不同遗传背景小麦群体抗旱指标筛选

闫金龙，孙美荣， 张俊灵， 张东旭

山西省农业科学院谷子研究所，山西长治 046011)



不同遗传背景小麦群体抗旱指标筛选

闫金龙，孙美荣， 张俊灵， 张东旭

山西省农业科学院谷子研究所，山西长治 046011)

[目的] 发掘不受遗传背景影响、能够稳定表达的控制抗旱相关性状的数量性状位点(QTL)，用于小麦抗旱性材料的快速筛选。[方法] 利用从DH群体(旱选10号×鲁麦14)筛选出来的抗旱相关性状的QTL区间作为候选标记区间，通过调查F3群体(长6878×长4738)亲本及群体与抗旱性相关的农艺性状、生理性状、产量性状，进行QTL分析。[结果] 找到2个与归一化植被指数(NDVI)相关的QTL位点，说明数量遗传性状标记应用于遗传背景不同的群体受到相当大的局限性，而NDVI作为较为综合的生理指标得到了验证。[结论] NDVI可作为一个稳定抗旱指标应用于分子标记辅助育种中。

小麦；抗旱；归一化植被指数；分子标记辅助育种

干旱是世界范围内限制作物生产的主要非生物逆境之一，在我国北方，大部分小麦主产区干旱发生频繁，小麦生长发育过程中常受到胁迫，严重影响粮食安全生产[1]。在水资源短缺的现状下，解决这一问题除改良灌溉与栽培技术、提高水分利用率外，培育抗旱高产品种是一种经济有效的途径。选择准确、简单易行的指标进行小麦抗旱性材料筛选，对提高抗旱育种效率具有重要意义。兰巨生等[2]在抗旱系数[3]的基础上提出了抗旱指数的概念，以产量为指标对作物抗旱性进行筛选，景蕊莲等[4]、苗果园[5]、杨子光等[6]以形态为指标对小麦抗旱性进行研究，张林刚等[7]、殷桂香等[8]、宫德衬[9]以生理为指标对小麦抗旱性进行研究。然而，截至目前尚未形成一套准确、可靠、简单、统一的鉴定方法和指标体系对小麦品种及后代抗旱性进行鉴定评价。

抗旱性状是复杂的数量性状，传统方法无法对其遗传机制进行研究。近年来，随着分子生物学的不断发展与完善，分子标记的应用使得抗旱基因的快速鉴定成为可能。然而，控制数量性状的基因容易受到遗传背景与环境条件的影响，不能稳定表达。因此，找到能在多个遗传背景与环境条件中同时表达的控制抗旱相关性状的数量性状位点(QTL)，是快速、准确进行抗旱性筛选的关键。笔者利用Yang等[10]、武仙山[11]、施伟[12]从DH群体(旱选10号×鲁麦14)筛选出来的抗旱相关性状的QTL区间作为候选标记区间，通过调查F3群体(长6878×长4738)亲本及群体与抗旱性相关的农艺性状、生理性状、产量性状，进行QTL分析，旨在发掘不受遗传背景影响，能够稳定表达的控制抗旱相关性状的QTL，用于小麦抗旱性材料的快速筛选，从而为小麦抗旱性育种提供基础。

1　材料与方法

1.1材料以长治地区育成的水地小麦品种长4738为父本，旱地小麦品种长6878为母本，构建F3群体共220个株系。2014年9月下旬种植于山西省农业科学院谷子研究所试验地(113.07 E、36.12 N，海拔926.5 m)，3 m行长，30 cm行距，双行种植，每行点播60粒。

1.2田间调查在亲本与每个后代中选取开花一致、发育正常以及长势一致的10株小麦进行标记，冠层温度、叶绿素含量、归一化植被指数NDVI于12：00～14：00调查。花后10 d用BAU-1型红外测温仪按张嵩午等[13]方法调查冠层温度。花后7、14、21 d用GCP项目提供的greenseeker便携式光谱仪调查NDVI值，NDVI值双行区巡回测定一次，取平均值。花后10、20 d用SPAD502型叶绿素含量测定仪测定叶绿色含量，叶绿素含量测量标记植株的旗叶中部，每个株系测定10株，取平均值。于植株成熟期测量株高。

