扬麦16籽粒灌浆速率相关性状的QTL定位(小麦15K SNP芯片法)

胡文静，朱冬梅，别同德，陆成彬，高德荣,2,4

(1.江苏里下河地区农业科学研究所/农业农村部长江中下游小麦生物学与遗传育种重点实验室， 江苏扬州 225007； 2.扬州大学/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏扬州 225009； 3.河南农业大学/河南粮食作物协同创新中心，河南郑州 450002； 4.长江大学农学院，湖北荆州434023 )

长江中下游麦区是我国最大的稻麦轮作区，稻麦总产量占全国的1/3以上。上世纪90年代开始，该麦区水稻机插秧和直播面积不断扩大，造成水稻收获期不断推迟，导致小麦播期逐步推迟。小麦迟播一方面导致冬前生长严重不足，不利于形成壮苗和大穗，另一方面导致灌浆期缩短，粒重降低，同时增加灌浆期遭遇高温的风险[1]，最终产量下降，一般减产750～900 kg·hm-2，严重迟播田块减产超过30%。因此，培育和种植籽粒灌浆速率高的小麦品种是解决当前生产上粒重减少、产量降低等问题的主要手段。高德荣等[2]比较小麦品种(系)间在播种-拔节期和开花-成熟期这2个阶段的发育特性，发现扬麦16迟播下产量显著高于扬麦20和宁麦13，同时与适期播种相比减产幅度最小。胡文静等[3]在晚播条件下研究不同小麦品种的产量和品质对施氮量和密度的响应，发现扬麦16的粒重和产量均最高。因此，推广该类品种有利于保障小麦迟播高产。朱冬梅等[4]以长江中下游地区7个主推小麦品种为试验材料，对小麦籽粒的灌浆速率相关性状进行研究，发现扬麦16、扬麦158和扬麦11的籽粒灌浆速率显著高于普通品种。这些品种灌浆快、粒重和产量高的遗传基础尚不清楚。

前人研究发现小麦粒重与灌浆速率成正比，与灌浆持续时间和最高灌浆速率出现的时间无必然的关系[5-7]。苗永杰等[8]研究表明，黄淮麦区小麦粒重和灌浆速率各参数主要受基因型控制，建议采用平均灌浆速率对相关性状进行基因等位，有利于进一步改良小麦品种粒重。王瑞霞等[9]定位了不同生态环境下小麦籽粒灌浆速率及千粒重QTL，发现10个可同时影响平均灌浆速率、最高灌浆速率和千粒重的基因组区段，有利于小麦产量分子标记辅助育种。王文文等[10]对不同时期的小麦灌浆速率和粒重进行QTL定位，发现平均灌浆速率与千粒重相关性最高，且由多基因控制。

与传统的双亲本定位群体相比，多亲本RIL群体定位QTL具有诸多优势[11]。本研究构建了以镇麦168、扬麦20、扬麦16和扬麦22为四亲本的重组自交系(RIL)群体，结合小麦15K SNP芯片构建连锁图谱[11]，定位小麦籽粒灌浆速率相关性状的QTL，以期为选育籽粒灌浆快、粒重高的小麦新品种提供材料与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

将灌浆特性差异明显的4个小麦亲本镇麦168(Zhenmai 168，ZM168)和扬麦20(Yangmai 20，YM20)、扬麦16(Yangmai 16，YM16)和扬麦22(Yangmai 22，YM22)两两成对杂交(ZM168×YM20、YM16×YM22)，产生2对双亲本杂交种，将2对双亲本杂交种 F1再成对杂交产生四亲本杂交种(ZM168/YM20//YM16/YM22)，四亲本杂交种通过单粒传法加代，自交6代，建成四交RIL群体，获得158个稳定株系的ZM168/YM20//YM16/YM22群体。

1.2 表型测定

试验于2018-2019年度在江苏里下河地区农业科学研究所湾头试验基地进行。采用随机区组设计，11月10日播种，每个系种植3行，行长1.3 m，行距23 cm。肥料运筹为基施复合肥(N、P和K含量均为15%)800 kg·hm-2，壮蘖肥(尿素)50 kg·hm-2，拔节肥(尿素)200 kg·hm-2。开花期用多酮和吡虫啉防治赤霉病、白粉病、蚜虫等病虫害。其他管理与大田生产一致。灌浆速率测定参考朱冬梅等[4]的方法，每个株系在开花期选择开花时期、穗型大小一致且无病虫害的单穗50个，挂牌标记，花后10 d开始取样，以后每隔 5 d在固定时间取样1次，直至收获。每次每个株系取10个单穗，剥取籽粒，在105 ℃下烘30 min杀青，80 ℃烘16～18 h至恒重，称重计数，折算成千粒重。灌浆速率用每天每粒小麦增长重量表明，单位为mg·粒-1·d-1。

