中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (21): 4137-4149.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.21.001
张泽源1(), 李玥2, 赵文莎1, 顾晶晶3, 张傲琰1, 张海龙1, 宋鹏博1, 吴建辉1, 张传量1, 宋全昊4, 简俊涛5, 孙道杰1(
), 王兴荣2(
)
收稿日期:
2023-03-28
接受日期:
2023-04-20
出版日期:
2023-11-01
发布日期:
2023-11-06
通信作者:
联系方式:
张泽源,E-mail:18238768351@163.com。
基金资助:
ZHANG ZeYuan1(), LI Yue2, ZHAO WenSha1, GU JingJing3, ZHANG AoYan1, ZHANG HaiLong1, SONG PengBo1, WU JianHui1, ZHANG ChuanLiang1, SONG QuanHao4, JIAN JunTao5, SUN DaoJie1(
), WANG XingRong2(
)
Received:
2023-03-28
Accepted:
2023-04-20
Published:
2023-11-01
Online:
2023-11-06
摘要:
【目的】小麦是世界总产量第二的粮食作物,而粒重是影响小麦产量的重要因素。以和尚头(HST)和陇春23(LC23)衍生的216个家系重组自交系(recombinant inbred lines,RIL)群体为材料,基于55K SNP基因型数据,针对小麦粒重相关性状进行QTL定位,开发和验证粒长主效QTL的共分离标记,为分子标记辅助选择育种提供参考。【方法】利用小麦55K SNP芯片对亲本和RIL群体进行基因分型,构建高密度遗传连锁图谱,并与中国春参考基因组IWGSC RefSeq v1.0进行相关性分析。基于完备区间作图法对多环境粒重相关性状进行QTL定位;通过对主效QTL进行方差分析,判断不同QTL间的加性互作效应,并分析其对粒重相关性状的影响。同时,根据粒长主效QTL的共分离SNP位点开发相应的竞争性等位基因特异性PCR标记(kompetitive allele specific PCR,KASP),并在242份国内外小麦种质构成的自然群体中进行验证。【结果】构建了和尚头/陇春23 RIL群体的高密度遗传图谱,全长4 543 cM,共包含22个连锁群,覆盖小麦21条染色体,平均遗传距离为1.7 cM。遗传图谱与物理图谱具有显著相关性,Pearson相关系数为0.77—0.99(P<0.001)。共检测到51个粒重相关QTL,其中,有4个为3个及以上环境稳定表达的主效QTL,分布在2D、5A、6B和7D染色体。根据物理区间和功能标记分析主效QTL Qtkw.nwafu-2D.1和Qtkw.nwafu-7D分别为光周期基因Ppd-D1和开花基因FT-D1,方差分析表明,二者具有显著的互作效应;Qtkw.nwafu-2D.1和Qtkw.nwafu-7D优异等位基因的聚合显著提高了小麦的千粒重和粒宽。此外,根据粒长主效位点Qgl.nwafu-5A的共分离SNP开发了相应的KASP分子标记AX-111067709,该标记在242份小麦组成的自然群体中与粒长和粒重性状显著相关,在不同环境下能增加粒长3.33%—4.59%(P<0.001)和粒重5.70%—10.35%(P<0.05)。【结论】和尚头(HST)和陇春23(LC23)的粒重相关性状由多个遗传位点控制,其中,Qtkw.nwafu-2D.1和Qtkw.nwafu-7D通过加性互作效应可显著提高小麦的千粒重和粒宽。Qgl.nwafu-5A与粒重和粒长具有显著相关性,其共分离分子标记AX-11106770可应用于分子标记辅助选择育种。
张泽源, 李玥, 赵文莎, 顾晶晶, 张傲琰, 张海龙, 宋鹏博, 吴建辉, 张传量, 宋全昊, 简俊涛, 孙道杰, 王兴荣. 小麦粒重相关性状的QTL定位及分子标记的开发[J]. 中国农业科学, 2023, 56(21): 4137-4149.
ZHANG ZeYuan, LI Yue, ZHAO WenSha, GU JingJing, ZHANG AoYan, ZHANG HaiLong, SONG PengBo, WU JianHui, ZHANG ChuanLiang, SONG QuanHao, JIAN JunTao, SUN DaoJie, WANG XingRong. QTL Mapping and Molecular Marker Development of Traits Related to Grain Weight in Wheat[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(21): 4137-4149.
