研途小记|一个位于1BL染色体上的小麦分蘖数新主效位点的鉴定和验证

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小麦的分蘖数通过影响单位面积的穗数进而影响小麦产量。冬小麦品系20828具有高抗条锈病(Liu et al. 2018; Ma et al. 2019b)和多小穗特性(Ma et al. 2019a)。品系SY95-71具有高感条锈病但株型较好的特性，因此在育种中常作为诱发材料和育种亲本。在水稻中，分蘖数基因的研究较多，且已有许多基因被克隆并应用于水稻育种。然而，在小麦中分蘖数的研究相对较少，因此需要加快对小麦分蘖数的研究，最终达到提升产量的目的。四川农业大学小麦所郑有良教授研究团队前期利用小麦55K SNP芯片和SSR标记对20828与SY95-71杂交创制的含有128个株系的重组自交系群体（2SY群体）进行基因分型，构建了2SY群体的遗传连锁图谱，图谱总长度4273.03 cM，平均标记密度为1.69cM/marker（图1）。

图1 2SY群体的遗传连锁图谱

基于构建的遗传连锁图谱以及该群体三年八个生态点的分蘖数表型（图2），对分蘖数进行了QTL鉴定以及在2个具有不同遗传背景中的验证。

图2 亲本和部分后代株系的分蘖数表型

1. 分蘖数表型分析

亲本SY95-71的分蘖显著多于亲本20828，并且重组自交系群体中分蘖数的表型值都呈连续分布趋势，有利于进行分蘖数QTL的检测。SY95-71的平均分蘖数为11.80，20828的平均分蘖数为7.62；其后代群体中最大分蘖数和最小分蘖数分别为1.00和33.00 （图3）。

图3 分蘖数表型分布直方图

2. 分蘖数QTL鉴定

基于QTL分析，在1B、4A、6A和7A（2个）染色体上共检测到5个分蘖数相关性状QTL，这些能解释0.81-55.71%的表型变异。其中Qetn-sau-1B.1在多个生态点中检测到，且表现出较高的LOD值和表型变异值（LOD为2.87-16.54；PVE为4.82-55.71%），因此它被认为是主效的分蘖数QTL。同时我们使用软件QTL Icimapping 4.0扫描了每个生态点所有染色体的LOD值，并对已鉴定到的5个分蘖数QTL进行了2-LOD置信区间的分析。结果表明这5个分蘖数QTL的置信区间与先前的QTL鉴定结果一致（图4）。

图4 5个分蘖数QTL的2-LOD置信区间

3. 主效分蘖数QTL的验证

基于QTL侧翼的SNP标记AX-110129912，成功开发出与Qetn-sau-1B.1紧密连锁的KASP标记KASP-AX-110129912 (Ma et al. 2020)。用该标记对主效QTL Qetn-sau-1B.1在2个不同的遗传背景群体中进行验证，T检验结果表明含有Qetn-sau-1B.1位点的‘SY95-71’增效位点的株系比不含该位点的株系的分蘖数平均增加22.55%（图5）。

图5 Qetn-sau-1B.1 在两个具有不同遗传背景群体中的验证

4. Qetn-sau-1B.1与产量性状的相关性分析

基于已开发的紧密连锁标记KASP-AX-110129912在2SY群体中的分型结果，将该群体分为2个组（携带SY95-71纯合等位基因和携带20828纯合等位基因的株系），随后将这些株系的千粒重（TKW）、开花期（AD）、小穗数（SNS）、株高（PH）和单位面积的产量（Yield）进行显著性分析。结果表明，Qetn-sau-1B.1显著影响千粒重（图6a）；然而，该QTL并不能影响开花期、小穗数、株高以及单位面积的产量（图6b-e）。

图6 Qetn-sau-1B.1与产量性状的关系

5. Qetn-sau-1B.1区间内基因预测

Qetn-sau-1B.1定位染色体1BL上标记AX-89635557和AX-111544678的6.17cM区间，其对应中国春和野生二粒小麦物理图谱的区间分别为51.88Mbp和50.80Mbp。该区间内两者所包含的基因分别为417和813个，其中同源基因有112个，与分蘖数调控相关的同源基因有3个（图7）。如下：TraesCS1B01G313400.1，TraesCS1B01G321800.1以及TraesCS1B01G322900.1（图7）。以上结果为分蘖数QTL后续的精细定位和克隆工作奠定了基础。

图7 Qetn-sau-1B.1 的物理区间以及区间内基因的预测

6. 全文总结

在本研究中，分蘖数的H²相对较低（0.40），不同生态点之间的相关性较差（部分生态点没有相关性）；这些结果表明分蘖数受环境和遗传影响。此外，我们在Qetn-sau-1B.1区间内未检测到千粒重、开花期、小穗数以及株高相关的QTL，该结果表明该分蘖数位点可能不是一个多效位点。

Qetn-sau-1B.1位于染色体1BL上的bin 1BL1-0.47–0.69区间内（图7）。然而在前人研究中，也有很多与分蘖数相关的QTL或者基因位于染色体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）。这些QTL均与 Qetn-sau-1B.1没有物理区间的重合，因此Qetn-sau-1B.1可能是一个新的分蘖数位点。

综上所述，我们检测到了1个新的、主效、稳定的分蘖数QTL，同时也在2个不同遗传背景的群体中验证了Qetn-sau-1B.1的遗传效应。通过分析该分蘖数QTL与产量性状的关系发现，分蘖数只与千粒重显著相关，且显著影响千粒重，与其他产量性状不相关也不影响（图6）。分蘖数多的小麦，千粒重越高。但是在实际生产中并非如此，分蘖数越多，空间利用率下降，植株生长会受到限制，最终会导致整体产量不变甚至下降。因此适当的分蘖数才有利于小麦的高产和稳产。

该结果于2020年7月30日发表在Plant Molecular Biology杂志上（A novel, major, and validated QTL for the effective tiller number located on chromosome arm 1BL in bread wheat）。

文章链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s11103-020-01035-6

该研究得到国家自然科学基金、四川省重大科技专项课题、四川省科技厅应用基础项目和四川省留学人员科技活动项目择优资助重点项目的资助。

主要参考文献：

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