河南省审定小麦品种旗叶性状全基因组关联分析
曹廷杰 周艳杰 杨剑 张玉娥 胡卫国 王西成 赵虹
摘要：为解析河南省育成小麦品种旗叶性状的遗传基础，以河南省审定的96个小麦品种为材料，2019年在河南省南阳市、安阳市、新乡市原阳县3个环境下对旗叶长（FLL）、旗叶宽（FLW）和旗叶长宽比（FLFW）进行鉴定，并利用小麦90K 单核苷酸多态性（SNP）芯片进行全基因组关联分析。结果表明，旗叶长和旗叶长宽比在3个环境中均呈极显著正相关关系（r值分别为0.800、0.799、0.729）;旗叶宽与旗叶长宽比之间呈极显著负相关关系（r值分别为 -0.334、-0.597、-0.606）。筛选到6个旗叶较宽（开麦21、中育9398、豫农202、花培1号、郑育麦9987、郑麦583）和7个旗叶较长（温9629、郑农16、豫农201、新麦9号、平麦998、豫麦34、豫农202）的小麦品种。检测到59个与旗叶显著关联的SNPs位点，其中与旗叶长显著关联的SNPs有8个，分别位于2B、2D、4A、4B、7B染色体上，可解释11.96%～15.43%的表型变异;与旗叶宽显著关联的SNPs有41个，分别位于1A、2A、2B、3B、3D、4B、5A、5B、6A、6B、6D、7B染色体上，可解释12.18%～21.57%的表型变异;与旗叶长宽比显著关联的SNPs有10个，分别位于2B、4A、6B染色体上，可解释12.85%～15.60%的表型变异;6B染色体上的Ku_c32100_105位点同时与旗叶宽和旗叶长宽比显著关联。经比较发现被定位在2B染色体上的位点可能是1个新的位点，研究结果为从遗传水平揭示小麦旗叶发育提供了重要的参考。
关键词：小麦品种;旗叶性状;相关性;全基因组关联分析;河南省
中图分类号：S512.103.2 文献标志码：A
文章编号：1002-1302（2022）11-0053-10
收稿日期：2021-08-13
基金项目：河南省小麦产业技术体系项目（编号：S2010-01-G03）。
作者简介：曹廷杰（1977—），男，河南南阳人，博士，副研究员，主要从事小麦育种及重要性状遗传分析研究。E-mail：caotingeji893@163.com。
小麦旗叶产生的同化物是籽粒灌浆期积累干物质的主要来源，对小麦产量起着决定性作用。旗叶为植株最上层的叶片，与其他叶片相比，旗叶叶绿体细胞最多，叶绿体中基粒类囊体数量多，光合作用强度最高。此外，旗叶作为源器官，距离穗部（库）最近，因而物质运输效率最高]，对小麦穗粒数和千粒质量贡献最大。小麦旗叶长和宽与产量呈现极显著正相关关系，因此，改良旗叶性状对提升小麦产量具有重要意义。小麦旗叶性状受数量性状位点（QTL）控制，前人已定位了多个控制旗叶性状的QTLs。姚俭昕等利用90K小麦SNP芯片对小偃81、西农1376构建的重组自交系群体进行旗叶长QTL定位，检测到2个QTLs均位于5A染色体上。Tu等利用20828/SY95-71重组自交系群体进行QTL定位，定位到控制旗叶长和旗叶宽的QTLs分别位于2B（2个）、5B和2B、2D染色体上，且位于2B染色体上的2个QTLs不重叠。Liu等利用ND3331和Zang1817的重组自交系群体进行定位，分别定位到6个控制旗叶长和2个控制旗叶宽的QTLs，可解释4.62%～14.70%的表型变异，其中QFLW-4B.1和QFLW-4B.2同时控制2个性状。
小麦基因组大小约为15 GB，且含有3套部分同源染色体组，利用重组自交系进行QTL定位所需时间较长，且能获得的重组频率非常低，导致定位精度较低。全基因组关联分析是一种基于连锁不平衡的定位方法，该方法直接利用自然群体材料进行基因型检测、表型鉴定以及遗传分析，省时省力且定位更精准，目前已开发了9K、90K、660K等多种小麦SNP芯片，显著提高了全基因组关联分析的分辨率。全基因组关联分析已广泛应用于解析小麦复杂数量性状的遗传机制，如籽粒性状、穗发芽抗性、小花育性相关性状、抗逆性、抗病性等，而目前利用全基因组关联分析解析旗叶性状的报道较少。河南省是我国小麦主产区，小麦育种和小麦生产在全国均占有重要地位，小麦种植区域广泛，小麦类型多样。本研究以2000—2010年河南省审定的96个小麦品种为材料进行旗叶性状的全基因组关联分析，解析其遗传机制，为小麦旗叶性状的遗传改良提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
