南方农业学报JournalofSouthernAgriculture2024,50(4):685-6944期2095-1191;ISSNCODENNNXAABhttp://www.nfnyxb.com·685·DOI:10.3969/j.issn.2095-1191.2024.04.02宁春4号与河东乌麦杂交F2代穗部性状分析
及其重要QTL发掘
2322
王掌军1,,刘妍1,,刘凤楼1,,李清峰1,,张晓岗1,刘生祥1,贾
彪1*
(1宁夏大学农学院,银川
3
750021;2宁夏优势特色作物现代分子育种重点实验室,银川
150028)
750021;
黑龙江禾田丰泽兴农科技开发有限公司,哈尔滨
摘要:【目的】分析宁春4号与河东乌麦杂交F2代的穗部性状,并利用SSR分子标记发掘其重要QTL,为宁夏小麦穗部性状改良提供理论参考。【方法】以宁春4号与河东乌麦杂交F2代的331个单株为材料,利用方差分析、相关性分析、聚类分析和单标记回归分析等方法对5个穗部性状及其重要QTL进行定位研究。【结果】5个穗部性状在F2代呈连续正态分布,符合多基因控制的数量性状的遗传特点。F2代出现许多具有超亲性状的单株,穗长、总小穗数、结实小穗数、穗粒数和穗粒重的平均值分别为8.69cm、18.01个、16.71个、33.07粒和1.19g,超中亲比例分别达20.24%、44.71%、41.99%、34.14%和33.84%,超高亲比例依次为6.64%、18.73%、17.22%、34.14%和26.88%。5个穗部性状间均呈极显著正相关(P<0.01),表明这些性状对产量的贡献均较大。基于穗部性状测定结果,在遗传距离为5cM时,可将F2代331个单株分为八大类群,其中,类群Ⅰ平均穗长最长(为9.96cm)、穗粒数最多(49.25粒)、穗粒重最重(1.61g),类群Ⅷ平均总小穗数和结实小穗数最多,分别为21.40和19.57个,表明类群Ⅰ和Ⅷ为穗部性状优异类群。利用19个SSR分子标记共发掘出36个与穗部性状相关的QTL,其中,穗长、总小穗数、结实小穗数、穗粒数和穗粒重QTL数量分别有15、6、6、5和4个,分布在2A、4A、5A、1B、2B、3B、5B、7B、5D、6D和7D等11条染色体上,加性效应为-0.72~1.57,表型贡献率为2%~9%,LOD最大值为23.90,其中,4A染色体上检测到穗长、穗粒数和穗粒重QTL,5A染色体上检测到穗长、总小穗数和结实小穗数QTL,1B和5D染色体上均检测到穗长、总小穗数、结实小穗数、穗粒数和穗粒重QTL,2B染色体上检测到穗长、总小穗数、结实小穗数和穗粒重QTL,7B染色体上检测到穗长和总小穗数QTL,表明4A、5A、1B、2B、7B和5D等6条染色体存在QTL富集区。【结论】小麦杂交F2代遗传性状处于高度分离,蕴藏着最大的数量遗传信息,为相关穗部性状分析及QTL发掘提供了可靠的遗传群体,检测到的36个QTL可用于小麦穗部性状的遗传改良。
关键词:小麦;杂交后代;穗部性状;分子标记;QTL中图分类号:S512.103.51
文献标志码:A
文章编号:2095-1191(2024)04-0685-10
AnalysisonpanicletraitsandimportantQTLdiscoveryofF2hybridsfromNingchunNo.4andHedongblackwheat
2322
WANGZhang-jun1,,LIUYan1,,LIUFeng-lou1,,LIQing-feng1,,ZHANGXiao-gang1,
LIUSheng-xiang1,JIABiao1*
2
(1AgriculturalCollege,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China;KeyLaboratoryofModernMolecularBreeding
3
forDominantandSpecialCropsinNingxia,Yinchuan750021,China;HeilongjiangHetianFengzeAgricultureScience
andTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Harbin150028,China)
Abstract:【Objective】PanicletraitsofF2hybridsfromNingchunNo.4andHedongblackwheatwereanalyzedand
theirimportantQTLswerediscoveredbySSRmolecularmarkers.Itwouldprovidereferenceforpanicletraitsimprove-mentofNingxiawheat.【Method】Threehundredandthirty-oneindividualplantsofF2hybridsfromNingchunNo.4andHedongblackwheatwereasmaterials.Bymeansofvarianceanalysis,correlationanalysis,clusteranalysisandsinglemarkerregressionanalysis,fivepanicletraitsandtheirimportantQTLswerestudied.