利用90K基因芯片进行小麦株高QTL分析

武炳瑾，冯 洁，崔紫霞，张传量，孙道杰

(西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100)

利用90K基因芯片进行小麦株高QTL分析

武炳瑾，冯 洁，崔紫霞，张传量，孙道杰

(西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100)

为给小麦株高标记辅助选择提供可供选择的分子标记，并进一步对株高QTL进行精细定位及相关基因克隆，以小麦骨干亲本周8425B和小偃81衍生的包含102个家系的RIL群体(F8)为材料，利用90K芯片标记构建高密度遗传图谱，在3个环境下对株高进行QTL检测。结果表明，所构建的图谱含有9 290个SNP标记，覆盖了小麦21条染色体的63个连锁群，图谱总长3 894.64 cM，平均标记密度为0.42 cM。共检测到9个控制株高的QTL，分布于1B、4A、4D、6B、7A、7B和7D染色体上，变异解释率为2.23%～16.25%。 QPh.nafu.4D、 QPh.nafu.4A、 QPh.nafu.1B-2与前人定位到的位置相同或相近。 QPh.nafu.7A具有较大的LOD值(8.17)和变异解释率(14.69%)，为主效QTL。 QPh.nafu.6B、 QPh.nafu.7B-1、 QPh.nafu.7B-2均能在多个环境下使用多种QTL检测方法定位到，可能为新的较稳定的控制株高的QTL。

小麦；90K基因芯片；QTL定位；株高

小麦是世界上种植范围最广的谷类作物之一[1-2]，提供了人类约五分之二的能量来源。株高作为小麦重要农艺性状之一，是影响小麦产量的重要因素。矮杆小麦在生产上的应用，大幅度提高了小麦的产量[3]，使国内外越来越重视对小麦株高遗传机理的研究。迄今为止，已定位了50多个控制株高的QTL[4-8]，如刘冬成等[9]用ND3338×F390得到的240个F2:3家系，在4个不同的环境中共发现了7个控制株高的QTL，最大可解释50.1%的表型变异；Chao等[10]检测到6个控制株高的QTL，分别位于2D、4B、4D、5A和5D染色体上，可解释表型变异的1.51%～34.96%；丁安明等[11]使用多种标记和两个群体共定位到15个株高QTL，其中8个QTL的遗传解释率大于10%；Keller等[12]使用普通小麦和斯卑尔脱小麦杂交获得的RIL群体在3个环境下检测到分布于9条染色体上的11个控制株高的QTL。但人们对株高形成的机制仍了解甚少，因此还需继续挖掘一些新的控制株高的基因，以便对其遗传机理有更深入地了解。鉴于此，本研究以骨干亲本周8425B和小偃81构建的F8代RIL群体为材料，利用90K芯片标记构建高密度遗传连锁图谱，对株高进行QTL定位，以期为小麦的分子标记辅助育种、QTL的精细定位及相关基因的克隆提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及其种植

供试材料为周8425B和小偃81构建的含有102个家系的F8重组自交系(RIL)群体。周8425B具有配合力较好、抗病性强、矮秆、大穗、大粒等优点；小偃81是高产、优质、抗病的半冬性多穗型中熟品种。试验材料由西北农林科技大学农学院王 辉教授课题组创制并提供。

所有材料于 2013-2014年种植于陕西杨凌(E1)、2014-2015年种植于河南安阳(E2)，2015-2016年种植于西北农林科技大学试验田(E3)，小区行长2 m，行距0.23 m，2次重复。采用随机区组设计，常规管理，生长期间未发生严重病虫害和倒伏现象。

1.2 株高的测定及其数据处理

小麦成熟后，参照《小麦种植资源描述规范和数据标准》[13]，从每个小区随机选取10个单株调查株高，取平均值用于表型及遗传分析。

用Excel对数据进行描述性统计。用IciMaping软件中的ANOVA功能进行遗传力的计算。

1.3 遗传图谱的构建

使用Illumina公司的小麦90K芯片进行全基因组扫描，使用Genomestudio v1.0软件进行分型，筛选亲本差异标记并用于构建遗传图谱。

使用基于最大似然估计算法的CarthaGène-1.2.3-Linux[14]构建遗传连锁图谱。使用MapChart软件绘制连锁图谱。

1.4 QTL定位

使用基于逐步回归的完备复合区间作图法IciMapping[15]的BIP功能进行多环境多方法QTL定位。扫描步长为1.0 cM，逐步回归概率为P<0.001，LOD阈值为2.5。按照McIntosh等[16]的方法进行QTL的命名，即：Q+性状名称英文缩写+研究机构名称缩写+染色体编号+染色体上的次序。