材料为河南省审定的96个小麦品种，其中包括26个弱春性品种和70个半冬性品种（表1），2019年分别于河南省南阳市（NY）、安阳市（AY）、新乡市原阳县（YY）3个环境下种植，试验采取随机区組设计，每小区种植2行，行长为2 m，行距为0.3 m，株距为0.3 m，重复2次，按照国家区域试验标准进行田间试验管理。
1.2 表型鉴定
在小麦灌浆初期，每小区随机选取10个单株主茎测量旗叶长（FLL）和旗叶宽（FLW），同时计算旗叶长宽比（旗叶长/旗叶宽，FLFW），取平均值作为每个小区的观测值。
1.3 表型数据的统计分析
将环境作为随机效应，利用Lme4软件包混合线性模型在多环境下进行最佳线性无偏预测（BLUP）。
Y=G+L+G×L+R/L+e。
其中：Y为表型观测值;G是品种效应;L是环境效应;R表示区组效应;e表示残差。
估计各个效应的方差组分，用于计算各个性状的广义遗传力（H），计算公式如下：
H=σσ+σl+σrl×100%。
其中：σ表示基因型方差;σ是基因型与环境间互作的方差;σ是残差组分;r是重复次数;l是环境数。
1.4 全基因组关联分析
使用TASSEL软件的混合线性（Q+K）模型（compressed mixed linear model，简称MLM）对3个性状的BLUP值进行全基因组关联分析，基因分型结果、分子标记的物理位置、群体结构、亲缘关系矩阵K值以及群体结构Q值均已在之前的研究中进行了分析。
在计算时对每个标记的效应进行估计，标记阈值-lg P≥3.0作为显著位点。
2 结果与分析
2.1 表型数据分析
利用混合线性模型计算出3个性状（旗叶长、旗叶宽和旗叶长宽比）中基因型、环境及相互之间互作的变异（表2），经计算3个性状的广义遗传力基本相当，分别为66.17%、69.92%、66.18%。
由表3可知，96个供试小麦品种的旗叶长、旗叶宽和长宽比在不同环境下均存在差异，其中南阳试验点旗叶长和长宽比平均值最高，分别为19.93 cm、11.74，且变异系数最大，分别为13.5%、17.30%，原阳试验点旗叶宽平均值最高，为1.93 cm。3个性状均为数量性状，在不同环境中均呈正态或近似正态的连续分布（图1）。
在供试小麦材料中，开麦21、中育9398、豫农202、花培1号、郑育麦9987和郑麦583号的旗叶较宽，平均值均大于2 cm（分别为2.15、2.08、2.03、2.02、2.02、2.01 cm）。温9629、郑农16、豫农201、新麦9号、平麦998、豫麦34和豫农202旗叶较长，平均值均大于20 cm（分别为22.69、21.50、21.22、20.96、20.56、20.27、20.05 cm）。
由表4可知，旗叶长、旗叶长宽比在原阳和安阳试验点之间、安阳和南阳试验点之间呈极显著正相关关系，旗叶宽在3个试验点之间均呈显著正相关关系。原阳试验点中每2个性状之间均达到极显著相关性，旗叶长和旗叶宽、旗叶长宽比之间呈极显著正相关关系，旗叶宽和旗叶长宽比之间呈极显著负相关关系;在安阳和南阳试验点中，旗叶长和旗叶宽之间相关性均不显著，旗叶长和旗叶长宽比之间均呈极显著正相關关系，旗叶宽和旗叶长宽比之间均呈极显著负相关关系。
2.2 全基因组关联分析
由表5可知，利用小麦90K SNP芯片对3个性状进行全基因组关联分析，分别检测到8、41、10个分别与旗叶长、旗叶宽和旗叶长宽比显著关联的SNPs（P<0.001）。其中，在2B、2D、4A、4B、7B染色体上分别检测到3、1、1、1、2个SNPs与旗叶长显著关联，可解释11.96%～15.43%的表型变异（图2-a）。检测到与旗叶宽显著关联的SNPs分别位于1A（1个）、2A（1个）、2B（1个）、3B（3个）、3D（3个）、4B（2个）、5A（1个）、5B（1个）、6A（2个）、6B（21个）、6D（4个）和7B（1个）染色体上，可解释12.18%～21.57%的表型变异（图2-b）。与旗叶长宽比显著关联的SNPs分别位于2B（1个）、4A（8个）和6B（1个）染色体上，可解释12.85%～15.60%的表型变异（图2-c）。
