《BMC Plant Biology》：QTL analysis of spike traits and KASP marker validation for basal sterile spikelet number in wheat
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为探究小麦穗部性状遗传机制，西北农林科技大学研究人员利用两个重组自交系（RIL）群体开展相关研究。他们定位了 30 个 QTL，发现 2 个新 QTL，开发并验证了 KASP 标记。这为小麦基因克隆和高产育种提供了重要依据。
小麦，作为全球重要的粮食作物之一，在维持人类生存与发展中扮演着举足轻重的角色。然而，随着全球人口的快速增长以及气候变化的加剧，耕地面积不断减少，这给小麦的产量带来了巨大挑战。小麦产量主要受单位面积穗数、每穗粒数（GNS）和千粒重（TKW）这三个关键因素的影响，而每穗粒数又与穗长（SL）、每穗小穗数（SNS）以及不育小穗数等穗部性状紧密相关。这些穗部性状是由多个基因控制的数量性状，它们之间的相互作用复杂，并且容易受到环境因素的影响 。
目前，虽然已经有许多关于小麦穗部性状的研究，但在不育小穗数相关的数量性状位点（QTL）检测方面仍存在不足，尤其是针对基部不育小穗数（BSSN）的研究较少，相关的分子标记也十分有限。这主要是由于不同研究中使用的作图群体存在差异，而且环境因素对控制这些性状的主要基因的表型评估产生了显著影响。因此，在不同环境条件下鉴定与 BSSN 相关的 QTL，并开发用于分子标记辅助选择（MAS）的标记，对于提高小麦产量、保障粮食安全具有重要意义。
为了解决这些问题，西北农林科技大学的研究人员开展了一项深入的研究。他们利用两个重组自交系（RIL）群体，即由 Avocet S（AVS）和西农 1376（XN1376）杂交产生的 166 系群体（A-RIL），以及由 Aikang58（AK58）和 AVS 杂交产生的 129 系群体（AV-RIL），并结合 305 份小麦种质资源，对小麦穗部性状进行了系统研究。研究结果发表在《BMC Plant Biology》上，为小麦的遗传改良和高产育种提供了重要的理论依据和技术支持。
研究人员在本研究中主要运用了以下几种关键技术方法：
- 遗传图谱构建：使用 16K 小麦芯片对两个 RIL 群体及其亲本进行基因分型，同时用 660K 小麦芯片对亲本进行基因分型。利用 VCFtools 和 PLINK 软件对原始基因型数据进行处理和过滤，去除次要等位基因频率（MAF）低于 0.05 或基因型缺失率超过 20% 的单核苷酸多态性（SNP）位点。通过这些筛选后的高质量 SNP 数据，使用 ICI-Mapping 4.2 软件构建遗传图谱 。
- QTL 定位分析：运用 ICI-Mapping 4.2 软件的‘BIP’模块在单个环境中检测 RIL 群体的表型 QTL，利用‘MET’模块评估多个环境中的 QTL。通过 1000 次置换检验，设置 QTL 位点的对数优势比（LOD）值阈值大于 2.5、步长为 0.1 cM、P<0.001 来确定 QTL。将解释超过 10% 表型变异的 QTL 视为 “主效” QTL 。
- KASP 标记开发与验证：将主效 QTL 的 16K SNP 标记区间与双亲 660K 芯片上的相应物理位置进行比对，利用 PolyMarker 网站将区间内双亲间的多态性 SNP 转化为竞争性等位基因特异性 PCR（KASP）标记，并在 RIL 群体和 305 份国内外小麦种质资源中进行特异性验证 。
- 候选基因预测：把通过连锁分析确定的主效 QTL 的侧翼标记映射到 Wheatomics 网站，筛选高可信度的候选基因。然后利用小麦基因表达数据库（WGED）和小麦 eFP 数据库，进一步筛选在小麦穗中表达水平超过 0.5 TPM 且在穗发育过程中高表达的基因 。
下面详细介绍本研究的主要结果：
- 表型统计与相关性分析：对两个 RIL 群体及其亲本的穗部性状进行表型统计，发现 SL、SNS 和 BSSN 在两个群体中均表现出超亲分离现象，且 RIL 群体的表型频率分布呈连续型，符合数量遗传性状的特征。其中，BSSN 的表型变异系数最大，SL 和 SNS 的变异系数相对较小。SL 的遗传力在两个群体中最高，SNS 和 BSSN 的遗传力次之。相关性分析表明，不同环境下的表型数据之间存在显著正相关，且 SL 与 SNS 的相关性高于 BSSN 与 SL、BSSN 与 SNS 的相关性 。
