基于55KSNP芯片检测小麦株高性状QTL

　　摘要：株高是小麦遗传改良的重要性状之一，为进一步挖掘小麦株高的QTL位点，以小麦品系W7268和小麦品种川育12杂交得到的包含180个家系的重组自交群体(RIL)为材料，利用55KSNP芯片构建高密度遗传图谱，根据年共个环境的数据对株高性状进行QTL定位分析。结果表明，该图谱包含1598个SNP标记，全长2363.54cM，含有22个连锁群，覆盖全部21条染色体。三个基因组分别含有428、703和467个标记;覆盖染色体长度分别为741.89cM、678.17cM和943.48cM。对株高性状进行QTL分析，共检测出52个QTL，分布于1A、4A、5A、3B、4B、6B、7B、2D、3D、5D和7D染色体上，有25个QTL的加性效应来源于母本W7268，其余来自于父本川育12。单个QTL表型解释变异率为1.34%~27.61%，其中稳定主效的QTL有两个，分别为QPh.cib4B.1和QPh.cib2D.1，其贡献率分别为6.43%~27.61%和4.90%~11.97%。亲本及群体的PpdD1标记检测及遗传效应分析结果表明：QPht.cib2D.1可能为PpdD1，相较于PpdD1b，单倍型PpdD1a可降低株高0.77~5.55cm(0.83~5.86%)。本研究建立的遗传图谱可用于有效识别和发掘优异的遗传位点，鉴定的小麦株高QTL可用于小麦株高的分子标记辅助育种。

　　关键词：普通小麦;株高;QTL;55KSNP芯片

　　小麦(TriticumaestivumL.)是世界上最主要的粮食作物之一，为人类提供约25%的蛋白质，同时也是微量元素的重要来源[1]。株高(Plantheight,Pht)是小麦株型的主要构成因素之一，目前已报道并命名的矮杆基因有约29个，其中基因对外施赤霉素不敏感，其余个对外施赤霉素敏感[2]。小麦产量的提高与矮杆及半矮杆小麦品种的育成和推广密切相关，研究表明小麦半矮秆育种得以推广主要是由于Reducedheight(Rht1、Rht2)等基因的发掘与利用[34]。近年来研究发现，Rht1和Rht2单独存在时，均有降低株高的作用;同时存在时，降低株高起累加效应，千粒重显著降低[5]。

　　芯片设计论文范例： 玉米低密度育种芯片开发及在种质资源评价中的应用

　　利用QTL分析等方法，Rht8、Rht13[6]等矮杆基因也被发现与千粒重、穗粒数等产量相关性状的QTL共定位，并对产量具有明显影响，表明株高基因可能具有一因多效性。利用SReq等方法，对矮杆基因Rht12定位，发现其可降低株高约，减小叶片长度并表现为晚熟、粒小7]。利用WAS等方法，将矮杆基因Rht24定位于染色体上，发现其可以显著增加千粒重、穗粒数和单株穗数8]。

　　因此，发掘和利用新的矮杆基因位点一直是小麦研究的热点。迄今为止，已有大量的小麦株高QTL的研究与报道。梁子英等利用小麦品系“091146”和品系“42”杂交获得和2:3群体检测到了个与株高相关的QTL，这些QTL分别位于1B、4B、6A、6D和7A染色体上，单个QTL的解释表型变异率在0.29%~63.24%之间。Liu等利用普通小麦品系“ND3331”和西藏半野生小麦品种“Zang1817”杂交所构建的RIL群体在3A、4B和4D染色体上检测到与株高相关的QTL。Singh等10利用“Carberry”和“ACCadillac”构建的DH群体定位到了两个与株高相关的稳定QTL，分别解释表型变异13%~43%和3.4%~6.5%。这些QTL位点的发掘，为矮杆新基因的挖掘及效应分析提供了帮助。

　　尽管关于株高的QTL已有很多的报道，但是由于大部分位点的效应值较低且定位区间大，在生产上仅有Rht1、Rht2、Rht8、Rht10等基因有较多运用[1。随着现代分子生物学技术的发展，DNA芯片技术在小麦大规模SNP鉴定中得到了广泛的运用，如50K、55K、90K和660K芯片[1等。利用芯片技术可以更快速、精确地定位QTL，为后期精细定位和图位克隆打下基础。W7268是本实验室选育的多花多粒、大粒重穗优良品系，育成品种川育12具有株型紧凑、杆硬、抗倒、抗逆力强、灌浆快、落黄好、易脱粒等特点。本研究以W7268为母本，川育12为父本构建重组自交系(RIL)群体，利用55K芯片技术进行全基因组多态性扫描，构建高密遗传图谱，并对该群体的株高性状进行QTL定位，以获得QTL候选区段，进一步丰富小麦株高性状的遗传基础。

