小麥苗期氮營養(yǎng)效率相關(guān)性狀的QTL分析 苗期 性狀 小麥 效率 營養(yǎng)

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小麥苗期氮營養(yǎng)效率相關(guān)性狀的QTL分析本文簡介：摘要小麥〔TriticumaestivumL.〕是我國和世界最重要的糧食作物之一。小麥的產(chǎn)量和質(zhì)量直接影響著我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)開展和糧食平安。氮元素是植物的三大礦質(zhì)營養(yǎng)元素之一，影響著小麥的生長發(fā)育和產(chǎn)量，長期以來人們通過補施氮肥維持小麥高產(chǎn)，但是氮肥利用效率普遍較低，而且造成了消費本錢增加、

小麥苗期氮營養(yǎng)效率相關(guān)性狀的QTL分析本文內(nèi)容：

摘要

小麥〔TriticumaestivumL.〕是我國和世界最重要的糧食作物之一。小麥的產(chǎn)量和質(zhì)量直接影響著我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)開展和糧食平安。氮元素是植物的三大礦質(zhì)營養(yǎng)元素之一，影響著小麥的生長發(fā)育和產(chǎn)量，長期以來人們通過補施氮肥維持小麥高產(chǎn)，但是氮肥利用效率普遍較低，而且造成了消費本錢增加、資源枯竭和環(huán)境污染等問題。本研究以"山農(nóng)0431x魯麥21";衍生的小麥RIL群體〔176個家系，SL-RIL〕為研究材料，采用苗期營養(yǎng)水培實驗，設(shè)置高氮〔HN〕、中氮〔MN〕、低氮〔LN〕共3種處理，進展兩年試驗，測定不同氮含量處理下的氮養(yǎng)分效率相關(guān)的14個性狀，并結(jié)合分子標記遺傳圖譜，進展小麥苗期氮營養(yǎng)效率相關(guān)的QTL分析，為氮營養(yǎng)相關(guān)性狀的基因克隆和分子標記輔助選擇育種提供參考。試驗結(jié)果說明：

〔1〕表型變異分析說明，SL-RIL群體不同氮處理環(huán)境下14個苗期性狀在基因型間均表現(xiàn)極顯著差異〔ple;0.001〕；母本山農(nóng)0431在不同N處理環(huán)境下所有被測定性狀的數(shù)值均明顯大于父本魯麥21；各株系在不同處理下表現(xiàn)出性狀變異范圍大、超親現(xiàn)象明顯的特點，多數(shù)〔78.6%〕的性狀變異系數(shù)超過10%；除RDW外，廣義遺傳力都在50%以上，變異范圍為40.01-90.28%；多數(shù)性狀間相關(guān)性達顯著程度。

〔2〕SL-RIL群體3個氮處理苗期14個性狀進展QTL分析說明，共檢測到168個QTL，位于3D以外的20條染色體，單個QTL可解釋表型變異的3.30~17.68%，53個QTL加性效應(yīng)為正值，說明QTL增加效應(yīng)來源于母本山農(nóng)0431；115個QTL加性效應(yīng)為負值，說明QTL增加效應(yīng)來源于父本魯麥21。

〔3〕168個QTL中，46個為RHF-QTL，涉及除SNCe以外的13個性狀，位于1A、2A、2B、3B、4D、5A、5B、5D、6A、6B、6D及7A染色體上，平均奉獻率為3.71~16.16%。38個RHF-QTL加性效應(yīng)為負值，說明QTL的增加效應(yīng)來自于父本魯麥21；8個RHF-QTL的加性效應(yīng)為正值，那么增加效應(yīng)來自于母本山農(nóng)0431。有20個RHF-QTL在單一N環(huán)境監(jiān)測到，22個RHF-QTL在2個N環(huán)境檢測到，4個RHF-QTL〔QTnue.4D.2、QSdw.5A、QSdw.5B-1.2、QRsdw.5D〕HN、MN、LN三種處理均檢測到，受環(huán)境影響小。