在检测到的显著关联的分子标记中，位于6B染色体上的Ku_c32100_105位点同时与旗叶宽和旗叶长宽比显著关联，Ku_c32100_105_BB基因型品种的旗叶比Ku_c32100_105_AA基因型的更宽，但Ku_c32100_105_AA基因型品种的旗叶长宽比值比Ku_c32100_105_BB基因型的更大（表6）。
3 结论与讨论
河南小麦在由低产向高产的转变过程中呈现旗叶变宽、长宽比变小的趋势。本研究对96份河南小麦品种进行研究发现旗叶长和旗叶宽表型分布广泛，这表明河南小麦品种的旗叶存在广泛的多样性，且部分品种仍存在改良的空间。本研究筛选出的多份旗叶性状表现优异的小麦品种，其中豫农202的旗叶长和旗叶宽在供试材料中均表现突出，具有用于小麦旗叶遗传改良的潜力。
Ma等利用双亲分离群体分析表明旗叶长和旗叶宽的遗传力分别为60%、66%，本研究在自然群体中的计算结果与之基本一致，说明尽管旗叶性状受到环境的影响，但是遗传因素仍为主要因素。此外，旗叶宽和旗叶长宽比之间、旗叶长和旗叶长宽比之间存在显著的相关性，这与前人的研究结果相吻合。但在本研究中旗叶长与旗叶宽之间
不存在显著的相关性，说明可以对旗叶形态进行相对独立的遗传改良。
复杂农艺性状的遗传解析是现代遗传学的热点，长久以来利用双亲分离群体定位到了大量的QTLs，但受限于亲本狭窄的遗传背景，难以完成复杂背景下广泛位点的鉴定。全基因组关联分析利用了搜集的自然群体作为遗传材料，在特定遗传结构的群体下可以检测出所有与性状相关的位点。
本研究中检测到8个与旗叶长显著关联的SNPs，其中位于2D染色体上的BobWhite_c3871_428可能与Liu等在2DL染色体臂上定位到的QTL位于同一染色体区段内。此外，在2B染色体上的3个SNPs位于412.67～534.84 Mb物理区间内，Yan等利用关联分析也在2BL染色体臂上检测到1个显著性位点，但其位置与本研究中显著关联的SNPs相距约100 Mb，因此推测二者并不是同一个QTL。
控制小麦旗叶宽的QTL主要位于小麦第2和第5同源群上，姚俭昕等定位到的旗叶宽QTLs侧翼分子标记对应于中国春5A染色体上约500 Mb的位置，与本研究中检测到位于5A染色体上的位点相距约50 Mb，检测到定位于2A染色体上的旗叶宽QTL与NAL1基因在小麦中的直系同源基因相距约80 Mb，NAL1基因在水稻中已表明参与调控旗叶宽，由于受限于关联群体的分辨率，尚难以辨别是否为同一个QTL。5B染色体上发掘的控制旗叶宽的位点位于中国春参考基因组约604 Mb的位置，连俊方等在河南小麦骨干亲本周8425B中定位到位于5B染色体上控制旗叶宽的QTLQflw-5B，该QTL位于分子标记wsnp_Ku_c3869_7094615和BS00078572_51之间，对应于中国春437.6～698.2Mb的物理区间，刘朦朦等也在5B染色体相似区段鉴定到控制旗叶宽的QTL，其优势单倍型在河南省小麦中选择运用较高，这2个QTLs与本研究中5B染色体上控制旗叶宽的位点位置接近，而本研究中亚群3和亚群4为周麦13（周8425B/周麦9号）或周麦16（周麦9号/周8425B）的后代，因此推测河南小麦旗叶宽遗传并选择应用了周8425B的Qflw-5B位点。此外，笔者在7B染色体短臂65.02 Mb处定位到1个旗叶宽相关的显著SNP位点，经比对该SNP与之前该群体定位到的1个与产量相关的QTL物理位置（61.82 Mb）接近，该位点可能通过调控旗叶宽来提升小麦产量。目前在2B染色体上所定位的旗叶宽QTLs均位于长臂上，本研究中检测到与旗叶宽显著关联的SNP位点IACX8446位于2B染色体短臂末端，推测可能是1个新的位点。
本研究在6B染色体上检测到1个同时调控旗叶宽和旗叶长宽比的位点Ku_c32100_105，该位点在调控2个性状中具有相反的效应，因此，通过选择该位点以增加旗叶宽的同时可以有效降低旗叶长宽比，进一步图位克隆该基因对解析小麦旗叶发育具有重要意義。
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