王健勝 時(shí)夏 周正富 馬愛鋤 王二偉 侯桂玲 晁岳恩 李文旭 王亞歡 吳政卿 雷振生

摘 要 以國內(nèi)外207份小麥種質(zhì)為材料，利用660K SNP芯片對(duì)其進(jìn)行基因型檢測，并結(jié)合不同環(huán)境下表型數(shù)據(jù)和最佳線性無偏預(yù)測值 （BLUP，Best linear unbiased prediction） 對(duì)小麥籽粒鎘元素含量進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果表明：與小麥籽粒鎘元素含量顯著關(guān)聯(lián)的SNP 310個(gè)，這些SNP分布于除3D和4D外的19條染色體上，單個(gè)SNP解釋變異率為10.95%～14.66%。不同環(huán)境下檢測到的關(guān)聯(lián)SNP結(jié)果存在差異，其中在原陽地區(qū)檢測到186個(gè)SNP，開封地區(qū)檢測到71個(gè)SNP。基于BLUP值分析獲得53個(gè)SNP?；赟NP物理位置，將距離較近的SNP進(jìn)行整合，共獲得有效QTL位點(diǎn)52個(gè)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了7個(gè)在多環(huán)境下表現(xiàn)穩(wěn)定的SNP，并對(duì)其進(jìn)行單標(biāo)記效應(yīng)分析。最后對(duì)基于獲得的關(guān)聯(lián)SNP進(jìn)行了候選基因預(yù)測，共獲得7個(gè)與小麥籽粒鎘元素含量相關(guān)的候選基因，其中 TraesCS1B01G321700和TraesCS1B01G320200可能與鎘元素調(diào)控相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄有關(guān)，而TraesCS7B01G459000和TraesCS7B01G456900可能與鎘元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)等代謝過程有關(guān)。還篩選出了對(duì)鎘具有良好避性的部分小麥優(yōu)異種質(zhì)，如‘云麥51‘鄭麥379‘白穗白‘云麥53‘雙豐收。

關(guān)鍵詞 小麥；Cd含量；SNP芯片；全基因組關(guān)聯(lián)分析

品質(zhì)安全是小麥生產(chǎn)的重要前提，也是保障國民健康的基礎(chǔ)。然而近年來隨著環(huán)境污染問題的日益凸顯，重金屬污染已經(jīng)成為影響小麥品質(zhì)及小麥安全生產(chǎn)的主要因素之一［1-6］。鎘是環(huán)境中常見的重金屬，也是人體非必需元素，進(jìn)入人體的鎘會(huì)在腎、肝等器官蓄積并引起相關(guān)疾?。?］。一般而言，鎘主要存在于土壤、水等環(huán)境介質(zhì)中，這些鎘會(huì)被小麥吸收并轉(zhuǎn)移至籽粒等食用組織器官［8-9］，故開展小麥籽粒鎘含量分析并探索其遺傳控制機(jī)制是保障小麥品質(zhì)安全的重要課題，其已經(jīng)引起國內(nèi)外研究者的重視［10-11］。但國內(nèi)有關(guān)小麥籽粒鎘遺傳機(jī)制研究報(bào)道甚少，只有國外學(xué)者在此方面開展了部分研究。Yusuke等［12］利用Chugoku 165×Chukei10-22的DH群體對(duì)小麥籽粒中鎘濃度進(jìn)行了QTL定位，在4B和6B染色體上檢測到兩個(gè)穩(wěn)定且遺傳效應(yīng)顯著的QTL。Safdar等［13］利用90 K SNP芯片對(duì)120個(gè)春小麥種質(zhì)組成的關(guān)聯(lián)群體進(jìn)行了籽粒鎘含量分析，結(jié)果在1A、1D、2B和6D上共檢測到5個(gè)與鎘吸收顯著關(guān)聯(lián)的QTL位點(diǎn)。Hussain等［14］利用關(guān)聯(lián)分析方法在小麥2A和2B染色體上發(fā)現(xiàn)2個(gè)與籽粒鎘元素濃度相關(guān)的QTL。也有部分學(xué)者開展了小麥鎘相關(guān)基因的研究［15-16］。基于此，本研究以國內(nèi)外收集的207份小麥種質(zhì)為材料，利用小麥660K SNP芯片進(jìn)行了小麥籽粒鎘濃度的全基因組關(guān)聯(lián)分析，以期為小麥鎘含量控制及優(yōu)異抗鎘新品種培育提供一定科學(xué)基礎(chǔ)和有效材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及其田間種植

