趙艷艷，袁亞培，梁 雪，宮曉平，吳春紅，周秀文，郭 營，趙 巖，李斯深，孔凡美*

（1 作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東泰安 271018；2 山東省菏澤市曹縣農(nóng)業(yè)局，山東曹縣 274400）

不同磷、鉀處理小麥苗期氮營養(yǎng)性狀的QTL分析

趙艷艷1，袁亞培1，梁 雪2，宮曉平1，吳春紅1，周秀文1，郭 營1，趙 巖1，李斯深1，孔凡美1*

（1 作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東泰安 271018；2 山東省菏澤市曹縣農(nóng)業(yè)局，山東曹縣 274400）

【目的】對(duì)不同濃度磷、鉀處理下小麥苗期氮養(yǎng)分效率相關(guān)性狀進(jìn)行 QTL 分析，以深入理解磷、鉀與氮養(yǎng)分效率的相互關(guān)系，為氮營養(yǎng)相關(guān)性狀的圖位克隆及分子標(biāo)記輔助選擇育種奠定基礎(chǔ)。 【方法】采用苗期液培試驗(yàn)，以“川 35050 × 山農(nóng) 483”組合衍生的小麥重組自交系群體 (131 個(gè)株系) 為研究材料，設(shè)置了中磷中鉀(MPMK)、高磷 (HP)、低磷 1 (LP1)、低磷 2 (LP2)、低磷 3 (LP3)，高鉀 (HK)、低鉀 1 (LK1)、低鉀 2 (LK2)、低鉀 3 (LK3) 共 9 個(gè)處理，對(duì)不同磷、鉀處理下的氮養(yǎng)分效率相關(guān)性狀進(jìn)行研究，并結(jié)合分子標(biāo)記遺傳圖譜，從整個(gè)基因組水平對(duì)與小麥苗期氮養(yǎng)分效率相關(guān)的 10 個(gè)性狀進(jìn)行 QTL 定位及遺傳分析。 【結(jié)果】不同處理下的10 個(gè)性狀共檢測(cè)到 137 個(gè) QTL，位于除 3D 外的 20 條染色體上，大部分 QTL (89.05%) 僅在單一處理下被定位到，有 3 個(gè) QTL (QRnue-1A.2、QSnue-1A.1 和 QTnue-1A.1) 可在至少 4 個(gè)處理中被檢測(cè)到，有 5 個(gè) QTL (QRnue-1A.1、QTnue-1A.1、QSnc-4A、QRnc-6A.3 和 QSnue-6B) 可同時(shí)在低磷和低鉀環(huán)境中被檢測(cè)到。本研究還檢測(cè)到至少包含 3 個(gè)以上 QTL 的 QTL 簇 17 個(gè)，分別位于 1A、1B、2B、2D、3A、3B、4A、4B、5D、6A、6B、6D 和 7A 染色體上，共涉及 66 個(gè) QTL，占 QTL 總數(shù)的 48.18%。其中，有 5 個(gè) QTL簇僅與特定磷、鉀處理有關(guān)，大多數(shù) QTL 簇均同時(shí)定位了不同磷、鉀處理的不同性狀，許多 QTL 簇位點(diǎn)還與前人定位的生物量、產(chǎn)量及其他養(yǎng)分有關(guān)。 【結(jié)論】磷、鉀的供應(yīng)能夠顯著影響小麥苗期對(duì)氮素的吸收利用及其相關(guān) QTL 的表達(dá)。影響苗期小麥氮養(yǎng)分效率相關(guān)性狀的 QTL 大多數(shù)僅在特定處理下被檢測(cè)到，但大多數(shù) QTL會(huì)形成 QTL 簇，構(gòu)成了控制氮養(yǎng)分效率的 QTL 熱點(diǎn)，許多熱點(diǎn)區(qū)域也與前人定位的許多成株期性狀如生物量、產(chǎn)量及其他養(yǎng)分效率有關(guān)，這些 QTL/基因密集區(qū)域及其特點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)，為我們深入理解小麥氮養(yǎng)分效率的遺傳控制特點(diǎn)及其與磷、鉀養(yǎng)分供應(yīng)的關(guān)系提供了新的視角，也為這些重要位點(diǎn)的克隆及其應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

