小麥抽穗和開花期相關QTL定位與分析

王克森 董爽爽 李法計 郭軍 臺述強 王利彬 程敦公 穆平 劉建軍 李豪圣 趙振東 曹新有 張玉梅

摘要：抽穗期和開花期是衡量小麥發育快慢及穩定性的兩個重要時期，發掘相關基因位點并應用于育種選擇，可為小麥穩產性改良提供指導。本研究以人工合成六倍體小麥（Turtur）和Triticum spelta L.衍生系（Bubo）為親本雜交構建的包含186個家系的重組自交系（recombinant inbred line，RIL）群體（F6）為材料，于2014—2017年連續種植于山東省農業科學院作物研究所濟南試驗基地，結合已構建的包含5 301個標記、長度為2 464 cM的高密度遺傳連鎖圖譜對抽穗期和開花期QTL進行定位，結果表明，在1B（3）、2B、4B（2）、5A、5B和7B染色體上共檢測到9個抽穗期相關QTL，可解釋4.55%～13.40%的表型變異;在1D、2A、3D、4B、5A、6B和7B染色體上共定位到7個開花期相關QTL，可解釋3.48%～16.93%的表型變異。其中，7B染色體上4409103～1233594標記區間內控制抽穗期的QTL連續兩年被檢測到;4B和7B染色體上控制開花期的QTL分別連續2年和3年被檢測到。這將為下一步分子標記輔助育種和品種穩產性改良提供理論依據。

關鍵詞：小麥;抽穗期;開花期;QTL

中圖分類號：S512.103.2 ?文獻標識號：A ?文章編號：1001-4942（2020）01-0017-07

Abstract Heading time and flowering time are two important traits to measure the growth and stability of wheat. Discovering relevant gene loci and applying them to breeding can provide guidance for wheat yield improvement. In this study， a RIL （recombinant inbred line） population （F6） consisting of 186 families was constructed by artificially synthesizing hexaploid wheat （Turtur） and T. spelta L. derived line（Bubo） as parents. The materials were continuously planted in Jinan Experimental Base of the Crop Research Institute of Shandong Academy of Agricultural Sciences in 2014-2017. The QTL mapping was carried out at the heading and flowering stages in combination with the constructed high-density genetic linkage map containing 5 301 markers and a length of 2 464 cM. The results showed that 9 heading QTLs were mapped on the chromosomes 1B （3）， 2B， 4B （2）， 5A， 5B and 7B， which explained 4.55% ～ 13.40% of phenotypic variation， and 6 flowering QTLs were mapped on the chromosomes 1D， 2A， 3D， 4B， 5A， 6B and 7B， explaining 3.48% ～ 16.93% of phenotypic variation. Among them， the QTL of heading time in the 4409103～1233594 marker interval on chromosome 7B was detected for 2 consecutive years; the QTL of flowering time on chromosomes 4B and 7B were detected in 2 and 3 years respectively. It could provide theoretical references for molecular maker-assisted breeding and stable-yielding improvement.

Keywords Wheat; Heading time; Flowering time; QTL

小麥是世界上最重要的谷物資源之一，是我國第三大糧食作物，其產量對我國的糧食安全有著重要影響。抽穗期及開花期可反映小麥的生長發育速率及穩定性，并影響成熟期、產量、抗病性等。抽穗期及開花期標志著小麥由營養生長轉向生殖生長，是決定小麥產量的關鍵時期[1]。