　　1材料与方法

　　1.1试验材料

　　本研究使用亲本组合W7268和川育12以单籽粒传法衍生得到的180个重组自交系(RIL)代群体。亲本及RIL群体材料来源于本实验室。

　　1.2田间试验设计W7268、川育12及其180个RIL家系在个试验点种植：2018年双流(018SL)、2019年双流(019SL)、2019年什邡(019SF)、2020年双流(020SL)、2020年什邡(020SF)。试验采取随机区组设计，1.2单行种植，行距20cm，每行点播11粒，重复次。按常规方法进行试验管理。

　　1.3表型鉴定与统计分析小麦自然成熟收获后，参照《小麦种植资源描述规范和数据标准》[1，每个株系随机选取个单株用于表型考察，取平均值用于表型及遗传分析。利用MicrosoftExecl2007和SPSS22.0对株高性状数据进行整理和分析，利用软件QTLIciMapping4.1中的ANOVA功能进行遗传力以及最佳线性无偏估计(BestLinerUnbiasedEstimated,BLUE)的计算。

　　1.4DNA的提取与分子标记的检测取2g左右新鲜幼嫩的植株叶片，于液氮中备用。采用TAB法提取80个家系及亲本NA，用乙醇清洗次，风干后加入适量的去离子水溶解NA，再用紫外分光光度计检测其纯度和浓度。SNP标记由北京博奥晶典生物有限技术公司检测，其多态性分析使用软件AxiomAnalysisSuite3.1.51进行分析。

　　1.5遗传图谱的构建与QTL定位参考Yan等的方法[1，对芯片检测所得到的具有多态性的SNP标记进行基因型分析。利用JionMap®4[1构建全基因组遗传图谱。LOD阈值设为，采用Regressionmapping的作图方法，利用Kosambi函数将重组率转化为遗传距离，然后利用MapChart©[1绘制遗传图谱。

　　QTL分析则利用软件QTLIciMapping4.1，进行复合完备区间作图(ICIMADD)，在0.05显著性下使用1000次获得LOD阈值，作为判定QTL存在与否的标准。QTL的置信区间(Confidenceinterval,CI)为LRs(Likelihoodratios)峰值±1所在位置。QTL命名参照McIntosh等[1的方法，如“Q+性状名称缩写染色体编号编号(如有多个QTL)”。

　　1.PpdD1遗传效应分析参考Beales等[1的方法以photoperiod(PpdD1)两种单倍型PpdD1a和PpdD1b的引物分别对亲本和RIL家系进行检测，记录基因分型结果，用软件GraphPadPrismversion8.0.1分析PpdD1的遗传效应。

　　2结果与分析

　　经55K芯片分析，亲本间具多态性的SNP标记共有11077个，以missingrate为20%，value为0.01为参数，进一步得到共计2186个BINMarker用于遗传图谱的构建。获得的遗传图谱含有22个连锁群，全长2398.67cM，覆盖基因组全部21条染色体，其中有两个连锁群。该图谱共包含1598个SNP标记，其中基因组有428个标记，基因组含467个标记，基因组标记最多(703个)且长度最短，为678.17cM。

　　2.1株高QTL的定位结果

　　结合遗传图谱和年个环境的表型数据，共检测到52个与株高相关的QTL，分布于1A、4A、5A、3B、4B、6B、7B、2D、3D、5D和7D，共11条染色体上。其中，4B染色体上的QPh.cib4B.1在五个环境下均检测到，可以解释6.43%~27.61%的表型变异，该位点的加性效应由川育12提供，是一个稳定主效的QTL位点。

　　2D染色体上的QPh.cib2D.1为稳定主效的QTL位点，在四个环境下检测到，可以解释4.90%~11.97%的表型变异率，其正效应位点来源于W7268。QPh.cib5A.1、QPh.cib3B.1、QPh.cib6B、QPh.cib3D.1、QPh.cib5D.1和QPh.cib5D.3可以在三个环境下检测到，解释表型变异率在2.54%和13.33%之间。其中QPh.cib1A.1、QPh.cib4A.1和QPh.cib5A.2可在两个环境下检测到，可以解释2.72%~3.52%的表型变异。其余QTL均只在一个环境下检测到，可以解释1.34%~16.30%的表型变异。

　　3讨论

　　3.1遗传图谱构建

　　亲本的选择直接影响构建遗传图谱的难易程度以及遗传图谱的适用范围，亲本的遗传差异是构建遗传图谱的基础。亲本遗传差异大，亲缘关系远，作物的多态性较高，所构建的遗传图谱可信度高;然而亲本的差异过大，将会影响影响染色体的重组，导致严重的偏分离现象，降低遗传图谱的可信度与适用范围。本研究所用亲本W7268和川育12在主要的农艺性状上具有显著的差异，遗传背景广泛，是理想亲本组合，所构建的RIL群体可有效用于遗传图谱的构建。本研究中亲本具有多态性的标记有11077个，其中有2186个BINmaker用于遗传图谱的构建，该图谱含22个连锁群，全长2363.54cM，平均标记间距1.48cM。