本研究關(guān)聯(lián)分析群體共包含207個(gè)小麥種質(zhì)/品種，其來自8個(gè)國家，包括中國、俄羅斯，法國、保加利亞、羅馬尼亞、墨西哥、澳大利亞和日本，國內(nèi)的小麥種質(zhì)均來自中國主要小麥種植區(qū)（包括陜西、甘肅、河南、北京、四川、山東、貴州、河北、江蘇、山西、云南、安徽、湖北、寧夏和黑龍江）。這些小麥材料主要由審定品種、地方種質(zhì)以及國外引進(jìn)的小麥品種或種質(zhì)組成（表1），均由河南農(nóng)科院小麥研究所提供。2017-2018年將關(guān)聯(lián)分析群體分別種植于河南省開封和原陽，這兩個(gè)地區(qū)是河南省小麥主要種植區(qū)域，其土壤總鎘含量平均分別為0.23 mg/kg（開封）和0.37 mg/kg（原陽）［17］。各試驗(yàn)點(diǎn)田間均采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小麥材料種植3行，行長2 m，行距25? cm，株距10? cm，設(shè)3次重復(fù)。試驗(yàn)田土壤肥力中等，田間管理按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.2 鎘元素含量測定

小麥籽粒收獲及預(yù)處理：待小麥自然成熟后，按小區(qū)混收。收獲的小麥籽粒自然充分晾干，取一定量籽粒用小型粉碎機(jī)粉碎，經(jīng)孔徑0.15 mm篩子過篩后，稱取0.50 g 樣品放入50 mL微波消解管中，加入一定量的硝酸和過氧化氫，混勻后放入微波消解儀進(jìn)行消解，最后充分過濾消解液并用1%硝酸溶液定容至50 mL。

小麥籽粒鎘元素含量測定：首先利用鎘 ?（1 mg/kg）元素標(biāo)準(zhǔn)溶液分別配制0.02 mg/kg、 ?0.05 mg/kg、0.10 mg/kg、0.20 mg/kg 4個(gè)濃度梯度溶液，利用日本島津原子吸收分光光度儀 AA-6300，采用火焰-原子吸收法測定其吸光度，構(gòu)建鎘元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。基于構(gòu)建好的鎘元素標(biāo)準(zhǔn)曲線，采用同樣方法分別測定小麥種質(zhì)籽粒的鎘元素含量，每個(gè)小麥樣品重復(fù)測定3次，取平均值作為每個(gè)材料籽粒鎘元素含量。

1.3 基因型檢測

在小麥幼苗期采集葉片利用改良的SDS法提取DNA［18］，利用0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢驗(yàn)DNA質(zhì)量。利用博奧晶典生物技術(shù)有限公司小麥660 K iSelectSNP 芯片對(duì)207份小麥材料進(jìn)行SNP分型，同時(shí)對(duì)分型結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除數(shù)據(jù)缺失率＞2%、雜合率＞50%和最小等位基因頻率（Minor allele frequency，MAF）＜0.05的 SNP 標(biāo)記，最終獲得多態(tài)性高、穩(wěn)定性好高質(zhì)量SNP 標(biāo)記244 508個(gè)，這些標(biāo)記將被用于后續(xù)關(guān)聯(lián)分析。

