中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (5): 831-845.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.05.001
卫乃翠1,2(), 陶金博2(), 苑名杨2, 张彧3, 开梦想2, 乔玲1, 武棒棒1, 郝宇琼1, 郑兴卫1, 王娟玲2, 赵佳佳1(), 郑军1()
收稿日期:
2023-08-02
接受日期:
2023-09-26
出版日期:
2024-03-01
发布日期:
2024-03-06
通信作者:
联系方式:
卫乃翠,E-mail:cuiuiui_999@163.com。陶金博,E-mail:tx10190245@163.com。卫乃翠和陶金博为同等贡献作者。
基金资助:
WEI NaiCui1,2(), TAO JinBo2(), YUAN MingYang2, ZHANG Yu3, KAI MengXiang2, QIAO Ling1, WU BangBang1, HAO YuQiong1, ZHENG XingWei1, WANG JuanLing2, ZHAO JiaJia1(), ZHENG Jun1()
Received:
2023-08-02
Accepted:
2023-09-26
Published:
2024-03-01
Online:
2024-03-06
摘要:
【目的】干旱与半干旱地区的水肥资源贫乏,而小麦不同基因型间的磷效率差异很大,因此,鉴选耐低磷种质、挖掘磷代谢遗传位点有助于小麦的遗传改良。【方法】以282份山西小麦品种为材料,在正常磷(0.2 mmol·L-1)、中度低磷(0.1 mmol·L-1)和低磷胁迫(0.01 mmol·L-1)3个磷浓度条件下对苗期根部鲜重、茎叶部鲜重、植株鲜重、根部干重、茎叶部干重、植株干重,最大根长、总根长、根表面积、根体积、根直径和根尖数共12个形态指标进行考查,运用主成分分析、隶属函数分析及聚类分析等方法综合评价苗期不同品种的耐低磷特性,在此基础上,分析苗期性状演变趋势及生物量分配等特征,并利用全基因组关联分析挖掘小麦耐低磷位点。【结果】苗期不同性状对低磷的响应程度不同,磷浓度降低导致生物量分配策略发生变化,与根部生长情况比较,地上部生长受磷浓度变化影响小;磷浓度降低会抑制地上部生长,地上部干重和鲜重显著降低,而低磷促进了根系生长,根部干重和鲜重、最大根长、总根长、根体积和根尖数等指标显著增加。根据耐低磷综合D值与形态指标相关分析发现最大根长和根直径可作为苗期耐低磷的筛选指标,D值聚类分析筛选到晋麦46、晋麦61、有芒大红茎、红秃麦、红和尚、白壳红、白线麦、火烧头和白山麦共9份耐低磷品种。性状演变分析发现品种耐低磷能力没有受到直接选择。耐低磷能力随年代变化先降后升,2010年之前品种耐低磷能力呈下降趋势,2010年后品种耐低磷能力有所提升。关联分析检测到8个R 2>10%的稳定位点,其中,1A_545074550、2B_489279799、6A_166899658和6A_273060644未见报道。【结论】苗期最大根长和根直径可作为苗期耐低磷的筛选指标。通过综合评价山西小麦苗期耐低磷能力,筛选到9份耐低磷品种。在1A、2B和6A染色体上检测到4个与耐低磷相关的新位点。
卫乃翠, 陶金博, 苑名杨, 张彧, 开梦想, 乔玲, 武棒棒, 郝宇琼, 郑兴卫, 王娟玲, 赵佳佳, 郑军. 山西小麦苗期耐低磷特性及遗传分析[J]. 中国农业科学, 2024, 57(5): 831-845.
WEI NaiCui, TAO JinBo, YUAN MingYang, ZHANG Yu, KAI MengXiang, QIAO Ling, WU BangBang, HAO YuQiong, ZHENG XingWei, WANG JuanLing, ZHAO JiaJia, ZHENG Jun. Seedling Characterization and Genetic Analysis of Low Phosphorus Tolerance in Shanxi Varieties[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(5): 831-845.
