王 霖，孫雷明，黃 玲，邵敏敏，趙 凱，閆 璐，徐興科，王繼峰，馮維營

(濟寧市農(nóng)業(yè)科學研究院，山東濟寧 272031)

在小麥產(chǎn)量構成三因素中，穗粒數(shù)受栽培條件和氣候條件的影響最大，是影響高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的最重要限制因素[1-3]。因此，提高穗粒數(shù)是選育高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)品種的主攻方向[4-6]。水分是影響小麥產(chǎn)量及穩(wěn)定性的一個非常重要的非生物脅迫因子，干旱脅迫影響作物生長發(fā)育進程，抑制植株形態(tài)建成，造成穗粒數(shù)明顯減少，導致減產(chǎn)。因此，通過遺傳手段，增加穗粒數(shù)，在不同水分條件下獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，具有十分重要的意義[7-8]。

穗粒數(shù)是由微效多基因控制的復雜數(shù)量性狀，遺傳基礎復雜，單個基因效應小且易受環(huán)境影響[9]，由于缺少足夠的形態(tài)與生理標記，運用普通遺傳學的方法難以對其遺傳規(guī)律進行深入分析。近年來，隨著生物技術的快速發(fā)展和不斷完善，利用SSR和SNP等分子標記進行高密度遺傳圖譜的構建，為多基因控制的數(shù)量性狀研究提供了新的可能[10-11]。國內(nèi)外學者在不同遺傳背景及環(huán)境下，采用多種分析方法對小麥穗粒數(shù)QTL進行了定位研究[12-15]。幾乎在小麥所有染色體上，都能檢測到控制穗粒數(shù)的QTL。但是由于遺傳背景的差異、環(huán)境的影響、作圖及定位方法的不同，造成QTL的位置不同，而且效應值變化也較大，重復性較差，影響了這些QTL在育種中的應用。

隨著人口的增加與環(huán)境的惡化，尤其是干旱少雨天氣的多發(fā)，人們希望在較少的水分投入條件下獲得較高的產(chǎn)量，耐旱節(jié)水基因位點分子標記輔助選育是一條有效途徑，但是已有的大部分定位分析是在灌溉條件下進行的，在雨養(yǎng)環(huán)境中進行穗粒數(shù)QTL定位的研究很少。

本研究以多穗型抗旱小麥品種洛旱2號與大穗型高產(chǎn)品種濰麥8號雜交創(chuàng)制的含有302個家系的重組自交系(RIL)為材料，分別在3個干旱和3個灌溉條件下進行穗粒數(shù)QTL定位，并分析其與環(huán)境間的互作關系，以揭示穗粒數(shù)的遺傳基礎和QTL表達規(guī)律，為小麥穗粒數(shù)的分子標記輔助選擇和節(jié)水高產(chǎn)小麥新品種培育奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以濰麥8號為母本、洛旱2號為父本進行有性雜交，采用單粒傳法創(chuàng)制了含302個F8:9家系的重組自交系(RIL群體)。本研究即以該RIL群體及其親本為材料。濰麥8號是一個大穗型寡分蘗的小麥品種，該品種具有穗大、分蘗少、葉色深、株型緊湊、莖稈粗、抗倒伏、產(chǎn)量潛力較高等特點；洛旱2號屬于多穗、落黃較好、早熟、抗旱性好、適應性廣的小麥品種。

1.2 穗粒數(shù)統(tǒng)計和分析

RIL群體及兩親本于2010年至2014年種植于濟寧市農(nóng)業(yè)科學研究院試驗農(nóng)場(分別用E1、E2、E3、E4和E5表示)，2013年在濟寧種植的同時還在臨沂市農(nóng)業(yè)科學院試驗農(nóng)場種植(用E6表示)，田間試驗采用單粒播種，株距4 cm，行長2 m，行距30 cm，每株系種植2行。E1、E2和E3起身期至拔節(jié)期和灌漿期各澆水一次；E4、E5和E6造墑播種，出苗后不再澆水，其他田間管理按當?shù)卣Ｔ耘喾椒ㄟM行，生長期間沒有發(fā)生嚴重病蟲害和倒伏。成熟后每個株系選取20個單株，調(diào)查每個單株的主莖穗粒數(shù)，取其平均值。

