利用永久F2群体定位小麦株高的QTL

作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(6): 1038?1043

https://www.wendangku.net/doc/5112643033.html,/zwxb/

ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9

E-mail: xbzw@https://www.wendangku.net/doc/5112643033.html,

本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2009CB118301)和国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2006AA1021E9)资助。

*

通讯作者(Corresponding author): 田纪春, E-mail: jctian@https://www.wendangku.net/doc/5112643033.html,; Tel: 0538-*******

第一作者联系方式: E-mail: shenbaise610@https://www.wendangku.net/doc/5112643033.html,

Received(收稿日期): 2008-11-27; Accepted(接受日期): 2009-02-17.

DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.01038

利用永久F 2群体定位小麦株高的QTL

王 岩 李卓坤 田纪春*

山东农业大学 / 国家作物生物学重点实验室小麦品质育种室, 山东泰安271018

摘 要: 为研究小麦株高的遗传机制, 利用DH 群体构建了一套包含168个杂交组合的小麦永久F 2群体, 并于2007年种植于山东泰安和山东聊城。构建了一套覆盖小麦21条染色体的遗传连锁图谱, 并利用该图谱的324个SSR 标记对小麦株高进行QTL 定位研究, 使用基于混合线性模型的QTLNetwork 2.0软件进行QTL 分析。在永久F 2群体中定位了7个株高QTL, 包括4个加性QTL, 1个显性QTL, 1对上位性QTL, 共解释株高变异的20%, 其中位于4D 染色体的qPh4D , 具有最大的遗传效应, 贡献率为7.5%; 位于2D 染色体显性效应位点qPh2D , 可解释1.6%的表型变异; 位于5B~6D 染色体上位效应位点, 可解释1.7%的表型变异。还发现加性效应、显性效应和上位效应对小麦株高的遗传起重要作用, 并且基因与环境具有互作效应。 关键词: 小麦; 永久F 2群体; 株高; 数量性状位点

Detection of Quantitative Trait Loci for Plant Height Using an Immortalized F 2 Population in Wheat

WANG Yan, LI Zhuo-Kun, and TIAN Ji-Chun *

Group of Quality Wheat Breeding of Key Laboratory of Crop Biology / Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China

Abstract: To study the genetic mechanism of wheat plant height, a set of doubled haploid (DH) lines were used to construct an immortalized F 2 (IF 2) population comprising 168 different crosses. The IF 2 population was evaluated for plant height in 2007 cropping seasons in Tai ’an and Liaocheng, Shandong province. Linkage map was constructed with 324 SSR markers covering the whole wheat genome, including 284 SSR, 37 ESTs loci, 1 ISSR loci and 2 HMW-GS loci, was constructed. This linkage map covered a total length of 2 485.7 cM with an average distance of 7.67 cM between adjacent markers. QTL analyses were performed using the software QTLNetwork version 2.0 based on the mixed linear model at P < 0.05. Four additive QTLs, 1 dominance QTL and pair of epistatic QTLs were detected, the total QTL effects detected for the plant height explained 20% of the phenotypic variation. One QTL qPh4D for plant height was identified on chromosome 4D, was identified on chromosome 2D, explaining 7.5% of the phenotypic variances. Dominance effect loci qPh2D was identified on chromosome 2D, explaining 1.6% of the phenotypic variances; epistatic effects of loci was identified on chromosome 5B –6D, explaining 1.7% of the phenotypic variances. The results indicate additive effects, dominance effects and epistatic effects are important in genetics of wheat for plant height, which are also subjected to environmental modifications.

Keywords: Common wheat; Immortalized F 2 population; Plant height; QTL

小麦的株高和株型决定种植密度和抗倒性, 对小麦产量影响很大, 因此育种家对株高性状的关注仅次于产量及抗性等指标。株高受主效基因和微效基因的共同控制, 表现为典型的数量性状遗传, 而

且度量比较简单, 容易获得准确的观测值, 因此许多学者利用不同的遗传分离群体对株高的遗传机制进行了大量的分析, 定位了许多与株高相关的QTL 。随着分子数量遗传的迅速发展, 更多影响小