表1
不同条件下苗期性状的统计分析"
性状 Traits | CK | MLP | LP | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
变幅 Range | 均值 Mean | 变异系数 CV (%) | 变幅 Range | 均值 Mean | 变异系数 CV (%) | 变幅 Range | 均值 Mean | 变异系数 CV (%) | |
茎叶部干重SDW (mg) | 6.13-32.31 | 13.71 | 27.04 | 3.98-18.01 | 10.87 | 19.87 | 7.24-27.05 | 12.78 | 18.77 |
根部干重RDW (mg) | 1.41-7.47 | 3.83 | 32.73 | 1.12-10.49 | 3.86 | 25.74 | 2.46-38.74 | 5.37 | 55.15 |
植株干重DW (mg) | 8.51-39.78 | 17.55 | 26.75 | 5.10-24.23 | 14.73 | 19.70 | 10.81-60.23 | 18.15 | 24.73 |
茎叶部鲜重SFW (mg) | 77.69-356.73 | 158.54 | 29.20 | 49.80-214.49 | 142.33 | 19.58 | 69.39-241.62 | 139.49 | 17.39 |
根部鲜重RFW (mg) | 27.66-103.15 | 54.70 | 32.99 | 15.13-91.01 | 55.43 | 24.91 | 23.58-107.42 | 67.53 | 23.40 |
植株鲜重FW (mg) | 110.81-459.88 | 213.24 | 29.13 | 64.93-305.50 | 197.76 | 19.89 | 99.60-343.94 | 207.02 | 18.06 |
最大根长MRL (cm) | 3.10-21.40 | 10.53 | 24.67 | 3.65-17.20 | 11.30 | 19.36 | 4.95-20.70 | 14.19 | 17.00 |
总根长TRL (cm) | 7.00-67.19 | 32.99 | 33.63 | 5.39-62.68 | 32.97 | 26.16 | 16.88-88.69 | 50.90 | 27.01 |
根表面积RS (cm2) | 1.31-8.74 | 4.73 | 32.53 | 0.90-7.87 | 4.65 | 24.47 | 2.67-10.07 | 6.27 | 22.76 |
根体积RV (cm3) | 0.02-0.18 | 0.07 | 37.13 | 0.02-0.14 | 0.07 | 29.12 | 0.03-0.15 | 0.08 | 25.45 |
根直径RD (cm) | 0.37-1.03 | 0.61 | 19.85 | 0.38-1.06 | 0.62 | 17.42 | 0.33-0.90 | 0.49 | 17.19 |
根尖数RN | 3.33-31.00 | 9.43 | 41.90 | 2.83-18.83 | 8.60 | 31.45 | 5.17-37.17 | 16.51 | 33.15 |
表2
耐低磷能力与形态指标的相关分析"
性状 Traits | D值MLP D values MLP | D值LP D values LP | 性状 Traits | D值MLP D values MLP | D值LP D values LP | |
---|---|---|---|---|---|---|
茎叶部干重SDW | 0.277** | 0.079 | 最大根长MRL | 0.155* | -0.222** | |
根部干重RDW | 0.068 | -0.121 | 总根长TRL | 0.150* | -0.121 | |
植株干重DW | 0.229** | 0.012 | 根表面积RS | 0.055 | -0.148* | |
茎叶部鲜重SFW | 0.177** | -0.036 | 根体积RV | -0.044 | -0.11 | |
根部鲜重RFW | 0.035 | -0.131* | 根直径RD | -0.214** | 0.156* | |
植株鲜重FW | 0.138* | -0.079 | 根尖数RN | 0.149* | -0.056 |
图5
苗期性状特征演变 A:低磷胁迫根尖数表型值和耐低磷系数值;B:低磷胁迫根直径表型值和耐低磷系数值;C:低磷胁迫最大根长表型值和耐低磷系数值;D:中度低磷根尖数表型值和耐低磷系数值;E:中度低磷根直径表型值和耐低磷系数值;F:中度低磷最大根长表型值和耐低磷系数值;G:低磷胁迫植株干重表型值和耐低磷系数值;H:低磷胁迫植株鲜重表型值和耐低磷系数值;I:低磷胁迫根表面积表型值和耐低磷系数值;J:中度低磷植株干重表型值和耐低磷系数值;K:中度低磷植株鲜重表型值和耐低磷系数值;L:中度低磷根表面积表型值和耐低磷系数值。黑色点和实线表示性状耐低磷系数值及其变化趋势,白色点和虚线表示性状表型值及其变化趋势"
表3
各形态指标耐低磷系数运行GWAS在3个及以上环境下被重复检测到的显著性位点"
性状 Traits | 染色体 Chr. | 物理位置 Position (Mb) | 标记 Marker | 环境 Environment | <BOLD>P</BOLD>值 <BOLD>P</BOLD> value | 表型变异解释率 R2 (%) | 参考文献 References |
---|---|---|---|---|---|---|---|
茎叶部干重 SDW | 7A | 679.74 | 7A_679744088 | MLP1 | 2.95E-04 | 5.98 | [ |
MLPAV | 2.73E-04 | 6.41 | [ | ||||
LP2 | 1.54E-04 | 6.66 | [ | ||||
LPAV | 1.08E-04 | 7.77 | [ | ||||
