宁春4号与河东乌麦杂交F2代穗部性状分析<p>及其重要QTL发掘</p><p><br/></p>

南方农业学报JournalofSouthernAgriculture2019，50（4）：685-6944期2095-1191；ISSNCODENNNXAABhttp://www.nfnyxb.com·685·DOI：10.3969/j.issn.2095-1191.2019.04.02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（2019）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：2018-12-18基金项目：宁夏农业育种专项（2018NYYZ02）；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，2018；李冬兵等，2019）。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，2018；朱昀等，2019）。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，2018；傅向东等，2018）。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（2018）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，2018，2019），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（2019）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（2019）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。

（