小麦农艺性状稳定数量性状位点的挖掘(小麦基于一个渐渗系居群

背景

随着全球人口的持续增长，人类对小麦的需求将继续增加。小麦的农艺性状受环境条件的影响。因此，在育种实践中，优先考虑能够在多种环境和多年稳定检测到的农艺性状的qtl。

结果

本研究利用一个基因渐渗系群体，在8个环境(干旱胁迫和水分充足)上进行了5年QTL分析。在15条染色体上共检测到上述农艺性状的加性qtl 44个。在这其中,qPH-6A那qHD-1A那qSL-2A那qHD-2D和qSL-6A在七个，六个，五，五个和四个环境中检测到。这五个QTL解释的表型变异中的手段分别为12.26,9.51,7.77,7.23和8.49％。

结论

我们鉴定了5个稳定的qtl，包括qPH-6A那qHD-1A那qSL-2A那qHD-2D和qSL-6A．他们在小麦农艺性状中发挥着关键作用。其中一个矮化基因Rht14那Rht16那Rht18和Rht25染色体6A可能是候选基因qPH-6A．这qHD-1A和qHD-2D与已知的春化基因、光周期基因和早期本身基因不同，是新的稳定的抽穗期qtl。

小麦 （小麦)是一种全球粮食作物，年产量约为7亿吨[1]．随着全球人口的持续增长，人类对小麦的需求将继续增加。小麦产量与所有主要农艺性状有关:例如，株高影响干物质积累和抗倒伏能力，穗长是决定冠层分布和影响光照和CO的主要因素₂利用效率和标题日期（HD）在适应各种气候和培养方法中起关键作用[2]．耕地数量，肥沃的小穗数，每穗，千粒重和粒重的粒子数量也直接确定小麦单位面积的产量。由于这些原因，有必要了解小麦的农艺性状的基因机制，以提高其产量。然而，小麦的农艺性状易受环境条件的影响，因为它们主要是由次要基因控制的定量性状。因此，必须识别多种环境中的精英等位基因，以改善现有的小麦品种[3.]．

Introgression Line（IL）群体为QTL映射提供了优异的材料。目前，由于其复杂的遗传背景，难以使用传统的QTL映射群体微观地图QTL。相比之下，使用IL人群的QTL映射可以消除遗传背景的干扰，提高基因映射的准确性。此外，通过构建二次分离群体，可以实现目标QTL的精细映射。此外，IL人口在精英等位基因的金字塔繁殖中发挥着关键作用。迄今为止，使用IL人群检测到许多用于小麦的农艺性状的QTL。例如，Pestsova等人。[4.利用“Chinese Spring”/“Synthetic 6x”替代系衍生的IL群体鉴定了17个农艺性状的显著qtl。此外，Huang等人[5.那6.]与农艺性状具有两个IL群体分析的QTL从“普林兹”衍生的/“W-7984”和“风情” /“XX86”，分别和Yan等人。[7.]十农艺性状的QTL映射使用BC 160_3.F_3.从Lumai14和京411之间的杂交衍生的离子液体。易卜拉欣等人。[8.利用' Triso ' / ' Syn084 ' IL群体进行qtl定位，鉴定出7个抽穗期qtl、5个成熟期qtl、3个单株穗数qtl、6个千粒重qtl和7个产量qtl。然而，数量性状对环境条件极为敏感，基因与环境之间存在交互作用的概率很高。因此，在育种实践中，优先考虑能够在多种环境和多年稳定检测到的农艺性状的qtl。

本研究的目的是在不同环境下鉴定小麦农艺性状的稳定qtl。因此，在鲁麦14(轮回亲本)和陕寒8675之间构建了一个IL群体，利用该群体在8个环境下进行了5年的农艺性状QTL定位。该结果为下一步近等基因系的构建、qtl的精细定位和克隆以及高产小麦的分子标记辅助选择提供了依据。

表型分析

在本研究中，我们分析了两个亲本和IL群体的8个农艺性状。结果表明，从株高、穗长、有效分蘖数、主穗可育小穗数、单株粒重、千粒重和穗粒数来看，陕寒8675为高值亲本，鲁麦14为低值亲本。这七个特征中的每一个都显著不同(P <在至少两个环境0.05或0.01）。相比之下，抽穗期表现出相反的趋势。具体而言，鲁麦14是一个高价值的父晚期标题，而Shaanhan 8675是一个低亲值抽穗早。父母双方的抽穗期在三种环境显著不同，E4（P <0.05), E5 (P <0.05)， E6 (P <0.01)。在IL群体中，所有8个农艺性状在每个环境中都表现出特别大的连续变异。在大多数情况下，IL种群的性状值呈正态分布，并表现出双向的海侵分离(附加文件)1）.

