎn)量表現(xiàn)更好,因此在育種實(shí)踐中已將穗下節(jié)長度作為小麥新品種篩選的主要指標(biāo)之一。本研究材料“普冰3228”是穗下節(jié)長度表現(xiàn)突出的小麥新種質(zhì),為探討該種質(zhì)穗下節(jié)長度的遺傳機(jī)制并為其后期利用提供有效基礎(chǔ),研究利用“普冰3228” 與 “京4839” 構(gòu)建RIL群體,田間性狀調(diào)查發(fā)現(xiàn),該群體穗下節(jié)長度表現(xiàn)突出,其遺傳差異也較豐富,在2020年平頂山環(huán)境下其穗下節(jié)長度分布于34.00～117.50 cm,平均達(dá)77.63 cm,Yu等[4]對Opata85×W7984和SHW-L1×Chuanmai32構(gòu)建的2個重組自交系群體穗下節(jié)長度也進(jìn)行了測定,發(fā)現(xiàn)其穗下節(jié)長度分布于27.23～50.00和24.14～59.06 cm,穗下節(jié)平均長度為40.80和42.67 cm。與Yu等[4]利用的2個遺傳群體相比,本研究定位群體穗下節(jié)長度表現(xiàn)更突出,這可能與本研究利用新種質(zhì)材料“普冰3228”作為親本材料有關(guān),該材料由普通小麥與冰草通過遠(yuǎn)緣雜交獲得,很可能含有控制穗下節(jié)長度的外緣優(yōu)異基因。

前人有關(guān)小麥穗下節(jié)長度QTL定位研究報(bào)道較少。為探討“普冰3228”穗下節(jié)長度的遺傳機(jī)制,本研究基于構(gòu)建了“普冰3228” × “京4839” 重組自交系群體,利用55K SNP芯片構(gòu)建高密度分子遺傳連鎖圖譜,結(jié)合多環(huán)境下穗下節(jié)長度表型數(shù)據(jù)對小麥穗下節(jié)長度進(jìn)行QTL定位,結(jié)果在2B、4D、5B、6D染色體上檢測到控制穗下節(jié)長度QTL,Yu等[4]在2B、4D、5B染色體上也發(fā)現(xiàn)控制穗下節(jié)長度的QTL,表明2B、4D、5B染色體可能是小麥穗下節(jié)QTL存在的主要區(qū)域。本研究在4B染色體上發(fā)現(xiàn)控制穗下節(jié)的QTL,而Yu等[4]在該染色體并未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)性狀QTL,表明該QTL可能是控制穗下節(jié)長度新的QTL,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),該QTL的LOD值達(dá)7.88,表型解釋變異率為10.32%,說明其也是控制穗下節(jié)長度的主效QTL,應(yīng)引起后期研究的重視。從現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道來看,目前只有本研究和Yu等[4]開展了有關(guān)穗下節(jié)長度的QTL分析。其他學(xué)者也針對小麥穗下節(jié)性狀開展了相關(guān)QTL研究,但該研究是針對穗下節(jié)莖稈直徑[3]和維管束組成[5]等其它性狀開展。

穗下節(jié)長度候選基因分析對穗下節(jié)遺傳機(jī)制深入解析及其基因資源挖掘十分重要,目前有關(guān)此方面的研究未見報(bào)道。本研究在QTL定位的基礎(chǔ)上,通過進(jìn)一步分析共獲得與小麥穗下節(jié)長度相關(guān)的候選基因15個,從這些候選基因的功能來看,其主要為一些相關(guān)蛋白和功能酶,它們通過調(diào)節(jié)或影響植物代謝活動進(jìn)而對小麥穗下節(jié)長度產(chǎn)生間接影響[13-15]。例如,TraesCS4D01G019600可能編碼雙功能嘌呤生物合成蛋白,該蛋白是許多具有調(diào)節(jié)代謝功能的同工酶的重要組成因子[16]。TraesCS4D01G039200可能編碼原纖維家族蛋白,已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)這類基因在植物莖稈中表達(dá)[17-18]。TraesCS4D01G040300可能編碼代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,其可能通過調(diào)節(jié)代謝產(chǎn)物在穗下節(jié)區(qū)域的分配影響穗下節(jié)的長度。TraesCS4D01G045400和TraesCS4D01G061100可能編碼與植物光合作用相關(guān)的因子[19]。TraesCS4D01G044400可能編碼Myb轉(zhuǎn)錄因子家族蛋白,該蛋白具有調(diào)節(jié)次生代謝的功能[20]。當(dāng)然,本研究只是對穗下節(jié)長度候選基因的初步分析,這些基因仍需更為深入的研究。本研究結(jié)果將為小麥穗下節(jié)長度的遺傳改良及“普冰3228”的有效利用提供一定科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

本研究以“普冰3228”ד京4839”構(gòu)建的重組自交系群體為材料,利用55K SNP芯片對穗下節(jié)長度進(jìn)行QTL定位及候選基因分析。研究共檢測到與小麥穗下節(jié)相關(guān)QTL 6個,這些QTL主要分布于2B、4B、4D、5B和6D染色體上,其中QUIL-4B.e1、QUIL-4D.e1為主效QTL,QUIL-4D為多環(huán)境下穩(wěn)定QTL。預(yù)測分析獲得與穗下節(jié)長度相關(guān)的候選基因15個。本研究不僅有助于小麥穗下節(jié)長度遺傳機(jī)制解析,也將為其遺傳改良提供新材料和新候選基因。

致 謝：感謝中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李立會研究員為本研究提供材料支持,感謝中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李立會研究員和張錦鵬研究員對本研究的技術(shù)指導(dǎo)。