小麦穗粒数及千粒重主效QTL共定位区 QC-7AL>的精细定位及遗传效应分析

孙宇慧，刘天相，石善党，丁梦云，高 欣，王中华，李春莲

(西北农林科技大学农学院/旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100)

小麦是全球主要的粮食作物之一，提高小麦产量是解决人类粮食需求和保证全球粮食安全的主要途径。小麦的单位面积产量由单位面积穗数、每穗粒数和平均粒重构成，三者关系的协调是小麦高产的关键。在产量构成因素中，单株穗数的遗传力最低，早代进行直接选择的效应较低；穗粒数的遗传力比穗数的高，早代选择有一定的效果；千粒重在三者中受遗传特性的影响最大，其主要受加性效应基因的控制，因而早代选择十分有效。研究表明，穗粒数和千粒重是提高产量最重要且可靠的指标[1-2]，在小麦品种产量构成因素的遗传改良中，穗粒数和千粒重的改良在许多地区都取得了显著的效果[3]。然而，小麦的穗粒数和千粒重为受多基因控制的数量性状，受环境影响较大[4]，因而对此类性状难以用传统的遗传学方法来进行基因定位和研究。此外，穗粒数与千粒重往往存在负相关性，传统的育种方法很难使二者的优势基因聚合，而采用分子标记辅助选择结合分子设计育种手段则能有效地聚合优势基因，缩短选择周期，提高育种效率。

在前期研究中，本课题组利用宁7840×Clark的RIL群体通过QTL分析发现了一个与小麦穗粒数和千粒重相关的QTL共定位区，该区段位于小麦7AL染色体上的IWA7406～IWA6535之间，区间长度为6.5 cM，在不同环境中解释穗粒数和千粒重的表型变异分别为12.9%～21.9%和10.9%～14.8%[5]。为了进一步研究该位点(定名为 QC-7AL>)对小麦穗粒数及千粒重的遗传效应，本研究将对 QC-7AL>位点进行精细定位，分析 QC-7AL>位点控制小麦穗粒数和千粒重的遗传效应，以筛选与这些性状紧密连锁的分子标记；分析 QC-7AL>位点与 QC-4BS>位点(小麦4BS染色体上的QTL富集区)对小麦穗粒数的互作效应，以期为小麦分子标记辅助选择育种及多性状聚合育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为宁7840与Clark杂交F2代经过单粒传法获得的127个F12代重组自交系(Recombinant inbred line)，由美国堪萨斯州立大学Guihua Bai教授提供。宁7840为江苏农科院育成的硬红粒小麦品种，籽粒小而多，对小麦锈病及赤霉病具有抗性[6]；Clark为美国普渡大学育成的软粒冬小麦品种，籽粒大，具有较好的产量潜力[7]。亲本及RIL株系的穗粒数和千粒重性状鉴定及表型值分析参见Li等[5]的方法。

1.2 遗传连锁图谱的构建

采用9 K InfiniumTMiSelect SNP基因芯片及亲本间有多态性的SSR标记对RIL群体进行分析，采用QTL IciMapping 3.2软件构建遗传连锁图谱。连锁群的LOD阈值设为6.0，利用Kosambi作图函数将重组率转换为遗传距离(cM)，根据SSR共识图谱[8]及GrainGenes 2.0(https://wheat.pw.usda.gov/GG3/)公布的小麦SNP遗传图谱进行连锁群染色体定位。

1.3 QTL分析

采用完备复合区间作图法(ICIM-ADD)，利用QTL IciMapping 4.0软件对穗粒数及千粒重等性状进行QTL分析。在扫描步长为1.0 cM，α=0.001的水平上，利用置换检测(Permutation test)检验法做1000 次重复，将第一类错误概率(假阳性)限制在5%，估算基因组范围内的LOD阈值，并以此确定QTL在染色体上的位置及数目。

2 结果与分析

2.1 QC-7AL>的精细定位

本研究构建了宁7840×Clark遗传连锁图谱，图谱总遗传长度为3 885.1 cM，覆盖了小麦21个遗传连锁群。该图谱中共有2 709个标记(2 404个SNP标记和366个SSR标记)，定位在45个连锁群中，标记密度为1.43 cM。利用该图谱对穗粒数和千粒重进行了QTL初步分析，将 QC-7AL>位点定位在小麦7A染色体长臂的IWA7406～IWA5913区间，区间长度为3.1 cM，该区间包括5个紧密连锁的标记：IWA7406、IWA7407、IWA5913、IWA4196和IWA7409，并且该区间位于SSR标记Xgwm332附近(图1)。将 QC-7AL>位点的IWA7406～IWA5913标记区间对应在660 K遗传图谱中，并参照已公布的小麦基因组数据对该区间进行了精细定位，结果(图1)表明，该区间对应的物理距离约为5.63 Mb，其中包含473个SNP标记和81个基因。

KNPS和TKW分别为穗粒数和千粒重的英文缩写；E1、E2和E3分别代表3个不同的环境KNPS and TKW are abbreviation of kernel number per spike and thousand-kernel weight，respectively；E1,E2 and E3 represent three different environments,respectively.