加性qtl的检测

利用鲁麦14 ×沙寒8675的IL群体，共检测到44个小麦农艺性状的加性qtl1；无花果。1）.这些QTL被分发在染色体上的1A，2A，3A，4A，6A，7A，1B，2B，3B，5B，6B，7B，2D，5D和7D所示。他们的赔率（LOD）从2.50变化到12.91，和表型变异的对数由上的QTL解释（PVE）1.33和22.70％之间。的QTL的数量控制株高，穗长，抽穗期，穗粒数，千粒重，有效分蘖数，每主穗肥沃穗数和单株粒重，是六，八，三，七，五，五，七和三，分别。其中，15个QTL有来自受体亲本鲁麦14阳性等位基因，而其余29个QTL已经从供体亲本Shaanhan 8675阳性等位基因。

5个加性qtl (qPH-6A那qHD-1A那qSL-2A那qHD-2D那qSL-6A)在四个或更多的环境中被检测到。四个:qPH-6A那qHD-1A那qSL-2A,qHD-2D，不仅被研究了良好的灌溉条件，而且在干旱胁迫环境，而qSL-6A穗长仅在4个干旱胁迫环境中检测到。此外,qPH-6A和qSL-6A患有阳性添加剂效应，它们的阳性等位基因来自Shaanhan 8675，但是qSL-2A那qHD-1A和qHD-2D具有负的加性效应，其阳性等位基因来源于鲁麦14。

稳定的QTL的遗传效应

38个株系中有来自供体亲本的片段渗入qPH-6A轨迹(附加文件2）.其中，21个株系均为单株渗入qPH-6A8个环境(E1 ~ E8)对株高均表现出正效应，分别为7.23、2.76、−1.71%、6.16、6.52、7.02、6.82和0.93%。5种干旱胁迫条件下的平均正效应为4.82%，3种水分充足条件下的平均正效应为3.88%。

使得在包含在从供体亲本基因渗入片段的23行qSL-2A轨迹(附加文件3.这是渗入只），三线qSL-2A（没有其它的QTL为穗长）表现出对在八个环境（E1到E8）穗长的负面影响，与3.49，2.72，11.19，8.71，8.69，10.03，3.36，和13.92％，分别装置。五干旱胁迫条件下的平均负面影响是7.78％，并在三井浇水条件均值负面影响是7.75％。特别地，线39只含有7供体基因渗入片段，并且除了qSL-2A中，检测对穗长没有其他的QTL。然而，这条线表现出穗长一个显著差异（P <0.05或0.01）与六个环境中的Lumai 14相比。

二十条线上含有挪威父母的狭隘细分qHD-1A轨迹(附加文件4.）.其中，有11个株系只进行了杂交qHD-1A8个环境(E1 ~ E8)的抽穗期平均提前0.75、1.20、−0.21、1.12、2.24、1.31、1.12和1.36天;5个干旱胁迫条件和3个水分充足条件下的抽穗期平均分别提前1.15和1.05天。

18个株系中含有来自供体亲本的基因片段qHD-2D轨迹(附加文件5.)， 7个株系仅与qHD-2D在8个环境(E1 ~ E8)中，未添加其他qtl的水稻抽穗期平均提前0.32、0.41、0.00、-0.14、1.52、1.25、1.86和1.54 d。5个干旱胁迫条件下的抽穗期平均提前0.68天，3个水分充足条件下的平均提前1.13天。

这qSL-6QTL仅在4个干旱胁迫条件下(E1、E4、E6和E8)检测到。在这个位点包含来自供体亲本的渐渗片段的38行中(附加文件6.)， 16个株系仅用qSL-6A在5个干旱胁迫环境下(E1、E2、E4、E6和E8)，穗长均表现出正效应，平均效应分别为5.37、1.40、2.52、1.36和2.65%。它们在5种干旱胁迫条件下的平均正效应为2.66%。特别是第152行(用qSL-6A和QSL-7D从供体亲本）表现出穗长一个显著差异（P <0.01）与八个环境中的LUMAI 14相比。