1.4 全基因組關(guān)聯(lián)分析

基于Tassel v5.0軟件中的GLM （Generalized Linear Model） 模型［19］，結(jié)合已獲得的關(guān)聯(lián)群體基因型數(shù)據(jù)及其表型數(shù)據(jù)，對(duì)207份小麥種質(zhì)籽粒鎘元素含量進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。分析中，當(dāng) ?P≤0.001時(shí)，認(rèn)為該SNP標(biāo)記與性狀顯著關(guān)聯(lián)，并計(jì)算該標(biāo)記位點(diǎn)對(duì)表型變異的貢獻(xiàn)率。利用Rstudio軟件繪制曼哈頓圖和Quantile-Quantile 散點(diǎn)圖［20］，每個(gè)位點(diǎn)的顯著性則通過曼哈頓圖來展示。

1.5 候選基因預(yù)測

以 LD 距離作為候選基因的預(yù)測區(qū)間，以與鎘元素含量顯著關(guān)聯(lián)的 SNP 標(biāo)記序列為探針，在NCBI（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov；National center for biotechnology information）和 ENA（European Nucleotide Archive；http：//www.ebi.ac.uk/ena）數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行Blast比對(duì)，獲得鎘元素含量相關(guān)的候選基因，并對(duì)部分候選基因進(jìn)行功能注釋。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥種質(zhì)籽粒鎘元素含量分布狀況

關(guān)聯(lián)分析群體包含的207份小麥種質(zhì)籽粒鎘元素含量在不同環(huán)境下變化較大。從圖1和表1可知，在開封地區(qū)，不同小麥種質(zhì)鎘元素含量分布在0.03～2.19 mg/kg，平均值為0.92? ?mg/kg，其標(biāo)準(zhǔn)差為0.46，表明在該環(huán)境下關(guān)聯(lián)分析群體的鎘元素含量變異較大。與開封地區(qū)相比，關(guān)聯(lián)分析群體鎘元素含量在原陽地區(qū)無論變異程度還是平均值方面均相對(duì)較小，其變化范圍為0.07～ ?1.44 mg/kg，鎘元素平均含量為0.55? mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.31。從偏度和峰度值看，兩個(gè)環(huán)境下關(guān)聯(lián)群體鎘元素含量均呈偏態(tài)分布，相對(duì)而言開封環(huán)境下鎘元素含量更接近正態(tài)分布。另外，研究利用不同環(huán)境獲得了該群體最佳線性無偏差預(yù)測值（BLUP），可以發(fā)現(xiàn)，群體鎘元素含量的BLUP值表現(xiàn)較好。從小麥種質(zhì)在不同環(huán)境下的綜合表現(xiàn)來看，有個(gè)別小麥種質(zhì)鎘元素含量較低且表現(xiàn)穩(wěn)定，表現(xiàn)最突出的種質(zhì)為‘云麥51，其在原陽環(huán)境下的鎘元素含量只有0.07 mg/kg，在開封環(huán)境下鎘元素含量為0.10?? ?mg/kg。表現(xiàn)比較突出的還有‘鄭麥379‘白穗白‘云麥53‘雙豐收等，這些種質(zhì)將在未來選育對(duì)鎘具有良好避性的小麥新品種中具有較好利用前景。