小麥；重組自交系群體；QTL；氮養(yǎng)分效率

氮素是作物生長發(fā)育必需的大量元素之一。我國部分高產(chǎn)攻關(guān)田小麥氮肥用量達(dá) 551 kg/hm2，而氮肥利用率僅為 23%～28%[1]。隨著全球人口的增加，為增加作物的產(chǎn)量，大量的氮肥資源投入農(nóng)田，不僅降低了肥料利用率[2]，造成了資源的浪費(fèi)，還引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問題[3–4]。因此，培育高產(chǎn)、養(yǎng)分高效利用的新品種成為“第二次綠色革命”的重要目標(biāo)。深入探討氮效率相關(guān)性狀的遺傳基礎(chǔ)是小麥氮養(yǎng)分效率遺傳改良的前提[5]。

氮營養(yǎng)相關(guān)性狀是典型的數(shù)量性狀，數(shù)量性狀基因座位 (quantitative trait locus, QTL) 分析可以把復(fù)雜的數(shù)量性狀分解成不同的 QTL，為復(fù)雜性狀遺傳控制的研究提供了一種有效的新方法[6]。到目前為止，與小麥氮素營養(yǎng)有關(guān)的 QTL 的分析主要集中在苗期或成熟期，涉及低氮或高氮處理。Quarrie 等[7]在低氮脅迫的環(huán)境下檢測(cè)到與產(chǎn)量性狀相關(guān)的QTL，主要分布在 4A、4B、6A、7A 和 7B 染色體上。An 等[8]在大田環(huán)境下共檢測(cè)到 17 個(gè)與氮吸收效率有關(guān)的 QTL，高氮和低氮環(huán)境下分別為 8 個(gè)和 9 個(gè)。2006 年，Laperche 等[9]在高氮和低氮水平下，檢測(cè)到與籽 粒產(chǎn)量、籽粒蛋白和氮含量相關(guān)的 QTL，在 4B和 5A 染色體上檢測(cè)到 2 個(gè)與根干重相關(guān)的 QTL，此外，在 2B 染色體上定位了 1 個(gè)與總干重有關(guān)的QTL。2007 年，Laperche 等[10]對(duì)產(chǎn)量、千粒重、收獲指數(shù)等性狀進(jìn)行 QTL 分析，在高氮和低氮環(huán)境下檢測(cè)到的 QTL 數(shù)分別為 67 個(gè)和 51 個(gè)，同時(shí)在兩個(gè)環(huán)境中檢測(cè)到的 QTL 為 85 個(gè)。由于 QTL 受試驗(yàn)環(huán)境的影響很大，這些 QTL 的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。特別是磷和鉀與氮素的吸收利用效率存在復(fù)雜的交互效應(yīng)[11]，氮、磷、鉀的吸收和利用可能受共同的 QTL 控制[12]。因此，研究不同磷、鉀處理環(huán)境下的氮效率相關(guān) QTL 對(duì)于深入理解氮、磷、鉀相互關(guān)系及氮營養(yǎng)性狀的 QTL 環(huán)境穩(wěn)定性具有重要意義，也為氮營養(yǎng)性狀的圖位克隆及分子標(biāo)記輔助選擇育種 (marker assistant selection, MAS) 奠定基礎(chǔ)。

本研究以小麥重組自交系群體 (recombinant inbred lines, RIL) 為研究材料，研究了不同濃度磷、鉀處理對(duì)小麥苗期氮養(yǎng)分效率相關(guān)性狀的影響并對(duì)所有氮養(yǎng)分效率相關(guān)性狀進(jìn)行了 QTL 分析。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以“川 35050 × 山農(nóng) 483”組合衍生的小麥重組自交系群體 (recombinant inbred lines, RIL)(131個(gè)株系) 為研究材料。川 35050 是中國西南冬麥區(qū)的小麥品系，穗大、強(qiáng)筋；山農(nóng) 483 是黃淮麥區(qū)的小麥品系，中弱筋，豐產(chǎn)性好，該品系來自小麥種質(zhì)和小麥育種的骨干親本“矮孟牛”，“矮孟?！痹谛←溣N中得到了廣泛使用，以其為親本已培育出十多個(gè)小麥新品種，累計(jì)推廣 3 億多畝，增產(chǎn)小麥 100 多億公斤。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室進(jìn)行，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，營養(yǎng)液以 Hoagland 營養(yǎng)液[13]為基礎(chǔ)，根據(jù)小麥的生理特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整[12]。試驗(yàn)共設(shè)置 9 個(gè)處理，分別為中磷中鉀 (MPMK)、高磷 (HP)、低磷 1 (LP1)、低磷 2 (LP2)、低磷 3 (LP3)，高鉀 (HK)、低鉀 1 (LK1)、低鉀 2 (LK2)、低鉀 3 (LK3)，各處理重復(fù) 3 次，具體方案見表 1。