利用 Excel和SPSS 13.0 軟件進行頻數(shù)分布和方差分析。

1.3 遺傳圖譜的構建和QTL分析

參考王 霖[16]的方法構建遺傳圖譜；采用QTL IciMapping 3.0 軟件，基于完備區(qū)間作圖法對各個環(huán)境表型值進行正態(tài)性和QTL分析，LOD值為2.5。QTL按照QTL+性狀+群體名稱+染色體+QTL數(shù)的方法命名。

2 結果與分析

2.1 親本及群體表型變異分析

采用SPSS 13.0軟件進行方差分析，結果表明，穗粒數(shù)在不同環(huán)境和RIL群體株系之間存在極顯著差異(表1)，而且環(huán)境F值顯著大于RIL群體株系之間的F值，說明環(huán)境和家系之間存在互作。RIL群體在6個環(huán)境中的平均穗粒數(shù)明顯大于母本洛旱2號，小于父本濰麥8號，大于雙親平均值，表現(xiàn)為超親遺傳。6個環(huán)境下群體穗粒數(shù)的極差分別為29.73、39.47、33.30、36.60、23.50和30.40，變異系數(shù)分別為14.5、16.4、15.4、14.6、10.1和10.9。群體穗粒數(shù)的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)都小于1，呈現(xiàn)正態(tài)分布連續(xù)變異，且出現(xiàn)超雙親分離現(xiàn)象(表2，圖1)。

圖1 不同環(huán)境下穗粒數(shù)的頻數(shù)分布

2.2 穗粒數(shù)QTL的檢測結果分析

基于構建的連鎖圖譜和6個環(huán)境的表型數(shù)據(jù)，運用QTL IciMapping 3.0 軟件對穗粒數(shù)進行加性效應定位分析。結果在6個環(huán)境下共檢測到24個穗粒數(shù)QTLs，位于16個位點(表3，圖2)，分別位于2B、3A、3B、3D、4A、4B、5A、5B、6B和7B共10條染色體上。其中7B上有3個位點，4B、5A、5B和6B各有2個位點，其他染色體上各有1個位點。三個染色體亞組中，B亞組上位點最多，涉及6個染色體，11個位點；A亞組次之，涉及3個染色體，4個位點；D亞組最少，只涉及到1條染色體，1個位點。這表明B亞組上相對于其他兩個亞組可能含有較多的穗粒數(shù)基因位點，但這也可能與本研究選用的試驗材料及D亞組上的標記數(shù)目較少有關。單個QTL可解釋3.70%～20.43%的表型變異，其中6個QTLs可解釋大于10%的表型變異，15個QTLs可解釋5%～10%的表型變異，3個QTLs可解釋小于5%的表型變異。在所有檢測到的16個位點中有10個位點被檢測到一次，分別位于2B、3B、4A和4B；有5個位點在兩個環(huán)境中被檢測到(表3)，分別位于3D、5A、5B、6B和7B；只有1個位點同時在三個以上環(huán)境(E1、E4、E5和E6)中被檢測到，該QTL( Qknps-WL-3A)位于3A染色體上的標記Xbarc012和 Xgpw2266之間， LOD值依次為4.95、10.94、2.90和10.44，分別可解釋12.52%、20.43%、7.18%和9.37%的表型變異，其加性效應值依次為2.04、2.73、1.86和2.22，增效等位基因均來自親本濰麥8號，該QTL效應值大，在所有的旱作環(huán)境中能夠穩(wěn)定表達。

表1 穗粒數(shù)方差分析結果Table 1 Variance analysis of kernel number per spike

表2 雙親及RIL群體穗粒數(shù)的表型分布Table 2 Phenotypic variation of kernel number per spike of the parents and the RIL population