2.2 小麥籽粒鎘元素含量GWAS分析

基于660K SNP芯片本研究共檢測到與鎘元素含量顯著相關(guān)的SNP 310個(gè)，這些SNP分布在除3D和4D以外的19條染色體上。不同染色體上SNP數(shù)量存在較大差異，其中5B染色體上最多，有141個(gè)，2B、2D和7D染色體上最少，都只有1個(gè)（圖2）。檢測到的SNP對(duì)鎘元素含量的解釋變異率表現(xiàn)均較好，單個(gè)SNP的解釋變異率均超過10%，介于10.95%～14.66%，其中5B染色體上位于692 510 863 bp處的SNP（AX-111038088）、位于692 511 047 bp處的SNP （AX-109544279）和位于692 511 175 bp處的SNP（AX-108797374）均具有最高的變異解釋率 ?（14.66%）。不同環(huán)境下檢測到的關(guān)聯(lián)SNP也存在較大差異。其中在原陽環(huán)境下檢測到186個(gè)關(guān)聯(lián)SNP，這些SNP解釋變異率分布在10.95%～14.66%；開封地區(qū)共檢測到顯著關(guān)聯(lián)SNP 71個(gè)，單個(gè)SNP的解釋變異率介于11.70%～ ?13.48%。利用BLUP值共檢測到顯著SNP 53個(gè)，這些SNP解釋變異率范圍為11.74%～ ?13.37%?？梢钥闯觯谠柇h(huán)境下檢測到的關(guān)聯(lián)SNP數(shù)量遠(yuǎn)高于另外兩種環(huán)境，這可能與兩個(gè)地區(qū)土壤鎘含量差異有關(guān)，原陽地區(qū)土壤鎘含量比開封高，較高鎘的土壤環(huán)境可能更有利于形成小麥籽粒中鎘含量的豐富變異。

多環(huán)境下均能檢測到的穩(wěn)定SNP對(duì)小麥Cd元素遺傳及應(yīng)用研究更具意義。本研究共檢測到7個(gè)穩(wěn)定SNP，分別是1B染色體上位于 ?546 447 821 bp處的AX-109947438、3B染色體上位于737 764 644 bp處的AX-94568844、5B染色體上位于275 179 328 bp處的AX-111054376、5B染色體上位于398 809 332 bp處的AX-110470884、5B染色體上位于399 033 284 bp處的AX-110994155、7A染色體上位于715 775 570 bp處的AX-110746365和7B染色體上位于 ?716 293 661 bp處的AX-109921835，后期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這些穩(wěn)定SNP 的深入研究。同時(shí)，研究基于SNP物理位置將距離較近的SNP整合為QTL，共獲得52個(gè)有效QTL （表3）單個(gè)QTL包含的顯著SNP數(shù)量存在較大差異，介于1 ～ 101。檢測到的與Cd含量相關(guān)的QTL在不同染色體上的分布也不均衡，其中3B和6A染色體上檢測到的QTL最多，分別達(dá)到了6個(gè)，1D、2B、2D、6B、7A和7D染色體上均只發(fā)現(xiàn)1個(gè)QTL。Cd元素含量QTL在不同環(huán)境下數(shù)量也有差異，其中在原陽共檢測到23個(gè)QTL，開封共檢測到25個(gè)QTL。

2.3 穩(wěn)定遺傳SNP的效應(yīng)分析

基于上述發(fā)現(xiàn)鎘元素關(guān)聯(lián)的7個(gè)穩(wěn)定SNP，研究對(duì)其進(jìn)行了單標(biāo)記效應(yīng)分析。從圖3和表2可以發(fā)現(xiàn)，不同SNP優(yōu)勢等位變異在關(guān)聯(lián)分析群體所占比例差異明顯。其中AX-109947438、AX-110746365和AX-109921835優(yōu)勢等位變異在關(guān)聯(lián)群體中占有比例較低，均小于20%，而AX-111054376、AX-110470884和AX-110994155的優(yōu)勢等位變異在群體中所占比例均較高，超過80%，只有AX-94568844的優(yōu)勢等位變異與非優(yōu)勢等位變異在群體中所占比例較為接近。分析同時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)小麥籽粒鎘元素含量而言，7個(gè)SNP的優(yōu)勢等位變異均為非優(yōu)異等位變異，而非優(yōu)勢等位變異均是優(yōu)異等位變異，比較后發(fā)現(xiàn)，攜帶SNP非優(yōu)勢等位變異的小麥種質(zhì)比攜帶優(yōu)勢等位變異的小麥種質(zhì)其籽粒鎘元素含量平均降低 ?0.03～0.05? mg/kg。7個(gè)SNP中AX-110994155非優(yōu)勢等位變異的效應(yīng)最突出（降低鎘元素含量 ?0.05? mg/kg），其次是AX-109921835（降低鎘元素含量0.04? mg/kg）。另外，研究也對(duì)不同環(huán)境下7個(gè)SNP等位變異的表型效應(yīng)進(jìn)行了差異性比較分析，可以發(fā)現(xiàn)，除AX-109947438在原陽環(huán)境、AX-111054376在開封環(huán)境外，7個(gè)SNP等位變異的鎘元素含量差異均達(dá)到了顯著性水平。