根部干重 RDW | 2A | 720.06 | 2A_720056407 | MLP1 | 9.83E-04 | 5.04 | |
723.57 | 2A_723574066 | LP1 | 1.20E-04 | 6.79 | |||
728.13 | 2A_728131289 | LP2 | 6.98E-04 | 5.49 | |||
2B | 771.81 | 2B_771807820 | LP2 | 2.97E-05 | 8.32 | [ | |
776.28 | 2B_776277662 | MLP1 | 4.33E-04 | 5.67 | [ | ||
LP1 | 1.54E-06 | 10.25 | [ | ||||
3A | 697.27 | 3A_697265307 | MLP1 | 3.35E-04 | 5.85 | [ | |
MLPAV | 2.52E-06 | 8.22 | [ | ||||
LP2 | 1.42E-05 | 8.55 | [ | ||||
6A | 166.90 | 6A_166899658 | MLP1 | 1.08E-06 | 10.26 | ||
LP1 | 7.76E-04 | 5.35 | |||||
LP2 | 2.69E-04 | 6.23 | |||||
273.06 | 6A_273060644 | LP2 | 7.72E-04 | 5.41 | |||
273.49 | 6A_273485987 | MLP1 | 9.90E-07 | 10.33 | |||
LP1 | 8.29E-04 | 5.30 | |||||
596.50 | 6A_596501004 | LP2 | 7.98E-05 | 7.18 | |||
598.86 | 6A_598861692 | MLPAV | 1.19E-04 | 5.68 | |||
599.26 | 6A_599260920 | MLP1 | 6.01E-04 | 5.41 | |||
7A | 679.74 | 7A_679744223 | MLP1 | 3.45E-10 | 16.79 | [ | |
MLPAV | 1.16E-05 | 7.21 | [ | ||||
LP2 | 3.31E-04 | 6.08 | [ | ||||
85.63 | 7A_85627950 | MLP1 | 3.46E-12 | 20.69 | [ | ||
LP1 | 1.74E-04 | 6.50 | [ | ||||
LPAV | 1.95E-04 | 6.96 | [ | ||||
85.66 | 7A_85658080 | LPAV | 1.03E-05 | 12.24 | [ | ||
MLPAV | 9.70E-05 | 5.81 | [ | ||||
植株干重 DW | 2B | 485.17 | 2B_485169465 | LPAV | 1.51E-04 | 7.53 | |
489.28 | 2B_489279799 | LP1 | 1.08E-06 | 10.09 | |||
LP2 | 9.54E-04 | 5.26 | |||||
768.06 | 2B_768059955 | LP1 | 5.27E-04 | 5.41 | [ | ||
LPAV | 8.65E-04 | 5.99 | [ | ||||
771.81 | 2B_771807820 | LP2 | 7.56E-09 | 15.13 | [ | ||
7A | 679.74 | 7A_679744088 | MLP1 | 1.43E-04 | 6.45 | [ | |
MLPAV | 1.71E-04 | 6.75 | [ | ||||
LPAV | 8.41E-04 | 6.02 | [ | ||||
679.74 | 7A_679744223 | MLP1 | 2.19E-04 | 6.13 | [ | ||
LP2 | 3.36E-04 | 6.08 | [ | ||||
LPAV | 3.58E-04 | 6.77 | [ | ||||
茎叶部鲜重 SFW | 1A | 15.43 | 1A_15432092 | MLPAV | 9.54E-04 | 5.41 | |
LP1 | 9.40E-04 | 5.24 | |||||
LPAV | 0.001 | 5.80 | |||||
7A | 85.66 | 7A_85658291 | MLP1 | 8.30E-04 | 5.28 | [ | |
LP2 | 8.11E-04 | 5.16 | [ | ||||
LPAV | 2.38E-05 | 9.09 | [ | ||||
最大根长 MRL | 1A | 545.07 | 1A_545074550 | MLP1 | 1.71E-08 | 13.23 | |
MLPAV | 1.42E-07 | 11.12 | |||||
LP1 | 1.26E-04 | 6.24 | |||||
545.33 | 1A_545329345 | MLP1 | 5.66E-09 | 14.11 | |||
MLPAV | 9.67E-08 | 11.41 | |||||
LP1 | 7.30E-05 | 6.63 | |||||
545.52 | 1A_545517460 | MLP1 | 1.03E-09 | 16.52 | |||
MLPAV | 4.18E-08 | 13.20 | |||||
LP1 | 7.88E-05 | 6.98 |
[1] |
doi: 10.1007/s11032-013-9895-z |
[2] |
doi: 10.1186/s12864-019-5455-1 |
[3] |
栗振义, 张绮芯, 仝宗永, 李跃, 徐洪雨, 万修福, 毕舒贻, 曹婧, 何峰, 万里强, 李向林. 不同紫花苜蓿品种对低磷环境的形态与生理响应分析. 中国农业科学, 2017, 50(20): 3898-3907. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2017.20.006.