大量研究表明，小麥抽穗期及開花期是受多基因控制的數量性狀，遺傳基礎復雜，易受環境影響。小麥抽穗期受春化（Vrn）、光周期（Ppd）和早熟性（Eps）基因的協同調控[2]。其中，春化和光周期基因都會與環境發生互作，而早熟性基因獨立于春化和光周期基因之外，在滿足春化和光周期反應的情況下，控制花原基細胞的起始及發育[3]。王羽等[4]通過多世代聯合分析，認為小麥抽穗期符合一對主基因+多基因的遺傳模型。近年來，關于分析定位小麥抽穗期QTL的研究已有較多報道。姚琴等[5]在兩年兩點環境下采用重組自交系群體在5DL和7B染色體上檢測到3個抽穗期QTL，可以解釋表型變異的8.30%～49.80%。Sourdille等[6]利用DH群體將抽穗期QTL定位在1A、2B、4D、4BS、5AL、5DL、7BS、2D、5A、4A、2A和2D染色體上。吳旭江等[7]利用重組自交系群體在3年9次試驗中將抽穗期QTL定位在1A、4D、5B、6B和7A染色體上，可以解釋表型變異的5.76%～15.26%。宋彥霞等[8]利用三個作圖群體，在不同環境下檢測到5個抽穗期QTL，分別位于3A、4D、5B、5D、6A染色體上，可以解釋表型變異的3.97%～22.91%。開花期是小麥對水分較敏感的時期[9]，直接影響小麥產量。閆雪等[10]采用DH群體，在干旱脅迫下檢測到2個分別位于1B和1D染色體上的開花期QTL，分別解釋表型變異的12.35%和10.79%;正常灌溉條件下檢測到2個位于1D和5B染色體上的開花期QTL，分別解釋表型變異的9.11%和9.65%。雖然已報道小麥抽穗期和開花期位點較多，但少有位點用于育種選擇，且控制抽穗期和開花期的位點存在差異。

本研究選用人工合成六倍體小麥和T. spelta L.衍生系雜交構建的RIL群體為材料，對小麥抽穗期和開花期QTL進行定位，旨在發掘穩定遺傳的抽穗期和開花期位點，并為分子標記輔助育種和品種穩產性改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料選用CIMMYT提供的以人工合成六倍體小麥（Turtur）和T.spelta L.衍生系（Bubo）為親本（系譜見表1）構建的186個家系的RIL（F6）遺傳群體。該群體由中國農業科學院作物研究所郝元峰博士提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 田間試驗和性狀調查 將RIL群體（F6）的186個家系及親本于2014—2015、2015—2016和2016—2017年連續種植于山東省農業科學院作物研究所濟南試驗基地。試驗采用單行區種植，行長1 m，行距25 cm，設3次重復，完全隨機排列，兩親本作為對照。田間管理參照大田管理進行。

每行內半數穗子（不包括芒）由葉鞘中露出1/2時，即為進入抽穗期，以播種至抽穗的天數作為抽穗期;每行內半數穗子中上部小花的內外穎張開、花藥散粉時，即進入開花期，以播種至開花的天數作為開花期。

1.2.2 統計分析 利用SPSS 17.0統計軟件進行基本統計量分析，應用Microsoft Excel 2010繪制性狀分布圖。

1.2.3 DNA提取及分子標記檢測 基因組DNA采用CTAB法[11]提取，通過瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA質量，并用分光光度計檢測OD260/280值，根據DNA濃度稀釋保存。委托中玉金標記（北京）生物技術股份有限公司（http：//sample.cgmb.com.cn）進行SNP標記分型，對質檢后樣品進行一系列的處理，包括線性擴增、片段化和沉淀、重懸、變性，然后利用GeneTitan MC Instrument進行雜交、洗染、掃描，產生的數據通過Axiom Analysis Suit進行分析。DarT標記參考Triticarte Pty. Ltd.整合在多個遺傳群體上的信息（http：//www.triticarte.com.au）。

1.2.4 QTL定位 已構建了包含5 301個標記（4 120個DarT標記、621個SNP標記和560個傳統的DarT標記）、總長度2 464 cM的遺傳連鎖圖譜，標記間平均距離為0.46 cM[12]（表2）。

根據構建的連鎖圖譜利用Windows QTL Cartograph 2.5軟件采用復合區間作圖法檢測QTL，掃描步長設置為1.0 cM，對群體及親本進行全基因組掃描，分析結果定位QTL的效應以及在染色體上的位置。根據Churchill等[13]的方法，在P<0.05水平下進行1 000次的隨機性測驗。當閾值（LOD）大于2.5時，認為存在一個QTL，并計算每個QTL的貢獻率和加性效應值。QTL的命名采用McIntosh等[14]的方法命名：Q+性狀名稱縮寫+染色體編號+QTL個數（如有多個QTL）。