2.4 候選基因分析

本研究共獲得鎘元素相關(guān)基因277個(gè)，這些基因主要分布在1B、3B、5B、7A、7B染色體上，通過對(duì)這些基因在小麥不同組織（根、葉片、穗部和籽粒）中表達(dá)分析比較，篩選到只在小麥籽粒中特異表達(dá)的候選基因7個(gè)，具體信息詳見表3。其中， TraesCS1-B01G320200可能編碼RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄亞單位12G調(diào)節(jié)因子，而該調(diào)節(jié)因子影響RNA聚合酶Ⅱ行使轉(zhuǎn)錄功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。TraesCS7B01G456900可能編碼線粒體中ATP合成酶的有關(guān)亞基，該亞基對(duì)ATP的正常生物合成有影響。TraesCS7B01G459000可能編碼類似LEUNIG的G蛋白，該蛋白可以與鎘離子結(jié)合有利于鎘的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)。TraesCS1B01-G321700可能編碼戊二酸甲酸氨基轉(zhuǎn)移酶，該酶參與植物中葉酸的代謝，而葉酸對(duì)于葉綠素和木質(zhì)素的合成是必須的。候選基因TraesCS3B01G493300、 TraesCS3B01G493400和TraesCS3B01G493500功能尚不清楚。

3 討? 論

為了減少重金屬鎘對(duì)小麥品質(zhì)的影響，小麥抗鎘育種中應(yīng)重點(diǎn)選擇對(duì)環(huán)境中鎘吸收少的小麥材料進(jìn)行研究利用。因此對(duì)現(xiàn)有小麥種質(zhì)籽粒鎘元素含量調(diào)查及篩選是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作，但前期有關(guān)此方面研究報(bào)道較少。為此，本研究采用原子吸收法對(duì)國內(nèi)外207份小麥種質(zhì)籽粒的鎘元素含量進(jìn)行了測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同小麥種質(zhì)籽粒鎘元素含量差異較大，而且環(huán)境條件對(duì)籽粒鎘元素含量有一定的影響。在本研究試驗(yàn)種植的兩個(gè)地區(qū)，開封地區(qū)種植的小麥種質(zhì)鎘元素含量相對(duì)較高，平均含量達(dá)到了0.92? mg/kg，而原陽地區(qū)小麥種質(zhì)鎘元素含量相對(duì)較低，平均為0.55? mg/kg，該結(jié)果可能是兩個(gè)地區(qū)土壤環(huán)境的差異所致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒鎘元素平均含量均超過當(dāng)?shù)赝寥梨k元素平均含量，這可能與鎘在小麥籽粒中的富集效應(yīng)有關(guān)。在鎘元素抗性小麥品種選育中，篩選鎘元素含量低的小麥種質(zhì)尤為重要，本研究獲得了鎘元素較低的部分小麥種質(zhì)，例如，‘云麥51‘鄭麥379‘白穗白‘云麥53‘雙豐收，這些種質(zhì)鎘元素含量不僅低且其在不同環(huán)境下表現(xiàn)穩(wěn)定，這表明這些種質(zhì)在不同環(huán)境下對(duì)鎘元素均具有較少吸收，說明這些種質(zhì)對(duì)土壤鎘具有良好的避性。下一步可以選擇其作為親本配制雜交來選擇培育抗鎘優(yōu)良小麥新品種。