表1
和尚头/陇春23群体的表型分析"
性状 Traits | 环境 Environment | 亲本Parents | 平均值±标准差 Mean ± SD | 最小值 Min | 最大值 Max | w检验 w-test | P | 遗传力 H2 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
和尚头HST | 陇春LC23 | ||||||||
千粒重 TKW (g) | E1 | 46.77 | 39.56** | 43.22±6.74 | 23.85 | 59.74 | 0.97 | 0.24 | 0.81 |
E2 | 45.81 | 39.00** | 41.64±5.85 | 24.09 | 54.73 | 0.97 | 0.07 | ||
E3 | 48.03 | 39.32** | 43.94±5.53 | 26.32 | 57.71 | 0.97 | 0.07 | ||
E4 | 47.93 | 46.82 | 42.02±6.87 | 23.36 | 60.69 | 0.98 | 0.75 | ||
BLUP | 46.33 | 41.47** | 42.75±4.04 | 30.53 | 52.94 | 0.98 | 0.32 | ||
粒长 GL (mm) | E1 | 7.26 | 6.69** | 6.99±0.58 | 4.95 | 8.92 | 0.99 | 0.98 | 0.58 |
E2 | 6.53 | 6.10** | 6.36±0.28 | 5.52 | 7.19 | 0.98 | 0.63 | ||
E3 | 7.47 | 7.09** | 8.03±0.93 | 5.59 | 10.29 | 0.96 | 0.00 | ||
E4 | 6.41 | 6.02** | 6.20±0.56 | 4.38 | 7.39 | 0.84 | 0.00 | ||
BLUP | 6.91 | 6.65 ** | 6.91±0.24 | 6.29 | 7.71 | 0.98 | 0.72 | ||
粒宽 GW (mm) | E1 | 3.31 | 3.07 | 3.15±0.31 | 2.10 | 3.99 | 0.98 | 0.63 | 0.56 |
E2 | 3.01 | 2.88 | 2.95±0.15 | 2.41 | 3.34 | 0.96 | 0.01 | ||
E3 | 3.64 | 3.42* | 3.79±0.42 | 2.46 | 4.87 | 0.96 | 0.00 | ||
E4 | 3.22 | 3.21 | 3.01±0.30 | 1.97 | 3.53 | 0.85 | 0.00 | ||
BLUP | 3.27 | 3.18 | 3.23±0.11 | 2.85 | 3.55 | 0.97 | 0.29 | ||
籽粒长宽比 LWR | E1 | 2.19 | 2.18 | 2.22±0.15 | 1.88 | 2.98 | 0.96 | 0.00 | 0.84 |
E2 | 2.17 | 2.12* | 2.16±0.13 | 1.89 | 2.53 | 0.96 | 0.00 | ||
E3 | 2.05 | 2.07 | 2.12±0.13 | 1.77 | 2.61 | 0.98 | 0.52 | ||
E4 | 1.99 | 1.88** | 2.06±0.14 | 1.72 | 2.69 | 0.97 | 0.31 | ||
BLUP | 2.11 | 2.08** | 2.14±0.09 | 1.88 | 2.47 | 0.98 | 0.63 |
表2
和尚头/陇春23 RIL群体遗传图谱的标记分布"
染色体 Chromosome | 连锁群 Linkage group | 遗传长度 Genetic length (cM) | Bin标记数量 No. of Bin | 标记数量 No. of marker | Bin标记密度 Bin density (Bin/cM) | 最大遗传距离 Max genetic distance (cM) |
---|---|---|---|---|---|---|
1A | LG1A | 165.15 | 161 | 1059 | 1.03 | 9.21 |
1B | LG1B | 198.34 | 153 | 1388 | 1.30 | 14.02 |
1D | LG1D | 133.99 | 46 | 377 | 2.91 | 19.57 |
2A | LD2A | 211.24 | 140 | 937 | 1.51 | 15.13 |
2B | LG2B | 237.42 | 175 | 1295 | 1.36 | 11.76 |
2D | LG2D | 286.16 | 109 | 464 | 2.63 | 20.80 |
3A | LG3A | 259.25 | 174 | 1008 | 1.49 | 14.16 |
3B | LG3B | 249.84 | 165 | 1331 | 1.51 | 15.08 |
3D | LG3D | 251.05 | 94 | 638 | 2.67 | 18.11 |
4A | LG4A | 209.20 | 108 | 641 | 1.94 | 11.16 |
4B | LG4B | 122.92 | 69 | 256 | 1.78 | 13.47 |
4D | LG4D | 180.03 | 112 | 442 | 1.61 | 18.11 |
5A | LG5A | 247.18 | 174 | 816 | 1.42 | 22.91 |
5B | LG5B | 247.07 | 172 | 760 | 1.44 | 10.86 |
5D | LG5D | 305.92 | 91 | 293 | 3.36 | 17.21 |
