减源处理下小麦粒重稳定性QTL的定位分析

周 锋，杨 虓，吕栋云，张传量，宋鹏博，姚俭昕，王 鑫，王笑笑，孙道杰

(1.西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100； 2.陇东学院农林科技学院，甘肃庆阳 745000)

叶片是小麦进行光合作用的主要器官，特别是旗叶对小麦后期的生长发育及光合产物的积累至关重要。而环境改变、自然灾害频发、锈病、蚜虫等因素会不可避免地伤害到叶片，从而降低光合产物的合成，导致小麦产量下降，因此，研究小麦在减源条件下影响产量稳定性的机制对于确保小麦稳产具有重要意义。

多年来，国内外学者对小麦的光合作用与产量间的关系做了大量研究。王义芹等发现，旗叶光合速率和旗叶面积的乘积与生物产量和经济产量之间呈显著正相关；冯建波等发现，小麦叶面积指数与产量之间呈显著正相关，可以通过叶面积指数的合理调控来提高小麦的产量；沈新磊通过改变冬小麦源库大小，分析源库对产量的影响，发现去旗叶后千粒重降低不显著，而其余去叶处理使千粒重显著降低，推测这与去旗叶伤害后产生的超补偿作用有关；刘万代等研究发现，剪叶可提高剩余叶片的光合速率；张冰晶分析了衰老与非衰老小麦旗叶在基因转录水平的差异，发现与衰老转录因子相关的microRNA对于调控叶片衰老有重要作用。因此，协调好源库关系，提高作物叶片的光合能力，有利于提高作物的产量潜力。

不同时期旗叶缺失或受到伤害均会造成小麦严重减产，许多灾害都会伤害到叶片，特别是旗叶受到伤害后，将大大减少“源”的大小，从而影响产量。小麦产量三要素中，相对于单位面积穗数和穗粒数，千粒重受遗传特性的影响最大，遗传改良效果也最为显著。而粒长、粒宽与粒重具有较高的相关性，对小麦的产量具有潜在的影响。前人发现控制小麦粒重的QTL几乎覆盖小麦所有染色体，但减源处理后有关粒重稳定性的QTL研究报道较少。本研究在早播和晚播条件下，通过对减源处理和正常处理的小麦千粒重、粒长和粒宽进行比较分析，挖掘出减源处理下小麦粒重保持稳定的QTL，以期为逆境胁迫条件下小麦分子标记辅助育种提供帮助。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以优良品种小偃81和西农1376为亲本构建的包含190个株系的F代RIL群体为材料。其中，西农1376是王辉教授课题组选育的结实性好、单穗粒重高的高产小麦品种；小偃81是李振声院士选育的高产、优质、多穗型品种。

1.2 田间试验与性状测定

于2019年10月1日进行早播，每株系种植2行，随机区组设计，小区行长1.35 m，行距 0.25 m，2次重复；于2019年11月1日进行晚播，每株系种植2行，随机区组设计，小区行长 0.65 m，行距0.25 m，2次重复。于开花后，各株系取3株靠近每行中部的植株，剪去旗叶，用红绳标记，作为减源处理。于小麦成熟后取减源处理的主穗，同时取3个靠近行中部未去叶的主穗作对照处理。分别将早播减源处理、晚播减源处理、早播对照处理、晚播对照处理记为E1、E2、CK1、CK2。穗脱粒晒干后，用万深SC-G考种仪测量粒长、粒宽和千粒重。以减源处理和对照处理间的性状值之比作为小麦减源处理后维持产量相关性状稳定的指标，比值越高，则说明稳定性越好，比值越低，则说明减源处理后各性状降低幅度越大，稳定性越差。

1.3 数据处理

用SPSS 26.0软件统计分析数据，并利用独立样本检验功能进行差异性分析。利用ICIMapping的ANONA功能，根据多环境的表型数据，计算性状的最优线性无偏估计值(best linear unbiased estimation,BLUE)，并计算出遗传力。

1.4 QTL分析

利用姚俭昕基于50K芯片构建得到的QTL图谱，该图谱包含10 845个SNP标记，覆盖21条染色体，全长4 340.81 cM，相邻标记的平均距离为0.40 cM。使用IciMapping 4.2中的完备复合区间作图法(ICIM)对QTL进行定位，经 1 000次模拟计算后得到LOD值，以LOD≥2.5为阈值判断QTL是否存在。