眾所周知，鎘元素含量是受多基因控制的數(shù)量性狀，而全基因組關(guān)聯(lián)分析是解析數(shù)量性狀遺傳機(jī)制的有效途徑之一。但截至目前，國內(nèi)外有關(guān)小麥鎘元素關(guān)聯(lián)分析的研究仍較少。近年來小麥SNP芯片作為一種有效手段已被廣泛應(yīng)用于小麥重要基因定位及相關(guān)研究中［21-24］。本研究利用小麥660K SNP芯片對(duì)國內(nèi)外207份小麥種質(zhì)

籽粒鎘元素含量進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果共檢測到與鎘元素顯著關(guān)聯(lián)SNP 310個(gè)，與前人研究［12-14］相比，本研究檢測到了更豐富的與鎘元素顯著關(guān)聯(lián)的SNP。推測可能由于以下兩方面原因所致，一方面可能與本研究的關(guān)聯(lián)分析群體構(gòu)成特點(diǎn)有關(guān)。本研究關(guān)聯(lián)群體的種質(zhì)來源較為豐富，其不僅包含了國內(nèi)15個(gè)不同生態(tài)區(qū)的小麥種質(zhì)，也包括一些國外小麥種質(zhì)，豐富的小麥種質(zhì)可能蘊(yùn)藏更多的遺傳變異。另一方面，660K SNP芯片的利用為鎘元素更多遺傳位點(diǎn)的檢測發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。遺傳圖譜構(gòu)建中分子標(biāo)記密度直接影響目標(biāo)性狀顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)檢測的數(shù)量和準(zhǔn)確性。在本研究中，660K基因芯片提供了可用于關(guān)聯(lián)分析的有效SNP標(biāo)記共244 508個(gè)，每個(gè)連鎖群SNP標(biāo)記數(shù)量平均在11 000個(gè)以上，該圖譜有利于提高鎘元素關(guān)聯(lián)遺傳位點(diǎn)的檢測效率。

本研究對(duì)檢測到的小麥鎘含量QTL與前人研究結(jié)果進(jìn)行了比較。在1A染色體上，本研究發(fā)現(xiàn)1個(gè)QTL，其位于504 277 686 bp處。Safdar等［13］在該物理位置附近的462 435 832 bp處也發(fā)現(xiàn)了1個(gè)QTL，同時(shí)Safdar和本研究在1D染色體上也均檢測到了QTL，Safdar發(fā)現(xiàn)的1個(gè)QTL位于1D染色體上的14 985 862 bp處，而本研究檢測的1個(gè)QTL位于907 312 bp～ ?5 519 062 bp區(qū)段，可以看出，兩個(gè)研究在1D染色體上發(fā)現(xiàn)的QTL距離較遠(yuǎn)。本研究在2A染色體的36 196 690 bp～83 784 774 bp區(qū)段共發(fā)現(xiàn)了3個(gè)QTL，Hussain等［14］在該染色體上也發(fā)現(xiàn)了1個(gè)QTL，但其物理位置與本研究的QTL較遠(yuǎn)，位于2A染色體的715 333 165 bp～ ?717 146 211 bp物理區(qū)段。Hussain等［14］在5A染色體上檢測到了1個(gè)QTL，該QTL位于 ?580 939 178 bp～? 581 302 317 bp區(qū)段內(nèi)，本研究在5A染色體上發(fā)現(xiàn)了2個(gè)QTL，其分別位于427 202 113 bp和510 096 323 bp處，可以看出，兩個(gè)研究發(fā)現(xiàn)的QTL物理位置相差較遠(yuǎn)。Hussain等［14］在2B染色體上696 677 568 bp～ ?701 097 263 bp處檢測到1個(gè)QTL，本研究在該染色體上707 178 993 bp處發(fā)現(xiàn)1個(gè)QTL，兩個(gè)QTL距離較近（約6 Mb）。另外，由于前人部分研究結(jié)果并未顯示QTL準(zhǔn)確物理位置信息，因此本研究只能和其進(jìn)行粗略比較。例如，本研究在4B染色體的13 280 997 bp和642 231 359 bp處分別檢測到1個(gè)QTL，在相同染色體上Yusuke等［12］卻發(fā)現(xiàn)了7個(gè)QTL，但其處于 ?37.0 cM～51.3 cM遺傳區(qū)段內(nèi)，在6B染色體上Yusuke等檢測到了7個(gè)QTL，而本研究只發(fā)現(xiàn)了1個(gè)QTL?？梢钥闯?，本研究發(fā)現(xiàn)的多數(shù)QTL在以前研究中并未發(fā)現(xiàn)，雖然少數(shù)QTL與以前報(bào)道的QTL位于相同染色體上，但其物理位置仍較遠(yuǎn)。當(dāng)然通過比較，我們也發(fā)現(xiàn)了富含小麥鎘含量QTL的較重要染色體，如1A、3B、5B和6A染色體，下一步應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這些染色體上QTL的深入研究。