6A | LG6A | 183.40 | 101 | 727 | 1.82 | 17.92 |
6B | LG6B | 160.84 | 138 | 953 | 1.17 | 17.20 |
6D | LG6D | 215.15 | 90 | 713 | 2.39 | 31.82 |
7A | LG7A.1 | 217.90 | 148 | 1104 | 1.47 | 10.74 |
LG7A.2 | 15.94 | 19 | 82 | 0.84 | 3.30 | |
7B | LG7B | 206.74 | 151 | 901 | 1.37 | 14.96 |
7D | LG7D | 238.28 | 82 | 344 | 2.91 | 15.93 |
A基因组 A genome | 1509.26 | 1025 | 6374 | 1.47 | 22.91 | |
B基因组 B genome | 1423.17 | 1023 | 6884 | 1.39 | 17.20 | |
D基因组 D genome | 1610.57 | 624 | 3271 | 2.58 | 31.82 | |
总计 Total | 4543.00 | 2672 | 16529 | 1.70 | 31.82 |
表3
粒重相关性状的部分QTL"
性状 Trait | QTL | 环境 Environment | 左侧标记 Left marker | 右侧标记 Right marker | 物理位置 Physical interval (Mb) | LOD | 贡献率 PVE (%) | 加性效应1) Add |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
千粒重TKW | Qtkw.nwafu-2A | E1\E2 | AX-169336957 | AX-109601471 | 94.16—136.56 | 3.47—7.93 | 5.22—7.42 | 1.45—2.12 |
Qtkw.nwafu-2D.1 | E1\E2\E4\BLUP | AX-111696354 | AX-109755068 | 28.09—47.89 | 4.33—11.89 | 7.19—12.92 | -2.44—-1.42 | |
Qtkw.nwafu-2D.2 | E4\BLUP | AX-110373068 | AX-109710757 | 148.29—197.50 | 3.58—4.16 | 5.69—5.80 | -1.75—-1.01 | |
Qtkw.nwafu-7D | E1\E2\E3\E4\BLUP | AX-110826147 | AX-111618969 | 65.50—75.23 | 4.63—10.71 | 7.53—13.26 | 1.55—2.46 | |
粒长 GL | Qgl.nwafu-2A.1 | E2\BLUP | AX-109402024 | AX-169336957 | 86.97—94.16 | 3.88—6.74 | 3.74—8.05 | 0.06—0.09 |
Qgl.nwafu-4B | E3\BLUP | AX-110076607 | AX-109852046 | 11.43—12.82 | 4.03—5.6 | 6.14—8.06 | 0.08—0.28 | |
Qgl.nwafu-5A | E1\E2\E3\BLUP | AX-111067709 | AX-110670888 | 0.65—0.75 | 3.93—59.43 | 4.56—17.86 | 0.09—0.81 | |
Qgl.nwafu-6B | E2\BLUP | AX-110927266 | AX-110464369 | 135.98—173.59 | 5.06—7.10 | 5.10—8.78 | -0.10—-0.07 | |
粒宽 GW | Qgw.nwafu-2D.1 | E2\E3\BLUP | AX-111096297 | AX-109755068 | 32.97—47.89 | 4.41—10.14 | 7.28—12.36 | -0.12—-0.04 |
Qgw.nwafu-4B | E1\BLUP | AX-110076607 | AX-94699353 | 11.43—19.76 | 3.93—4.10 | 5.50—7.91 | 0.03—0.10 | |
Qgw.nwafu-5A.1 | E3\BLUP | AX-111067709 | AX-110670888 | 0.65—0.75 | 4.06—5.17 | 5.97—6.57 | 0.03—0.12 | |
Qgw.nwafu-7D.2 | E2\E4\BLUP | AX-111843581 | AX-111618969 | 67.45—75.23 | 4.76—16.00 | 7.85—20.13 | 0.05—0.10 | |
籽粒长 宽比LWR | Qlwr.nwafu-2A | E3\E4\BLUP | AX-109287352 | AX-111258161 | 613.88—626.08 | 4.54—7.01 | 5.41—11.90 | 0.02—0.05 |
Qlwr.nwafu-2D | E1\E2\BLUP | AX-109422526 | AX-109755068 | 35.02—47.89 | 8.32—12.93 | 7.68—14.51 | 0.03—0.06 | |
Qlwr.nwafu-4A | E1\E2\BLUP | AX-110629864 | AX-111561234 | 72.00—129.02 | 5.53—9.57 | 5.75—8.11 | -0.04—-0.03 | |
Qlwr.nwafu-4D | E3\BLUP | AX-110015970 | AX-109181699 | 33.04—35.23 | 3.30—4.90 | 2.54—8.16 | -0.04—-0.02 | |