2 结果与分析

2.1 表型分析结果

在不同播期不同处理下，小偃81和西农1376间的粒长和千粒重差异均达到极显著水平，粒宽差异达到显著水平(表1)。同一播期不同处理下，RIL群体减源处理的粒长、粒宽和千粒重平均值均显著低于对照处理，但同一播期减源处理的粒长、粒宽和千粒重的变异系数均高于对照处理，说明减源处理导致籽粒的粒长、粒宽和千粒重降低，但表型变异范围增大。RIL群体表型均值都介于两亲本之间，每个性状都存在超亲分离现象，偏度的绝对值和峰度的绝对值都小于1；在减源处理和对照处理的表型比值中，除粒长比外，两亲本间的粒宽比和千粒重比差异均达极显著水平(除晚播条件下，粒宽比差异达显著水平)，峰度和偏度的绝对值也基本都小于1。这说明粒长、粒宽、千粒重及其表型比值均符合正态分布，是由多基因控制的数量性状，符合QTL作图要求。

表1 不同处理下小麦RIL群体表型统计分析Table 1 Statistical analysis of phenotype of wheat RIL population under different treatments

由方差分析结果(表2)可以看出，基因型和环境对各性状的影响均达到了极显著水平，表明这6个性状是复杂的数量性状，受基因型和环境共同影响。粒长、粒宽、千粒重、粒长比、粒宽比、千粒重比的遗传力分别为0.88、0.85、0.86、 0.52、0.61和0.60，相较于粒长、粒宽和千粒重，表型之比受环境的影响较大。相关性分析结果(表3)表明，粒长、粒宽和千粒重在相同处理或减源处理与对照处理间均呈显著正相关(除了减源处理后的粒宽和对照处理的粒长不显著外)，三个性状比值与对照处理的同种性状(除千粒重外)均呈显著或极显著负相关，与减源处理的同种性状均呈极显著正相关。

表2 小麦RIL群体各性状方差分析(F值)Table 2 Variance analysis of traits in the wheat RIL population(F value)

表3 小麦RIL群体相关性分析Table 3 Correlation analysis of traits in the wheat RIL population

2.2 QTL定位结果

共检测到18个控制小麦粒长、粒宽、千粒重、粒长比、粒宽比和千粒重比的QTL，分布在2A、3A、3B、3D、4B、4D和5D染色体上，单个QTL可解释1.29%～41.04%的表型变异，LOD值范围为2.53～57.59(表4和图1)。

表4 小麦RIL群体各性状QTL定位Table 4 QTLs for various traits in wheat RIL population

定位分析发现，有3个QTL仅在晚播减源处理下检测到，其中、的增效等位基因来自母本西农1376；的增效等位基因来自父本小偃81。有3个QTL仅在对照处理下检测到，其中(晚播条件下检测到)的增效等位基因来自母本西农1376；和(早播条件下检测到)的增效等位基因来自父本小偃81。有8个QTL在对照处理和减源处理下均被检测到，其中、、、和的增效等位基因来自母本西农1376；、和的增效等位基因来自父本小偃81。

检测到7个控制粒长的QTL，分布在2A、3A、3D、4B和5D染色体上，其中、、和的增效等位基因来自西农1376，、和的增效等位基因来自于小偃81。、、和均在多个处理中被检测到，平均可解释2.46%、4.87%、4.43%、5.73%和8.73%的表型变异，为微效QTL。、和均仅在一个处理中被检测到，分别可解释2.46%、41.04%和12.35%的表型变异，和为主效QTL。

共检测到3个控制粒宽的QTL，分布在4B、4D和5D染色体上，其中的增效等位基因来自西农1376，和的增效等位基因来自小偃81。在5个处理中均被检测出，平均可解释13.41%的表型变异，为主效QTL。和均仅在一个处理中被检测到，分别可解释6.75%和5.39%的表型变异，为微效QTL。

图1 控制粒长、粒宽、千粒重和表型比值的QTL在染色体上的分布

共检测到4个控制千粒重的QTL，分布在3B、4B、4D和5D染色体上，其中、和的增效等位基因来自西农1376，的增效等位基因来自小偃81。、和均在多个处理中能被检测到，平均可解释3.49%、7.20%和8.19%的表型变异。仅在一个处理中被检测到，可解释6.38%的表型变异。这4个QTL均为微效QTL。

分别检测到2、1和1个控制粒长比、粒宽比和千粒重比的QTL，分布在2A、3D和5D染色体上，增效等位基因均来自于西农1376，可解释 6.31%～16.33%的表型变异。检测到的QTL均在一个处理中被检测到，其中可解释14.43%的表型变异，为主效QTL。