2.2 QC-7AL>位点对穗粒数及千粒重的效应

本研究分析了 QC-7AL>位点对穗粒数、千粒重的效应，结果(表1)表明，在 QC-7AL>位点，增加穗粒数、降低千粒重的等位基因(AA)均来自宁7840，在所检测的5个环境中AA单倍型的平均穗粒数为30.7～40.0，而aa单倍型的平均穗粒数为27.7～35.7， QC-7AL>位点对穗粒数的遗传效应为9.3%～14.3%；AA单倍型的千粒重为21.7～29.2 g，而aa单倍型的千粒重为24.5～32.1 g， QC-7AL>位点对千粒重的遗传效应为8.7%～13.7%。并且AA和aa的表型值差异在所有检测的环境中均达到了显著或极显著水平，表明 QC-7AL>位点对穗粒数和千粒重具有明显相反的遗传效应。

2.3 QC-7AL>与 QC-4BS>位点对穗粒数的互作效应

在前期研究中，本课题组利用相同的群体在 QC-4BS>富集区定位了一个控制小麦穗粒数的位点，发现来自宁7840的等位基因具有减少穗粒数的效应[5]，与 QC-7AL>对穗粒数的效应正好相反。本研究分析了 QC-7AL>与 QC-4BS>位点对穗粒数的互作效应，结果(图2)表明，平均穗粒数最多的为同时含有 QC-7AL>与 QC-4BS>位点的株系(AAbb基因型)，其次为只含一个位点的株系(AABB或aabb基因型)，不含有这两个位点的株系(aaBB基因型)的平均穗粒数最少，说明 QC-7AL>与 QC-4BS>位点对小麦穗粒数具有明显的互作效应。此外，从图2中还可看出， QC-7AL>位点对穗粒数的遗传效应略大于 QC-4BS>位点。

表1 QC-7AL>位点对小麦穗粒数及千粒重的效应Table 1 Effects of QC-7AL on kernel number per spike and thousand-kernel weight in wheat

图2 QC-7AL>与 QC-4BS>位点对小麦穗粒数的互作效应Fig.2 Interaction effects between QC-7AL> and QC-4BS on wheat kernel number per spike

3 讨 论

本研究发现， QC-7AL>位点定位于小麦7A染色体长臂的IWA7406～IWA1531标记区间，该区间位于SSR标记Xgwm332附近。目前，只有本课题组在该染色体区间发现与穗粒数相关的QTL或者基因[5]，但是在多个研究及不同的群体中均发现，在Xgwm332附近存在控制千粒重的QTL，而且均为主效QTL[9-14]，表明 QC-7AL>位点存在控制小麦千粒重的基因。Su等[15]将控制千粒重的QTL精细定位在IWB13913～IWA5913之间，区间距离为1.3 cM，并将该QTL定名为 TaTKW-7AL>。此外，Su等[15]在 TaTKW-7AL>区间定位了一个主效的与粒长相关的QTL，并证明 TaTKW-7AL>位点增加千粒重的效应是由其增加粒长的效应引起的。这些研究进一步表明， QC-7AL>位点是与小麦产量因子相关的染色体区段，并且可能存在着一因多效的遗传效应，因此对 QC-7AL>位点进行更进一步的精细定位及其所在功能基因的克隆及遗传效应研究，将对小麦产量性状的遗传研究及高产育种具有重要的理论指导意义。

本研究发现， QC-7AL>位点对小麦穗粒数和千粒重具有明显相反的遗传效应，可能存在着一因多效的遗传机制。而且， QC-7AL>与 QC-4BS>位点均存在控制小麦穗粒数的基因，但二者的效应相反，进一步分析发现，这两个位点对穗粒数具有明显的互作效应，且 QC-7AL>位点对穗粒数的遗传效应略大于 QC-4BS>位点。因此，在分子设计育种中宜注重显隐性基因的选择与聚合，同时兼顾同一位点(如 QC-7AL>)对不同性状(如穗粒数和千粒重)和不同位点(如 QC-7AL>和 QC-4BS>)对同一性状(穗粒数)的遗传效应，筛选高产株系，根据育种目的进行优异基因的聚合及优良性状的选择。