在这项研究中，所有八个研究的农艺性状的定量继承。因为与这些性状较稳定的QTL应该在多种环境中被反复检测，我们进行了使用跨越5年的IL群的八个农艺性状的QTL分析。总体而言，44个QTL的农艺性状进行鉴定。这其中，有些个QTL的那些相同。在以往的研究发现。例如，qTGW-2D千粒重的标记位点与QTgw.nfcri-2D和QTkw.ncl-2D.2，这是王等人报道的千粒重量的QTL。[9.]和ramya等。[10),分别。这qGNS-6B每穗粒数的QTL定位在同一标记区域内QKNPS-DH-6B，它影响每穗粒数，Zhang等人检测到[11]．我们已经映射了一个QTL控制株高，qPH-6A在Xbarc3附近。类似地，Buerstmayr等人[12在Xs18m24_8-Xbarc3区间也检测到一个株高QTL。我们检测到QFSN-7D在三个不同的环境中。Ma et al. [13]在同一位置，还检测到每穗的穗尖峰数和肥沃的小穗数。我们检测到qTGW-6A-1在两种环境下均控制千粒重，平均PVE为4.17%。Wang等[14在Xbarc3-XwPt-5094区间中检测到千粒重QTL，平均PVE为9.4%。

此外，在多种环境中发现了一些QTL;例如，qPH-6A在7个环境(E1, E2, E4, E5, E6, E7, E8)中检测到，qHD-1A在六种环境(E1、E2、E4、E5、E6和E8)中，qSL-2A在5个环境(E3、E4、E5、E6和E8)中，qHD-2D在5个环境(E4、E5、E6、E7和E8)中qSL-6A四种干旱胁迫环境下，E1，E4，E6，E8和。基于遗传效应（附加文件2那3.那4.那5.那6.)，这些稳定的qtl均在某些农艺性状的发育中起重要作用。此外，这些qtl在多种环境下的稳定性对于进一步研究农艺性状发育的分子机制具有重要意义。因此，本研究检测到的稳定qtl是未来小麦精细定位和标记辅助选择的首选基因。尤其应优先考虑那些尚未应用于育种的具有大效或多效遗传效应的qtl [15]．此外，本研究中有31个qtl仅在一个环境中检测到，但由于它们对环境条件相对敏感，难以应用于育种。

通过对比，我们发现，线152的穗长（带qSL-6A和QSL-7D来自Shaanhan8675)在所有8个环境中均显著长于轮回亲本‘Lumai 14’(附加文件6.）.另外，线39的穗长（与qSL-2A在6个环境中均显著小于轮回亲本‘鲁麦14’。第39行携带7个基因导入的供体染色体片段(附加文件)3.),但只qSL-2A穗长控制。因此，品系152和品系39是潜在的近等基因系，可用于精细定位和克隆qSL-2A和QSL-6A。

到目前为止，在6A染色体上发现的矮化基因包括:Rht14那Rht16那Rht18那Rht24,Rht25．这Rht24位点位于Xbarc103和Xwmc256标记之间[16]，其余4个基因接近Xbarc3标记[17那18那19那20.]．哈克等人[17] 想法Rht14是等位基因的Rht16和Rht18并与6AS染色体上的SSR标记Xbarc3连锁。然而，Vikhe等人[18)建议Rht14可能不是等位基因Rht18．此外，除了降低株高，发现Rht18每穗受影响的小穗数，穗粒数，和千粒重[20.]．Rht25对穗长、抽穗期、每穗小穗数、小穗密度、每穗粒数和粒重也有显著影响[19]．在本研究中，株高的主要QTLqPH-6A在七种环境中也检测到Xbarc3附近，PVE为3.81-22.70％（平均12.26％）。结果发现，QTL也是脂肪术，并负责植物身高，穗长度，千粒重和肥沃的小麦穗。因此，我们认为位于染色体6a上的矮种基因可能是候选基因qPH-6A．究竟是哪一种矮化基因起了作用，还需要进一步分析。