3 讨 论

了解次优条件下的产量稳定性和作物表现是缩小产量差距的关键，旗叶为籽粒灌浆贡献了45%～58%的光合活性和41%～43%的碳水化合物，但外在环境因素的不稳定性会导致旗叶缺失或受伤，进而造成减产。前人探索不同处理下农作物性状间的关系多为寻找处理间差值QTL，如冯 跃等通过不同施氮水平间各性状的差值，挖掘到4个水稻耐低氮相关遗传位点；李 超等定位到5个在油脂合成中对环境敏感的差值QTL，为找到甘蓝型油菜中对环境钝感的含油量相关基因奠定基础；穆 平等对水稻产量性状在低磷胁迫下与对照的差值进行QTL定位，共定位到17个耐低磷QTL。上述文献中所寻找的差值QTL为环境顿感基因，差值越大，表明对环境越敏感，耐性越低。本研究采用减源处理与对照处理获得的表型比值来衡量环境顿感基因，如果减源处理与对照处理的表型比值越接近1，说明此性状越稳定。利用表型比值挖掘相关的QTL，为旗叶缺失后小麦稳产育种提供基础。在小麦灌浆期间，不同分蘖之间是否有明显的同化物交流，目前还未见相关报道。本研究中西农1376在早播条件下减源处理后粒宽和千粒重大于对照处理的情况，在沈新磊的研究中也有同样的现象，推测是植株在旗叶受到伤害后由于超补偿作用所导致。

本研究在减源处理和对照处理下，共检测到18个控制粒长、粒宽、千粒重以及表型比的QTL，其中减源处理下检测到11个，对照处理下检测到11个，同时在减源处理和对照处理下检测到8个。有3个QTL仅在对照处理下检测到，说明这些QTL在去旗叶后不会表达；有3个QTL仅在减源处理下检测到，说明这些QTL仅在去旗叶后开始表达，推测为控制小麦籽粒补偿效应的QTL，在旗叶受伤或缺失后可保持籽粒相关性状的稳定性。共检测到4个表型比QTL，其中控制粒长比的和控制千粒重比的均与控制粒长(、、)、粒宽()和千粒重()的QTL定位区间部分重叠，其中可解释14.43%的表型变异，为主效位点；控制粒长比的与控制粒长的位点定位区间部分重叠，且与Cabral等发现的控制粒重的位点定位区间部分重叠。控制粒宽比的与控制粒长的相距较近，与Mangini等发现的、和位点也较近。推测这些QTL与产量相关性状紧密连锁或存在“一因多效”现象。

本研究共定位到14个控制粒长、粒宽和千粒重的QTL，分布在2A、3A、3B、3D、4B、4D和5D染色体上。前人研究中没有发现与控制粒长的和有重叠的定位区间，推测可能是本研究发现的新位点。其中可解释41.04%的表型变异，为主效QTL。在3B染色体上发现的控制千粒重的与Cabral等和Liu等发现的控制粒重的QTL距离相近，且均在Xie等发现的控制粒重的和控制籽粒体积的定位区间内。在3D染色体上发现的控制粒长的与Liu等发现的控制千粒重的定位区间重叠，与部分重叠；与Cabral等发现的控制粒宽的定位区间部分重叠。在4B染色体上发现的控制粒长的与控制千粒重的定位区间相距41 Mb，其中可解释12.35%的表型变异，为主效QTL，包含在Xin等发现的控制粒宽的定位区间内；控制粒宽的与Wu等发现的控制粒长的和Suzuki等发现的控制千粒重的QTL定位区间部分重叠；控制千粒重的包含在Xin等发现的控制粒宽的定位区间内，与Cheng等发现的控制粒厚的定位区间部分重叠，在该区间内也包含Mangini等发现的控制粒宽的。在4D染色体上发现的控制粒宽的和控制千粒重的均在5个处理中被检测到，并且区间完全重叠，与Cabral等发现的控制粒重的和Cui等发现的粒重相关的条件位点定位区间部分重叠。在5D染色体上发现的控制粒长的包含在Cui等发现的粒重相关的条件位点定位区间中；控制粒长的包含在Liu等发现的控制千粒重的定位区间内；控制粒长的、控制粒宽的和控制千粒重的三者定位区间几乎完全重叠，前人也在5D染色体上定位到控制粒宽和千粒重的QTL，但因为使用标记类型不同，无法查证与本研究结果的一致性，推测是新发现的位点。

综上所述，本研究在减源处理和对照处理下分别检测到3个独有QTL，在减源处理和对照处理中同时检测到8个QTL。分别定位到控制粒长比(、)、粒宽比()和千粒重比()的位点，其中为主效QTL。定位到新发现的位点有5个，分别为、、、和，其中仅在晚播减源处理中被检测到，可解释 41.04%的表型变异，为主效QTL；、和在减源处理和对照处理中均能被检测到，为稳定QTL。挖掘这些QTL对研究小麦在多变的环境中因旗叶伤害导致的减产具有一定的帮助，为小麦分子标记辅助育种提供依据。