第6期王 岩等: 利用永久F2群体定位小麦株高的QTL1039

麦株高的主效基因和数量性状位点(quantitative trait locus, QTL)得以发现和定位。迄今已发现20多个小麦株高相关的基因[1-4]。Huang等[5]利用PRINZ和W-7984杂交得到的BC2F3群体, 在4个不同的环境中共检测到5个不同的小麦株高QTL, 单个QTL可以解释9.4%~29.5%的表型变异。刘冬成等[6]应用矮秆小麦ND3338和F390杂交得到的F2:3群体, 在5条染色体上发现7个影响株高的QTL, 每个环境下检测出的QTL可以解释64.8%~75.0%的表型变异。Cadalen等[7-8]利用Courtot与中国春杂交产生的DH群体, 除了检测到Courtot所含的Rht-B1b和Rht-D1b矮秆基因外, 还检测到控制株高的另外3个QTL和1个互作位点, 这些QTL可以分别解释11.9%~19.1%的表型变异。张坤普等[9]利用花培3号和豫麦57杂交得到的DH群体对小麦株高进行分析, 在3个环境中检测到分布于4条染色体上的4个加性QTL, 单个QTL可以解释 2.84%~20.22%的表型变异, 全部QTL可以解释46.70%的表型变异; 同时还发现5个上位性QTL, 位于6条不同染色体上, 全部上位性位点可解释19.89%的表型变异。Keller等[10]利用普通小麦Forno和斯卑尔脱小麦Oberkulmer的重组自交系群体, 在3个环境中检测到分布于9条染色体上的11个QTL, 单个QTL可以解释7.9%~ 31.4%的表型变异, 全部QTL可以解释72.6%的表型变异。Borner 等[11]利用小麦Opata85和合成小麦W7984的重组自交系群体, 在3个地点连续4年的8份资料中检测到4个控制株高的主效QTL。Shah等[12]和Araki等[13]为了减少遗传背景的干扰, 分别以单个染色体重组代换系为材料, 在3A和4A染色体上均发现2个与小麦株高有关的QTL。Kato等[14]将T. spelta和Cappelle-Desprez的5A染色体导入中国春中制成一套重组自交系群体对小麦株高进行分析, 发现3个QTL。

前人进行有关株高遗传及QTL定位研究用的材料均为基因型纯合的永久性群体或F2分离群体, 永久性群体无法检测显性及其相关的上位性效应。F2群体虽然可以用来估计加性效应、显性效应和上位性效应, 但同一基因型仅有一个单株, 且不能进行地点间和年份间的重复, 因而限制了它在数量性状研究中的应用。用永久F2 (immortalized F2, IF2)群体则可有效解决这些问题[15]。永久F2群体的每一个杂交组合均由永久遗传群体(RILs或DH群体)中的两个稳定株系杂交而成, 与F2群体具有相同的遗传结构, 因此可根据试验需要重复配制每种基因型, 使群体的遗传结构得以长期保持, 而且可以组配出足量的种子满足多年多点试验需要, 以取得准确的表型观测值[16-18]。

本研究采用含有324个SSR标记构建的遗传图谱[9], 混合线性模型[19]的QTLNetwork 2.0[20]软件, 以及一套永久F2群体对株高进行QTL定位和分析, 旨在为研究小麦株高QTL及其遗传效应提供参考, 对小麦株高的分子标记辅助选择育种有很大的应用价值和理论意义。

1材料与方法

1.1 IF2群体的构建

1.1.1 基础群体花培3号和豫麦57杂交F1通过花药培养, 经染色体加倍获得168个双单倍体(doubled-haploid, DH)群体。花培3号和豫麦57分别于2006年和2004年通过河南省农作物品种审定委员会[21]和国家审定[22], 在黄淮麦区推广面积已达133万公顷, 在农艺性状和品质性状方面有较大差异[21-22]。

1.1.2 IF2群体的构建 2006年秋将基础群体种植在山东农业大学教学基地, 2007年5月根据Hua 等[23]的永久F2组配方案, 将168个DH系随机分成两组, 每组包含84个DH系, 从两组 DH系中各随机选择1个DH系组配成一个杂交组合, 然后再从剩余的DH系中各选出1个DH系进行组配, 依次类推。通过一轮杂交可组配84个杂交组合, 经两轮杂交, 获得包含168个杂交组合的一套IF2群体。

1.2 IF2群体的田间试验

2007年10月将IF2群体种植在山东农业大学教学基地(山东泰安)和山东省聊城市农业科学研究院(山东聊城)。采用完全随机区组设计, 2次重复, 3行区种植, 行长2 m, 行距0.25 m, 株距0.19 cm。按当地小麦产量比较试验方案进行田间管理, 生长期间没有发生倒伏和其他病害。

定义株高是指植株分蘖节到主茎穗顶部的高度(不包括麦芒)。2008年小麦开花后, 在每小区中间行从第3株开始连续调查10株, 取平均值。

1.3遗传图谱的构建

用MAPMAKER/EXP3.0b软件[24]分析、计算324个标记的连锁关系, 将324个标记, 包括284个SSR 标记、37个EST标记、1个ISSR标记和2个HMW- GS(高分子量谷蛋白亚基)标记位点定位在小麦的21