表1 不同試驗(yàn)磷、鉀濃度 (mmol/L)Table 1 P and K concentrations in the treatments

挑選大小一致的小麥重組自交系 (RIL) 和親本種子，經(jīng) 10% H2O2滅菌 5 min 后用蒸餾水沖洗，充分吸脹后取出置于發(fā)芽網(wǎng)上發(fā)芽。7 天后，每個(gè)株系選取長勢(shì)一致的幼苗移栽到育苗盤上，每穴 2 株，重復(fù) 3 次，并用海綿固定好。之后將育苗盤固定在盛有 20 L 營養(yǎng)液、外側(cè)不透光 (保證根系健康生長并防止藻類的生長) 的黑色長方形塑料盒中。移苗后用蒸餾水緩苗 1 天，之后每隔 3 天更換一次營養(yǎng)液，用 0.5% 的 NaOH 調(diào)節(jié) pH 在 6.0～6.2 之間，并用充氣泵不斷向營養(yǎng)液充氣，培養(yǎng) 30 天收獲。

試驗(yàn)在日光溫室進(jìn)行，氣溫 7.5℃～33.9℃，平均 18.5℃；相對(duì)濕度 10.1%～91.3%，平均 51.4%；光照強(qiáng)度 0～69.0 Klux，平均 5.9 Klux。數(shù)據(jù)每隔10 min 由 ZDR 系列記錄儀記錄。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

收獲時(shí)，先將根系在蒸餾水中沖洗 10 min 后取出，用吸水紙吸干水分。將地上部和根系分別裝入紙袋，置于 60℃ 烘箱中烘干至恒重。用萬分之一天平對(duì)單株根干重和單株地上部干重進(jìn)行稱重。單株總重為單株根和地上部的干重之和。

將烘干的小麥幼苗磨碎，稱取適量加入濃 H2SO4和 H2O2消解至無色透明。用凱氏定氮法[14]測(cè)定根系氮濃度和地上部氮濃度。主要計(jì)算公式[15]：

總的氮濃度=(單株地上部干重×地上部氮濃度+單株根干重×根系氮濃度)/(單株根干重+地上部干重)

根系(地上部)氮累積量=單株根(地上部)干重×根系(地上部)氮濃度

總的氮累積量=根系氮累積量+地上部氮累積量

累積量根冠比=根系氮累積量/地上部氮累積量

根系(地上部)氮利用率=單株根(地上部)干重/根系(地上部)氮濃度

總氮利用率=單株總重/總的氮濃度

1.4 數(shù)據(jù)分析

方差分析 (ANOVA)、最小顯著性差異 (LSD) 分析和性狀間的相關(guān)系數(shù)分析均采用 SAS 軟件。廣義遺傳率的相關(guān)數(shù)據(jù)由 SAS 軟件中的 GLM 程序得到，計(jì)算公式為：

本研究利用已構(gòu)建的遺傳圖譜[17]進(jìn)行 QTL 分析，該圖譜包含 21 條染色體上的 719 個(gè)標(biāo)記，圖譜全長為 4008.4 cM，標(biāo)記密度為 7.15 cM/ 位點(diǎn)。標(biāo)記類型主要為 DArT 標(biāo)記 (多樣性微陣列技術(shù))、SSR 標(biāo)記 (簡單序列重復(fù)多態(tài)性)、EST-SSR 標(biāo)記 (基于表達(dá)序列標(biāo)簽開發(fā)的重復(fù)多態(tài)性)。采用 Windows QTL Cartographer 2.5 軟件[18]對(duì)目標(biāo)性狀進(jìn)行 QTL 復(fù)合區(qū)間作圖 (composite-interval mapping)。檢測(cè)步長為 1 cM，每個(gè) QTL 的認(rèn)定峰值臨界值為 LOD ≥ 3.0，并在 P ≤ 0.05[19]的情況下進(jìn)行 1000 次置換檢測(cè)，每個(gè)QTL 區(qū)間入選臨界值為 LOD ≥ 2.5[12]。Stoll 等將染色體同一位置同時(shí)檢測(cè)到 2 個(gè)或 2 個(gè)以上性狀的QTL 位點(diǎn)定義為一個(gè) QTL 簇[20]。本研究將染色體同一位點(diǎn)定位到 3 個(gè)及以上不同性狀的 QTL，定義為一個(gè) QTL 簇[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 苗期小麥部分性狀的表型變異及相關(guān)分析

