小麦骨干亲本矮孟牛衍生系主要农艺及品质性状的关联分析

摘要

小麦(Triticum aestivumL.)是世界上主要粮食作物之一，小麦的许多重要性状是多基因控制的数量性状(Quantitative trait locus/loci，QTL)，数量性状的表型和基因型研究是育种工作的基础。
　　 关联分析利用不同基因座等位变异(基因)间的连锁不平衡关系，进行标记与性状的相关性分析，它是一种十分有效的作图方法，可以鉴定特定目标性状基因(或染色体区段)。关联分析技术与传统的QTL相比，具有周期短、精确、鉴定位点多等优势。
　　 “矮孟牛”是一个新确定的小麦骨干亲本，由其培育出一批大面积推广的品种，也衍生出许多具有广泛应用价值的亲本育种材料。本研究利用“矮孟牛”及其衍生系共109份材料构成一个研究群体，获得6个环境下的农艺及品质性状数据；选用覆盖小麦全基因组的971个DArT(Diversity Array Technology)标记扫描；分析群体的遗传多样性水平和选择牵连效应“V”字形谷区段；筛选矮孟牛3个亲本的特异标记位点(染色体区段)，明确它们在衍生后代材料中的遗传频率和遗传贡献率；确定群体的遗传结构和连锁不平衡式样；最后，利用基于混合线性模型的TASSEL2.0.1软件，对株高、籽粒、穗部等重要农艺性状及面粉、面团特性、加工品质等主要品质性状进行关联分析，定位控制这些性状的位点。
　　 对矮孟牛及其衍生系进行全基因组的高密度扫描，通过标记/性状关联分析，可以找到一些重要的基因组区段，定位一些骨干亲本所携带和传递的产量、品质相关基因。了解骨干亲本及其衍生系的基因组学基础，为品种分子设计、组合选配及后代分子标记选择提供重要的理论依据，进而为分子育种服务。
　　 本研究获得以下主要结果：
　　 1.明确了该群体的遗传多样性水平。全基因组扫描确定全部109份小麦材料的多样性指数(PIC值)范围是0.054～0.5，平均值为0.408；绘制了21条染色体的PIC曲线变化趋势图，获得60多个发生选择牵连效应的“V”字形基因组区段。
　　 2.明确了亲本特异标记位点的遗传特性。筛选到矮孟牛3个亲本的330个特异DArT位点，获得了它们在41份衍生后代(有详细系谱来源)中的遗传频率和遗传贡献率。结果发现3个原始亲本遗传差异较大；在对后代的影响方面，牛朱特影响最大，矮丰3号次之，孟县201最小；明确了对后代有较大贡献、高频率传递的染色体位点，其中7个位点效应显著。
　　 3.获得关联群体的遗传结构和连锁不平衡(Linkage disequilibrium，LD)状况。基于模型的STRUCTURE软件将该群体划分为5个亚群。整个群体中，7.03％的DArT位点之间存在显著的LD(P<0.01)，在各亚群中存在显著LD的位点占0.501％～2.64％，在染色体上发现了许多LD块。整个群体的连锁不平衡衰减距离为23.6cM，各亚群的衰减距离为6～15cM。
　　 4.对48个重要的农艺、品质性状进行6个环境下的关联分析，共确定了779个标记/性状关联(marker-trait associations，MTAs)。这些关联分布在除4D、5A外的19条染色体上。其中，4个关联在4个环境中重复检测到，16个关联在3个环境中重复检测到，66个关联在两个环境中重复检测到。407个关联标记的变异解释率(R2)较大(超过10％)，14个关联标记的R2超过20％。
　　 4.1.株高相关性状的关联分析。株高共检测到55个显著的关联，其中，6个关联在3个环境中重复检测到，3个关联在4个环境中重复检测到(标记的R2平均为10.06％、14.29％和14.32％)。标记wPt-3457在4个环境下均检测到，R2均大于10％，且具有最大R2值(20.64％，p<0.0001)，这可能是一个重要的QTL；穗下茎共检测到68个显著的关联，其中2个关联可在3个环境中重复检测到，1个关联可在4个环境中重复检测到。标记wPt-4744的R2最大(24.26％，p<0.0001)；旗叶(长、宽及面积)共检测到61个显著的关联，各位点的R2多小于10％。