小麦抽穗期主要受三类基因调控;即那些涉及春化(Vrn)、光周期(产后抑郁症），以及早熟本身（每股收益）.在小麦春化调节的基因包括：VRN-1那VRN-2那VRN-3,VRN-4[21那22]．的三个同源基因VRN-1那Vrn-A1那Vrn-B1,Vrn-D1分别位于染色体5A、5B和5D上。Vrn-A2也被映射到染色体5A小麦属植物monococcum[23]，而三个直系同源基因Vrn-3, Vrn-A3那Vrn-B3,Vrn-D3，分别分布在7A、7B和7D染色体上[24那25那26]．这VRN-4基因（指定Vrn-D4)定位于六倍体春小麦5D染色体[27]．为产后抑郁症基因，PPD-A1那PPD-B1那Ppd-D1,PPD-B2已克隆，分别定位于染色体2A、2B、2D和7BS [28那29那30.]．这里，一个稳定的抽穗期QTL，qHD-2D，还映射在2D染色体。对比分析发现，Ppd-D1位于2DS上，而qHD-2D是在2dl上。所以，它们不是同一个轨迹。这每股收益基因/的QTL被报道存在于所有小麦染色体[27]．其中,EPS-A^m1从t . monococcum在靠近Xwg241上1AL [31]．在本研究中，另一个稳定的抽穗期QTL，qHD-1A上跨多个环境1AS进行检测。显然，这两个是不一样的轨迹。由于稳定性高qHD-1A和qHD-2D在本研究中，我们认为进一步研究这两个qtl并将其应用于育种具有重要意义。

QTL热点表示单个QTL的位置，具有型润滑效果或紧密联系QTL [32那33]．在本研究中，我们在1A、1B、2A、2D、4A和6A染色体上检测到了一些QTL热点。在1A染色体Xbarc148标记附近检测到4个qtl，分别控制抽穗期、每穗粒数、每主穗可育小穗数或单株粒重。在1B染色体Xwmc134标记附近检测到6个qtl，影响株高、穗长、抽穗期、千粒重、有效分蘖数和主穗可育小穗数。在1B染色体Xbarc81附近检测到2个与每穗粒数和有效分蘖数相关的qtl。在2A染色体Xbarc5附近检测到2个与株高和穗长相关的qtl。在Xwmc144和Xwmc41标记附近检测到两个控制不同性状的qtl。在4A染色体Xwmc757附近检测到3个控制株高、穗粒数和单株粒重的qtl。在6A染色体Xwmc145和Xwmc553 (13 cM)之间检测到6个qtl，分别影响有效分蘖数、株高、穗长、千粒重和主穗可育小穗数。值得注意的是，本研究检测到的稳定qtl均位于“qtl热点区”，这凸显了这些区域在小麦农艺性状发育中的重要性。 These stable QTLs in the “QTL-hotspot” regions could be ideal for understanding their regulatory roles. Therefore, these “QTL-hotspot” regions may be the most important targets for breeding of agronomic traits. We can pyramid positive alleles of these QTLs to synergistically improve their genetic effects and substantially increase genetic improvement efficiency in wheat.

在我们的研究中，由5个稳定QTLs-qPH-6A那qHD-1A那qSL-2A那qHD-2D和qSL-6A -在八个环境（干旱强调和浇水）持续5年的情况下，使用血栓引入线粒识别。所有稳定的QTL都位于“QTL-Hotspot”地区内，并在小麦的农艺性状中发挥了关键作用。qPH-6A多效性的;对株高、穗长、千粒重和主穗可育小穗数均有显著影响。候选基因qPH-6A可能是侏儒基因之一（Rht14那Rht16那Rht18和Rht25)染色体6A。qHD-1A和qHD-2D均为影响抽穗期的新型稳定qtl，且与已知的春化、光周期和早熟本身基因不同。这两个qSL-2A和qSL-6A控制穗长;的效果qSL-2A被认为在两个水分充足和干旱胁迫条件，而效果qSL-6A只有在干旱胁迫条件下才会出现。这些结果为高产小麦的基因精细定位和克隆以及分子标记辅助选择提供了依据。

植物材料

IL人群(BC_3.F_3.公元前_3.F_7.）小麦的是从两个小麦品种鲁麦14和Shaanhan 8675.鲁麦14衍生的是收件人和轮回亲本，并且Shaanhan 8675是供体亲本。两种物质都从法律上中国国家种质库获得。在IL群是由合着者瑞莲静，作物科学研究所教授，中国农业科学院（中国，北京）建成。的人群包括160线，14鲁麦作为轮回亲本和Shaanhan 8675作为供体亲本（图2）.每一行平均包含8个来自捐赠者的片段。IL-1只有1个供体片段渗入，长度为12.8 cM，而IL-45的供体片段渗入数量最多(46个)，全长为940.3 cM。