1.3室内考种室内调查包括小区产量和千粒重，小区产量为双行区全收测产。

1.4标记选择所用标记为Yang等[10]、武仙山[11]、施伟[12]从DH群体(旱选10号×鲁麦14)筛选出来的抗旱相关性状的QTL。其中，8对引物与叶绿素荧光参数相关QTL连锁，9对引物与冠层温度相关QTL连锁，25对引物与可溶性糖含量相关QTL连锁，19对引物与叶绿素含量相关QTL连锁，2对引物与叶绿素荧光参数和叶绿素含量相关QTL连锁，5对引物与可溶性糖含量和叶绿素含量相关QTL连锁，1对引物与可溶性糖含量和叶绿素荧光参数相关QTL连锁，1对引物与叶片相对含水量、叶绿素荧光参数、叶绿素含量相关QTL连锁。

1.5DNA提取及分子标记检测拔节期取亲本与每个家系2～3片嫩叶装入离心管中，采用CTAB法[14]从亲本及家系群体中提取全基因组DNA，风干保存。

PCR反应体系20 μL：ddH2O 12.9 μL，10×PCR Buffer 2.0 μL，dNTPs(10 mmo1/L) 0.4 μL，Primer pair(50 ng/μL) 2.5 μL，模板DNA(40 ng/μL) 2.0 μL，Taq酶(5 U/μL) 0.2 μL。扩增程序：94 ℃预变性 5 min；94 ℃变性 1 min，50/55/60 ℃退火 1 min，72 ℃延伸 1 min，45个循环；72 ℃延伸 10 min。

扩增产物加入适量的溴酚蓝用6%的聚丙烯酰胺凝胶电泳检测，所用电泳槽为10 cm×20 cm的小型电泳槽，用银染法染色观察，并用相机拍照记录。

1.6数据处理用EXCEL对数据进行统计分析，利用ICImapping进行QTL分析。

2　结果与分析

2.1亲本与群体农艺性状及考种表型分析由表1可知，叶绿素含量在花后10～20 d整体呈下降趋势，父本长4738的叶绿素含量在2个测定时期始终高于母本长6878，NDVI在花后7～21 d呈逐步下降趋势，这是因为小麦逐步进入成熟期，叶片开始衰老，叶绿素开始降解，从而导致叶绿素含量降低，NDVI值也降低。

调查数据在后代中均出现超亲现象，群体性状统计变异系数为5.6%～23.1%，偏度和峰值均较为合理，可以进行QTL分析。

表1　亲本与群体农艺性状及考种表型分布

2.2QTL分析从71对标记中筛选出14对(19.7%)亲本间有多态性的标记，利用这些标记进行遗传连锁图谱的构建，并对小区产量、千粒重、株高、花后10 d叶绿素含量、花后20 d叶绿素含量、花后7 d NDVI、花后14 d NDVI、花后21 d NDVI 8个农艺性状进行QTL定位分析，检测到2个NDVI的QTL位点，其加性效应值分别为-0.037和0.86，对表型的贡献率分别为5.80%和10.78%。

3　讨论

3.1叶绿素含量与抗旱性叶绿素含量是作物生长的重要生理参数，与作物全生育期生长状况密切相关。俞世雄等[15]通过测量干旱胁迫及正常灌溉条件下不同小麦品种叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量，认为水地品种的叶绿素含量对水分变化较敏感，抗旱性差，由此可知，小麦叶绿素含量与抗旱性密切相关，可作为抗旱生理指标。董建力等[16]在不同年份不同环境下通过测定叶绿素含量和碳同位素分辨率，也得到相似的结论。该研究所采用的母本长6878为旱地品种，父本长4738为水地品种，均由山西省农业科学院谷子研究所育成，其抗旱性长6878明显优于长4738。在亲本叶绿素测定中，花后10 d和花后20 d长4738的叶绿素含量均高于长6878，与上述结论一致。但在后期QTL分析中未检测到叶绿素QTL位点，其原因一方面可能是所选用的标记来源于DH群体(旱选10号×鲁麦14)抗旱相关QTL，其遗传背景与该群体差异较大；另一方面可能说明控制叶绿素含量的基因表达易受遗传背景和环境条件的影响。

