小麦穗长数量性状位点定位及穗发育候选基因鉴定（普通小麦 Triticum aestivum L.）

《Cereal Research Communications》：QTL mapping for spike length and candidate gene identification in wheat spike development (Triticum aestivum L.)

　　

穗长(SL)是影响普通小麦(Triticum aestivum L.)产量的关键因素。研究人员利用桂协3号与Avocet S杂交衍生的重组自交系(RIL)群体对控制穗长的数量性状位点(QTL)进行遗传定位。结果共鉴定到15个QTL，分布于2A、2D、4B、5A、5D、6A、6B和6D染色体上。其中QSL.gaas-4B定位于4B染色体25.84–29.20 Mb（3.35 Mb）物理区间（参考基因组：中国春v2.1），在两个环境（2023HB、2024HB）中均被检测到，解释18.09%–27.53%的表型变异。该区间内共有56个具功能注释的高置信度基因，通过功能结构预测与组织表达特征综合分析，预测TraesCS4B02G035700与TraesCS4B02G035800为调控穗长的候选基因。上述发现为未来通过分子育种策略改良小麦穗长奠定了基础。

研究背景与立项依据

小麦是全球首要粮食作物，约35%全球人口以其为主食，中国为最大生产消费国，穗长是决定穗部构型与产量形成的关键农艺性状。迄今小麦21条染色体上均有穗长相关QTL报道，主效位点集中于2D、3A、4A、4B、5A、6A、6B、7A、7B和7D等，但不同研究群体、环境所得区间差异大，且4B染色体上既有QSL.gaas-4B此类新位点，也有Qsl4B-1、Qsl4B-2及部分重叠区间报道，复杂遗传背景限制了育种直接利用。为挖掘稳定主效新位点并缩小候选区间，研究人员以桂协3号（长穗）为父本、Avocet S（短穗）为母本构建F_2:7代204系RIL群体，于湖北鄂州（2023HB、2024HB）与贵州贵阳（2024GY）三环境开展穗长QTL定位与候选基因预测，论文发表于《Cereal Research Communications》。

主要关键技术方法

研究人员采用群体遗传学结合多组学预测路径：以桂协3号×Avocet S的204个F_2:7 RIL系为样本队列，三环境随机区组两重复种植；表型于乳熟期直尺测量穗基至穗尖（不含芒）20次重复取均值；基因型用小麦55K SNP芯片分型，按检出率≥0.9、杂合率≤0.1、MAF≥0.04及双亲多态过滤；JoinMap 4.0构建含24个连锁群的高密度遗传图（总图长4210.14 cM，平均标记密度1.51 cM）；QTL IciMapping V4.1以ICIM法（步长1 cM，PIN<0.001，1000次置换，LOD>2.5）做多环境QTL定位；候选基因依托WheatOmics平台以中国春v2.1为参考，在QSL.gaas-4B物理区间内筛56个高置信注释基因，并以组织时空表达（TPM）辅助判定。

研究结果

表型分析：双亲穗长t检验P=0.0033（<0.01）极显著；RIL穗长7.10–17.58 cm，广义遗传力h2=0.8949，三环境均近似正态（P>0.05），符合数量性状。

遗传图谱构建：过滤后6370个高置信SNP，A/B/D基因组分别2543/2744/1083个，2A最多（834），6A最少（48），21条染色体分24连锁群。

QTL定位：三环境共检15个QTL（QSL.gaas-2A、2D.1、2D.2、4B、5A.1–3、5D.1–2、6A.1–2、6B、6D.1–3），单QTL解释3.07%–27.53%表型变异；QSL.gaas-4B在2023HB与2024HB重复检出（18.09%–27.53%），加性效应为正（源自桂协3号），定为环境特异性主效QTL；其余多仅单环境检出。

主效QTL候选基因预测：QSL.gaas-4B物理区间25.84–29.20 Mb（中国春v2.1），116基因中56高置信；据功能注释与穗中表达，TraesCS4B02G031100穗中无表达被排除，TraesCS4B02G035700（Z32达3.315 TPM）与TraesCS4B02G035800（Z39达3.746 TPM）穗中持续高表达，定为关键候选。前者注为细胞分裂素核苷5′-单磷酸磷酸核糖水解酶（参与CK代谢），后者注为ABC1家族蛋白激酶超家族蛋白（参与激素信号与生长分化）。

讨论部分总结

研究人员指出QSL.gaas-4B仅于鄂州两季检出、贵阳未检，属基因×环境互作导致环境特异性；其4B区间与已报Qsl4B-1/2（~489–496 Mb）相距远，与Li等2019年4B区间（28.94–32.17 Mb）重叠0.25 Mb具较高同源性，与Tang等QSl-sau-2SY-4B（36.01–44.53 Mb）差6.82 Mb可能为不同基因，证实4B含多个穗长调控区。候选基因TraesCS4B02G035700经CK代谢、TraesCS4B02G035800经ABC1K类激酶信号分别 plausibly 调控穗伸长，但仅生物信息学与表达推测，需转基因/沉默验证。局限为环境点少、区间偏大待精细定位、未验互作。

结论翻译

在4B染色体标记AX-108,793,833与AX-109,580,651间鉴定到一个调控穗长发育的主效QTL QSL.gaas-4B，物理区间25,842,769–29,195,171 bp（3.35 Mb）；区间内预测TraesCS4B02G035700与TraesCS4B02G035800两个可能影响穗长发育的候选基因。