四倍体小麦小穗数位点的定位与验证

小麦产量的不断提升对解决世界粮食安全问题至关重要。小穗数是影响小麦产量的关键因素，取决于小穗分生组织转化到末端小穗之前产生的侧生小穗数量，是一个复杂的数量性状，在QTL水平上解析小穗数的遗传机制具有一定的意义。现代小麦育种降低了品种之间的遗传多样性，对提高小麦产量带来不利影响，因此有必要从小麦近缘属种发掘新的基因资源。

本研究利用四川地方硬粒小麦矮兰麦（AL, T. turgidum L. cv. Ailanmai）和野生二粒小麦（LM001, T. turgidum subsp. dicoccoides）创制的含有121个株系的重组自交系（RIL）群体，通过小麦55K SNP芯片进行基因分型，结合五年八点的表型数据，挖掘小穗数主效位点，并获得与其紧密连锁的分子标记，为小麦遗传改良提供新的基因资源。

1. 遗传图谱的构建及与物理图谱的比较

1150个bin标记连锁在四倍体小麦14条染色体的15个连锁群上，总长2411.8 cM，平均标记密度为2.10 cM/bin，其中3B染色体包含两个连锁群。基于bin标记信息，将6537个共分离标记整合到遗传图谱上，56% 的标记分布在A亚基因组上，44% 的标记分布在B亚基因组上。

将1150个bin标记的序列定位到硬粒小麦基因组上，其中1087个标记具有一致的遗传和物理染色体位置（图1a）；在野生二粒小麦基因组中，1079个标记具有一致的遗传和物理染色体位置（图1b）。其中，1026个bin标记在遗传图谱和两种物理图谱中的染色体位置一致。而6537个定位标记中的6031个标记在遗传图谱和两种物理图谱中的染色体位置一致。

2. 表型分析

在AL与LM001构建的RIL群体中，亲本小穗数之间没有显著差异（图2），而在子代中发现明显的双向超亲分离，呈近似正态分布，符合数量性状遗传的特点（图3）。此外，小穗数表型数据在所有生态环境之间的相关性均达到了显著水平（图3）。

3. QTL定位与验证

在至少两个环境中检测到了5个小穗数QTL，分别位于5A（1个）、2B（2个）和3B（2个）染色体上，解释了6.71-29.40% 的表型变异。QSns.sau-AM-5A、QSns.sau-AM-2B.2和QSns.sau-AM-3B.2是控制小穗数的主效QTL。

QSns.sau-AM-5A被定位在AX-108790581（557.72 Mb）和AX-111596791（571.41 Mb）之间，在四个环境和BLUP中被检测到，正效应等位基因来自父本LM001，在单个环境中增加了4.54-10.48% 的小穗数（图4a）。

QSns.sau-AM-2B.2的正效应等位基因来自父本LM001，在七个环境和BLUP中被检测到，定位在AX-111626925（728.65 Mb）和 AX-111588559（731.60 Mb）之间。通过亲本的660K基因分型数据，在此区间开发了两个多态性KASP标记（KASP-AX-95072014 和 KASP-AX-109422178），整合到遗传图谱，重新将QSns.sau-AM-2B.2定位在KASP-AX-95072014（731.25 Mb）和AX-111588559（731.60 Mb）之间，在单个环境中增加了7.00-12.18% 的小穗数（图4b）。

QSns.sau-AM-3B.2的正效应等位基因来自母本AL，在四个环境和BLUP中被检测到，定位在AX-109876826（65.87 Mb）和 AX-110548993（72.59 Mb）之间，在单个环境中增加了5.02-10.14% 的小穗数（图4c）。

比较分析显示QSns.sau-AM-5A与前人报道的QSps.ccsu-5A.2 (568.96-662.44 Mb) 和QTL1755_5A (569.50-579.91 Mb) 区间重叠，而QSns.sau-AM-2B.2和QSns.sau-AM-3B.2则是新的小穗数位点。

与QSns.sau-AM-2B.2（AX-111588559）和QSns.sau-AM-3B.2（AX-110548993）紧密连锁的标记被转换为KASP标记，用于验证主效位点的正效应。在两个F₂群体中，t检验分析表明含有相应QTL正效应等位基因株系的小穗数比不含该等位基因的小穗数显著增加（图5）。

4．主效QTL在定位群体中的加性效应

与不携带主效位点正效应等位基因的株系相比，含有任意正效应等位基因的株系的小穗数均显著增加。同时携带三种正效应等位基因对提高小穗数的影响最大；两个主效位点中，QSns.sau-AM-2B.2和QSns.sau-AM-5A的正向聚合效应对增加小穗数的影响最大；单个主效位点中，QSns.sau-AM-2B.2的正效应对提高小穗数的影响最大（图6）。

5．QSns.sau-AM-2B.2的候选基因预测

QSns.sau-AM-2B.2 的物理区间内仅有三个基因。TRIDC2BG075290 编码蛋白激酶，前人研究发现蛋白激酶基因 TaSnRK2.9 与高千粒重和高穗粒数显著关联，说明蛋白激酶对农艺性状的积极影响。此外，TRIDC2BG075290 在拟南芥中的同源基因 Stomatal opening factor 1 (OST1, SnRK2.6) 能够促进 FLOWERING LOCUS C (FLC) 的表达，进而参与调节开花的脱落酸途径。这可能会影响小麦花序发育及小穗的形成。TRIDC2BG075310 和 TRIDC2BG075320 均编码SAUR样生长素响应蛋白，涉及根、下胚轴、叶片和雄蕊的发育。表达模式分析发现，TRIDC2BG075290 在穗部和旗叶中表达量较高，TRIDC2BG075310 在整个穗发育阶段均有高表达量，TRIDC2BG075320 仅在穗部表达。这些分析对于未来的精细定位和基因克隆十分重要。

6．总结

本研究首次使用小麦55K SNP芯片在四倍体小麦RIL群体中构建了遗传连锁图谱，并鉴定到两个主效且新的小穗数QTL，其正效应在F₂群体中得到验证。同时还分析了主效QTL对提高小穗数的加性效应，预测了物理区间内的候选基因。本研究中新的小穗数主效位点以及开发的紧密连锁的KASP标记对标记辅助选择育种和未来的基因克隆有较大意义。该成果是本小组在种质资源评价与鉴定、重要产量基因资源挖掘与利用的系统性研究^[1-10]的一部分。

该成果于近日发表在Top期刊Frontiers in plant science（IF=5.753）（https://doi.org/10.3389/fpls.2021.732837^[11]），这项工作得到了国家自然科学基金、四川省重点项目研发计划、四川省科技厅应用基础研究计划、四川省科技厅国际合作交流项目、四川农业大学双支计划的资助。

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