由表 2 可以看出，10 個(gè)性狀的基因型和處理間變異都達(dá)到顯著水平 (P ≤ 0.01)，表明遺傳因素和環(huán)境因素對(duì)氮效率相關(guān)性狀的表型變異均有顯著影響。LSD 檢測(cè)結(jié)果 (表 3) 表明，調(diào)查性狀的平均值在 9 個(gè)處理下有比較大的差異。10 個(gè)性狀中除RSNC 外，遺傳力都在 50% 以上，其中遺傳力最大為 82.5% (TNCE)，最小為 32.8% (RSNC)。所有氮效率相關(guān)性狀均表現(xiàn)出連續(xù)變異，變異系數(shù)大部分在15% 以上，最大值為 31.54% (RSNC, HP)，最小值為4.41% (TNCE, HK)。除大部分營養(yǎng)含量性狀與累積量性狀呈顯著負(fù)相關(guān)或不相關(guān)，SNC 與 RSNC 負(fù)相關(guān)或不相關(guān)外，其他各性狀表現(xiàn)出正相關(guān)或極顯著正相關(guān) (表 4)。

表2 小麥苗期氮營養(yǎng)相關(guān)性狀的方差分析Table 2 Variance analysis (ANOVA) for the N related traits of wheat at seedling stage

2.2 苗期小麥氮效率相關(guān)性狀的QTL分析

試驗(yàn)中小麥苗期 9 個(gè)處理下的 10 個(gè)性狀共檢測(cè)到 160 個(gè) QTL (單一 QTL 單一環(huán)境)，將不同處理?xiàng)l件下檢測(cè)到的相同 QTL 合并后共檢測(cè)到 137 個(gè) QTL位點(diǎn)，位于小麥除 3D 外的 20 條染色體上。在 7 個(gè)氮營養(yǎng)吸收相關(guān)性狀 (RNCE、SNCE、TNCE、RNC、SNC、TNC、RSNC) 和 3 個(gè)氮利用效率性狀(RNUE、SNUE、TNUE) 上分別定位到 107 個(gè) QTL和 30 個(gè) QTL。單個(gè) QTL 可解釋表型變異的 6.4% ～61.5%。有 15 個(gè) (10.95%) QTL 可以在至少兩個(gè)處理中被檢測(cè)到，貢獻(xiàn)率為 7.4% ～ 37%。其中，QRnue-1A.2, QSnue-1A.1 和 QTnue-1A.1 這 3 個(gè) QTL 可在至少 4 個(gè)處理中被檢測(cè)到 (表 5)。

2.3 重要的 QTL 簇

QTL 具有成簇分布的特征，染色體同一位置同時(shí)檢測(cè)到 3 個(gè)及以上不同性狀的 QTL 形成 QTL 簇。本研究共定位到 17 個(gè) QTL 簇 (C1～C17)，分別位于1A、 1B、 2B、 2D、 3A、 3B、 4A、 4B、 5D、6A、 6B、 6D 和 7A 染色體上，共涉及 66 個(gè) QTL，占 QTL 總數(shù)的 48.18% (表 5)。

C1 和 C3 同時(shí)定位的 QTL 數(shù)目最多。C1 位于1A 染色體 wPt-8455-wPt-730618 區(qū)間，定位了 5 個(gè)QTL (QSnc.1、QTnc、QRnue.1、QSnue.1、QTnue.1)(表 5)。單個(gè) QTL 能夠解釋表型變異的10.1%～18.0%。有 3 個(gè) QTL 可以在至少 3 個(gè)處理中被定位到。該 QTL 簇中各位點(diǎn)加性效應(yīng)均來自川35050，表現(xiàn)為正連鎖關(guān)系。