1.3 数据统计与分析

用Logistic方程Y=K/(1+ae-bx)[12]对籽粒灌浆进程进行拟合，方程中x为开花后时间，Y为该时间点相应的千粒重(干重)，a、b为方程对不同材料所确定的参数，K(mg·粒-1)为拟合理论最高千粒重，e指自然对数函数的底数。对该方程一阶求导，可得籽粒灌浆速率方程，并可得到籽粒灌浆相关性状的三个特征参数：最高灌浆速率；灌浆持续时间、籽粒平均灌浆速率。采用Microsoft Excel 2016进行表型数据的统计分析。

1.4 连锁图谱构建和QTL定位

采用小麦15K SNP芯片对试验群体及亲本进行基因型分析，利用GAPL软件(http://www.isbreeding.net)[13-14]“SNP”功能转化原始基因型数据，同时过滤基因型数据：(1)删除缺失1个及以上亲本的标记；(2)删除亲本或者群体中无多态的标记。利用GAPL软件“BIN” 功能删除冗余标记，“PLM” 功能构建连锁图谱，“PLQ”功能的完备区间作图法(ICIM)对群体的平均灌浆速率、最高灌浆速率、灌浆持续时间和千粒重进行QTL定位，以LOD=2.5为阈值确定与上述性状显著相关的QTL。以“Q+性状名称英文缩写+研究机构名称缩写+染色体编号+染色体上的次序”的方式对QTL进行命名。为了与前人结果比较，将连锁标记或者基因的序列与中国春参考基因组序列(EnsemblPlants数据库，http://plants.ensembl.org/)进行比对，获得标记或者基因的物理位置。

2 结果与分析

2.1 亲本及群体的表型分析

表1可以看出，扬麦16和镇麦168的籽粒平均灌浆速率、最高灌浆速率和千粒重显著高于扬麦20和扬麦22，四亲本之间灌浆持续时间差异不显著。群体的所有性状最低值和最高值之间差异明显，与亲本的表型值相比存在超亲分离，偏度和峰度绝对值均小于1，符合正态分布。

小麦籽粒平均灌浆速率、最高灌浆速率之间的相关系数是0.973(P<0.01)，说明这两个性状高度相关。千粒重与平均灌浆速率、最高灌浆速率和灌浆持续时间的相关系数分别为0.593(P<0.01)、0.593(P<0.01)和0.118(P>0.05)，说明千粒重与平均灌浆速率和最高灌浆速率关系极显著，与灌浆持续时间无显著关系。

表1 亲本和群体的籽粒灌浆速率相关性状表型值统计分析Table 1 Statistic analysis of grain-filling rate related traits in the parents and population

2.2 QTL定位

利用小麦15K基因芯片鉴定群体材料得到2 761个高质量SNP位点，利用GAPL软件剔除无效标记和冗余分析后，构建覆盖小麦21条染色体的连锁图谱[11]，长度为13 167.1 cM，标记间平均距离是19.6 cM。应用完备区间作图法(ICIM)共检测到5个与小麦籽粒灌浆速率显著相关的QTL(表2)，平均灌浆速率(GFRMean)与最高灌浆速率(GFRMax)的结果具有一致性。经过比对，发现这5个QTL分布在染色体3AL、4DL(2)、6AL和 7AL上，其中QGFRMean(Max)-yaas-3AL和QGFRMean(Max)-yaas-4DL.2增效基因仅来自扬麦16(加性效应为正)，分别位于3A染色体上的 659.4～660.4 Mb区间和4D染色体的471.2～475.0 Mb区间，LOD均为2.8，分别可解释 4.5%～ 4.6%和3.4%～3.5%的表型变异。QGFRMean(Max)-yaas-4DL.1增效基因来自镇麦168和扬麦16，位于4D染色体的312.6～317.5 Mb区间，LOD值分别为6.5(GFRMean)和6.4(GFRMax)，可解释9.3%的表型变异，QGFRMean(Max)-yaas-6AL和QGFRMean(Max)-yaas-7AL增效基因均来自镇麦168、扬麦20和扬麦16，前者位于6A染色体的614.5～615.0 Mb区间，LOD均为3.3，可解释4.1%的表型变异，后者位于7A染色体的512.1～524.7 Mb区间，LOD分别为3.1(GFRMean)和3.0(GFRMax)，可解释 4.6%的表型变异。

共检测到3个与灌浆持续时间显著相关的QTL，通过比对发现QGFTime-yaas-3AL位于3A染色体的569.7～595.7 Mb区间，LOD为 5.7，可解释7.5%的表型变异，增效基因来自镇麦168和扬麦22；QGFTime-yaas-4DL.1位于4D染色体的312.6～317.5 Mb区间，与QGFRMean(Max)-yaas-4DL.1位置一致，LOD为6.5，可解释7.0%的表型变异，增效基因来自扬麦16和扬麦22。QGFTime-yaas-4DL.2位于4D染色体的471.2～475.0 Mb区间，与QGFRMean(Max)-yaas-4DL.2位置一致，LOD为 2.8，可解释2.7%的表型变异，增效基因来自扬麦16和扬麦22(表2)。