|
|
|
[4] |
doi: 10.3389/fpls.2017.00614 pmid: 28484481 |
[5] |
袁园园, 董贝, 曹晓慧, 郑洪蕊. 黄淮麦区小麦成株期磷高效基因型的鉴定和筛选. 麦类作物学报, 2017, 37(1): 56-65.
|
|
|
[6] |
柏栋阴, 冯国华, 张会云, 陈荣振, 王晓军. 低磷胁迫下磷高效基因型小麦的筛选. 麦类作物学报, 2007, 27(3): 407-410, 415.
|
|
|
[7] |
阳显斌, 张锡洲, 李廷轩, 吴德勇. 小麦磷素利用效率的品种差异. 应用生态学报, 2012, 23(1): 60-66.
|
|
|
[8] |
doi: 10.1371/journal.pone.0255840 |
[9] |
刘露露, 汪军成, 姚立蓉, 孟亚雄, 李葆春, 杨轲, 司二静, 王化俊, 马小乐, 尚勋武, 李兴茂. 不同春小麦品种耐低磷性评价及种质筛选. 中国生态农业学报, 2020, 28(7): 999-1009.
|
|
|
[10] |
孔忠新, 杨丽丽, 张政值, 马正强. 小麦耐低磷基因型的筛选. 麦类作物学报, 2010, 30(4): 591-595.
|
|
|
[11] |
doi: 10.3389/fgene.2022.984720 |
[12] |
周思远, 毕惠惠, 程西永, 张旭睿, 闰永行, 王航辉, 毛培钧, 李海霞, 许海霞. 小麦耐低磷相关性状的全基因组关联分析. 植物遗传资源学报, 2020, 21(2): 431-445.
doi: 10.13430/j.cnki.jpgr.20190509001 |
|
|
[13] |
doi: 10.1016/j.gene.2020.145301 |
[14] |
doi: 10.1093/aob/mct080 |
[15] |
doi: 10.1038/srep29850 |
[16] |
doi: 10.1007/s11738-014-1516-x |
[17] |
doi: 10.1093/jxb/eraa355 |
[18] |
doi: 10.1007/s11104-020-04444-0 |
[19] |
黄晨晨, 宋晓, 黄绍敏, 张珂珂, 岳克. 不同磷效率小麦根系形态、磷素转运及产量的差异分析. 华北农学报, 2021, 36(2): 169-175.
doi: 10.7668/hbnxb.20191728 |
doi: 10.7668/hbnxb.20191728 |
|
[20] |
赵佳佳, 乔玲, 武棒棒, 葛川, 乔麟轶, 张树伟, 闫素仙, 郑兴卫, 郑军. 山西省小麦苗期根系性状及抗旱特性分析. 作物学报, 2021, 47(4): 714-727.
doi: 10.3724/SP.J.1006.2021.01048 |
doi: 10.3724/SP.J.1006.2021.01048 |
|
[21] |
doi: 10.3389/fpls.2021.806295 |
[22] |
doi: 10.1371/journal.pone.0221008 |
[23] |
doi: 10.1038/ng.546 pmid: 20208535 |
[24] |
doi: 10.1007/s00122-016-2716-0 pmid: 27121008 |
[25] |
doi: 10.1007/s10705-015-9716-3 |
[26] |
doi: 10.1016/j.plantsci.2010.06.007 |
[27] |
doi: 10.1093/aob/mcs285 pmid: 23267006 |
[28] |
doi: 10.1080/01904167.2013.852225 |
[29] |
doi: 10.1007/s11103-008-9417-2 pmid: 18982413 |
[30] |
doi: 10.1111/nph.v226.1 |
[31] |
秦晓梁. 小麦选育过程中根冠比值和异速生长关系的演化[D]. 兰州: 兰州大学, 2013.
|
|
|
[32] |
doi: 10.1016/j.fcr.2010.11.005 |
[33] |
李朴芳. 人工选择压力下麦类作物株型塑性及其逆境适应机制[D]. 兰州: 兰州大学, 2014.