　　 4.2.籽粒相关性状的关联分析。籽粒相关性状(千粒重、容重、粒径、籽粒硬度)共检测到76个显著的关联。其中，籽粒硬度的1个关联可在3个环境中重复检测到；标记wPt-2526、wPt-9613和wPt-8598都同时与千粒重、粒径关联，R2平均为9.4％和12.44％。
　　 4.3.穗部相关性状的关联分析。穗部相关性状(穗长、总小穗数、有效小穗数、不育小穗数、穗密度、穗粒数、穗粒重)共检测到97个显著的关联。总小穗数的3个关联可在3个环境中重复检测到.其中穗长与穗密度的4个关联标记一致，尤其是标记wPt-9749、wPt-5737和wPt-9814的R2都较高，在极显著水平下(p<0.0001)分别为15.19％和11.56％。
　　 4.4.v粉特性的关联分析。面粉色泽(L*、a*和b*)共检测到27个显著的关联。色泽a*有两个极显著的关联(p<0.0001)(标记wPt-1196和wPt-669693)可在3个环境中重复检测到，R2分别平均为14.26％和11.43％。面粉蛋白质含量，共检测到45个显著的关联，标记wPt-7330在3个环境中重复检测到，wPt-0864的R2最大(18.12％)。湿面筋含量和指数，共检测到40个显著的关联，标记wPt-665169同时与两性状关联，在极显著水平下对湿面筋指数的变异解释率R2为11.89％。Zeleny沉淀值，检测到46个显著的关联。wPt-6531和wPt-8393在2个环境中重复检测到，对性状的变异解释率最高，平均R2为10.54％。淀粉糊化特性(RVA)的六个参数(糊化温度、峰值黏度、衰减值、回升值、最终黏度和低谷黏度)共检测到130个显著的关联。糊化温度的1个关联(wPt-9277)在3个环境中重复检测到。5个标记同时与3个参数关联，8个标记同时与4个参数关联。尤其是标记wPt-9423与4个参数关联且都在极显著水平下R2为15.09％～23.27％。
　　 4.5.面团流变学特性的关联分析。面团揉混Mixograph参数(峰值时间、峰值高度、峰值宽度、达到峰值时间总功量和8分钟带宽)共检测到63个显著的关联。标记wPt-0610对峰值宽度的R2最高(15.86％，p<0.0001)。
　　 4.6.加工品质的关联分析。面条品尝测试的七个参数(色泽、表现状态、硬度、粘弹性、光滑性、食味、品尝打分)共检测到30个显著的关联。wPt-3304等3个标记同时与3个参数关联，R2都大于10％。面条TPA测试的七个参数(硬度、黏着性、弹性、黏聚性、胶着性、咀嚼性、回复性)共检测到33个显著的关联，wPt-6854等3个标记同时与3个参数关联，且R2为10％左右。
　　 5.定位了30个新的性状关联标记。其中，与株高和穗下茎极显著关联的标记wPt-9280(R2分别为13.74％和10.89％)与相同关联的定位标记wPt-4017(6A，20.7cM)存在完全连锁不平衡，可视为同一位点。
　　 6.在与性状关联的标记中，确定了103个来源于三个亲本的特异标记。其中，1A染色体上与色泽等性状关联的标记位点wPt-2872来自亲本矮丰3号，与株高等关联的标记位点wPt-3698来源于孟县201，与小穗数等关联的标记位点wPt-6005来源于牛朱特。
　　 7.综合考虑亲本特异性、选择牵连效应、连锁不平衡程度、关联显著性及重复性和效应大小，获得一批重要的染色体区段和位点。其中，标记wPt-730408(1A，90.1cM)、wPt-9423(2B，57.8cM)、wPt-5836(3B，71.6cM)、wPt-3457(5B，92.3cM)、wPt-7576(6B，73.6cM)等具有重要意义，可作为以后研究的重点。