C3 位于 1A 染色體 wPt-730213-wPt-731476 區(qū)間，定位了 6 個(gè) QTL (QRnc.2、QSnc.3、QRsnc、QRnue.2、QSnue.2、QTnue.2)(表 5)。單個(gè) QTL 能夠

解釋表型變異的 9.1%～23.2%。其中有 3 個(gè) QTL 可在多個(gè)處理中被定位到。該 QTL 簇中僅有 QRsnc 的加性效應(yīng)來自川 35050，其他各位點(diǎn)加性效應(yīng)均來自山農(nóng) 483。

表3 小麥苗期 RIL 群體及父母本性狀測(cè)定結(jié)果Table 3 Phenotypic performance for seedling traits of the RILs and their parents

續(xù)表3Table 3 continued

表4 不同磷、鉀處理下小麥苗期氮養(yǎng)分效率各相關(guān)性狀間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients (r) between N efficiency related traits under different P and K treatments

表5 重要的 QTL 簇Table 5 Important QTL clusters

3 討論

3.1 不同磷、鉀處理對(duì)氮效率性狀的影響

本研究中，與對(duì)照處理相比，在高磷處理下，地上部氮濃度 (SNCE)、總氮濃度 (TNCE)、地上部氮累積量 (SNC)、總氮累積量 (TNC) 均增加，表明磷供應(yīng)量增加可以促進(jìn)小麥對(duì)氮的吸收。而低磷處理下，根系氮濃度 (RNCE)、根系氮累積量 (RNC) 均顯著增加。有研究表明缺磷使小麥根部生長素濃度提高，促進(jìn)根分生組織細(xì)胞分裂[21]，這會(huì)導(dǎo)致根系生長相對(duì)增加。而不同磷濃度下，地上部與根系含氮量的差異，一方面可能是因?yàn)榈土诇p少了幼苗對(duì)氮的吸收，另一方面，為緩解磷供應(yīng)不足，植物會(huì)增加同化產(chǎn)物向根部的分配，以促進(jìn)根系生長增加磷的吸收，這將導(dǎo)致氮被更多的用于根系生長，從而減少地上部的供應(yīng)，隨著磷濃度的升高，地上部氮含量和累積量會(huì)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)[22]。

高鉀處理下，地上部氮濃度 (SNCE)、總氮濃度(TNCE)、地上部氮累積量 (SNC)、總氮累積量 (TNC)均增加。而低鉀處理下，根系氮濃度 (RNCE)、根系氮累積量 (RNC) 均顯著增加。譚金芳等[23]的研究也表明，隨著施鉀量的增加，冬小麥的地上部氮素累積量呈逐漸增加趨勢(shì)。其生理原因可能有兩方面：一是光反應(yīng)轉(zhuǎn)化的能量有很大一部分用于氮素的同化，施鉀提高了葉片含鉀量從而提高了凈光合速率，間接促進(jìn)了氮素的吸收和積累；二是鉀素提高了葉片蛋白酶的活性，從而提高了對(duì)氮素的吸收[24]。此外，鉀可以促進(jìn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和高分子化合物的合成[25]，缺鉀造成植株體內(nèi)氮運(yùn)輸受阻，在根系內(nèi)積累較多的氮素。

低磷處理下，根系氮利用率 (RNUE) 顯著增加，這主要是由于低磷會(huì)誘導(dǎo)根系生長，從而間接增加了氮素的利用效率。在低磷處理下，地上部氮利用率 (SNUE)、總的氮利用率 (TNUE) 顯著下降，這與Guo 等[12]所得到的結(jié)果一致。這可能是因?yàn)榈土滓种频厣喜可L，增加根冠比，地上部氮素利用效率隨之下降。在低鉀處理下，根系氮利用率 (RNUE)、地上部氮利用率 (SNUE)、植株總氮利用率 (TNCE) 都有所下降，這與 Guo 等[12]在低鉀處理下得到的結(jié)果一致?？梢?，鉀素對(duì)于氮素利用效率的影響很大。以上結(jié)果表明，磷和鉀的供應(yīng)能夠顯著影響小麥的氮營養(yǎng)效率及其相關(guān)性狀。