候選基因分析可以有效揭示小麥籽粒鎘元素含量遺傳調(diào)控機(jī)制，為培育抗鎘元素小麥良種提供科學(xué)支撐。故在獲得小麥籽粒鎘元素含量顯著關(guān)聯(lián)SNP的基礎(chǔ)上，本研究也開展了鎘元素候選基因的預(yù)測分析。共獲得了7個(gè)與鎘元素相關(guān)的候選基因，這些基因主要通過編碼與鎘元素代謝相關(guān)蛋白或其調(diào)節(jié)因子而影響小麥籽粒鎘元素含量。小麥植株體內(nèi)的鎘元素主要來源于其生長的土壤環(huán)境，這些進(jìn)入植株體的鎘元素都要經(jīng)歷吸收、分配、轉(zhuǎn)運(yùn)、跨膜等復(fù)雜代謝過程才能到達(dá)小麥籽粒，而這些代謝過程又有涉及到很多相關(guān)因子的參與，通過調(diào)節(jié)這些因子的功能或活性進(jìn)而對(duì)小麥籽粒鎘元素含量影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，本研究獲得的部分候選基因與鎘元素代謝不同因子有關(guān)。RNA聚合酶Ⅱ在真核生物中負(fù)責(zé)所有mRNA的生物合成，亞單位12G是其重要的組成部分［25-26］，而亞單位12G的調(diào)節(jié)因子對(duì)RNA聚合酶Ⅱ完成基因轉(zhuǎn)錄功能產(chǎn)生影響［27］，TraesCS1B01G320200可能通過調(diào)控RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄亞單位12G的調(diào)節(jié)因子而影響相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，同時(shí)對(duì)與鎘元素代謝相關(guān)mRNA合成產(chǎn)生影響，最終使小麥籽粒鎘元素含量發(fā)生變化。ATP合成酶由多種亞基組成，主要負(fù)責(zé)為植物各種代謝活動(dòng)提供所需能量，而亞基對(duì)ATP合成酶的功能會(huì)產(chǎn)生直接影響［28-29］，植物對(duì)鎘元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)等過程是需要能量的，而 TraesCS7B01G456900可能通過編碼線粒體中ATP合成酶的有關(guān)亞基進(jìn)而對(duì)ATP生物合成產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響鎘元素的相關(guān)代謝過程及其在小麥籽粒中的累積。在生物對(duì)鎘的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，生物體內(nèi)能與鎘有效結(jié)合的特異蛋白發(fā)揮著重要作用，目前已有類似蛋白被發(fā)現(xiàn)［30-31］，本研究發(fā)現(xiàn)的TraesCS7B01G459000基因可能編碼可以與鎘結(jié)合的相關(guān)蛋白，其對(duì)籽粒中鎘含量產(chǎn)生影響。TraesCS1B01G321700編碼戊二酸甲酸氨基轉(zhuǎn)移酶，關(guān)于該酶的研究絕大多數(shù)集中于動(dòng)物方面，其在植物中的研究報(bào)道較少，在植物中戊二酸甲酸氨基轉(zhuǎn)移酶主要與葉酸的合成代謝有關(guān)，而葉酸不僅對(duì)于植物葉綠素和木質(zhì)素合成較為關(guān)鍵［32］，同時(shí)也參與甘氨酸和絲氨酸的相互轉(zhuǎn)化過程，該過程在植物光呼吸中是非常重要的［33］?？梢钥闯?，該基因通過對(duì)相關(guān)物質(zhì)合成及生理代謝過程的間接調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)鎘吸收代謝產(chǎn)生影響?？梢钥闯觯k元素候選基因通過編碼相關(guān)蛋白或其組成因子進(jìn)而影響鎘元素在植物體內(nèi)的代謝，而作為植物重要組織器官的籽粒，其鎘元素含量也會(huì)受到這些代謝過程的影響。由于本研究是有關(guān)小麥籽粒鎘含量遺傳的初步探索，下一步需要針對(duì)發(fā)現(xiàn)的候選基因繼續(xù)進(jìn)行特異分子標(biāo)記的開發(fā)并將其在不同小麥群體中進(jìn)行驗(yàn)證。本結(jié)果將為小麥鎘元素遺傳調(diào)控機(jī)制解析提供一定研究基礎(chǔ)。