表3 在限制澆水和灌溉模式下檢測到的穗粒數(shù)QTLTable 3 QTLs for kernel number per spike detected in restrict watering and irrigation modes

本研究中，在E1至E6環(huán)境中依次檢測到3、8、3、3、3和4個穗粒數(shù)QTLs，分別可解釋16.40%、40.71%、21.96%、18.29%、24.01%和16.97%的表型變異。除E2定位到的位點數(shù)較多，解釋的總體表型變異較大外，其他環(huán)境都只定位到3～4個QTLs，總解釋率較小，只為20%左右。這在一定程度上說明穗粒數(shù)是受多基因控制的數(shù)量性狀，單個效應值較小，在大多數(shù)環(huán)境中因為與環(huán)境及其他基因間的互作效應不能被同時檢測到。盡管如此，在不同的環(huán)境中，一般仍有少數(shù)幾個QTL對穗粒數(shù)具有較大的影響，這從理論上說明了通過QTL定位分析，然后用分子標記對具有較大效應值的QTL進行標記輔助選擇，進行增效基因聚合，對提高穗粒數(shù)和產(chǎn)量是一條有效途徑。

2.3 不同水分環(huán)境下檢測到的穗粒數(shù)QTL差異

表3說明，在充分灌溉條件下的三個環(huán)境(E1、E2和E3)中，共有14個QTLs，11個位點被檢測到；在限制水分的三個環(huán)境(E4、E5和E6)中共有10個QTLs，7個位點被檢測到。后者明顯少于前者。在所有檢測到的16個位點中，有9個位點只在灌溉環(huán)境下被檢測到，有5個位點只在限制水分環(huán)境下被檢測到，只有2個位點在充分灌溉和限制水分環(huán)境下同時被檢測到。這說明穗粒數(shù)QTL的表達具有多樣性，受環(huán)境和水分的影響較大。在水分充足的條件下，有較多的QTL可以充分表達，能夠被檢測到；而在土壤水分含量較低的情況下，某些QTL的表達量受到影響而減少，不能被檢測到。因此，那些在多個環(huán)境中被檢測到，特別是在水旱兩種環(huán)境下都被檢測到的QTL對提高品種對水分的適應性，具有重要的意義。

空心三角和實心三角表示加性等位基因分別來自于濰麥8號和洛旱2號。QTLs marked by a filled triangle and an unfilled triangle on the right, indicate that Luohan2 and Weimai 8 alleles increase kernel number per spike, respectively.

2.4 穗粒數(shù)QTL增效等位基因位點在父母本中的分布

從表3可以看出，在水分充足的三個環(huán)境中共定位到11個位點，其中4個位點的增效等位基因來自于濰麥8號，7個位點來自于洛旱2號。在限制水分的三個環(huán)境中共定位到7個位點，其中3個位點的增效等位基因來自于濰麥8號，4個位點來自于洛旱2號。這在分子水平上說明洛旱2號耐旱性較好、適應性較廣是因為其含有較多的與產(chǎn)量呈正相關的基因位點，在不同的環(huán)境條件下，總會有足夠多的基因充分表達，促成高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。另一方面，在兩種環(huán)境類型中，雖然來自于抗旱親本洛旱2號的增效位點較多，但是濰麥8號也提供了增加穗粒數(shù)的基因位點，而這些位點可能和品種的抗旱性有關，說明耐旱節(jié)水基因不只是來自于抗旱親本，高產(chǎn)品種中同樣也含有此類基因。因此，利用高產(chǎn)親本資源和耐旱節(jié)水資源雜交創(chuàng)制遺傳群體進行QTL分析，不僅能夠發(fā)現(xiàn)耐旱型種質資源的耐旱基因，而且還能夠發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)型種質資源中的耐旱基因，有利于耐旱基因的充分發(fā)掘，而這一點更為重要。