田间试验

2010-2011年，在山西农业大学(太谷)小麦试验田种植IL群体及其亲本_3.F_3.），2011-2012（BC_3.F_4.), 2013 - 2014 (BC_3.F_5.), 2014 - 2015 (BC_3.F_6.），和2015-2016（BC_3.F_7.）.它们被种植在八种环境中;即2010-2011年干旱胁迫(E1)、2011-2012年干旱胁迫(E2)、2011-2012年水分充足条件下干旱胁迫(E3)、2013-2014年干旱胁迫(E4)、2013-2014年水分充足条件下干旱胁迫(E5)、2014-2015年干旱胁迫(E6)、2014-2015年水分充足条件下干旱胁迫(E7)、2015-2016年干旱胁迫(E8)。

播种后，没有灌溉整个小麦生长期干旱胁迫的环境中被应用到植物。这precipitation during the wheat growth period was 110 mm in 2010–2011, 197 mm in 2011–2012, 185 mm in 2013–2014, 109 mm in 2014–2015, and 218 mm in 2015–2016. Plants grown in the well-watered environments were irrigated before wintering, at jointing, and in the mid-stage of grain filling, with 650 m^3./嗯²每次水。处理以随机块设计排列，三个重复。每个绘图包含17行，行长为2.5米，行间距为0.25米。每排六十种种子。

表现型

抽穗期记录在每个株系50%以上的植株有一半穗状突起从旗叶鞘中露出时。抽穗期(HD)用抽穗期减去播期计算。从每个株系中随机选取10株生长健壮均匀的植株，测定乳白色成熟期的株高(PH)和穗长(SL)。在实验室测定了收获后的有效分蘖数、主穗可育小穗数、穗粒数、单株粒重和千粒重。

遗传图谱构建

采用CTAB法提取DNA。遵循染色体均匀分布原则，基于高密度微卫星共识图，筛选出覆盖小麦全基因组的565个SSR标记[34]．筛选所选择的SSR标记物用于两种父母之间的多态性，其产生187个多态性标记物。然后使用多晶态SSR标记来进行IL群的基因组筛选。此外，多晶态SSR标记用Map Draw软件产生遗传联系地图[35，基于高密度微卫星共识图[34]．在地图中，利用Kosambi映射函数确定重组距离。地图总长度为2569 cM，标记间平均距离为13.73 cM。

数据分析

农艺性状的表型数据采用SPSS 13.0 (SPSS Inc.， Chicago, USA)和Excel 2007 (Microsoft Corp.， Redmond, USA)进行分析。QTL检测采用ICIMapping v4.0 (http://www.isbreeding.net/)，通过逐步回归的似然比检验(RSTEP-LRT;排列次数= 1000，P.< 0.05)。qtl按命名法进行描述问trait-chromosome．

本研究产生的所有数据均包含在论文和支持信息文件中。“鲁麦14”ד陕罕8675”IL群体的遗传多态性数据集可从Figshare数字资源库获得:https://doi.org/10.6084/m9.figshare.12442112.v1．

个QTL：

定量特质基因座

IL:

渐渗系

PH值:

株高

SL:

穗长

NT:

有效分蘖数

烟度:

每个主穗肥沃穗数

畿尼:

穗粒数

GWP：

单株粒重

TGW：

千粒重

高清：

标题日期

不适用。

这项工作是由国家科学技术重大项目新的转基因品种（2018ZX0800917B），中国（31671607）自然科学基金和国家重点R＆中国的d项目（2017YFD0300202）的栽培支持。供资机构只提供了实验成本，包括数据收集和出版费这项研究。然而，他们在实验设计，数据分析和解释，稿件写作没有任何作用。

从属关系

1. 山西农业大学，山西太谷030801

   陈卫国，孙代珍，李润志，王曙光，史玉刚，张文军

2. 中国农业科学院作物研究所，北京100081

   Ruilian静

贡献

DS和RJ构思和设计实验。WC设计研究和写文章。WC，SW和YS进行数据分析。RL和WZ批判地阅读和修改后的稿子。所有作者都已经阅读并赞成最终的手稿。

相应的作者

对应到Daizhen太阳或Ruilian静．

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版物

不适用。

利益争夺

提交人声明他们没有竞争利益。

出版商的注意

Springer Nature在发表地图和机构附属机构中的司法管辖权索赔方面仍然是中立的。

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