4 結(jié)? 論

本研究利用660 K SNP芯片對(duì)國內(nèi)外207份小麥種質(zhì)籽粒鎘元素含量進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，檢測共發(fā)現(xiàn)了310個(gè)顯著關(guān)聯(lián)SNP位點(diǎn)，這些SNP分布于除3D、4D外的19條染色體上，單個(gè)SNP平均解釋變異率介于10.95%～ ?14.66%。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)了7個(gè)在多環(huán)境下表現(xiàn)穩(wěn)定的SNP，并對(duì)其進(jìn)行了單標(biāo)記效應(yīng)分析。最后研究獲得7個(gè)與小麥籽粒鎘元素含量有關(guān)的候選基因，這些基因的功能均與小麥吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)等鎘元素代謝過程有關(guān)。研究也篩選獲得了籽粒鎘含量較低的小麥種質(zhì)，如‘云麥51‘鄭麥379‘白穗白‘云麥53‘雙豐收等，這些種質(zhì)將在未來選育對(duì)鎘具有良好避性的小麥新品種中具有較好利用前景。

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Genome-Wide Association Analysis and Candidate Gene Prediction of Wheat Grain Cd Concentration

Abstract Cadmium （Cd） is a heavy metal that adversely affects the quality of wheat，and breeding Cd-resistant wheat is crucial. In the present study，a genome-wide association study （GWAS） was conducted in Cd content in wheat grains using the wheat 660 K genotyping assay and a diverse panel of 207 wheat accessions. A field trial was conducted in two locations in 2017. A total of 310 SNPs significantly associated with Cd content were identified，which distributed on 19 wheat chromosomes except for 3D and 4D. The phenotypic variation explained by each SNP varied from 10.95% to 14.66%. The number of significant SNP varied across the different environments，of which 186 SNPs and 71 SNPs were found in Yuanyang and Kaifeng，respectively. Fifty-three significant SNPs were also identified based on the BLUP value. Furthermore，the adjacent SNPs based on the marker physical locations were integrated to the same QTL，finally，52 effective QTLs were obtained，seven significant SNPs were also repeatedly detected under two environments and the BLUP value，and their genetic effect on Cd content was analyzed. In addition，seven candidate genes were predicted for Cd content in wheat grains，of which?TraesCS1B01G321700 and?TraesCS1B01G320200 were possibly associated to the transcription of genes，whereas TraesCS7B01G459000 and TraesCS7B01G456900 possibly had the functions on the absorption and transportation of Cd in wheat. Finally，we identified some elite wheat germplasms with good Cd avoidance，including Yunmai 51，Zhengmai 379，Baisuibai，Yunmai 53.

Key words Wheat; Cd concentration; SNP array; Genome-wide association analysis