Qlwr.nwafu-6B.2 | E1\E2\E3\BLUP | AX-110603992 | AX-95659567 | 455.92—559.34 | 4.40—9.13 | 4.87—10.48 | -0.04—-0.03 | |
Qlwr.nwafu-7D | E1\E2\BLUP | AX-109866327 | AX-111618969 | 61.80—75.23 | 4.12—12.57 | 4.67—12.16 | -0.05—-0.03 |
表4
不同环境下Qtkw.nwafu-2D.1和Qtkw.nwafu-7D的方差分析"
源Source | 自由度df | 千粒重TKW | 粒宽GW | 粒长GL | 籽粒长宽比LWR |
---|---|---|---|---|---|
Qtkw.nwafu-2D.1 (2D) | 1 | 76.83*** | 39.88*** | 3.80 | 61.42*** |
Qtkw.nwafu-7D (7D) | 1 | 71.32*** | 44.50*** | 1.62 | 96.21*** |
环境Environment (E) | 4 | 2.27 | 195.79*** | 205.2*** | 35.32*** |
2D×7D | 1 | 26.75*** | 11.51** | 0.33 | 26.98*** |
2D×E | 4 | 1.74 | 4.59** | 4.21** | 1.41 |
7D×E | 4 | 0.73 | 0.74 | 0.06 | 1.52 |
2D×7D×E | 4 | 0.817 | 1.81 | 1.10 | 0.86 |
误差Error | 813 | 30.21 | 0.08 | 0.35 | 0.01 |
[1] |
doi: 10.1002/fes3.64 pmid: 27610232 |
[2] |
|
[3] |
doi: 10.1007/s12571-013-0263-y |
[4] |
doi: 10.1007/s00122-019-03515-w pmid: 31897512 |
[5] |
doi: 10.3390/ijms222111934 |
[6] |
|
[7] |
doi: 10.3389/fgene.2020.584859 |
[8] |
doi: 10.1186/s12870-020-02661-4 |
[9] |
doi: S1674-2052(20)30221-5 pmid: 32702458 |
[10] |
doi: 10.1038/s41598-019-56979-7 pmid: 31913328 |
[11] |
doi: 10.1186/s12863-019-0782-4 pmid: 31619163 |
[12] |
doi: 10.1007/s00122-022-04154-4 pmid: 35804167 |
[13] |
doi: 10.1007/s00122-021-03881-4 pmid: 34142166 |
[14] |
张香宇. 小麦RHL32籽粒发育相关基因克隆及其与TaRPP13L1多效性功能初析[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2022.
|
|
|
[15] |
doi: 10.3390/ijms23105293 |
[16] |
朱雪成. 春化和光周期基因在江苏小麦品种中的分布及其对农艺性状的效应分析[D]. 扬州: 扬州大学, 2019.
|
|
|
[17] |
doi: 10.1007/s00122-007-0603-4 |
[18] |
doi: 10.1007/s11032-012-9765-0 |
[19] |
doi: 10.1071/AR9710021 |
[20] |
|
[21] |
doi: 10.1111/j.1365-313X.2009.03806.x pmid: 19175767 |
[22] |
doi: 10.2135/cropsci1995.0011183X003500040022x |
[23] |
王兴荣, 张彦军, 苟作旺, 李玥, 陈伟英, 祁旭升. 甘肃“和尚头”小麦调查报告. 甘肃农业科技, 2015(12): 49-52.
|
|
|
[24] |
袁俊秀, 杨文雄. 丰产广适优质春小麦新品种——陇春23号. 麦类作物学报, 2009, 29(4): 740.
|
|
|
[25] |
王建康, 盖钧镒. 利用杂种F2世代鉴定数量性状主基因-多基因混合遗传模型并估计其遗传效应. 遗传学报, 1997, 24(5): 432-440.
|
|
|
[26] |
|
[27] |
doi: 10.1016/j.cj.2015.01.001 |
[28] |
|
[29] |
doi: 10.1093/jhered/93.1.77 pmid: 12011185 |
[30] |
doi: 10.1038/s41477-017-0067-8 |
[31] |
doi: 10.1111/pbr.2018.137.issue-1 |
[32] |
|
[33] |
doi: 10.1007/s00122-002-1179-7 |
[34] |
doi: 10.1007/s11032-011-9693-4 |
[35] |
doi: 10.1007/s00122-019-03447-5 |
[36] |
doi: 10.1093/jxb/ery408 pmid: 30590673 |
[37] |
韩领锋, 亢玲, 张博, 王宪国, 王中华, 张晓科, 陈东升. 小麦光周期基因在我国不同麦区中的组成分布. 麦类作物学报, 2016, 36(12): 1617-1622.