3.2形态特征与抗旱性不同小麦品种的形态特征和生理特性可以直观地反映其水分利用效率，李升东等[17]研究表明，在旱地保护性耕作条件下，小麦抽穗期归一化植被指数(NDVI)与干旱产量指数呈正相关。小麦较大的叶面积覆盖不仅减少了土壤蒸发，而且提高了光截获量。张佳华等[18]通过卫星云图计算黄淮海平原地区冬麦区不同品种归一化植被指数(NDVI)，得出NDVI值可综合反映同一时期不同品种光合作用的强弱。

该研究采用的长6878和长4738其形态特征差异较大，长6878株高较长4738高，株型较为清秀，叶片窄而薄，茎秆纤细挺立，而长4738繁茂性较好，株型松散。3个时期NDVI 值长4738一直高于长6878，株高长6878高于长4738 10 cm左右。在后期QTL分析中，找到2个与NDVI相关的QTL位点。其中一个与花后7 d NDVI相关的QTL位点，加性效应-0.037，贡献率5.80%，Yang等[10]研究表明，该位点在DH群体(旱选10号×鲁麦14)中是与叶绿素荧光参数相关，其加性效应-0.005，贡献率11.92%。另一个是与花后14 d NDVI相关的QTL位点，加性效应0.86，贡献率10.78%，施伟[12]在群体[(鲁麦14×晋麦47)×鲁麦14]BC3F4中找到相同位点，与冠气温度相关，其加性效应0.54，贡献率10.71%。说明这2个位点的表达可能不受遗传背景的影响，是较重要的形态特征位点，适用于分子标记辅助育种。

3.3不同环境不同遗传背景中稳定表达的QTL位点QTL的表达受群体大小、亲本来源、环境因素的影响较大，但多年研究证实，利用不同作图群体在不同环境条件下对同一性状进行定位可以得到一致的QTL，尤其是具有较大效应值的QTL。

4　结论

该研究构建F3群体长6878×长4738，选取较小数量其他群体形态及生理指标QTL相关标记，对花后10、20 d叶绿素含量，花后7、14、21 d NDVI，株高、千粒重、小区产量8个性状进行QTL分析，找到2个NDVI相关QTL，与Yang等[10]、施伟[12]研究位点相近，可能是相同位点。

植物花期叶绿素含量、冠层温度、叶绿素荧光参数、株高等都是其生理形态的一部分，但不能综合反映一个植株的具体生长情况，而归一化植被指数是一个对植株生长状况综合描述的指标，其与植物抗旱性、产量都显著相关。该研究对71对来源于DH群体(旱选10号×鲁麦14)相关标记进行筛选，亲本间存在多态性的标记只有14对(19.7%)，但找到2个与NDVI相关的QTL位点，说明数量遗传性状标记应用于遗传背景不同的群体受到相当大的局限性，而NDVI作为较为综合的生理指标得到了验证，认为NDVI可作为一个稳定抗旱指标应用于分子标记辅助育种中。

[1] 冀天会.小麦抗旱性鉴定评价指标比较研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2006:6-8.

[2] 兰巨生,胡福顺,张景瑞,等.作物抗旱指数的概念和统计方法[J].华北农学报,1990,5(2)：20-25.

[3] FINLAY K W,WILKINSON G N.The analysis of adaptation in a plant-breeding programme[J].Aust J Agric Res,1963,14(6):742-757.

