小麦品系20828多小穗的遗传基础解析

单位面积穗数、每穗粒数和千粒重三个主要因素决定了小麦籽粒的产量。其中每穗粒数又由小穗数和穗粒数组成。每穗小穗数的增加可提高每穗粒数进而提高小麦籽粒产量。从不同的小麦种质资源中鉴定、利用和聚合各种小穗数基因对提高小麦群体质量和产量具有重要意义。小麦品系20828具有多小穗[1]、对条锈病免疫抗性[2，3]的特点。近十余年被广泛用不育种亲本。本研究利用‘20828’בSY95-71’F₇重组自交系群体（2SY），通过小麦55K SNP芯片进行全基因组扫描（Liu et al. 2020），结合两年7个环境的小穗数表型，拟对‘20828’小穗数的遗传机制进行解析，为高效利用其优异性状提供理论基础。

图1 亲本每穗小穗数表型

1. 每穗小穗数表型分析

亲本‘20828’的每穗小穗数显著多于亲本‘SY95-71’（图1），并且重组自交系群体中小穗数的表型都呈连续分布趋势。‘20828’的平均每穗小穗数为28.05，‘SY95-71’的平均小穗数为20.00；其后代群体中最大和最小小穗数分别为15.00和34.00。

2. 小穗数QTL鉴定及验证

在本研究中，鉴定到2个稳定表达的小穗数主效QTL，分别位于2D（QSns.sau-2SY-2D.1）和7A（QSns.sau-2SY-7A）染色体。其中QSns.sau-2SY -7A定位于染色体7AL上标记AX-110518554和AX-110094527的4.75cM区间，并具有较高的LOD值，介于4.46至16.00之间，解释10.21-40.78％的表型变异。

而先前的研究[1]也在2D染色体相同的区间内确定了一个小穗数QTL（QSns.sau-2CN-2D），并且这两个QTL的增效位点都来自‘20828’，因此认为它们是同一个小穗数QTL位点。

通过55K SNP芯片数据，将侧翼标记转化为可用的KASP标记KASP-AX-110094527。用该标记对主效QTL QSns.sau-2SY-7A在一个F_2:3群体和一个包含101个小麦高代育种品系的自然群体中对该QTL的效应进行了验证，T检验结果表明含有该主效QTL的‘20828’增效位点的株系比不含该位点的株系的小穗数分别增加5.50 %（图2）和11.71 %（图3b）。

图2 F_2:3群体中QSns.sau-2SY-7A的验证

3. 探究QSns.sau-2SY-2D.1和QSns.sau-2SY-7A对小麦小穗数的贡献

基于鉴定到的两个主效QTL均能显著提高小麦小穗数，我们对其效应进行了进一步的分析。通过已开发的KASP标记在2SY群体和101个小麦高代育种品系的自然群体的分型结果进行分组，结合表型数据进行显著性差异分析。结果表明，在2SY群体和自然群体中，具有单个QTL的株系的小穗数显著高于不含QTL的株系（图3），具有两个QTL的株系的小穗数显著高于只含一个QTL或不含QTL的株系（图3）。

图3 2SY群体（a）和自然群体（b）中QSns.sau-2SY-2D.1和QSns.sau-2SY-7A对小麦小穗数的贡献

4. QSns.sau-2SY-7A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-110094527在2SY群体中的分型结果，将该群体分为2个组（携带‘20828’纯合等位基因和携带‘SY95-71’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）、穗长（SL）、有效分蘖数（PTN）和株高（PH）进行显著性分析。结果表明，除有效分蘖数和株高以外，千粒重（TKW）、开花期（AD）和穗长（SL）均受到QSns.sau-2SY-7A的显著影响（图4）。

图4 QSns.sau-2SY-7A与产量性状的关系

5. QSns.sau-2SY-7A区间内基因预测及分析

QSns.sau-2SY-7A定位染色体7AL上标记AX-110518554和AX-110094527的4.75cM区间，其对应中国春小麦和野生二粒小麦物理图谱的区间分别为3.83Mb和3.88Mb。该区间内两者所包含的基因分别为55和75个，其中同源基因有26个。其中TraesCS7A01G484300，TraesCS7A01G483100以及TraesCS7A01G481600与每穗小穗数调控相关（图5）。其中TraesCS7A01G481600（WAPO1）被报道与水稻ABERRANT PANICLE ORGANIZATION 1 (APO1) 是同源基因，能显著提高小麦小穗数。因此对亲本‘20828’和‘SY95-71’的WAPO1序列进行了分离。序列比对显示，在编码区存在两个SNP（G140T，G1284A）引起了氨基酸变化（C47F，D384N），这与前人的结果一致。因此，推断WAPO1可能是QSns.sau-2SY-7A的候选基因，这些结果也表明小麦7A染色体在小穗数发育中起重要作用。

图5 QSns.sau-2SY-7A的物理区间以及区间内基因的预测

6. 全文总结

本研究系统解析了育种亲本20828品系的小穗数遗传机制。鉴定到两个稳定表达的小麦小穗数主效QTL QSns.sau-2SY-2D.1和QSns.sau-2SY-7A，并对QSns.sau-2SY -7A进行了深入的分析。在含有QSns.sau-2SY-7A位点与不含QSns.sau-2SY-7A位点的株系之间，除有效分蘖数（PTN）和株高（PH）以外，千粒重（TKW）、开花期（AD）、穗长（SL）均存在显著差异。根据前人的研究表明，穗长、穗粒数和开花期与小穗数呈正相关，即晚花基因型可能具有相对较长的穗长和更多的小穗，使得穗粒数增加，这与本研究的结果相符。而QSns.sau-2SY-7A与千粒重呈显著负相关，这是由于每穗小穗数的增加会增加穗粒数，同时伴随着营养竞争，即单个籽粒吸收的养分减少，因此会使得千粒重下降。

同时我们对QSns.sau-2SY-2D.1和QSns.sau-2SY-7A对小麦小穗数的贡献进行了进一步的分析。具有单个QTL的株系的小穗数显著高于不含QTL的株系，具有两个QTL的株系的小穗数显著高于只含一个QTL或不含QTL的株系。

综上所述，我们检测到了主效、稳定的小麦每穗小穗数QTL，同时也在不同遗传背景中验证了QSns.sau-2SY-7A的效应。开发的KASP标记为后续的多小穗小麦分子标记辅助育种提供了帮助。

该结果于近期在Journal of Integrative Agriculture (JIA) 的2022 年 6 期正式发表[4]。该研究得到国家自然科学基金（31971937、31970243）、四川省科技厅应用基础研究（2020YJ0140、2021YJ0503）、四川省科技厅国际合作交流（2021YFH0083、2022YFH0053）等项目的资助。

主要参考文献：

[1] Identification and validation of a major and stably expressed QTL for spikelet number per spike in bread wheat. Theoretical and Applied Genetics (2019) 132: 3155-3167.

[2] Identification and validation of a novel major QTL for all-stage stripe rust resistance on 1BL in the winter wheat line 20828. Theoretical and Applied Genetics (2019) 132: 1363-1373.

[3] Effects of the 1BL/1RS translocation on 24 traits in a recombinant inbred line population. Cereal Research Communications (2020) 48:225–232

[4] A major and stable QTL for wheat spikelet number per spike validated in different genetic backgrounds.Journal of Integrative Agriculture 2022, 21(6): 1551–1562.