一個位於1BL染色體上的小麥分櫱數新主效位點的鑑定和驗證

本文轉載自微信公眾號「小麥遺傳與育種」。這個號是四川農大馬建老師發起的，請大家多多關注。

除此之外，據我所知，小麥科研方面的公眾號還有中科院遺傳發育所劉志勇老師課題組的公眾號「小麥基因組與遺傳育種」以及河北農大王逍冬老師主辦的「小麥時代WheatTimes」。也歡迎大家一併關注。如果其他小麥課題組也有公眾號，歡迎大家推薦給我們。我們收集後再推薦給大家。

小麥的分櫱數通過影響單位面積的穗數進而影響小麥產量。冬小麥品系20828具有高抗條銹病(Liu et al. 2018; Ma et al. 2019b)和多小穗特性(Ma et al. 2019a)。品系SY95-71具有高感條銹病但株型較好的特性，因此在育種中常作為誘發材料和育種親本。在水稻中，分櫱數基因的研究較多，且已有許多基因被克隆並應用於水稻育種。然而，在小麥中分櫱數的研究相對較少，因此需要加快對小麥分櫱數的研究，最終達到提升產量的目的。四川農業大學小麥所鄭有良教授研究團隊前期利用小麥55K SNP晶片和SSR標記對20828與SY95-71雜交創製的含有128個株系的重組自交系群體（2SY群體）進行基因分型，構建了2SY群體的遺傳連鎖圖譜，圖譜總長度4273.03 cM，平均標記密度為1.69cM/marker（圖1）。

圖1 2SY群體的遺傳連鎖圖譜

基於構建的遺傳連鎖圖譜以及該群體三年八個生態點的分櫱數表型（圖2），對分櫱數進行了QTL鑑定以及在2個具有不同遺傳背景中的驗證。

圖2 親本和部分後代株系的分櫱數表型

1. 分櫱數表型分析

親本SY95-71的分櫱顯著多於親本20828，並且重組自交系群體中分櫱數的表型值都呈連續分布趨勢，有利於進行分櫱數QTL的檢測。SY95-71的平均分櫱數為11.80，20828的平均分櫱數為7.62；其後代群體中最大分櫱數和最小分櫱數分別為1.00和33.00 （圖3）。

圖3 分櫱數表型分布直方圖

2. 分櫱數QTL鑑定

基於QTL分析，在1B、4A、6A和7A（2個）染色體上共檢測到5個分櫱數相關性狀QTL，這些能解釋0.81-55.71%的表型變異。其中Qetn-sau-1B.1在多個生態點中檢測到，且表現出較高的LOD值和表型變異值（LOD為2.87-16.54；PVE為4.82-55.71%），因此它被認為是主效的分櫱數QTL。同時我們使用軟體QTL Icimapping 4.0掃描了每個生態點所有染色體的LOD值，並對已鑑定到的5個分櫱數QTL進行了2-LOD置信區間的分析。結果表明這5個分櫱數QTL的置信區間與先前的QTL鑑定結果一致（圖4）。

圖4 5個分櫱數QTL的2-LOD置信區間

3. 主效分櫱數QTL的驗證

基於QTL側翼的SNP標記AX-110129912，成功開發出與Qetn-sau-1B.1緊密連鎖的KASP標記KASP-AX-110129912(Ma et al. 2020)。用該標記對主效QTLQetn-sau-1B.1在2個不同的遺傳背景群體中進行驗證，T檢驗結果表明含有Qetn-sau-1B.1位點的『SY95-71』增效位點的株系比不含該位點的株系的分櫱數平均增加22.55%（圖5）。

圖5Qetn-sau-1B.1在兩個具有不同遺傳背景群體中的驗證

4.Qetn-sau-1B.1與產量性狀的相關性分析

基於已開發的緊密連鎖標記KASP-AX-110129912在2SY群體中的分型結果，將該群體分為2個組（攜帶SY95-71純合等位基因和攜帶20828純合等位基因的株系），隨後將這些株系的千粒重（TKW）、開花期（AD）、小穗數（SNS）、株高（PH）和單位面積的產量（Yield）進行顯著性分析。結果表明，Qetn-sau-1B.1顯著影響千粒重（圖6a）；然而，該QTL並不能影響開花期、小穗數、株高以及單位面積的產量（圖6b-e）。