共检测到3个与千粒重显著相关的QTL，通过比对发现，QTGW-yaas-4AL.1和QTGW-yaas-4AL.2分别位于4A染色体的 605.7～ 605.8 Mb区间和659.2～662.0 Mb区间，LOD分别为4.4 和2.9，分别可解释6.6%和3.9%的表型变异，这两个QTL增效基因都来自扬麦20和扬麦16。QTGW-yaas-4DS位于4D染色体的80.2～86.8 Mb区间，LOD 为8.5，可解释9.2%的表型变异，增效基因来自镇麦168和扬麦16。

表2 小麦籽粒灌浆速率相关性状QTLTable 2 Quantitative trait loci (QTLs) for grain-filling rate related traits in population

3 讨 论

3.1 QTL的比较分析

由于小麦籽粒灌浆性状测定的繁琐性，目前对小麦籽粒灌浆速率相关参数的QTL定位的研究还很少见。Kirigwi等[15]在干旱条件下利用小麦重组自交系在4A染色体上定位到一个影响籽粒灌浆速率的QTL，王文文等[10]在2A和5A染色体上定位到与小麦不同发育时期籽粒灌浆速率相关的QTL 。王瑞霞等[9]在3A染色体上定位到1个控制小麦籽粒平均灌浆速率的QTL，经比对发现与本研究定位到的QGFRMean-yaas-3AL不在同一位置。本研究在4D染色体上检测到与籽粒平均灌浆速率、最高灌浆速率、灌浆持续时间和千粒重相关的QTL，经比对发现与王瑞霞等[9]在4D染色体上定位到的同时影响小麦籽粒平均灌浆速率、最高灌浆速率和千粒重的QTL区域不一致，有待进一步验证它们之间的关系。Gao等[16]利用周8425B/中国春遗传群体检测到与千粒重显著相关的QTLQTKW.caas-4AL，经比对与本研究定位到的QTGW-yaas-4AL.2是相同位置，推测是同一QTL。已报道的与小麦千粒重有关的基因主要有TaGS5-3A[17]、TaGW2-6A[18-19]和TaGW8-7A[20-22]等。王君婵等[23]研究表明，扬麦16携带TaGW2-6A，TaGW8-7A和TaGS5-3A的优异等位变异，经序列比对发现，这3个基因与本研究在3A、6A和7A染色体定位到的相关QTL均不在同一位置，且距离较远，这可能与定位群体的背景和大小、连锁图的标记密度、试验环境和表型测定误差等有关。小麦籽粒灌浆持续时间主要由特定地区的气候和耕作栽培制度决定，而且不同粒重类型品种间灌浆持续时间差异不显著[7-8]，因此前人未对籽粒灌浆持续时间做过QTL定位，本研究首次定位到3个与小麦籽粒灌浆持续时间相关的QTL，4D染色体上的位点与籽粒灌浆速率相关QTL位置一致，这些QTL的稳定性、有效性和对粒重的影响，还有待进一步验证。

3.2 QTL的遗传性分析

通过四亲本RIL群体中共检测到5个与小麦籽粒灌浆速率相关的QTL和3个与千粒重相关的QTL，平均灌浆速率和最高灌浆速率的位点具有高度一致性，扬麦16是累加籽粒灌浆速率和千粒重增效基因最多的亲本，而扬麦22中未检测到籽粒灌浆速率和千粒重的增效基因，这与四亲本中扬麦16的籽粒灌浆速率和千粒重最高，而扬麦22的籽粒灌浆速率和千粒重最低的表型结果 一致。

4 结 论

本研究共检测到5个新的与小麦籽粒灌浆速率相关的QTL，分别位于染色体3AL、4DL(2)、6AL和 7AL上；定位到3个与千粒重相关的QTL，分别位于染色体4AL(2)和4DS上；首次定位到3个与籽粒灌浆持续时间相关的QTL，分别位于染色体3A和4D(2)上。扬麦16是累加籽粒灌浆快和粒重高基因最多的品种。结果表明小麦籽粒灌浆速率和千粒重的遗传特性比较复杂，与多个基因/QTL的效应有关，累加较多的籽粒灌浆快和千粒重高等优良基因可以培育出灌浆快和粒重高的品种。本研究为选育籽粒灌浆快和粒重高的小麦新品种提供材料与技术支撑。

致谢: 感谢中国农业科学院作物科学研究所数量遗传课题组张鲁燕研究员提供的GAPL软件，并且在QTL定位中给予的悉心指导。