〔4〕本研究的QTL簇指染色體同一位置包含2個以上RHF-QTL。共獲得到9個QTL簇〔C1~C9〕，位于3B、4D、5A、5B、5D、6B、6D、7A染色體，共涉及33個RHF-QTL，占RHF-QTL總數(shù)的75.00%，增加效應(yīng)來自父本魯麥21。其中位于5A的C3包括8個RHF-QTL〔QRdw.5A、QRnce.5A.2、QSdw.5A、QSnc.5A、QSnue.5A、QTdw.5A、QTnc.5A.1、QTnue.5A〕，解釋平均表型變異的6.47~11.40%。QSdw.5A可以在3種氮處理中被檢測到，QRdw.5A、QSnc.5A、QTdw.5A、QTnc.5A、QSnue.5A、QTnue.5A在2種氮處理被檢測到，QRnce.5A僅在中氮條件下被檢測到。

關(guān)鍵詞：小麥；重組自交系；QTL；氮營養(yǎng)效率；苗期。

Abstract

Wheat(TriticumaestivumL.)isoneofthemostimportantstaplecropsintheworld.TheproductivityandqualityisveryimportantforagriculturalsustainabledevelopmentandthefoodsupplyinChina.Nitrogen(N)isoneofthethreemostimportantnutrientsforthegrowthandyieldimprovementofwheat.AlotofNfertilizersaresuppliedeveryyeartograinhighwheatproductivity.ButNefficiencyofwheatisrelativelow,whichincreasedcropproductioncosts,exhaustednon-renewableNresources,andcausedaseriesofenvironmentalproblems.

Inthisstudy,weconductthequantitativetraitloci(QTL)analysisusingasetof176rebinantinbredlines(RILs)derivedfroma"Shannong0431xLumai21";(SN0431xLM21)cross(SL-RIL).The176RILsandtheirparentsweregrownunderhydroponiccultureingreenhouse.TheconcentrationsofNtreatmentswerehighN(HN),moderateN(MN)andlowN(LN).binedwithahigh-densitygeneticmap,QTLswerelocatedforNuseefficiencytraitsatthewheatseedlingstage.Thisshouldbehelpfulforgenecloningofrelatedtraitsandmolecularmarker-assistedselection(MAS)inbreedingprograms.Themainresultsareasfollows:

(1)Thevariationofphenotypeshowedthatsignificantdifference(ple;0.001)wasdetectedbetweengenotypesinall14targetedtraits.RelativevaluesoffemaleparentSN0431wasobviouslylargerthanthoseofmaleLM21foralltraitsunderdifferentNtreatments.ForRIlines,thewidevariationrangesandtransgressiveinheritanceunderdifferenttreatmentsweredetected.Thevariationcoefficientformosttraits(78.6%)washigherthan10%.Thebroad-senseheritabilityranged40.01-90.28%foralltraitsexceptforRDW.Thecorrelationcoefficientsweresignificantamongthemosttraits.

(2)QTLanalysiswascarriedoutforthe14traitsattheseedlingstageunderthreeNtreatments,theresultshowedthatatotalof168QTLsweredetectedon20chromosomesexceptfor3D.TheindividualQTLcouldexplain3.30%-17.68%ofthephenotypicvariations.Anumberof53SN0431derivedQTLsshowedpositiveadditiveeffects,whereas115LM21dirivedQTLshadnegativeadditiveeffects.

(3)Atotalof46RHF-QTLsweredetectedonchromosomes1A,2A,2B,3B,4D,5A,5B,5D,6A、6B,6Dand7Afor13traitsexceptforSNCe.Theaveragecontributionsrangedfrom3.71to16.16%.Amumberof38LM21dirivedRHF-QTLsshowednegativeadditiveeffects,whereas8SN0431dirivedRHF-QTLshadnegativepositiveadditiveeffects.Anumberof20and22RHF-QTLswerefoundunderasingleandtwoNenvironment(s),respectively.FourRHF-QTLs(QTnue.4D.2、QSdw.5A、QSdw.5B-1.2、QRsdw.5D)weredetectedunderallthethreeenvironments,HN,MNandLN,indicatingtheywereaffecteddiminutivelybyenvironment.

(4)Theclusterwasdefinedastheco-locationofRHF-QTLsformorethantwotraitsinthisstudy.NineQTLclusters(C1-C9)weremappedoneightchromosomes:3B,4D,5A,5B,5D,6B,6Dand7A,including33RHF-QTLs(75.00%).TheincreasingeffectsofQTLsefromLM21.TheclusterC3includedeightRHF-QTLs(QRdw.5A,QRnce.5A.2,QSdw.5A,QSnc.5A,QSnue.5A,QTdw.5A,QTnc.5A.1,QTnue.5A)withthecontributionsof6.47-11.40%.QSdw.5Awasdetectedunderallthethreeenvironments,QRdw.5A,QSnc.5A,QTdw.5A,QTnc.5A,QSnue.5AandQTnue.5Aweredetectedundertwoenvironments,andQTnue.5AwasdetectedonlyunderMN.