圖6Qetn-sau-1B.1與產量性狀的關係

5.Qetn-sau-1B.1區間內基因預測

Qetn-sau-1B.1定位染色體1BL上標記AX-89635557和AX-111544678的6.17cM區間，其對應中國春和野生二粒小麥物理圖譜的區間分別為51.88Mbp和50.80Mbp。該區間內兩者所包含的基因分別為417和813個，其中同源基因有112個，與分櫱數調控相關的同源基因有3個（圖7）。如下：TraesCS1B01G313400.1，TraesCS1B01G321800.1以及TraesCS1B01G322900.1（圖7）。以上結果為分櫱數QTL後續的精細定位和克隆工作奠定了基礎。

圖7Qetn-sau-1B.1的物理區間以及區間內基因的預測

6. 全文總結

在本研究中，分櫱數的H2相對較低（0.40），不同生態點之間的相關性較差（部分生態點沒有相關性）；這些結果表明分櫱數受環境和遺傳影響。此外，我們在Qetn-sau-1B.1區間內未檢測到千粒重、開花期、小穗數以及株高相關的QTL，該結果表明該分櫱數位點可能不是一個多效位點。

Qetn-sau-1B.1位於染色體1BL上的bin 1BL1-0.47–0.69區間內（圖7）。然而在前人研究中，也有很多與分櫱數相關的QTL或者基因位於染色體1B。例如QTp.ccsu-1B.1（93.91–94.23 Mbp）、QTn.ipk-1B（bin C-1BL6-0.32）、QSnp.wa -1BL.e3（672.33 Mbp）和QPtn.sau-1B（674.62 Mbp）。這些QTL均與Qetn-sau-1B.1沒有物理區間的重合，因此Qetn-sau-1B.1可能是一個新的分櫱數位點。

綜上所述，我們檢測到了1個新的、主效、穩定的分櫱數QTL，同時也在2個不同遺傳背景的群體中驗證了Qetn-sau-1B.1的遺傳效應。通過分析該分櫱數QTL與產量性狀的關係發現，分櫱數隻與千粒重顯著相關，且顯著影響千粒重，與其他產量性狀不相關也不影響（圖6）。分櫱數多的小麥，千粒重越高。但是在實際生產中並非如此，分櫱數越多，空間利用率下降，植株生長會受到限制，最終會導致整體產量不變甚至下降。因此適當的分櫱數才有利於小麥的高產和穩產。

該結果於2020年7月30日發表在Plant Molecular Biology雜誌上（A novel, major, and validated QTL for the effective tiller number located on chromosome arm 1BL in bread wheat）。

文章連結：

該研究得到國家自然科學基金、四川省重大科技專項課題、四川省科技廳應用基礎項目和四川省留學人員科技活動項目擇優資助重點項目的資助。

主要參考文獻：

Liu J, Luo W, Qin N, Ding P, Zhang H, Yang C, Mu Y, Tang H, Liu Y, Li W, Jiang Q, Chen G, Wei Y, Zheng Y, Liu C, Lan X, Ma J (2018) A 55 K SNP array-based genetic map and its utilization in QTL mapping for productive tiller number in common wheat. Theor Appl Genet 131:2439-2450

Ma J, Ding P, Liu J, Li T, Zou Y, Habib A, Mu Y, Tang H, Jiang Q, Liu Y, Chen G, Wang J, Deng M, Qi P, Li W, Pu Z, Zheng Y, Wei Y, Lan X (2019a) Identification and validation of a major and stably expressed QTL for spikelet number per spike in bread wheat. Theor Appl Genet 132:3155-3167

Ma J, Qin N, Cai B, Chen G, Ding P, Zhang H, Yang C, Huang L, Mu Y, Tang H, Liu Y, Liu Y, Wang J, Qi P, Jiang Q, Zheng Y, Liu C, Lan X, Wei Y (2019b) Identification and validation of a novel major QTL for all-stage stripe rust resistance on 1BL in the winter wheat line 20828. Theor Appl Genet 132:1363-1373

Ma J, Tu Y, Zhu J, Luo W, Liu H, Li C, Li S, Liu J, Ding P, Habib A, Mu Y, Tang H, Liu, Y, Jiang Q, Chen G, Wang J, Li W, Pu Z, Zheng Y, Wei Y, Kang H, Chen G, Lan X (2020) Flag leaf size and posture of bread wheat: genetic dissection, QTL validation and their relationships with yield-related traits. Theor Appl Genet 133:297-315