　　此遗传图谱覆盖的遗传距离长，标记平均距离小，覆盖21条染色体，是当前利用RIL群体构建的较为精密的遗传图谱之一，它的建立有利于识别和发掘优异遗传位点。其次，基因组标记最多，长度最短，平均标记间距0.88cM。基因组次之，为1.73cM，基因组的平均标记间距最大，为2.02cM。这可能与小麦基因组祖先种的遗传基础狭窄有关，前人构建的遗传图谱也有类似的报道[1。

　　3.2已知株高QTL的比较分析

　　本研究利用所构建的高密遗传图谱定位到两个与株高相关的稳定主效的QTL分别是QPht.cib4B.1和QPht.cib2D.1。QPht.cib4B.1的物理位置在21.94~36.01Mb之间，已克隆的RhtB1b(Rht1)在4B染色体上30.86Mb处，QPht.cib4B.1与Rht1物理区间存在部分重叠，需要进一步研究QPht.cib4B.1与Rht1的相关性。

　　基因ht9定位于染色体长臂上，并与分子标记arc151紧密连锁，物理位置位于558.34M处，而本研究中定位到的TL位点QPh.cib5A.1的物理位置在549.97Mb~558.94M之间，与基因Rht9物理位置部分重合，因此推测TL可能是基因Rht的位点。riffith等(012)24利用个群体定位到了04个与株高相关的TL位点，分别与1A、1B、1D、2A、2B、2D、3A、3B、4B、4D、5A、5B、6A、6B和6D染色体上。武炳瑾等(017)利用以周525B和小偃衍生的IL群体检测到个控制株高的QTL，分布于、4A、4D、6B、7A、7B和7D染色体上，上的TL与分子标记S00069116_51紧密连锁。

　　本研究定位的TL位点QPh.cib6B，其表型解释变异率较低，在.28%7.63%之间。该位点与前人所报道的QTL位点距离较远，推测可能是一个新的TL位点。其次，QPh.cib3B.1、QPh.cib3D.1、QPh.cib5D.1和QPh.cib5D.3虽然在个环境下检测到，但是其表型解释变异率均偏低，因此不是稳定主效的TL位点。其余在单个环境下检测到的TL的位点可能是受环境影响的特异TL位点。2D染色体上已有多个关于株高的QTL被报道，本研究发现的QPht.cib2D.1位点与已报道的株高QTL位点不一致。

　　QPht.cib2D.1与位于2D染色体的短臂上Rht8[2相比，前者的物理区间为32.80~34.43Mb，而Rht8则位于19.6Mb处，距离较远，可能不是同一个基因。而Pht.cib2D.1与PpdD1(photoperiod)的物理区间有部分重叠，PpdD1是光周期敏感基因，与小麦对环境的适应性密切相关，对植物的开花及株高等性状都有影响，而PpdD1如何影响小麦株高的遗传机制尚未有相关的报道18]。本群体含有PpdD1的两种单倍型，分别是PpdD1a和PpdD1b，遗传效应分析表明，两种基因型降低株高的程度不同，PpdD1a降低株高的效应大于PpdD1b，最高可达5.55cm(5.86%)，这与Wilhelm等用372个小麦材料分析单倍型PpdD1a和PpdD1b降低株高的效应研究结果一致。

　　本研究中在个环境下均能检测到PpdD1对株高产生的遗传效应，但只在三个环境下表现显著或极显著，可能是由于QPht.cib4B.1的贡献率大于QPht.cib2D.1的贡献率。4结论综上所述，本研究构建了“W7268川育12”RIL群体的遗传图谱，获得了52个与株高相关的QTL，其中QPht.cib4B.1和QPht.cib2D.1为稳定主效的QTL，QPh.cib6B可能是一个新的TL位点。本研究建立的遗传图谱可用于优异遗传位点的发掘，同时鉴定的小麦株高QTL可用于小麦株高的分子标记辅助育种。

　　参考文献eferences

　　1ShiferawB,SmaleM,BraunHJ,DuveillerE,ReynoldsM,MurichoG.Cropsthatfeedtheworld10.Pastsuccessesandfuturechallengestotheroleplayedbywheatinglobalfoodsecurity[J].FoodSecur,2013,(3)

　　2韩玉洲,张勇,杨阳,顾正中,吴科,谢全,孔忠新,贾海燕,马正强.小麦株高QTLQph.nau5B的效应评价[J].作物学报,2020.https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20201231.0927.002.htmlanYZ,ZhangY,YangY,GZZ,WK,XieQ,KongZX,JiaHY,MaZQ.EffectevaluationofQTLQph.nau5Bcontrollingplantheightinwheat[J].ActaAgronSin,2020.https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20201231.0927.002.html

　　作者：廖思敏1,2冯波1**徐智斌樊小莉周强纪光思刘小凤余琴王涛