中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (13): 2487-2503.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.13.001
李宁1(), 高丽锋2(
), 黄鑫1, 史华伟1,3, 杨进文1, 史雨刚1, 陈明2, 贾继增2(
), 孙黛珍1(
)
收稿日期:
2025-01-07
接受日期:
2025-03-06
出版日期:
2025-07-01
发布日期:
2025-07-05
通信作者:
联系方式:
李宁,E-mail:13159862006@163.com。高丽锋,E-mail:gaolifeng@caas.cn。李宁和高丽锋为同等贡献作者。
基金资助:
LI Ning1(), GAO LiFeng2(
), HUANG Xin1, SHI HuaWei1,3, YANG JinWen1, SHI YuGang1, CHEN Ming2, JIA JiZeng2(
), SUN DaiZhen1(
)
Received:
2025-01-07
Accepted:
2025-03-06
Published:
2025-07-01
Online:
2025-07-05
摘要: 【目的】氮肥的大量应用造成了生态环境的污染和农业资源的浪费。培育氮高效小麦新品种,提高小麦的氮素利用效率,是实现农业可持续发展和保护环境的有效途径。筛选耐低氮种质资源,挖掘耐低氮性相关遗传位点及候选基因,为氮高效小麦新品种的培育提供材料和奠定理论基础。【方法】以389份小麦品种组成的自然群体为材料,分别在高氮(HN)和低氮(LN)处理下的10个田间环境中测定小麦单株籽粒产量(GYP)。然后,基于GYP计算各品种的耐低氮指数(stress tolerance index,STI),并筛选出具有不同耐低氮性的小麦品种。结合自然群体660K单核苷酸多态性(SNP)标记芯片的基因型分析数据,对STI进行全基因组关联分析(GWAS),鉴定与小麦田间耐低氮性稳定关联的遗传位点。进一步根据候选基因的单倍型分析、表达分析和功能注释,筛选与小麦耐低氮性相关的候选基因。【结果】共筛选出12份具有强耐低氮性的小麦品种,分别为中洛08-1、冀麦15、京花2号、科红1号、绵阳19、济麦22、镇麦4号、豫麦35、丰抗7号、绵阳11、晋麦31和鲁麦5号。共检测到14个与STI显著关联的位点,其中4个位点(qSTI1A.1、qSTI3B、qSTI6A和qSTI7A.2)的物理区间与前人已报道的小麦耐低氮性或产量相关遗传位点存在重叠,且qSTI3B在3个环境中被重复检测到,是一个调控小麦耐低氮性的重要遗传位点,进而对其候选基因进行了筛选。结果显示,候选基因TraesCS3B02G042400的功能注释为AP2/EREBP(APETALA2/乙烯响应元件结合蛋白)转录因子。携带该基因不同单倍型的小麦品种间STI值呈现显著差异,且其表达水平会随着氮素供应而持续上升。结果表明,TraesCS3B02G042400是一个与小麦耐低氮性相关的关键候选基因。【结论】筛选出12份强耐低氮性的小麦品种。鉴定到一个与小麦耐低氮性稳定关联的重要遗传位点qSTI3B。挖掘到一个小麦耐低氮候选基因TraesCS3B02G042400。
李宁, 高丽锋, 黄鑫, 史华伟, 杨进文, 史雨刚, 陈明, 贾继增, 孙黛珍. 耐低氮小麦品种的筛选及耐低氮指数的全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2025, 58(13): 2487-2503.
LI Ning, GAO LiFeng, HUANG Xin, SHI HuaWei, YANG JinWen, SHI YuGang, CHEN Ming, JIA JiZeng, SUN DaiZhen. Screening of Wheat Varieties with Low Nitrogen Tolerance and Genome-Wide Association Studies of Low Nitrogen Stress Tolerance Index[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(13): 2487-2503.
