姚佳延,于國琦,洪 益,呂 超,許如根

(植物功能基因組學教育部重點實驗室,江蘇省作物基因組學與分子育種重點實驗室,江蘇糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術協(xié)同創(chuàng)新中心,揚州大學 農(nóng)業(yè)科技發(fā)展研究院，江蘇 揚州 225009)

大麥(Hordeum vulgareL.)種植面積和產(chǎn)量均居世界禾谷類作物第四，僅次于玉米、水稻、小麥[1]。大麥具有適應性強、用途廣泛等優(yōu)點[2-3]。隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展和居民食物消費結構改進，大麥的利用價值正在被人們重視[4]。株高、穗下節(jié)間長和穗長與大麥生物產(chǎn)量及抗倒性密切相關，生物產(chǎn)量是經(jīng)濟產(chǎn)量的基礎和高產(chǎn)前提，但株高和生物產(chǎn)量偏高會增加大麥的倒伏風險。不同用途大麥品種的株高類性狀的要求不同，青貯大麥要求株高高、穗下節(jié)間長，有利于形成高生物產(chǎn)量；籽粒用大麥要求株高矮、穗下節(jié)間和穗長長，有利于籽粒高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。此外，大麥株高類性狀與株型構成和抗倒伏性有關。因此，株高類性狀是大麥品種改良的重要目標性狀[5-6]。

大麥矮化育種主要使用的半矮化基因有short culm 1 (hcm1)、semi-brachytic 1 (uzu 1)、semi-dwarf 1 (sdw1或denso)、breviarist-atum-e (ari-e)[7]。其中uzu1基因編碼一個BR受體(HvBRI1)在我國大麥育種工作中得到了廣泛的應用[6, 8]。株高類性狀為數(shù)量性狀，數(shù)量性狀位點定位是研究數(shù)量性狀遺傳機制的重要手段[9-10]。Ren等[6]與Chen等[11]以株高、穗長、穗下各節(jié)間長為指標，在大麥7條染色體上均定位到株高、穗長、穗下節(jié)間長等性狀相關的QTL。Chutimanitsakun等[12]在大麥2H的156 cM處定位到一個同時控制株高、穗長、產(chǎn)量的主效QTL，在1H、3H、5H、6H上定位到控制穗長的QTL。Wang等[5]在大麥7H的80 cM處定位到貢獻率為23.2%的株高QTL。Peighambari等[13]篩選327個分子標記在72個大麥DH系中檢測到3個株高QTL及2個穗長QTL。

隨著分子標記與連鎖圖譜的發(fā)展，基因定位更加精確[14]。近年來，全基因組單核苷酸多態(tài)性(SNP)標記發(fā)掘與基因分型及高密度遺傳圖譜構建技術的發(fā)展，促進功能基因定位研究[12, 15]。本研究以我國飼用大麥泰興9425與日本啤酒大麥Naso Nijo構建的177份DH群體及親本為材料，構建群體的SNP分子圖譜，對株高、穗下節(jié)間長和穗長進行遺傳分析與QTL定位，為大麥株高類性狀的分子標記輔助選擇與精細定位奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 參試材料

以我國飼用大麥泰興9425與日本啤酒大麥Naso Nijo的雜種F1的花藥誘導產(chǎn)生的177個DH系及親本材料。

1.2 田間設計

2018年將參試材料分別種植于新農(nóng)場(32°23′N，119°23′E)和鹽城市大中農(nóng)場農(nóng)科所試驗田(33°7′N，120°39′E)。每份材料播種1行，行長1.0 m，行距0.3 m，每行人工點播20粒，3次重復。參照當?shù)卮筇锕芾怼?/p>

1.3 株高類性狀調查

在參試材料收獲前，每個行選取5株生長一致植株，測量株高(cm)、主穗長(cm)和穗下節(jié)間長(cm)。

1.4 DH群體遺傳圖譜

DH群體遺傳圖譜由揚州大學大麥研究所提供[16]，標記分布情況見表1。該遺傳圖譜含有1 551個SNP標記，覆蓋大麥7條染色體、分布均勻，全長957.09 cM，2個標記間的平均遺傳距離為0.61 cM，且各條染色體標記間的平均距離均小于1 cM，分別為0.60，0.95，0.41，0.69，0.68，0.93，0.47 cM。

表1 DH群體遺傳圖譜基本信息Tab.1 Basic information of DH population genetic map

1.5 數(shù)據(jù)處理

應用Excel 2016程序對試驗數(shù)據(jù)初步處理，采用SPSS 16.0軟件對DH群體進行描述性統(tǒng)計分析、方差分析、相關性分析。利用Windows QTL IciMaping V4.1.0.0 軟件(http://www.isbreeding.net/software/)對株高類性狀進行QTL定位分析，LOD閾值設定為3.0。

2 結果與分析

2.1 親本及DH群體株高類性狀的表現(xiàn)

親本及DH群體株高類性狀表現(xiàn)見表2。如表2所示，泰興9425的株高、穗長、穗下節(jié)間長均低于Naso nijo，t測驗表明，株高和穗長在親本間差異極顯著。DH群體株高、穗長、穗下節(jié)間長的變異系數(shù)分別為9.52%，11.43%，10.33%。株高、穗長和穗下節(jié)間長的遺傳力分別為78.98%，89.31%和84.50%。

2.2 DH群體株高類性狀的方差分析

DH群體株高類性狀的方差分析結果列于表3。從表3可知，3個株高類性狀在DH系間的差異均達到極顯著水平(P<0.01)；穗長和穗下節(jié)間長在試點間差異均達到極顯著水平(P<0.01)；株高和穗下節(jié)間長在環(huán)境與基因型互作間差異均達極顯著水平(P<0.01)。說明大麥株高類性狀由基因型、試點氣候及栽培條件共同決定的，穗長和穗下節(jié)間長較易受試點條件影響。