- 遗传连锁图谱的构建：在 A-RIL 群体中，经过筛选获得 14,868 个高质量 SNP，其中 4,744 个 SNP 具有双亲多态性，这些多态性 SNP 被组织成 1,314 个 bin 标记，并分为 35 个簇，构建出总长度为 2,713.93 cM 的遗传图谱，相邻标记的平均距离为 2.98 cM。在 AV-RIL 群体中，获得 14,936 个高质量标记，4,815 个具有双亲多态性的 SNP 被放置到 1,926 个 bin 中，分为 40 个簇，构建的遗传图谱总长度为 2,901.6 cM，相邻标记平均距离为 1.51 cM 。
- SL、SNS 和 BSSN 的 QTL 定位：在两个 RIL 群体中对 SL、SNS 和 BSSN 进行 QTL 检测，共鉴定出 30 个相关 QTL。其中，A-RIL 群体中检测到 12 个，AV-RIL 群体中检测到 18 个 。
- SL 的 QTL 定位：在 A-RIL 群体中鉴定出 7 个影响 SL 的 QTL，其中 QSl.A-2D.1 和 QSl.A-3B.1 在多个环境中稳定检测到，且解释的表型变异超过 10%，但它们的正等位基因来自不同亲本。在 AV-RIL 群体中检测到 6 个与穗长相关的 QTL，其中 QSl.AV-6A-1 和 QSl.AV-6A-2 在多个环境中稳定检测到，且解释的表型变异超过 10%，它们的正等位基因来源不同 。
- SNS 的 QTL 定位：A-RIL 群体中检测到 2 个 QTL，QSns.A-3B.3 和 QSns.A-5A.2，其正等位基因均来自 XN1376。AV-RIL 群体中鉴定出 6 个 SNS 的 QTL，只有 QSns.AV-5B.2 是环境稳定的 QTL 。
- BSSN 的 QTL 定位：A-RIL 群体中鉴定出 3 个与 BSSN 相关的 QTL，QBssn.A-3A.3 是主效 QTL，在多个环境中稳定检测到，解释的表型变异超过 10%。AV-RIL 群体中鉴定出 6 个 BSSN 相关 QTL，其中 5 个是主效 QTL，QBssn.AV-5B.2 在多个环境中稳定检测到 。
- 主效 QTL 的加性效应分析：在 A-RIL 群体中，分析 QSl.A-2D.1 和 QBssn.A-3A.3 的加性效应，发现同时携带这两个 QTL 的株系与只携带 QBssn.A-3A.3 的株系在 BSSN 上无显著差异，但不携带 QBssn.A-3A.3 的株系 BSSN 显著降低。在 AV-RIL 群体中，分析 QBssn.AV-5B.2 和 QSns.AV-5B.2 的加性效应，发现同时携带这两个 QTL 的株系 BSSN 比不携带的株系高 7.8%，只携带 QSns.AV-5B.2 的株系 BSSN 降低 6.4%。而且，这些 QTL 的组合对 TKW 没有显著影响 。
- QBSSN.A-3A.3 的 KASP 标记开发：针对 QBSSN.A-3A.3 和 QBSSN.AV-5B.2 这两个与 BSSN 相关的 QTL，开发 KASP 标记。其中，QBSSN.A-3A.3 区域的 KASP-AX-110440024 和 KASP-AX-110394338 标记在双亲及 RIL 群体中表现出多态性，并在 305 份小麦种质资源中成功进行了基因分型和验证。携带特定基因型（如 KASP-AX-110440024 的 C/C 基因型和 KASP-AX-110394338 的 T/T 基因型）的株系，其 BSSN 在多个环境中显著降低 。
- QBssn.A-3A.3 和 QBssn.AV-5B.2 的潜在候选基因预测：在 QBssn.A-3A.3 的候选区域中，包含 133 个基因，最终确定了 11 个候选基因，其中 TraesCS3A02G651100LC编码碱性螺旋 - 环 - 螺旋（bHLH）DNA 结合超家族蛋白，TraesCS3A02G484000 编码 F-box 家族蛋白，这些蛋白在小麦应对生物和非生物胁迫以及小穗生长发育中起重要作用。在 QBssn.AV-5B.2 的候选区域中，包含 104 个基因，筛选出 23 个候选基因，其中 TraesCS5B02G360800 编码 F-box 家族蛋白，TraesCS5B02G362400 编码冷胁迫和盐胁迫响应蛋白，与小穗和小花的发育及适应性相关 。
本研究通过对两个 RIL 群体的穗部性状进行 QTL 分析，鉴定出两个位于 3A 和 5B 染色体上的新主效 QTL，它们对 BSSN 有显著影响。进一步探究了这些 QTL 与其他主效 QTL 的组合效应，并预测了目标区域的候选基因，为深入了解小麦小穗不育的遗传机制提供了有价值的见解。同时，开发的两个 KASP 标记可用于分子标记辅助选择育种，有助于筛选具有不同 BSSN 特征的株系和精细定位候选基因，为小麦遗传改良和高产育种提供了重要的理论和技术支持。这些研究成果不仅加深了人们对小麦穗部性状遗传基础的理解，还为培育高产优质的小麦品种奠定了坚实的基础，有望在未来的农业生产中发挥重要作用，助力解决全球粮食安全问题。