|
|
|
[34] |
李朴芳, 程正国, 赵鸿, 张小丰, 李冀南, 王绍明, 熊友才. 旱地小麦理想株型研究进展. 生态学报, 2011, 31(9): 2631-2640.
|
|
|
[35] |
田中伟, 樊永惠, 殷美, 王方瑞, 蔡剑, 姜东, 戴廷波. 长江中下游小麦品种根系改良特征及其与产量的关系. 作物学报, 2015, 41(4): 613-622.
|
doi: 10.3724/SP.J.1006.2015.00613 |
|
[36] |
doi: 10.1007/s13353-017-0406-5 pmid: 28887804 |
[37] |
doi: 10.1007/s11104-005-3771-5 |
[38] |
doi: 10.1007/s00122-011-1749-7 pmid: 22089330 |
[1] | 李法计, 程敦公, 余晓丛, 闻伟锷, 刘金栋, 翟胜男, 刘爱峰, 郭军, 曹新有, 刘成, 宋健民, 刘建军, 李豪圣. 冠层活性相关性状全基因组关联分析及其对产量性状遗传效应的解析[J]. 中国农业科学, 2024, 57(4): 627-637. |
[2] | 熊楚雯, 郭智滨, 周强华, 程艳波, 马启彬, 蔡占东, 年海. 大豆转录因子NAC1耐低磷胁迫的功能研究[J]. 中国农业科学, 2024, 57(3): 442-453. |
[3] | 谭力治, 赵毅强. 全基因组关联分析中混合模型的原理、优化与应用[J]. 中国农业科学, 2023, 56(9): 1617-1632. |
[4] | 王慧玲, 闫爱玲, 王晓玥, 刘振华, 任建成, 徐海英, 孙磊. 葡萄果粒质量相关性状全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(8): 1561-1573. |
[5] | 王脉, 董清峰, 高珅奥, 刘德政, 卢山, 乔朋放, 陈亮, 胡银岗. 小麦苗期根系性状的全基因组关联分析与优异位点挖掘[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 801-820. |
[6] | 周文期, 张贺通, 何海军, 龚佃明, 杨彦忠, 刘忠祥, 李永生, 王晓娟, 连晓荣, 周玉乾, 邱法展. 调控玉米株高和穗位高候选基因Zmdle1的定位[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 821-837. |
[7] | 杨明路, 张海亮, 罗汉鹏, 黄锡霞, 张翰林, 章施施, 王炎, 刘林, 郭刚, 王雅春. 基于智能项圈系统荷斯坦牛发情相关指标的遗传参数估计及全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 995-1006. |
[8] | 董琰钰, 徐碧玉, 董泽宇, 汪露瑶, 陈锦文, 方磊. 棉花EXO70基因家族全基因组的鉴定及种间比较[J]. 中国农业科学, 2023, 56(23): 4621-4634. |
[9] | 米热扎提江·喀由木, 西尔艾力·吾麦尔江, 李晓曈, 王香茹, 贵会平, 张恒恒, 张西岭, 董强, 宋美珍. 棉花苗期耐低磷种质筛选及耐低磷综合评价[J]. 中国农业科学, 2023, 56(21): 4150-4162. |
[10] | 曾健, 王茹梦, 龚盼, 杨潇, 尹晓奇, 李江鹤, 陈世龙, 姚蕾, 宋海星, 康雷, 张振华. 芥菜型油菜苗期氮效率相关性状全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(20): 3946-3959. |
[11] | 高广亮, 张克山, 赵献芝, 许国洋, 谢友慧, 周莉, 张昌莲, 王启贵. 全基因组关联分析筛选鹅蛋品质相关分子标记[J]. 中国农业科学, 2023, 56(19): 3894-3904. |
[12] | 张柯楠, 尹海宁, 王家逵, 曹建宏, 惠竹梅. 云南香格里拉不同海拔葡萄果皮酚类物质差异及成因分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(19): 3879-3893. |
[13] | 杨胜男, 程莉, 谈月霞, 朱延松, 江东. 宽皮柑橘褐斑病抗性的全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(18): 3642-3654. |
[14] | 马艳明, 娄鸿耀, 张胜军, 王威, 郭营, 倪中福, 刘杰. 新疆冬小麦品种资源主要产量性状全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(18): 3487-3499. |
[15] | 于永超, 范文静, 刘明, 张强强, 赵鹏, 靳容, 王静, 朱晓亚, 唐忠厚. 甘薯苗期氮高效利用性状的GWAS分析及候选基因的筛选与验证[J]. 中国农业科学, 2023, 56(18): 3500-3510. |
|