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条染色体上。图谱全长2 485.70 cM, 平均两个标记间的遗传距离是7.67 cM, 形成24个连锁群, 分布在小麦的21条染色体上。A 基因组有105位点, B 基因组有125个位点, D 基因组有94个位点。单个连锁群平均长度103.57 cM, 2D 连锁群最长为173.50 cM, 5A-2连锁群最短为13.60 cM 。每个连锁群包括3(5A-2)~28(1B)个位点, 平均每个连锁群为13.50个位点。

1.4 数据统计和QTL 分析

利用SPSS 软件对小麦株高的表型数据进行统计分析。采用324个SSR 标记构建遗传图谱, 利用基于混合线性模型的QTLNetwork 2.0软件进行QTL 分析。以P =0.005为统计检测阈值, 当软件运

行结束得出结果后, 如果一个标记区间标记的P 值小于统计检测阈值时, 认为该标记处存在1个与性状有关的QTL 。

2 结果与分析

2.1 IF 2群体小麦株高的表现型分析

图1和表1为IF 2群体在两个地点的株高表型值, 其中在泰安种植的IF 2群体的株高最大值为102.2 cm, 最小值为33.7 cm, 平均68.6 cm, 在聊城种植的IF 2群体的株高最大值为100 cm, 最小值为30 cm, 平均63.82 cm (表1)。群体中偏斜度值与峰度值的绝对值都小于1.0, 符合正态分布(表1和图1), 表现出典型的数量性状的遗传特点[25]。

表1 两个试验环境下永久F 2群体的株高(2008年)

Table 1 Measurements of plant height in the immortalized F 2 population in two environments in 2008 环境 Environment 平均值 Mean (cm)

最大值 Max (cm)

最小值 Min (cm)

标准差 SD (cm)

偏斜度 Skewness

峰度 Kurtosis 山东泰安Tai’an, Shandong 68.64 102.2 33.7 14.4 ?0.189 ?0.616 山东聊城Liaocheng, Shandong

63.82 100.0 30.0 13.2 ?0.128

?0.474

图1 在2个环境中永久F 2群体的株高分布

Fig. 1 Distribution of plant height of immortalized F 2 population in two environments

2.2 QTL 分析

在IF 2群体中共定位了7个株高QTL, 包括4个加性QTL, 一个显性QTL, 一对上位性QTL 。其中1个加性效应位点具有环境互作效应, 上位效应位点没有发现上位效应环境互作。

小麦株高的4个加性QTL 位于2D 、3A 、4B 和4D 染色体(表2和图2), 其中位于4D 染色体的qPh4D , 具有最大的遗传效应, 贡献率为7.5%, 在

各环境中稳定表达; 位于3A 染色体的qPh3A 可解释4.5%的表型变异; 位于4B 染色体的qPh4B , 贡献率为3.0%, 并且具有环境互作效应; 位于2D 染色体的qPh2D , 贡献率为1.6%。位于2D 染色体显性效应位点qPh2D (图2), 可解释1.6%的表型变异。位于5B~6D 染色体上位效应位点(图2), 可解释1.7%的表型变异, 没有检测到上位效应与环境的互作效应。

第6期

王 岩等: 利用永久F 2群体定位小麦株高的QTL 1041

表2 在两个环境中小麦株高的加性QTL 及加性与环境互作效应

Table 2 Estimates of additive (A) and additive × environment (AE) interactions of QTLs for plant height based on the averaged

phenotypic data from two environments 加性Additive

加性×环境1 A ×E1

加性×环境2 A ×E2QTL 标记区间a

Flanking marker a 位置b Site (cM) b

F 值 F -value

P

效应A

贡献率H 2 (%)

效应 AE 1贡献率 H 2 (%)

效应 AE 2

贡献率H 2 (%)qPh2D Xgwm296–Xwmc112

0.1 7.86 0.000 2.41 1.6 0.90 ?0.89

qPh3A Xwmc264–Xcfa2193 143.9 11.99 0.000 3.98 4.5 ?0.00 0.00 qPh4B Xwmc48–Xbarc1096 18.4 10.05 0.000?3.25

3.0

?1.44 3.58 1.41 3.57 qPh4D

Xbarc334–Xwmc3316

4.1 17.00 0.000

5.14 7.5

0.49

?0.48

a

检测到的QTL 的F 峰值所在的区间。b 检测到的QTL 的F 峰值距标记区间的左边标记位点的距离。当P <0.005时, 视为存在1个

QTL 。环境1: 山东泰安 2008; 环境2: 山东聊城 2008。

a

Interval of F peak value for QTL. b Distance of F peak value for QTL to the left marker in ‘‘flanking markers’’. QTL was confirmed if the phenotype was associated with a marker locus at P

<0.005. E1: Tai’an, Shandong, 2008; E2: Liaocheng, Shandong, 2008.