表1
不同环境下小麦单株籽粒产量及其耐低氮指标的描述性统计分析"
性状 Trait | 环境 Environment | 平均值 Average | 最小值 Min | 最大值 Max | 标准差 SD | 变异系数 CV (%) |
---|---|---|---|---|---|---|
高氮下单株籽粒产量 GYP under HN treatment (g) | 20HB | 18.92 | 9.29 | 29.71 | 3.53 | 18.66 |
19HB | 19.98 | 9.43 | 36.78 | 4.20 | 21.02 | |
20SX | 7.05 | 2.17 | 17.39 | 2.18 | 30.95 | |
19SX | 10.77 | 2.42 | 21.93 | 3.75 | 34.79 | |
18SX | 7.18 | 3.13 | 14.43 | 1.91 | 26.22 | |
低氮下单株籽粒产量 GYP under LN treatment (g) | 20HB | 16.11*** | 8.00 | 25.71 | 3.10 | 19.27 |
19HB | 16.00*** | 8.74 | 23.41 | 3.01 | 18.77 | |
20SX | 5.51*** | 1.63 | 11.68 | 1.66 | 30.22 | |
19SX | 8.16*** | 1.45 | 15.94 | 2.70 | 33.16 | |
18SX | 5.51*** | 2.34 | 13.55 | 1.53 | 27.58 | |
产量稳定指数 YSI | 20HB | 0.86 | 0.54 | 1.28 | 0.11 | 12.79 |
19HB | 0.82 | 0.48 | 1.10 | 0.14 | 17.07 | |
20SX | 0.80 | 0.41 | 1.17 | 0.15 | 18.75 | |
19SX | 0.77 | 0.49 | 1.14 | 0.14 | 18.18 | |
18SX | 0.78 | 0.43 | 1.06 | 0.15 | 19.23 | |
胁迫敏感指数 SSI | 20HB | 0.95 | -1.86 | 3.11 | 0.65 | 68.42 |
19HB | 0.91 | -0.50 | 2.61 | 0.62 | 68.13 | |
20SX | 0.92 | -0.75 | 2.69 | 0.58 | 63.04 | |
19SX | 0.93 | -0.59 | 2.12 | 0.57 | 61.29 | |
18SX | 0.94 | -0.26 | 2.45 | 0.64 | 68.09 | |
耐低氮指数 STI | 20HB | 0.87 | 0.25 | 2.13 | 0.30 | 34.48 |
19HB | 0.82 | 0.21 | 1.67 | 0.28 | 34.15 | |
20SX | 0.83 | 0.07 | 2.22 | 0.44 | 53.01 | |
19SX | 0.83 | 0.03 | 2.73 | 0.52 | 62.65 | |
18SX | 0.80 | 0.16 | 2.66 | 0.39 | 48.75 | |
氮响应值 NRV | 20HB | 0.19 | -0.22 | 0.86 | 0.12 | 63.16 |
19HB | 0.27 | -0.09 | 1.09 | 0.18 | 66.66 | |
20SX | 0.30 | -0.14 | 1.44 | 0.21 | 70.00 | |
19SX | 0.33 | -0.13 | 1.06 | 0.24 | 72.72 | |
18SX | 0.33 | -0.06 | 1.33 | 0.21 | 63.63 |
表2
不同耐低氮类型间的单株籽粒产量和产量相关性状的差异性分析"
性状 Traits | 耐低氮类型 Low nitrogen tolerant type | HN环境平均值±标准差 Average value in HN environment± Standard deviation | LN环境平均值±标准差 Average value in LN environment± Standard deviation |
---|---|---|---|
单株籽粒产量 GYP (g) | HT | 18.42±1.28a | 14.63±0.94a |
T | 15.79±0.99b | 12.53±0.83b | |
M | 13.64±0.89c | 10.98±0.67c | |
S | 11.20±1.00d | 9.15±0.81d | |
HS | 7.69±1.22e | 5.84±1.11e | |
千粒重 TKW (g) | HT | 45.35±2.96a | 42.36±2.76ab |
T | 45.19±3.92a | 43.17±3.77a | |
M | 43.83±4.12ab | 41.70±4.00bc | |
S | 43.31±4.19b | 41.03±4.41c | |
HS | 40.69±5.39c | 38.02±5.55d | |
每穗粒数 GNS | HT | 57.93±5.32a | 52.66±5.02a |
T | 57.19±6.62a | 51.57±5.16a | |
M | 56.78±7.52a | 51.36±6.23a | |
S | 55.82±7.25a | 50.05±6.02a | |
HS | 56.00±12.18a | 50.11±8.04a | |
分蘖数TN | HT | 8.34±1.04ab | 6.88±0.98ab |
T | 8.43±1.00a | 7.07±0.84a | |
M | 8.38±1.11a | 6.98±0.93a | |
S | 7.97±1.08bc | 6.65±0.85b | |
HS | 7.56±1.08c | 5.90±1.05c |
表3
耐低氮指数的显著关联SNP"
环境 Environments | SNP数量 No. of SNPs | 染色体 Chromosomes | P值 P value | R2 (%) |
---|---|---|---|---|
18SX | 58 | 1A, 1B, 2A, 3A, 3B, 4D, 5B, 6B, 7D | 2.04E-06—9.70E-05 | 4.87—7.44 |
19SX | 27 | 1B, 2A, 4A, 5B, 5D, 7D | 6.27E-06—9.86E-05 | 5.33—7.41 |