Keywords:wheat;rebinantinbredline(RIL);quatitavetraitloci(QTL);Nefiiciency;seedlingstage。

1引言

小麥是世界上最早栽培的作物之一，同時也是世界上重要的谷物，全世界1/3以上的人口以小麥作為主食，全球貿(mào)易量常年保持1億噸以上，居世界首位。2022~2022年，世界小麥面積和產(chǎn)量分別占糧食作物總面積和產(chǎn)量的29.8%和33.2%〔Hischenhuberetal.,2022;Etienneetal.,2022〕。小麥是我國北方人民的主要口糧，每年種植面積約2300萬公頃，占全國糧食消費總額的1/5以上，居第三位，僅次于水稻和玉米〔何中虎等,2022〕。

氮素是作物生長發(fā)育必需的最重要的大量元素。據(jù)統(tǒng)計，氮肥施入土壤后，僅有30～35%被作物吸收〔Goodetal.,2022〕。全球人口的增加對糧食產(chǎn)量提出了更高的要求。

為增加作物產(chǎn)量，大量的氮肥資源被投入農(nóng)田，然而肥料利用率較低，造成了大量的能源消耗并導(dǎo)致了嚴重的環(huán)境問題〔Broadbentetal.,1987;DeDattaetal.,1988;Glies.,2022;SchachtmanandShin.,2022;Davidson.,2022;Jinetal.,2022;Zhangetal.,2022)〕。近40年來，世界范圍內(nèi)糧食產(chǎn)量增加了2倍，而氮肥的施用量卻增加了7倍〔Hireletal.,2022〕。

因此，培育養(yǎng)分高效利用的農(nóng)作物新品種是第二次綠色革命的重要目的，而深化討論小麥氮效率的遺傳根底是進展小麥遺傳改進的前提。

氮效率包括氮吸收效率和利用效率兩個方面，表達了作物利用土壤中的氮元素構(gòu)成作物產(chǎn)量的才能。氮吸收效率反映了根系從土壤或培養(yǎng)液中吸收氮素的才能，而氮利用效率那么反映了作物體內(nèi)重新分配利用氮素以維持正常生物量的才能〔Kongetal.,2022〕。

氮高效說明植株可以在較低程度的氮養(yǎng)分條件下吸收較多的氮〔氮吸收效率高〕，或者單位氮養(yǎng)分可更多地轉(zhuǎn)化為籽粒產(chǎn)量〔氮利用效率高〕。不少學(xué)者開展了小麥氮素利用率研究，主要集中在氮高效生理以及氮素利用率相關(guān)性狀間的互相關(guān)系〔Wuetal.,1995;Ladhaetal.,1998;Cassmanetal.,1998;Singhetal.,1998;Jiangetal.,2022;Tongetal.,2022;Wangetal.,2022;Mahjourimajdetal.,2022〕，但氮素利用率遺傳研究相對較少。

氮營養(yǎng)相關(guān)性狀是典型的數(shù)量性狀，數(shù)量性狀基因座〔quantitativetraitlocus,QTL〕分析可以把復(fù)雜的數(shù)量性狀分解成不同的QTL，并明確QTL所在的染色體位置和效應(yīng)的大小，進而為復(fù)雜性狀遺傳控制的研究提供了一種有效的新方法〔Doerge,2022〕。

因此，對氮營養(yǎng)相關(guān)性狀進展QTL分析，可以挖掘控制小麥氮素吸收利用的基因座，進而為小麥育種相關(guān)理論研究提供根底。

1.1小麥氮高效基因型的鑒定。

礦質(zhì)營養(yǎng)高效的基因型包括兩種類型：一是為低肥程度下產(chǎn)量相對較高，但施肥增產(chǎn)效應(yīng)較低，屬于低投入高產(chǎn)出的省肥基因型；二是低肥程度下產(chǎn)量相對較低，但施肥增產(chǎn)效應(yīng)較高，屬于高投入高產(chǎn)出的基因型〔顧海永,2022〕。在氮效率方面，小麥存在非常豐富的變異類型。品種改進、氮肥配方施肥和農(nóng)藝技術(shù)的應(yīng)用是進步小麥氮肥利用效率的有效途徑，而選育氮高效作物品種是關(guān)鍵。