【Result】ThefivepanicletraitsshowedcontinuousnormaldistributioninF2hybrids,thatconformedtothegeneticcharacteristicsofquantitativetraitscontrolledbypolygenes.ThereappearedmanyindividualplantswithsuperparentaltraitsinF2hybrids,theaveragevaluesofpaniclelength,grossspikeletnumber,bearingspikeletnumber,kernelsperspikeandkernelweightperspikewere8.69cm,18.01,16.71,33.07and1.19g,respectively.Theproportionsofovermid-parentswere20.24%,44.71%,41.99%,收稿日期:2024-12-18基金项目:宁夏农业育种专项(2024NYYZ02);宁夏大学西部一流专业建设项目(030900001914)作者简介:*为通讯作者,贾彪(1979-),副教授,主要从事农业信息学研究工作,E-mail:jiabiao2008@163.com。王掌军(1978-),
副教授,主要从事小麦遗传育种研究工作,E-mail:wangzj-gs@126.com
·686·南方农业学报50卷34.14%and33.84%,respectively,andtheirultra-highparentswere6.64%,18.73%,17.22%,34.14%and26.88%,respec-tively.Thefivepanicletraitswereinextremelysignificantpositivecorrelationamongeachother(P<0.01),whichshowed
thatthecontributionsofthesetraitstoyieldwerelarge.Basedonthepanicletraits,threehundredandthirty-oneindividualplantsweredividedintoeightclustersatgeneticdistancebeing5cM.GroupⅠhadthelongestaveragepaniclelength(9.96cm),thelargestkernelsperspikenumber(49.25kernels)andlargestkernelweightperspike(1.61g).GroupⅧhadthelargestaveragegrossspikeletnumberandbearingspikeletnumber,whichwere21.04and19.57.ItshowedthatgroupⅠandgroupⅧweregroupswithexcellentpanicletraits.Thirty-sixpaniclerelatedQTLwerediscoveredbynine-teenSSRmolecularmarkers.Amongthem,QTLsofthepaniclelength,grossspikeletnumber,bearingspikeletnumber,kernelsperspikenumberandkernelweightperspikewere15,6,6,5and4,respectively.Theywerelocatedon11chro-mosomesincluding2A,4A,5A,1B,2B,3B,5B,7B,5D,6Dand7D.Theiradditiveeffectswere-0.72to1.57,thecontri-butionratestophenotypewere2%to9%,maximumLODscorewas23.90.QTLsofthepaniclelength,kernelsperspikenumberandkernelweightperspikeweredetectedonchromosome4A.QTLsofthepaniclelength,grossspikeletnumberandbearingspikeletnumberweredetectedonchromosome5A.QTLsofthepaniclelength,grossspikeletnumber,bearingspikeletnumber,kernelsperspikeandkernelweightperspikewerealldetectedonchromosomes1Band5D.QTLsofthepaniclelength,grossspikeletnumber,bearingspikeletnumber,kernelweightperspikeweredetectedonchromosome2B.QTLsofthepaniclelengthandgrossspikeletnumbersweredetectedonchromosome7B.TheresultsshowedthatQTLenrichmentregionsexistedinchromosomes4A,5A,1B,2B,7Band5D.【Conclusion】ThegeneticcharacteristicsinF2hybridsofwheatarehighlyseparated,andcontainthemaximumamountofgeneticinformation,whichprovidethereliablegeneticpopulationforthepanicletraitsanalysisandQTLsdiscovery.Thedetected36QTLsmaybeusedforgeneticimprovementofpanicletraitsforwheat.