2 结果与分析

2.1 亲本及RIL群体株高性状的变异

在三个检测环境中，母本周8425B的株高均小于父本小偃81，RIL群体存在明显的双向超亲分离现象(表1、图1),表明株高为多基因控制的数量性状，适于QTL定位。遗传力高达0.9，表明株高主要受基因型控制，受环境影响较小。变异系数高达14%，可能是亲本间差异较大导致后代发生了更广泛的分离，说明有很大的改良潜力。

2.2 构建的遗传图谱

本试验所使用的90K芯片共有81 588个检测探针，覆盖小麦全基因组。其中，检测到亲本多态性位点11 037个，控制缺失率(0.05)并且去除不连锁标记后共9 290个标记用于遗传图谱构建。所有SNP标记共构建了63个连锁群，覆盖了小麦21条染色体，遗传图谱总长3 894.64 cM，平均标记密度0.42 cM。同源群中除第4同源群标记数目较少，第1、2同源群数目略多外，其他同源群标记数目较均衡(表2)。就各染色体而言，1B染色体上标记覆盖数最高，4D染色体覆盖最少，各染色体分布密度在0.11～1.45 cM之间。

染色体组/同源群Chromosome/Homologouschromosomegroup标记数目Markernumber遗传长度Geneticlength/cM平均标记密度Averagedensityofmarkers/cM第1同源群 Thefirsthomologousgroup1907412.240.22第2同源群 Thesecondhomologousgroup1770629.240.36第3同源群 Thethirdhomologousgroup1383559.460.40第4同源群 Thefourthhomologousgroup496460.150.93第5同源群 Thefifthhomologousgroup1162603.440.52第6同源群 Thesixthhomologousgroup1346567.100.42第7同源群 Theseventhhomologousgroup1226663.010.54A染色体组 Achromosome32331725.640.53B染色体组 Bchromosome51801727.170.33D染色体组 Dchromosome877441.830.50

2.3 株高性状QTL定位结果

由表3、图2可知，共定位到9个控制株高的QTL，分布于1B、4A、4D、6B、7A、7B和7D染色体上，其中 QPh.nafu.1B-1、 QPh.nafu.1B-2、 QPh.nafu.7A和 QPh.nafu.7D只能在一个环境中被检测到， QPh.nafu.4A 、 QPh.nafu.4D 、 QPh.nafu.6B 、 QPh.nafu.7B-1和 QPh.nafu.7B-2可以在多个环境中或用多种方法被检测到，变异解释率为2.23%～16.25%，其中 QPh.nafu.4D、 QPh.nafu.7B-1、 QPh.nafu.7B-2利用完备区间作图法(ICIM)得出的变异解释率大于10%，为主效QTL。除 QPh.nafu.4A和 QPh.nafu.6B的加性效应来自于高值亲本小偃81，其他QTL的加性效应均来自于低值亲本周8425B，并且加性效应值较大，具有较大的遗传优势。

3 讨 论

3.1 遗传图谱构建

QTL准确定位的前提是构建出饱和度高、覆盖面广的遗传图谱。目前，许多实验室用于构建遗传图谱的标记如 RFLP、RAPD、AFLP和SSR等都要依赖于电泳分离，这种检测技术因为费时、费力、操作技术难度大，远远不能满足对基因型分析的需求。SNP标记是继SSR标记之后认可度最高的分子标记[17]，具有数量多、分布广等优点，同时也是一种古老而高度稳定的突变(尤其是在编码区的cSNP)。本研究利用小麦Illumina 90K基因芯片，检测出11 037个具有品种间多态性的SNP位点，远远大于前人利用传统分子标记进行遗传研究的标记数量。因此，SNP标记较传统分子标记具有良好的全基因组覆盖度，在遗传多样性和关联分析方面效率较高，随着小麦基因组测序的完成，SNP 标记将在小麦候选基因预测、基因克隆等方面更具优势[18-19]。

表3 株高性状QTL的定位结果

SMA:单标记分析法；IM:区间作图法；ICIM:完备区间作图法。

SMA: Single marker analysis; IM: Interval mapping; ICIM: Inclusive composite interval mapping.