小麥氮利用效率的鑒定和評價包括水培、盆栽、大田栽培等方法。一般采用苗期水培或成株期盆栽試驗進展初選，然后采用成熟期大田栽培試驗進展進一步鑒定。水培法的營養(yǎng)液一般參照Hoagland〔1950〕的配方，其中正常氮處理濃度為0.2mmol-L-1，低氮處理一般采用1/10氮濃度，即0.02mmol-L-1。在盆栽或大田栽培條件下，氮脅迫環(huán)境一般是播種介質(zhì)中有效氮含量在15mg-kg-1以下。也可以根據(jù)目的產(chǎn)量確定低氮和高氮處理，如畝產(chǎn)400kg〔低氮〕、畝產(chǎn)600kg〔高氮〕的需氮量。

氮含量測定是氮利用效率鑒定的根底，但是氮含量測定的步驟繁瑣，這在很大程度上限制了氮利用效率的大規(guī)模鑒定。不同基因型氮效率的指標主要有產(chǎn)量、生物量、氮素積累量、莖葉氮素累積量、莖葉含氮量、地上部生物量、根生物量等〔張錫洲等，2022；趙春波等，2022；趙付江等，2022；黃永蘭等，2022；張俊國等，2022；鐘思榮等，2022〕。

作物的產(chǎn)量是種植者和育種者直接追求的指標，用來評價不同基因型的耐低氮性和氮利用效率也最具有說服力，是主要的氮利用效率的評價指標，但產(chǎn)量評價必須在成熟收獲時期進展。人們一直在尋找既能代替含氮量測定，又能簡單、快速、直觀地反映氮養(yǎng)分效率且遺傳力較高的形態(tài)指標或生理指標。氮高效鑒定評價應(yīng)以一個或幾個評價指標為主，并輔以多個參考指標綜合評價，才能確保試驗結(jié)果的準確性。路文靜等〔2022〕在不同氮處理條件下，研究了不同氮效率小麥品種的籽粒含量、植株含氮量和植株氮累積量及氮效率相關(guān)的生理參數(shù)。

不同氮處理下研究說明：不同小麥品種氮利用效率差異很大〔Claacute;rk.,1983;Wangetal.,2022〕。韓勝芳等〔2022〕發(fā)現(xiàn)不同氮效率小麥品種在氮素同化和代謝關(guān)鍵酶活性上存在著明顯的遺傳差異。低氮條件下，吸收高效小麥品種的根系干質(zhì)量大、根系生理活性強，是其植株氮素累積增加的重要原因；利用高效小麥品種的高氮利用效率，主要是由于其較強的氮素同化關(guān)鍵酶活性使植株體內(nèi)的氮素同化和代謝速率得到改善所致。

杜保見等〔2022〕對小麥苗期氮素吸收利用效率差異進展了聚類分析，初步確定"揚麥16";和"鑒76";為正常供氮和高氮條件下的氮高效型品種，"皖麥68";、"F605014";、"鑒62";和"安農(nóng)1026";為高氮條件下的氮高效型品種。董召娣等〔2022〕發(fā)現(xiàn)一樣施氮條件下，半冬性小麥品種的氮肥吸收效率和氮肥消費效率比春性小麥品種分別高12.19%和9.64%，差異均達顯著程度。其中氮肥吸收效率和氮肥消費效率最高的品種均為濟麥22，春性小麥兩個指標最高的品種均為揚麥15。路文靜等〔2022〕在不同氮處理條件下，發(fā)現(xiàn)低氮條件下氮高效品種滄核036表現(xiàn)的氮高效特征，是其具有較強的氮素吸收和同化才能。

1.2QTL定位及其在研究小麥氮效率中的應(yīng)用。

1.2.1分子標記和QTL定位。

數(shù)量性狀受多基因控制，存在著復(fù)雜的基因型之間、基因型與環(huán)境之間的互作機制，隨分子生物學(xué)和生物統(tǒng)計技術(shù)的迅速開展，應(yīng)運而生的QTL作圖技術(shù)為研究復(fù)雜數(shù)量性狀開拓了新途徑。