20SX | 22 | 1A, 1B, 3A, 3B, 5B, 5D, 6A, 7A, 7B, 7D | 1.69E-05—9.88E-05 | 4.88—7.58 |
19HB | 8 | 1A, 1B, 2B, 4A, 5A, 6A, 7B | 4.43E-05—9.94E-05 | 4.69—5.67 |
20HB | 15 | 3A, 3B, 5B, 5D, 6A, 6B | 3.54E-05—9.42E-05 | 4.85—6.69 |
表4
耐低氮指数的显著关联位点"
关联位点 Associated locus | 染色体 Chromosomes | 置信区间 Confidence interval (bp) | 环境 Environments | 显著SNP数量 No. of significant SNPs | 峰值SNP Peak SNP | 物理位置 Physical location (bp) | P值 P value | R2 (%) | 已报道位点 Reported locus |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
qSTI1A.1 | 1A | 573330409—575076937 | 18SX | 2 | AX-108813611 | 573502309 | 6.57E-06 | 6.92 | qTNR1A.2[ |
qSTI1A.2 | 1A | 590711547—590986034 | 20SX | 2 | AX-109863561 | 590977148 | 7.49E-05 | 5.25 | |
qSTI2A.1 | 2A | 155876092—156876092 | 18SX | 2 | AX-110423504 | 156376092 | 3.91E-05 | 5.74 | |
qSTI2A.2 | 2A | 157543327—158435888 | 18SX | 4 | AX-109846450 | 158045085 | 6.47E-06 | 5.22 | |
qSTI2A.3 | 2A | 158455885—159864551 | 18SX | 2 | AX-108746106 | 159092995 | 7.68E-05 | 5.51 | |
qSTI3A.1 | 3A | 36089540—36658499 | 18SX | 3 | AX-110714576 | 36647841 | 2.82E-05 | 5.69 | |
qSTI3A.2 | 3A | 36667916—37820677 | 18SX | 29 | AX-111680971 | 36892106 | 2.19E-06 | 7.44 | |
20SX | 2 | AX-111680971 | 36892106 | 3.57E-05 | 6.34 | ||||
qSTI3B | 3B | 21002550—22060773 | 20HB | 3 | AX-111217726 | 21005270 | 4.82E-05 | 5.48 | MQTL-3B-2[ |
20SX | 4 | AX-109372197 | 21958702 | 1.69E-05 | 5.96 | ||||
19SX | 3 | AX-109483119 | 21146511 | 6.30E-05 | 5.33 | ||||
qSTI4A.1 | 4A | 742336253—742890671 | 19SX | 16 | AX-111002722 | 742825633 | 1.04E-05 | 7.41 | |
qSTI4A.2 | 4A | 744154769—744311695 | 19SX | 3 | AX-111184770 | 744276864 | 2.81E-05 | 6.26 | |
qSTI6A | 6A | 595581230—596160987 | 20HB | 6 | AX-110988432 | 595581230 | 3.77E-05 | 5.37 | MQTL-6A-7[ |
19HB | 3 | AX-108764077 | 595606825 | 4.43E-05 | 5.25 | ||||
qSTI7A.1 | 7A | 54704803—55369001 | 20SX | 3 | AX-109038648 | 55349021 | 3.86E-05 | 5.73 | |
qSTI7A.2 | 7A | 67737933—68737933 | 20SX | 2 | AX-110092291 | 68237933 | 9.10E-05 | 5.11 | MQTL-7A-1[ |
qSTI7D | 7D | 1196736—1241409 | 19SX | 2 | AX-109901882 | 1196736 | 7.38E-05 | 5.43 |
表5
qSTI3B物理区间内的候选基因"
基因ID Gene ID | 物理位置 Physical location (bp) | 注释功能 Annotation function |
---|---|---|
TraesCS3B02G042000 | Chr.3B: 21002815—21003875 | 染色质重塑子8 Chromatin remodeling 8 |
TraesCS3B02G042100 | Chr.3B: 21346119—21347117 | F-box结构域蛋白F-box domain containing protein |
TraesCS3B02G042200 | Chr.3B: 21384803—21387745 | F-box结构域蛋白F-box domain containing protein |
TraesCS3B02G042300 | Chr.3B: 21402835—21405805 | 单磷酸鸟苷合酶GMP synthase |
TraesCS3B02G042400 | Chr.3B: 21770070—21771613 | AP2/EREBP转录因子AP2/EREBP transcription factor |
TraesCS3B02G042500 | Chr.3B: 21880115—21880378 | 含P环的核苷三磷酸水解酶超家族蛋白 P-loop containing nucleoside triphosphate hydrolases superfamily protein |
TraesCS3B02G042600 | Chr.3B: 22053762—22056996 | 信号肽酶亚家族蛋白Signal peptidase subunit family protein |
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