3.2 QTL定位结果的一致性分析

本试验除 QPh.nafu.1B-1、 QPh.nafu.1B-2、 QPh.nafu.7A和 QPh.nafu.7D只在一个环境中被检测到，其他QTL均能在多环境、多种方法中定位。其原因可能是小麦株高性状受多基因控制且易受环境影响，性状之间也存在相互作用，所以有的QTL在多环境检测中表现不稳定性或环境特异表达。

由于不同研究受到不同亲本、不同群体规模和不同环境的影响，尽管研究的是同一农艺性状，其研究结果也不尽相同，但一些效应大的QTL在不同群体间保守存在。在4D染色体上定位到的 QPh.nafu.4D与Zhai等[20]定位到的 QPht.cau-4D.2具有共同区间，控制株高的QTL可能位于该区段内。矮杆基因 Rht2和 Rht10也被定位到4D染色体上，因使用不同种分子标记，无法比较相对位置，是同一位点还是新的控制小麦株高的位点还有待验证。 QPh.nafu.4A包含在Li等[21]定位到的 QPh.hwwgr-4AL的区间内，并将控制株高的QTL所在位置控制在4 cM 以内。 QPh.nafu.1B-2与包含在Wang等[22]定位到的位于1B染色体上的 QPh.cgb-1B.1区间内，缩小了QTL的区间范围。这些位点不但验证了前人工作的正确性，还大大减少了后续基因精细定位及克隆的工作量。 QPh.nafu.6B、 QPh.nafu.7B-1、 QPh.nafu.7B-2均能在多个环境下使用多种QTL检测方法检测到，为较稳定的控制株高的QTL，矮秆基因 Rht9和 Rht13已被定位到7B染色体上，因目前还未被克隆，是否位于同一位置还有待进一步考证。迄今为止，还未见有7A染色体上定位到控制株高的QTL的报道，本研究定位到的 QPh.nafu.7A具有较大的LOD值(8.17)和变异解释率(14.69%)，可能为新的主效QTL。

(图续转下页 Be continued in next page)

图2 株高性状QTL在染色体上的分布

[1]GUPTA P K,MIR R R,MOHAN A,etal.Wheat genomics:present status and future prospects [J].InternationalJournalofPlantGenomics,2008,2008(1687-5370):1.

[2] 周淼平,任丽娟,张 旭,等.小麦产量性状的QTL分析[J].麦类作物学报,2006,26(4):35.

ZHOU M P,REN L J,ZHANG X,etal.Analysis of QTLs for yield traits of wheat [J].JournalofTriticeaeCrops,2006,26(4):35.

[3] 白 羽,齐 鹏,郭小明,等.小麦矮杆基因研究进展[J].科技成果管理与研究,2014(11):42.

BAI Y,QI P,GUO X M,etal.Research progress of dwarf gene in wheat [J].ManagementandResearchofScientificandTechnologicalAchievements,2014(11):42.

[4]ELLIS M H,REBETZKE G J,AZANZA F,etal.Molecular mapping of gibberellin-responsive dwarfing genes in bread wheat [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2005,111(3):423.

[5]MARZA F,BAI G H,CARVER B F,etal.Quantitative trait loci for yield and related traits in the wheat population Ning 7840 x Clark [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2006,112(4):688.

[6] 王 岩,李卓坤,田纪春.利用永久F2群体定位小麦株高的QTL[J].作物学报,2009,35(6):1038.

WANG Y,LI Z K,TIAN J C.Detection of quantitative trait loci for plant height using an immortalized F2population in wheat [J].ActaAgronomicaSinica,2009,35(6):1038.

[7]VERMA V,WORLAND A J,SAVERS E J,etal.Identification and characterization of quantitative trait loci related to lodging resistance and associated traits in bread wheat [J].PlantBreeding,2005,124(3):234.

[8]MCCARTNEY C A,SOMERS D J,HUMPHREYS D G,etal.Mapping quantitative trait loci controlling agronomic traits in the spring wheat cross RL4452 x‘AC Domain’ [J].Genome,2005,48(5):870.

[9] 刘冬成,高睦枪,关荣霞,等.小麦株高性状的QTL分析[J].遗传学报,2002,29(8):706.

LIU D C,GAO M Q,GUAN R X,etal.Mapping quantitative trait loci for plant height in wheat (TriticumaestivumL.) using a F2:3population [J].ActaGeneticaSinica,2002,29(8):706.

[10]LÜ C,SONG Y X,GAO L F,etal.Integration of QTL detection and marker assisted selection for improving resistance toFusariumhead blight and important agronomic traits in wheat [J].TheCropJournal,2011,2:70.