2 結果與分析

2.1 RIL群體及其親本抽穗期與開花期性狀的表型分析

田間調查RIL群體及其親本抽穗期與開花期，利用SPSS 17.0統計軟件進行基本統計量分析，結果（表3）表明，親本Turtur比Bubo早抽穗2～8 d，但2016年兩親本在濟南的抽穗期相同，可能與當年小麥生長發育后期遭遇高溫天氣有關。親本Turtur比親本Bubo早開花2～6 d。RIL群體抽穗期和開花期性狀具有明顯的超親分離現象，說明兩親本含有對表型變異起作用的基因。圖1表明，抽穗期性狀與開花期性狀呈連續變化，且符合正態分布，具有數量性狀遺傳特點，因此，可以進行QTL定位分析。

2.2 QTL定位分析

2.2.1 抽穗期QTL定位分析 利用Windows QTL Cartographer 2.5軟件的復合區間作圖法進行QTL檢測，在LOD>2.5水平下，共定位到10個抽穗期QTL，分布于小麥的1B、2B、4B、5A、5B和7B染色體上（表4和圖2）。

1B染色體上檢測到2個效應值較大的QTL，一個位于1208560～3938149標記區間內，LOD值為6.14，加性效應為-0.68，可解釋11.08%的表型變異，暫命名為qDTH-1B-1;另一個位于3021374～1136122標記區間內，LOD值為5.63，加性效應為0.63，可解釋10.02%的表型變異，暫命名為qDTH-1B-2。4B染色體上檢測到1個效應值較大的QTL，位于1126368F0-33CT～2303406標記區間內，LOD值為5.46，加性效應為-0.53，可解釋10.36%的表型變異，暫命名為qDTH-4B-1。5A染色體上檢測到1個效應值較大的QTL，位于2280217～2259418標記區間內，LOD值為5.20，加性效應為0.28，可解釋8.28%的表型變異，暫命名為qDTH-5A。

另外，連續2年在7B染色體4409103～1233594標記區間內檢測到抽穗期相關QTL，平均解釋了9.56%的表型變異，暫命名為qDTH-7B。

2.2.2 開花期QTL定位分析 利用Windows QTL Cartographer 2.5軟件的復合區間作圖法進行QTL檢測，在LOD>2.5水平下，共定位到10個開花期相關QTL，分布于小麥的1D、2A、3D、4B、5A、6B和7B染色體上（表5和圖2）。

6B染色體上檢測到1個效應值較大的QTL，位于1115431～2321040標記區間內，LOD值為5.15，加性效應為-1.26，可解釋10.51%的表型變異，暫命名為qDTF-6B。連續2年在4B染色體3064397～1106144區間檢測到開花期QTL，平均解釋了4.65%的表型變異，暫命名為qDTF-4B。另外，連續3年在7B染色體wPt-7318～1278402標記區間內檢測到開花期QTL，平均解釋了9.93%的表型變異，暫命名為qDTF-7B。

3 討論

小麥的抽穗期和開花期作為數量遺傳性狀，遺傳基礎復雜，表型易受環境影響。前人有關抽穗期和開花期的QTL分析，也發現同一作圖群體在不同年份很難得到完全相同的QTL[15]。本研究結合SNP標記與DarT標記對人工合成六倍體小麥（Turtur）和T. spelta L.衍生系（Bubo）構建的RIL遺傳群體進行全基因組掃描，構建了總長為2 464 cM的遺傳連鎖圖譜，共包括5 301個標記，采用復合區間作圖法對小麥抽穗期和開花期的QTL進行初步定位。利用3年表型數據在1B、1D、2A、2B、3D、4B、5A、5B、6B和7B染色體上共檢測到20個與抽穗期和開花期性狀相關的QTL位點，且多個位點與遺傳標記近乎共分離。