QTL作圖是通過分析整個染色體組的DNA標記和數(shù)量性狀表型值的關(guān)系情況，將QTL每個都定位到連鎖群的相應(yīng)位點，進而估測其遺傳效應(yīng)。它的一般步驟包括：〔1〕構(gòu)建作圖群體；〔2〕確定和挑選遺傳標記并構(gòu)建連鎖遺傳圖譜；〔3〕檢測別離世代群體中每一個體〔家系〕的標記基因型；〔4〕測量數(shù)量性狀；〔5〕統(tǒng)計分析標記基因型和數(shù)量性狀值是否存在關(guān)聯(lián)，確定QTL在染色體上的數(shù)目和位置，估測QTL的遺傳效應(yīng)。QTL定位的必要條件為：〔1〕高密度的連鎖遺傳圖〔一般要求標記間平均間隔小于15-20cM〕和相應(yīng)的統(tǒng)計分析方法；〔2〕目的性狀在群體中別離明顯，符合正態(tài)分布，在遺傳分析群體構(gòu)建選擇親本時要盡可能地選擇性狀表現(xiàn)差異大和親緣關(guān)系較遠的材料。

1.2.1.1作圖群體。

作圖群體是進展QTL定位的根底，其親本選擇的適宜與否是QTL定位成敗的關(guān)鍵因素之一。作圖群體可分為初級和次級作圖群體。

因遺傳別離特性和遺傳背景的穩(wěn)定性不同，初級作圖群體又分為暫時性群體和永久性群體。暫時性群體不能穩(wěn)定遺傳，其遺傳組成會因自交、近交而改變，如F2群體及衍生的F2-3，BC1、BC2等回交后代群體；永久性群體為同一株系內(nèi)個體間的遺傳背景一樣、自交后代群體不別離，可永久性用于遺傳分析，在不同時間地點進展多年多點試驗，為不同實驗室所分享，如重組自交系〔rebinantinbredlines，RIL〕群體、加倍單倍體〔doubledhaploid，DH〕群體等。近年來，大局部QTL研究是基于兩個親本構(gòu)建的RIL群體或DH群體〔Suetal.,2022;Guoetal.,2022;Ryanetal.,2022;ZhangandWang.,2022〕。假設(shè)選擇栽培品種或者骨干親本作RIL群體或DH群體的親本之一，那么將更有利于QTL定位結(jié)果應(yīng)用于育種理論。高尚等〔2022〕利用90k小麥SNP基因芯片技術(shù)，對包含188個家系的RIL群體進展多態(tài)性分析，并利用JoinMap構(gòu)建連鎖圖譜，圖譜包含7197個多態(tài)性SNP標記，構(gòu)建了包括43個連鎖群、6573個SNP標記的分子標記遺傳圖譜，標記間平均間距0.38cM。Zanke等〔2022〕利用358個歐洲冬麥品種組成的自然群體，將732個SSR標和7934個SNP標記映射到遺傳圖譜上，定位了控制小麥抽穗期的72個SSR和432個SNP位點，并與水稻、兩穗短柄草同源序列進展比對，發(fā)如今水稻上控制光周期的基因Hd6和小麥位5BL染色體上控制光周期的基因具有高度同源性。

次級作圖群體是指經(jīng)過雜交、多代回交和分子標記選擇與改進形成的群體，常用的有染色體片段代換系〔chromosomalsegmentsubstitutionline,CSSLs〕、單片段代換系〔singlesegmentsubstitutionlines，SSSLs〕、近等基因系〔nearisogeniclines，NILs〕、剩余雜合體群體〔residualheterozygouslines,RHLs〕等，其共同特點是遺傳背景相似，僅帶有少數(shù)供體親本的染色體片段，是進展QTL精細定位的良好材料。Xue等〔2022〕采用CSSLs群體圖位克隆了1個同時控制水稻株高、抽穗期和每穗粒數(shù)的基因Ghd7。

楊德衛(wèi)等〔2022〕以9311和Nipponbar雜交、回交構(gòu)建的CSSL群體為材料，定位到4個抽穗期相關(guān)的QTL，最終將qHD-3和qHD-8分別精細定位在第3號染色體RM3166-RM16206和第8號染色體RM4085-RM8271之間。周勇等〔2022〕利用廣陸矮4號/日本晴的CSSL群體鑒定出1個控制抽穗期的主效QTL-qHd8.1，并利用BC4F2:3群體精細定位了該基因。

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1.2.1.2分子標記

1.2.1.