|
|
|
[38] |
|
[39] |
doi: 10.1186/s12870-022-03677-8 pmid: 35698038 |
[40] |
吕波. 植物开花基因FT的遗传转化及其参与开花调控的研究[D]. 泰安: 山东农业大学, 2014.
|
|
|
[41] |
doi: 10.1007/s00122-021-03964-2 |
[1] | 彭海霞, 卡得艳, 张天星, 周梦蝶, 吴林楠, 辛转霞, 赵惠贤, 马猛. 过量表达小麦TaCYP78A5增加花器官的大小[J]. 中国农业科学, 2023, 56(9): 1633-1645. |
[2] | 魏永康, 杨天聪, 臧少龙, 贺利, 段剑钊, 谢迎新, 王晨阳, 冯伟. 基于无人机多光谱影像特征融合的小麦倒伏监测[J]. 中国农业科学, 2023, 56(9): 1670-1685. |
[3] | 张旭, 韩金妤, 李晨晨, 张丹丹, 吴启蒙, 刘胜杰, 焦韩轩, 黄硕, 李春莲, 王长发, 曾庆东, 康振生, 韩德俊, 吴建辉. 结合基因关联和转录组分析鉴定小麦成株期抗条锈病位点YrZ501-2BL的候选基因[J]. 中国农业科学, 2023, 56(8): 1429-1443. |
[4] | 韩紫璇, 房静静, 武雪萍, 姜宇, 宋霄君, 刘晓彤. 长期秸秆配施化肥下土壤团聚体碳氮分布、微生物量与小麦产量的协同效应[J]. 中国农业科学, 2023, 56(8): 1503-1514. |
[5] | 马胜兰, 况福虹, 林洪羽, 崔俊芳, 唐家良, 朱波, 蒲全波. 秸秆还田量对川中丘陵冬小麦-夏玉米轮作体系土壤物理特性的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(7): 1344-1358. |
[6] | 李儒香, 周恺, 王大川, 李巧龙, 向奥妮, 李璐, 李苗苗, 向思茜, 凌英华, 何光华, 赵芳明. 水稻CSSL-Z481代换片段携带的穗部性状QTL分析及次级代换系培育[J]. 中国农业科学, 2023, 56(7): 1228-1247. |
[7] | 南瑞, 杨玉存, 石芳慧, 张礼宁, 米彤茜, 张立强, 李春艳, 孙风丽, 奚亚军, 张超. 小麦源库优异种质的鉴定与源库类型的划分[J]. 中国农业科学, 2023, 56(6): 1019-1034. |
[8] | 常春义, 曹元, Ghulam Mustafa, 刘红艳, 张羽, 汤亮, 刘兵, 朱艳, 姚霞, 曹卫星, 刘蕾蕾. 白粉病对小麦光合特性的影响及病害严重度的定量模拟[J]. 中国农业科学, 2023, 56(6): 1061-1073. |
[9] | 王箫璇, 张敏, 张鑫尧, 魏鹏, 柴如山, 张朝春, 张亮亮, 罗来超, 郜红建. 不同磷肥对砂姜黑土和红壤磷库转化及冬小麦磷素吸收利用的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(6): 1113-1126. |
[10] | 郑文燕, 常源升, 何平, 何晓文, 王森, 高文胜, 李林光, 王海波. ‘鲁丽’ב红1#’苹果杂交群体全基因组KASP标记开发及验证[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 935-950. |
[11] | 王建锋, 成嘉欣, 舒伟学, 张艳茹, 王晓杰, 康振生, 汤春蕾. 小麦条锈菌效应蛋白Hasp83在条锈菌致病性中的功能分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 866-878. |
[12] | 郭燕, 井宇航, 王来刚, 黄竞毅, 贺佳, 冯伟, 郑国清. 基于无人机影像特征的冬小麦植株氮含量预测及模型迁移能力分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 850-865. |
[13] | 樊志龙, 胡发龙, 殷文, 范虹, 赵财, 于爱忠, 柴强. 干旱灌区春小麦水分利用特征对绿肥与麦秸协同还田的响应[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 838-849. |
[14] | 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. |
[15] | 贾晓昀, 王士杰, 朱继杰, 赵红霞, 李妙, 王国印. 陆地棉高密度遗传图谱的构建及产量相关性状的QTL定位[J]. 中国农业科学, 2023, 56(4): 587-598. |
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