表2 親本及DH群體株高類性狀的表現(xiàn)Tab.2 Plant height-related characters performance of parents and DH populations

表3 DH群體株高類性狀的方差分析 (F值)Tab.3 Analysis of variance on plant height-related characters in DH population (F value)

2.3 株高類性狀的相關性分析

株高類性狀的相關性分析結果列于表4。由表4可知，株高與穗長、株高與穗下節(jié)間長、穗長與穗下節(jié)間長均呈極顯著正相關(P<0.01)。相關系數(shù)分別為0.688,0.862和0.600，表明大麥株高越高，其穗下節(jié)間長和穗長越長。

表4 株高類性狀的相關性Tab.4 Correlation coefficients between the traits of plant height-related characters

2.4 株高類性狀的QTL分析

利用Windows QTL Icimapping V4.1.0.0軟件，對3個株高類性狀進行QTL定位，定位結果見表5。由表5可知，2個環(huán)境共定位到6個株高QTL，分別位于2H、3H、4H及7H上，未檢測到兩試點共同的QTL；兩試點均值定位到4個株高QTL，其中位于3H上的qPH-3-1、4H上的qPH-4-1，與大中農(nóng)場試點的2個株高QTL重演，且qPH-3-1的貢獻率較大，在19.98%～38.30%。2個環(huán)境共定位到5個穗長QTL，其中QTL位于5H上的qSL-5-1在兩試點重演；兩試點均值定位到3個穗長QTL，包括位于5H上的qSL-5-1，但其貢獻率偏小。2個環(huán)境下共定位到4個穗下節(jié)間長QTL，位于2H上的qSIL-2-1在兩試點重演；兩試點均值定位到2個穗下節(jié)間長QTL，包括位于2H上的qSIL-2-1，該QTL的貢獻率在7.32%～13.94%。除第1，6染色體外，其他染色體上均有分布，LOD值為3.50～32.46，對表型變異的解釋率為1.53%～38.30%。其中qPH-4-1、qPH-7-2、qSL-2-2、qSIL-2-1、qSIL-3-2均未見報道，可能為新位點。

3 討論

株高是大麥最重要的性狀之一，適宜的株高是確保高產(chǎn)的基礎，既可以保證一定的生物產(chǎn)量，也可提高大麥的抗倒性，降低倒伏對大麥產(chǎn)量和品質不良影響[17]。大麥株高由包括穗長及4個左右節(jié)間與節(jié)構成，大麥穗長與穗型有關，一般垂穗型大麥品種的穗長大于直穗型品種，同一穗型品種間穗型的穗長差異較大[6, 11]，穗長的長短影響到穗粒數(shù)和粒型。穗下節(jié)間長影響到植株上部功能葉的分布與通風透光性，大麥品種的穗下節(jié)長度占株高的比例越高，其產(chǎn)量潛力越大。目前已報道的與株高相關的QTL多受環(huán)境影響[14]，利用多環(huán)境定位株高類性狀的QTL，可提高定位QTL的穩(wěn)定性[9, 15]。DH群體是一個永久性群體，可以實現(xiàn)多環(huán)境鑒定數(shù)量性狀，不但可以提高定位基因的基因準確性，也可以分析基因與環(huán)境的互作效應[18]。大麥DH群體已廣泛用于大麥株高類性狀、產(chǎn)量性狀、生物抗性和非生物抗性的遺傳分析與QTL分析等[19-23]。本研究所用材料即為DH群體永久群體，通過多點鑒定大麥株高類性狀，保證定位QTL的穩(wěn)定性。

表5 株高類性狀相關的QTLTab.5 QTL for plant height-related characters

本研究結果表明，大麥株高、穗長、穗下節(jié)間長的遺傳力較高，分別為78.98%，89.31%，84.50%，主要受遺傳因素控制，可在雜交育種早代進行較為嚴格的選擇。鑒于株高與穗長和穗下節(jié)間長間存在極顯著正相關，與前人的研究相同[3, 6, 13]。因此，在對3個性狀選擇時，應選擇株高適宜、穗下節(jié)間長占株高比例較大、穗長略長的植株。本研究共檢測的6個株高相關QTL中，2H上的qPH-2-1與PH-1[7]、Qph2.1[21]、11_11505[22]距離相近，可能為同一位點。qPH-2-2、qPH-7-2分別與Yu等[7]定位到的PH-2、PH-7距離較近；3H上的qPH3-1與Schmalenbach等[23]定位的來自野生大麥導入系的QHei.S42IL-3H.a距離較近，可能為同一位點。qPH-4-1、qPH-7-2附近未報道相關位點，可能存在新的控制株高的基因。5個穗長QTL中，4H上的qSL-4-1與Islamovic等[3]定位的QTL距離較近；5H定位到qSL-5-1與Lakew等[24]定位QTL位點相同；未見與qSL-2-1、qSL-2-2位置相近的穗長QTL報道，可能為新的穗長位點。4個穗下節(jié)間長QTL中，3H上的qSIL-3-1與Ren等[6]定位到的Qion3-9距離較近，可能為同一位點；qSIL-3-2附近未報道相關QTL，可能為新的穗下節(jié)間長位點；2H上定位到的穩(wěn)定的qSIL-2-1，貢獻率10%左右，該QTL未報道，可能為新的穗下節(jié)間長位點，尚需進一步驗證。