[4] 景蕊莲,胡荣海.作物抗旱性的根系研究[J].麦类作物学报,1995(3):37-39.

[5] 苗果园.小麦抗旱形态指标的初步观察[J].山西农业科学,1981(8):2-5.

[6] 杨子光,张灿军,冀天会,等.小麦品种抗旱性形态指标比较研究[J].安徽农业科学,2010,38(9): 4489-4490.

[7] 张林刚,邓西平.小麦抗旱性生理生化研究进展[J].干旱地区农业研究,2000,18(3): 87-91.

[8] 殷桂香,王瑾,徐慧君,等.几个小麦基因型苗期抗旱性鉴定及相关生理指标分析[J].麦类作物学报,2009,29(2): 319-323.

[9] 宫德衬.小麦抗旱性生理指标研究[D].烟台:烟台大学,2014.

[10] YANG D L,JIN R L，CHANG X P，et al.Identification of quantitative trait loci and environmental interactions for accumulation and remobilization of water-soluble carbohydrates in wheat(TriticumaestivumL.) stems[J].Genetics society of america,2007,176(1):571-584.

[11] 武仙山.小麦抗旱相关性状数量位点的遗传剖析[D].北京:中国农业科学院,2008.

[12] 施伟.小麦回交导入系抗旱相关生理性状数量位点遗传剖析[D].北京:中国农业科学院,2012.

[13] 张嵩午,王长发.冷型小麦及其生物学特征[J].作物学报,1999,25(5): 608-615.

[14] MURRAY M G,THOMPSON W F.Rapid isolation of high-molecular weight plant DNA[J].Nucleic acids research,1980,8: 4321-4325.

[15] 俞世雄.李芬,李邵林,等.水分胁迫对小麦新品系叶绿素含量的影响[J].云南农业大学学报,2014,29(3):353-358.

[16] 董建力,许兴,李树华,等.旱胁迫对不同春小麦叶绿素含量的影响及抗旱性的关系[J].华北农学报,2011,26(3):120-123.

[17] 李升东,王法宏,司纪升,等.旱地保护性耕作条件下不同冬小麦品种部分生理指标与WUE的关系[J].麦类作物学报,2009,29(5):855-858.

[18] 张佳华,王长耀.区域归一化植被指数(NDVI)对植被光合作用影响的研究[J].干旱区资源与环境,2003,17(1):91-95.

Screening of Indexes of Wheat Population with Different Heredity Backgrounds

YAN Jin-long,SUN Mei-rong,ZHANG Jun-ling et al

Millet Research Institute,Shanxi Academy of Agricultural Sciences,Changzhi,Shanxi 046011)

[Objective] To excavate QTL which is not affected by heredity background,could be expressed stably and control the relevant drought-resistance traits,thereby quickly screening out wheat material with drought resistance.[Method] Taking QTL interval screened out from DH population (Hanxuan 10×Lumai 14) as candidate marker interval,the agronomic traits,physiological characters and yield traits related to drought resistance were investigated among F3(Chang 6878×Chang 4738) parents and populations for QTL analysis.[Result] Two QTL locis related to normalized difference vegetation index (NDVI) were founded.It indicated quantitative trait loci (QTL) markers had great limitations when applied to the different genetic background groups.NDVI has been proved as a relatively comprehensive physiological index.[Conclusion] NDVI can be used as a stable drought-resistance index applied in molecular marker assisted breeding.

Wheat; Drought resistance; NDVI; Molecular marker assisted breeding

山西省农业科学院院育种基础项目“抗旱标记在多个群体上的筛选及应用研究”(Yyzjc1406)；山西省农业科学院育种工程项目“旱作高产稳产小麦新品种选育”(16Yzgc059)。

闫金龙(1982- )，男，山西吕梁人，助理研究员，硕士，从事小麦遗传育种与分子标记辅助育种研究。

2016-08-03

S 188

A

0517-6611(2016)26-0105-03