3.2 不同濃度磷、鉀處理下，小麥苗期氮效率相關(guān)性狀的QTL

近年來，關(guān)于小麥氮營養(yǎng)效率相關(guān)性狀 QTL 的研究已有一些報(bào)道。這些報(bào)道涉及不同的生長環(huán)境，如在高氮和低氮處理下，有液培試驗(yàn)[8–9]、盆栽試驗(yàn)[26]和大田試驗(yàn)[7–8,10,27–28]。但由于養(yǎng)分之間存在復(fù)雜的相互作用，且 QTL 受環(huán)境影響較大，而探討不同養(yǎng)分處理對(duì) QTL 影響的報(bào)道很少。本研究對(duì)不同P、K 濃度，共 9 個(gè)處理?xiàng)l件下的 10 個(gè)苗期性狀進(jìn)行了 QTL 分析，共定位到 137 個(gè) QTL。其中有 122個(gè) (89.05%) 僅在一個(gè)處理中被檢測(cè)到。不同處理?xiàng)l件下檢測(cè)到的 QTL 數(shù)量存在很大差異，9 個(gè)處理(MPMK、HP、LP1、LP2、LP3、HK、LK1、LK2、LK3) 檢測(cè)到的 QTL (QTL-處理) 數(shù)目分別為 25、19、16、16、22、17、13、19 和 13 個(gè)。其中對(duì)照處理檢測(cè)到的 QTL 數(shù)目最多。表明磷、鉀脅迫會(huì)顯著影響 N 養(yǎng)分效率相關(guān) QTL 的表達(dá)。許多研究也表明，不同營養(yǎng)環(huán)境下同一營養(yǎng)性狀所檢測(cè)到的QTL的數(shù)量和位置存在很大差異[8,12,26–27]。這表明控制小麥氮養(yǎng)分效率的 QTL/ 基因系統(tǒng)在不同養(yǎng)分環(huán)境條件下有很大調(diào)整，需要從整體的概念去理解這種系統(tǒng)上的調(diào)整工程。

同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)，有 15 個(gè) QTL 至少 在 2～4個(gè)處理環(huán)境中被定位到，其中，QRnue-1A.2、QSnue-1A.1 和 QTnue-1A.1 這 3 個(gè) QTL 可在至少 4個(gè)處理環(huán)境中被定位到 (圖 1)，表明這 3 個(gè) QTL 在不同磷、鉀濃度環(huán)境中的表達(dá)頻率較高。另外，在這 15 個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的 QTL 中，有 5 個(gè)可在低磷和低鉀環(huán)境中同時(shí)被檢測(cè)到，分別為 QRnue-1A.1、QTnue-1A.1、QSnc-4A、QRnc-6A.3 和 QSnue-6B。說明這幾個(gè) QTL 在低磷和低鉀脅迫的環(huán)境下均可以發(fā)揮作用。可見，這些 QTL 對(duì)植物在低磷和低鉀條件下調(diào)控氮的利用效率均是有效的。其調(diào)控機(jī)理還需要更深入研究。這些表達(dá)相對(duì)穩(wěn)定的 QTL 對(duì)作物育種具有重要意義，值得深入了解。

本試驗(yàn)檢測(cè)到的許多 QTL 前人的試驗(yàn)中也在其他營養(yǎng)環(huán)境中檢測(cè)到 (表 6)[8,12,29-33]，這些 QTL 的環(huán)境穩(wěn)定性相對(duì)較好，也是值得關(guān)注的熱點(diǎn)區(qū)域。

3.3 與氮效率相關(guān)的一些重要QTL簇

控制不同性狀的 QTL 會(huì)定位到染色體相同的位點(diǎn)上，形成 QTL 簇。本研究共檢測(cè)到 76 個(gè)染色體位點(diǎn)，其中有 39 個(gè)位點(diǎn)只定位到 1 個(gè) QTL，其余位點(diǎn)可在一個(gè)或幾個(gè)環(huán)境中定位到幾個(gè)不同性狀的 QTL，形成 QTL 簇?？梢?，QTL 簇的形成是一個(gè)普遍現(xiàn)象，反映了一個(gè) QTL/ 基因在一個(gè)或幾個(gè)環(huán)境中的不同作用。本試驗(yàn)共檢測(cè)到與至少 3 個(gè)性狀相關(guān)的 17個(gè) QTL 簇 (C1～C17)，由 66 個(gè) QTL 組成，占 QTL定位總數(shù)的 48.18% (圖 1，表 5)。這表明接近一半與氮效率性狀相關(guān)的 QTL 主要集中在少數(shù)幾個(gè)區(qū)域。