● Additive QTL ■ Epistatic QTL ▲Dominance QTL

图2 小麦株高的加性、显性和上位QTL 在染色体上的位置

Fig. 2 Positions of additive, dominance, and epistatic QTLs for plant height

Abbreviations as in Table 2.

3 讨论

3.1 QTL 定位群体

作物性状QTL 定位使用的遗传群体主要包括分离群体(如F 2及其衍生的F 3、F 4家系、回交群体等)和永久性群体(如重组近交系、双单倍体群体、回交近交系以及近等基因系等)两大类型。F 2分离群体提供的遗传信息最为丰富,可以估算加性效应及显性效应。但由于该类群体的不同个体基因型不同, 有杂合体, 也有纯合体, 难以进行多年、多点重复试验, 群体一经自交就会改变个体的遗传组成, 无法永久使用; 重组近交系等永久性群体具备遗传一致的后代, 可以满足不同时间、地点的研究需要, 适于进行重复试验, 数据可以共享并不断积累, 但这类群体受自身遗传组成和基因频率的影响,不能估算显性效应, 除非群体足够大, 否则它们提供的信息不如

F 2等群体。可见这两类群体均存在一定的优缺点, 难以对数量性状的遗传机制进行全面的剖析。因此, 如何将两者的优势结合起来是令人感兴趣的问题。最近Hua 等[15]提出利用RIL 群体组配IF 2群体的思想, IF 2群体由永久群体中的每个纯合株系按一定组配方案两两杂交获得, 既具有F 2群体信息量大、可以估计显性效应以及与显性有关的上位性效应的优点, 又具有RILs 或DH 等永久群体可以组配出足量的种子满足多年多点试验需要, 以取得准确的表型观测值, 有利于鉴别紧密连锁的QTL 标记的优点。

本研究室近几年用花培3号和豫麦57构建的DH 群体进行了许多质量和品质性状的QTL 定位, 但DH 群体是单倍体通过染色体加倍形成的, 每个株系的形成只来自形成花粉时的一次减数分裂, 故重组信息量相对较少。为了研究株高等性状的更多遗传信息, 用该DH 群体的168个株系相互杂交, 构建

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了IF2群体, 并借助分子标记对各个组合的F1种子进行真假杂种鉴定, 保证了本研究IF2群体的质量和株高QTL定位的准确性。

3.2株高QTL

通常情况下, 小麦株高的降低会引起单株产量下降, 如何打破这种连锁关系, 一直是育种工作者关注的问题, 因此研究株高性状的遗传规律, 对小麦协调矮秆和高产的矛盾具有重要的应用价值。

本研究通过利用IF2群体在2个试验环境下种植的资料进行QTL分析, 共检测到7个与株高相关的QTL, 分别位于2D、3A、4B、4D、5B和6D。qPh4B 位于4B染色体上, Borner等[11]在相似的位置发现了同样的1个QTL, 并确定为矮秆基因Rht1的位点。qPh4D位于4D染色体上, 与Cadalen等[7]的研究结果一致, 相当于Rht2基因。位于3A染色体上的qPh3A, 与本课题组利用其他作图群体定位的QTL位置相符[9]。

使用IF2群体检测出影响小麦株高的1个显性效应位点, 位于2D染色体(图2), 可解释1.6%的表型变异, 该位点未见报道。小麦株高的1对上位效应位点位于5B~6D染色体(图2), 可解释1.7%的表型变异, 没有检测到上位效应与环境的互作效应。Snape等[3]和Sears[1]研究表明, 小麦21条染色体中的大部分都与株高的遗传变异有关, 而本试验中只检测到7个与小麦株高有关的QTL, 所能解释的株高变异只有20%, 说明仍有部分QTL未被检出。

本研究与前人结果存在差异, 其原因可能是试验材料和环境的差异, QTL分析软件的差异, 以及目前的图谱还不完善。为了取得更好的结果, 可采用更多的分子标记位点, 例如SNP和ISSR等, 进一步完善该遗传图谱。试验中检测到的与小麦株高性状紧密连锁的分子标记, 可用于分子标记辅助选择育种的研究。

4结论

采用324个SSR标记构建遗传图谱, 基于混合线性模型的QTLNetwork 2.0软件, 对一套IF2群体的株高性状进行QTL分析。检测到4个加性效应位点, 1个显性效应位点和1对上位效应位点, 解释株高变异的20%。其中, 位于4D染色体的qPh4D, 具有最大的遗传效应, 贡献率为7.5%, 在各环境中稳定表达。References

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