3 討 論

劉新元等[17]在小麥3D染色體上同時定位到一個苗高耐旱系數(shù)QTL和胚芽鞘長耐旱系數(shù)QTL，與本研究在E4和E5環(huán)境中定位的 Qknps-WL-3D有共同的標記Xmag500；在6B染色體上定位到的根冠鮮重比耐旱系數(shù)與本研究在E6環(huán)境下檢測到的 Qknps-WL-6B.1有共同的標記Xwes180；在7B染色體上定位的胚芽鞘長耐旱系數(shù)QTL與本研究定位的 Qknps-WL-7B.3有共同的標記Xwmc488.1，很有可能分別是相同的QTL。劉新元等[17]在3B染色體上的Xbarc164標記附近定位的根冠干重比耐旱系數(shù)QTL，與本研究在E5環(huán)境下定位到的 Qknps-WL-3B位置相近；在3A染色體上的Xgpw2266標記附近定位到的根鮮重耐旱系數(shù)QTL，與本研究在E1、E4、E5和E6環(huán)境下檢測到的 Qknps-WL-3A處在相近位置，有可能是相同的QTL。

本課題組還將本研究所用的RIL群體于2008-2010年度在泰安，2009-2010年度在濟寧三個水澆地環(huán)境中種植，并對穗粒數(shù)進行QTL分析，共定位到15個QTL[16]，分別位于1A、1D、2A、2B、3A、3D、5A、5B、5D、6A、6B、7A和7B染色體上，單個QTL可解釋穗粒數(shù)變異的2.94～14.57% 。其中分別有1個位點在三個環(huán)境、兩個環(huán)境和平均環(huán)境中被檢測到。本研究檢測到的位于2B、3A、5A、6B和7B染色體的QTL與該研究定位于相應染色體上的QTL位于同一位點。其中位于3A染色體標記Xbarc012和Xgpw2266之間的 Qknps-WL-3A.1在三個環(huán)境及平均環(huán)境中穩(wěn)定表達，LOD值為4.95～11.94，可解釋10.84%～23.22%的表型變異，加性效應值為2.04～4.452，增效等位基因來自于濰麥8號，與本研究定位于3A的QTL處于同一位置，為同一個QTL。該QTL在9個環(huán)境中有7次被檢測到，在其中的3個水分脅迫環(huán)境下均被檢測到，而且在模擬干旱環(huán)境中亦被檢測到與根鮮重耐旱系數(shù)相關。綜合以上結果表明，在3A染色體標記Barc012和Xgpw2266之間存在與產(chǎn)量性狀和抗旱性相關QTL，有可能是一因多效，也可能是一個基因簇。目前，在3A染色體上，Zhang等[7]利用一個雙單倍體群體在3A染色體標記Xwmc488.2和Xwmc488.3之間和Xbarc356和Xwmc489.2之間定位到2個穗粒數(shù)QTL，劉 凱等[14]利用高密度SNP遺傳圖譜在標記Kukri_C43524_106和Bobwhite_C13704_244之間檢測到1個QTL，Lee等[18]報道過1個穗粒數(shù)QTL與標記Xgwm247連鎖。通過分析發(fā)現(xiàn)，它們處在相近的區(qū)域，但是由于沒有共同的標記，不能推測它們是相同的QTL，很可能是1個新的QTL。因此，該位點的發(fā)現(xiàn)對于分子標記輔助選擇和小麥耐旱性基因的精細定位和圖位克隆具有重要意義。

比較發(fā)現(xiàn)，在本研究中定位穗粒數(shù)QTL的2B、3B、3D、4A、4B、5A、5B、6B和7B染色體上，在其他研究中都有報道QTL存在，但是由于構建的遺傳圖譜相同的標記較少，沒有發(fā)現(xiàn)具有共同標記的QTL出現(xiàn)，不能斷定這些QTL是相同的或新的QTL。因此，進一步開發(fā)出多個遺傳背景下的共同標記，對增加不同研究者之間定位結果的相互驗證，對產(chǎn)量相關性狀QTL的精細定位、克隆和分子標記輔助育種更具有應用價值。