圖1 小麥苗期 QTL 位點(diǎn)在遺傳圖譜上的位置Fig. 1 Locations of QTLs for wheat seedling traits under different P and K treatments

續(xù)圖1Figure 1 continued

續(xù)圖1Figure 1 continued

表6 本研究與前人研究所定位 QTL 位點(diǎn)與性狀比較Table 6 Comparison of the QTL location and trait between previous and this study

不同磷、鉀處理?xiàng)l件對(duì) QTL 簇也有很大影響。有些 QTL 簇僅在特定處理下存在，例如 C5、C9、C13 只在低磷下被檢測(cè)到，C2 只在高磷下被檢測(cè)到，C16 只在不同的鉀處理中被檢測(cè)到。然而，大多數(shù)的 QTL 簇在不同磷和鉀處理中均能夠被檢測(cè)到。可見，有些 QTL 簇僅在植物適應(yīng)低磷或者低鉀處理時(shí)控制氮的養(yǎng)分效率，而有些位點(diǎn)則在低磷、低鉀條件下均發(fā)揮作用，這些位點(diǎn)對(duì)進(jìn)一步研究小麥氮營養(yǎng)均有一定的參考價(jià)值。

續(xù)表6Table 6 continued

3.4 與其他性狀有關(guān)的 QTL 簇?zé)狳c(diǎn)區(qū)域

通過與前人的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)許多QTL 簇位點(diǎn)也在不同環(huán)境中檢測(cè)到與其他的一些性狀相關(guān) (表 7)。例如，在 1D 染色體的 wmc432 標(biāo)記附近，我們定位到了根系氮含量、總氮累積量性狀的 QTL；Guo 等[12]定位到了主根數(shù)、株高、單株根干重、單株地上部干重、單株總重、地上部氮累積量、總氮累積量、地上部磷累積量、總磷累積量、根鉀累積量、地上部鉀累積量、總鉀累積量、地上部氮利用率、總氮利用率、根磷利用率、地上部磷利用率、總磷利用率、根鉀利用率、地上部鉀利用率、總鉀利用率性狀的 QTL；Sun 等[29]定位到了單株總干重、單株總鮮重、單株地上部干重、單株根鮮重、單株地上部鮮重性狀的 QTL；Kong 等[30]定位到了根系鉀利用率、地上部鉀利用率、千粒重、籽粒鉀利用率性狀的 QTL；Xu 等[31]定位到了株穗數(shù)性狀的 QTL。此外，位于 2B 染色體標(biāo)記 wmc154b 附近的 QTL 簇 C5，檢測(cè)到與地上部氮累積量、總氮累積量、地上部氮利用率性狀有關(guān)，而 Guo 等[12]檢測(cè)到與單株總重、根氮累積量、地上部氮累積量、總氮累積量、地上部磷累積量、總磷累積量、地上部鉀累積量、總鉀累積量、地上部氮利用率、總氮利用率、根鉀利用率性狀有關(guān)；Sun 等[29]檢測(cè)到與單株總干重、單株地上部干重、單株地上部鮮重、根冠比性狀有關(guān)；Kong 等[30]檢測(cè)到與地上部鉀累積量、總鉀累積量和千粒重性狀有關(guān)?？梢姡@些熱點(diǎn)區(qū)域不僅與小麥苗期氮素養(yǎng)分效率的控制有關(guān)，還同時(shí)與眾多的其他元素營養(yǎng)性狀及產(chǎn)量性狀有關(guān)。這些位點(diǎn)可能包含在不同生育階段均起作用的不同或相同基因。這些 QTL 熱點(diǎn)區(qū)域，很可能是基因富集的區(qū)域，值得進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