Keywords:wheat(TriticumaestivumL.);hybridprogeny;panicletrait;molecularmarker;QTL
0引言
【研究意义】小麦(TriticumaestivumL.)在世界
各地被广泛种植,全球35%~40%的人口以其为主粮(何中虎等,2024;李冬兵等,2024)。我国是世界上最大的小麦生产和消费国,小麦为仅次于玉米和水稻的第三大粮食作物,其生产对保障我国粮食安全具有重要意义(刘志勇等,2024;朱昀等,2024)。随着我国人口逐年增加,特别是工业化、城镇化快速发展,并受农业结构调整、生态退耕和非农建设占用土地等因素影响,全国耕地面积只减不增,提高小麦单产尤为重要,须通过改良性状来实现高产、稳产(常向楠等,2024;傅向东等,2024)。由于小麦产量与穗部性状高度相关(魏艳丽等,2015),研究小麦穗部相关性状及借助分子标记技术发掘其重要QTL对小麦遗传改良和产量提高均具有重要意义。【前人研究进展】提高小麦产量是其育种的主要目标,其中穗部性状的改良是提高产量的主要途径(Fischeretal.,1998;Kuetal.,1999;魏艳丽等,2015),尤其增加穗粒数和穗粒重具有明显的增产效果(李万昌和刘曙东,2012;Zhangetal.,2012;蔡正正等,2016)。但小麦穗部性状间的关系复杂,多个性状间存在互作效应,无法从某单一性状提高小麦产量(王瑞霞等,2008;Miretal.,2012)。迄今,已有较多学者在不同遗传背景下对小麦产量及穗部相关性状进行QTL检测和定位研究。Schlegel和Meinel(1994)研究发现,与小穗数相关的QTL位于1BS染色体上。Li等(2007)利用小麦RIL群体对千粒重、穗粒数、单株穗数和小穗数相关的QTL进行定位,结果发现其位于小麦12条染色体上,并分别在1D、2A、6B和7D染色
体上检测到相关QTL富集区。Kumar等(2007)研究发现,2个控制小麦穗长的QTL位于2B和2D染色体上,3个控制每穗小穗数的QTL位于2B、4A和6A染色体上。孙中沛等(2017)研究发现,6个与小麦穗长相关的QTL位于2A、2D、3B、4D、5A和7D染色体上,4个与小穗数相关的QTL位于1A、4A和7D染色体上,6个与穗密度相关的QTL位于4D、5A和6B染色体上。王升星等(2017)利用SSR分子标记对小麦单株产量及其他相关性状进行QTL定位分析,结果共发掘出3个与千粒重相关的QTL,分别位于1D(2个)和4B(1个)染色体上,2个与单株产量相关的QTL和2个与有效穗数相关的QTL分别位于染色体1A和5D的相同区间。孙宇慧等(2024)把小麦穗粒数和千粒重主效QTL定位于7AL染色体QC-7AL区。虽然小麦穗部相关性状的QTL研究已有许多报道,但在育种上有利用价值的相关QTL凾待进一步发掘和应用。【本研究切入点】宁夏主栽小麦品种宁春4号具有稳产、适应性广,对麦区主要病害抗性不强等特点;河东乌麦选自山西省运城,具有分蘖力强、总小穗数、穗粒数多、千粒重高,且具有高抗白粉病、中抗条锈病和叶锈病的特点。本课题组前期对宁春4号和河东乌麦的遗传性状与分子标记进行了全面分析(刘妍等,2017;王掌军等,2024,2024),但未系统对其杂交组合群体进行穗部性状分析及其重要QTL发掘。【拟解决的关键问题】以宁春4号和河东乌麦为材料进行正反交,对其F2代进行穗部性状分析及其重要QTL发掘,为宁夏小麦穗部性状的遗传改良提供QTL和育种资源。
4期王掌军等:宁春4号与河东乌麦杂交F2代穗部性状分析及其重要QTL发掘
·687·1材料与方法
1.1
试验材料
供试材料为宁春4号和河东乌麦,均由宁夏大学农学院小麦育种课题组提供。主要试剂:TaqDNA聚合酶、10×TaqBuffer(含Mg2+)和dNTPs均购自康为世纪(北京)生物科技有限公司;甲叉双丙烯酰胺(C7H10N2O2)、丙烯酰胺(C3H5NO)和SDS均购自国安生物科技(西安)有限公司;其他生化试剂均购自生工生物工程(上海)股份有限公司。主要设备仪器:ChemiDocXRS+凝胶成像系统(BIO-RAD,美国)、微量核酸蛋白检测仪(ND-2000型,美国)、PTC-200PCR仪(BIO-RAD,美国)、移液器(Eppendorf,德国)、台式高速冷冻离心机(Neofuge15型,上海安亭科学仪器厂)、电泳仪(DYCZ-30C型,北京市六一仪器厂)。1.2
组配杂交