[11] 丁安明,崔 法,李 君,等.小麦单株产量与株高的QTL分析[J].中国农业科学,2011,44(14):2857.

DING A M,CUI F,LI J,etal.QTL analysis on grain yield per plant and plant height in wheat [J].ScientiaAgriculturaSinica,2011,44(14):2857.

[12]KELLER M,KARUTZ C,SCHMID J E,etal.Quantitative trait loci for lodging resistance in a segregating wheat x spelt population [J].TheoreticalandAppliedGenetics,1999,98(6):1171.

[13] 李立会.小麦种植资源描述规范和数据标准[M].北京:中国农业出版社,2006:8.

LI L H.Descriptors and Data Standard for Wheat (TriticunmaestivumL.) [M].Beijing:Chinese Agricultural Science and Technology Press,2006:8.

[14]GIVRY S D,BOUCHEZ M,CHABRIER P,etal.CarhtaGene:multipopulation integrated genetic and radiation hybrid mapping [J].Bioinformatics,2005,21(8):1703.

[15]LI H,YE G J.A modified algorithm for the improvement of composite interval mapping [J].Genetics,2007,175(1):361.

[16]MCINTOSH R A,HART G E,DEVOS K M,etal.Catalogue of gene symbols for wheat [C].12thInternational Wheat Genetics Symposium,Yokohama,Japan,2013:14.

[17]WANG S,WONG D,FORREST K,etal.Characterization of polyploid wheat genomic diversity using a high-density 90 000 single nucleotide polymorphism array [J].PlantBiotechnologyJournal,2014,12(6):787.

[18] 关 强,张月学,徐香玲,等.DNA分子标记的研究进展及几种新型分子标记技术[J].黑龙江农业科学,2008(1):102.

GUAN Q,ZHANG Y X,XU X L,etal.Development of DNA molecular marker and several new types of molecular markers [J].HeilongjiangAgriculturalSciences,2008(1):102.

[19]ZOU Y P.A novel molecular marker-SNPs and its application [J].ChineseBiodiversity,2003,11:370.

[20]ZHAI H,FENG Z,LI J,etal.QTL analysis of spike morphological traits and plant height in winter wheat (TriticumaestivumL.) using a high-density SNP and SSR-based linkage map [J].FrontiersinPlantScience,2016,7:1.

[21]LI C,BAI G,CARVER B F,etal.Mapping quantitative trait loci for plant adaptation and morphology traits in wheat using single nucleotide polymorphisms [J].Euphytica,2016,208(2):299.

[22]WANG Z,WU X,QIAN R,etal.QTL mapping for developmental behavior of plant height in wheat (TriticumaestivumL.) [J].Euphytica,2010,174(3):447.

QTL Analysis of Plant Height by Using 90K Chip Technology

WU Bingjin,FENG Jie,CUI Zixia,ZHANG Chuanliang,SUN Daojie

(College of Agronomy,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi 712100,China)

Molecular marker assisted breeding of wheat provides a reference for fine mapping and cloning of plant height genes. In the present study,a population of 102 recombinant inbred lines (F8) was derived from a cross between the elite parents Zhou 8425B and Xiaoyan 81. The population was used to identify quantitative trait loci (QTL) in three environments. A high density genetic map of wheat was constructed by using 90K chip. The constructed genetic linkage map contains 9 290 SNP markers,with a total length of 3 894.64 cM,containing 63 linkage groups and covering the 21 chromosomes of wheat,with an average marker density of 0.42 cM. A total of nine QTLs controlling plant height were found on 1B,4A,4D,6B,7A,7B and 7D chromosomes. The amount of phenotype variation explained (PVE) by individual QTL ranged from 2.23% to 16.25%. QPh.nafu.4D， QPh.nafu.4A and QPh.nafu.1B-2 have the same or similar position with the findings in previous studies. QPh.nafu.7A have a high value of LOD (8.17) and PVE (14.69%),which may become a main effect QTL. QPh.nafu.6B, QPh.nafu.7B-1 and QPh.nafu.7B-2 can be detected in multi-environments and methods,which may become the new stable QTLs controlling plant height.

Wheat; 90K gene chip; QTL mapping; Plant height

时间：2017-05-12

2017-01-20

2017-04-23

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2014CB138100)；陕西省重点科技创新团队项目(2014KCT-25)

E-mail：wbj2010@163.com

孙道杰(E-mail:chinawheat@hotmail.com)

S512.1；S330

A

1009-1041(2017)05-0578-07

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170512.1955.004.html