磷、鉀的供應(yīng)能夠顯著影響小麥苗期的氮素吸收利用及其相關(guān) QTL 的表達(dá)。影響苗期小麥氮養(yǎng)分效率相關(guān)性狀的 QTL 大多數(shù)僅在特定處理下被檢測(cè)到，但是大多數(shù) QTL 會(huì)被集中定位在特定染色體位點(diǎn)上形成 QTL 簇，構(gòu)成了氮養(yǎng)分效率控制的 QTL 熱點(diǎn)，這些熱點(diǎn)區(qū)域也與前人定位的許多成株期性狀有關(guān)，值得深入探討。

表7 本研究與前人研究所定位 QTL 簇的比較Table 7 Comparison of the QTL clusters between previous studies and this study

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QTL mapping of nitrogen related traits under different concentrations of P and K at wheat seedling stage

ZHAO Yan-yan1, YUAN Ya-pei1, LIANG Xue2, GONG Xiao-ping1, WU Chun-hong1, ZHOU Xiu-wen1, GUO Ying1, ZHAO Yan1, LI Si-shen1, KONG Fan-mei1*
( 1 State Key Laboratory of Crop Biology/National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018, China; 2 Caoxian Bureau of Agriculture, Heze, Shandong 274400, China )

【Objectives】The objective of this study was to detect quantitative trait locus (QTL) for N use efficiency related traits at the seedling stage of wheat under different levels of phosphorus (P) and potassium (K) treatments. The results will deepen our understanding of the relationship between N and P/K, and this knowledge could be applied for map-based cloning and marker assisted selection (MAS) in wheat breeding. 【Methods】Population employed for QTL analysis was a set of 131 RILs derived from a Chuan 35050 × Shannong 483 cross. The 131 RILs and their parental lines were grown under hydroponic culture in greenhouse. Nine treatments were designed. The concentrations of the applied P and K treatments were as follows: moderate P and K (MPMK), high P (HP), low P1 (LP1), low P2 (LP2), low P3 (LP3), high K (HK), low K1 (LK1), low K2 (LK2) and low K3 (LK3). Combined with an enriched genetic map, we conducted research on the N use efficiency traits under different P and K treatments in order to map the QTLs (quantitative trait loci) related to N use efficiency of 10 traits at the wheat seedling stage and to conduct genetic analysis at the whole genome level. 【Results】 A total of 137 QTLs for the 10 seedling traits were detected on 20 chromosomes, with the exception of 3D. Of these QTLs, 122 (89.05%) were detected in only one treatment. Three relatively high-frequency QTLs (QRnue-1A.2, QSnue-1A.1 and QTnue-1A.1) were detected in four treatments at least. Five QTLs (QRnue-1A.1, QTnue-1A.1, QSnc-4A, QRnc-6A.3 and QSnue-6B) were detected in both the low P and low K treatments. Seventeen important QTL clusters (C1-C17) containing at least three or more traits which involved 66 out of 137 QTLs (48.18%) were mapped on chromosomes 1A, 1B, 2B, 2D, 3A, 3B, 4A, 4B, 5D, 6A, 6B, 6D and 7A. Most QTL clusters were detected in both P and K treatments, while five QTL clusters only associated with specific phosphorus or potassium treatments. Many QTL cluster sites in this study were also related to the biomass, yield and other nutrients in the predecessors’ investigation. 【Conclusions】 The supply of P and K significantly affects N efficiency of wheat at the seedling stage and the expression of related QTLs. Most N efficiency related QTLs were only detected in certain treatments, but many QTLs were located at the same hot sites and composed clusters (hot sites). Many of these sites were also co-located QTLs for biomass, yield and other nutrient traits in the previous study. The detection of these QTL/gene hot sites is valuable for further understanding about the genetic control of N efficiency related traits of wheat and their relationship with P and K environment.

wheat; recombinant inbred line (RIL); quantitative trait loci (QTL); N efficiency

S512.1.01

A

1008–505X(2016)06–1523–15

2016–01–18 接受日期：2016–05–18

國家自然科學(xué)基金（31201671）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2010CZ003）項(xiàng)目資助。

趙艷艷（1989—），女，山東濱州人，碩士，主要從事植物營養(yǎng)遺傳研究。E-mail：snzhaoyanyan@163.com

* 通信作者 E-mail: fmkong@sdau.edu.cn