對抽穗期性狀定位發現，位于1B染色體1208560（45.8 cM）～3938149（46.0 cM）區間內的qDTH-1B-1（45.81 cM）與1208560標記遺傳距離為0.01 cM，近乎共分離，可解釋11.08%的表型變異;3021374（149.6 cM）～1136122（149.7 cM）區間內的qDTH-1B-2（149.61 cM）與3021374標記遺傳距離為0.01 cM，近乎共分離，可解釋10.02%的表型變異。另外，qDTH-7B（50.51 cM）連續兩年在7B染色體4409103（50.5 cM）～1233594（51.0 cM）區間內被檢測到，與4409103標記遺傳距離為0.01 cM，近乎共分離，平均解釋了9.56%的表型變異。Zhang等[16]在不同環境中對光溫敏不育系BS366的抽穗期進行研究，檢測到8個QTL，其中1B染色體30.54 cM上存在一個抽穗期QTL（2年被檢測到），可解釋3.06%和2.42%的表型變異;4B染色體23.76 cM上存在一個抽穗期QTL，可解釋2.43%的表型變異;7B染色體2.01 cM和4.01 cM位置上檢測到2個抽穗期QTL，分別解釋了2.41%和2.54%的表型變異。Huang等[17]利用German elite×synthetic BC群體檢測到13個抽穗期相關QTL，分別位于2A、2D、3A、3B、4A、5A、5B、6A、7A、7B和7D染色體上。師翠蘭[18]采用山農01-35×藁城9411構建的RIL群體，檢測到12個抽穗期QTL。其中QHt1B.1-87兩年被檢測到，分別解釋了17.08%和30.32%的表型變異;QHt1B.2-44兩年被檢測到，分別解釋了9.54%和9.43%的表型變異，與本研究中qDTH-1B-1（45.81 cM）位置接近。茹京娜等[19]利用DH群體，檢測到6個位于1B、1D、4D、6B、7B和7D染色體上的抽穗期QTL，解釋了表型變異的1.82%～6.72%。

研究發現，小麥抽穗期QTL多分布在1B、4B和7B等B組染色體上[5]，本試驗在1B、2B、4B、5B和7B染色體上檢測到抽穗期相關QTL，說明B組染色體上可能富含控制抽穗期的QTL，對抽穗期性狀的調控有較大的影響。本次試驗中定位的qDTH-1B-1、qDTH-1B-2和qDTH-7B均與可用遺傳標記近乎共分離，有望應用于分子輔助選擇育種。

對開花期性狀定位發現，7B染色體wPt-7318（51.6 cM）～1278402（51.8 cM）區間內的qDTF-7B（51.61 cM）連續3年被檢測到，與wPt-7318標記的遺傳距離為0.01 cM，近乎共分離，可解釋6.12%～16.93%的表型變異。Bomer等[20]利用ITM Ⅰ中的一個包含有140個家系的RIL群體在2DS（54.2～73.9 cM）、5DS（126.0～141.7 cM）和3AL（258.0～284.0 cM）上檢測到開花期主效QTL，在2BS上檢測到1個開花期的微效QTL。楊睿等[3]利用波蘭小麥和普通小麥品系中13個雜交后代的F8重組自交系檢測到6個位于2B、4B、5A、5B、6A、7A染色體上的開花期QTL，解釋了表型變異的9.64%～20.27%，并發現4B染色體與小麥成熟期密切相關。同時，在小麥染色體7BS上還存在控制小麥開花的基因TaFT，定位在染色體短臂GWM569～ABC158區間內，與標記ABC158的遺傳距離為1 cM[21]。本試驗在7B染色體不同區間內定位的qDTF-7B（51.61 cM）位于TaFT基因附近，可連續3年被檢測到，我們通過分析發現1278402標記與TaFT基因遺傳距離為1 Mb，極有可能是同一個基因，有待于進一步進行驗證，表明7B染色體與小麥生育期性狀的相關性，并可能還存在控制生育期的微效基因，今后工作中應重視7B染色體對小麥生育期的調控作用。

4 結論

本研究利用構建的包含5 301個標記、長度為2 464 cM的高密度遺傳連鎖圖譜對小麥抽穗期和開花期進行QTL定位。多個位點與遺傳標記近乎共分離，其中，抽穗期共檢測到9個QTL位點，分布于1B、2B、4B、5A、5B和7B染色體上;開花期共檢測到7個QTL位點，分布于1D、2A、3D、4B、5A、6B和7B染色體上。7B染色體上同時檢測到抽穗期與開花期主效QTL，且qDTF-7B 與小麥開花基因TaFT位置接近，疑為同一基因。本研究結果可為小麥抽穗期和開花期QTL精細定位以及相關育種標記選擇提供參考。

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