2016年在宁夏大学教学实验农场组配宁春4号与河东乌麦正反交组合,同年将收获的杂交种子在云南元谋南繁加代,2017年将收获种子种植于宁夏大学教学实验农场,单粒点播,每行10粒,行长1.1m,行宽0.2m,获得包含331个单株的F2后代群体,其中正交201株(编号1~201),反交130株(编号202~331)。1.3
穗部性状指标测定
在成熟期进行室内考种(均为每个单株所有有效穗数在该性状的平均值):穗长采用直接测量法,用卷尺测量;总小穗数为每穗上所有的小穗数目,不孕小穗数为各小花均不结实的小穗数目,结实小穗数为每穗均结实的小穗数,均采用直接观测计数法,结实小穗数=总小穗数-不孕小穗数;穗粒数和穗粒重为每穗的粒数和粒重量。1.4
分子标记设计及合成
刘妍等(2017)根据小麦7个部分同源群小卫星区设计SSR分子标记,在宁春4号和河东乌麦中筛选出127个具有多态性的SSR分子标记。本研究利用在宁春4号和河东乌麦中稳定扩增的49个SSR分子标记进行分析,其中有19个SSR分子标记对穗部性状有明确QTL定位结果,其引物信息见表1。所有引物均由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。1.5
PCR检测
采用SDS法提取供试材料苗期叶片的基因组DNA(Yangetal.,2006)。PCR反应体系和扩增程序参见王掌军等(2024)的方法,退火温度如表1所示。扩增产物采用8%聚丙烯酰胺凝胶电泳检测,经银染后观察拍照,并统计扩增条带。
1.6
统计分析
采用Excel2013对穗部性状和分子标记扩增条带进行统计。利用SPSS20.0进行方差、相关性及聚类分析。利用Origin8.0对各穗部性状的频率分布进行作图。利用MapManagerQTXb20进行QTL定位,取概率值P<0.05的LOD作为判断QTL存在的阈值。参照王掌军等(2024)的方法,利用Kosambi函数中单标记回归分析方法进行QTL分析。运用MapManagerQTXb20检测F2代单株穗部性状相关QTL位点,QTL命名为:q+性状的大写字母代称+所在染色体号数,如在2A染色体上,与穗长相关的QTL位点命名为“qPL2A”。
2结果与分析
2.1宁春4号与河东乌麦杂交F2代穗部性状分析结果
2.1.1穗部性状变异性分析由图1可知,5个穗部性状在F2代群体中均出现较大分离,分布范围均呈连续正态分布,符合多基因控制的数量性状遗传特点,且出现许多具有超亲性状的单株。对F2代群体穗部性状进行变异性分析,结果(表2)表明,总小穗数和结实小穗数的群体平均值介于高亲亲本与低亲亲本之间,穗长、穗粒数和穗粒重的群体平均值均低于低亲亲本,其中,穗长、总小穗数、结实小穗数、穗粒数和穗粒重的超中亲比例分别达20.24%、44.71%、41.99%、34.14%和33.84%,超高亲比例分别达6.64%、18.73%、17.22%、34.14%和26.88%。5个穗部性状的变异系数表现为穗粒重(38.96%)>穗粒数26.12%)>结实小穗数(13.92%)>总小穗数(12.97%)>穗长(12.52%),平均变异系数为20.90%。综上所述,F2代群体的5个穗部性状变异较大。
2.1.2基于穗部性状的聚类分析根据穗长、总小穗数、结实小穗数、穗粒数和穗粒重5个穗部性状测定结果对F2代群体进行聚类分析,在遗传距离为5Ⅰ同时,~cMⅧ时,的单株数分别为F2代群体被分成八大类群8、2、(图2),其中,类群Ⅱ结实小穗数表现为>Ⅶ八大类群的穗长表现为81、,总小穗数表现为Ⅷ>ⅠⅧ>>ⅤⅠ>Ⅰ23>Ⅶ>Ⅵ>Ⅴ、2>Ⅴ>、Ⅳ>Ⅷ195>Ⅵ>Ⅲ>Ⅵ、1>Ⅳ>和Ⅱ>Ⅲ19个。>Ⅲ>Ⅶ>ⅣⅡ>,穗,粒数表现为Ⅰ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅷ>Ⅲ>Ⅶ>Ⅳ,穗粒重表现为Ⅰ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅷ>Ⅴ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅶ。总体上,类群Ⅰ平均穗长最长(9.96cm)、穗粒数最多(49.25粒/穗)、穗粒重最重(1.61g),类群Ⅷ平均总小穗数和结实小穗数最多,分别为21.40和19.57个。综上所述,类群Ⅰ和Ⅷ为穗部性状优异类群。
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