刘洋，王克森，刘秀坤，王利彬，王灿国，郭军，程敦公，穆平，刘建军，李豪圣，赵振东，曹新有，张玉梅

（1.青岛农业大学农学院，山东 青岛 266109；2.山东省农业科学院作物研究所/小麦玉米国家工程实验室/农业部黄淮北部小麦生物学与遗传育种重点实验室，山东 济南 250100）

小麦种植范围遍布全球，提供了全球约40%人口的粮食需求［1］。近年来由于全球气候的改变，小麦产量较难满足人民的需求，因此，提高小麦产量是解决粮食危机的重要途径之一［2］。小麦产量受许多因素影响，其中根系从土壤中吸收其生长所需营养成分，对产量的影响尤为重要［3］。根系优先吸收距离较近的养分，其形态特征、次生根的数量、根群的活力与分布均影响根系对养分的吸收、传送［4-6］。

近年来，对小麦根系相关性状定位的研究越来越多，白彩虹［7］以Avalon×Cadenza构建的DH群体为材料，定位到9个与根长相关的QTLs，分别位于3A、3B、4D、5B、6A染色体上，可解释6.03%～16.03%的表型变异，同时发现控制多个性状的QTL位于同一区间。刘秀林等［8］利用构建的小麦DH群体在4A染色体上定位到1个控制最大根长的QTL，在3B染色体上定位到1个控制总根长和1个控制根直径的QTL，在2D染色体上定位到1个控制根直径的QTL。张瑶尧［9］利用F2∶3群体定位到了38个与根系相关的QTLs，分别位于1A、2A、2D、3A、3B、3D、4A、5B、5D、6B、6D、7A、7B和7D染色体上。李卓坤［10］利用构建的DH群体，检测到1个与根表面积相关的QTL，1个与根体积相关的QTL，1个控制根长的QTL。周晓果等［11］以构建的DH群体为材料，检测到3个与根数相关的QTLs，3个与最大根长相关的QTLs。在根系的各项形态指标中，根长是根系研究中重要的特征参数［12］，根长增加，根系的表面积随之增大，可以促进根系对有机物营养元素的吸收［13］。目前关于小麦总根长和最大根长的定位结果见表1。但根系生长在地下，想要对其检测，相对于其他性状而言较难，且受环境影响很大，具有较大的遗传变异性［14］。

为了进一步挖掘影响小麦根系形态的基因，本研究以菏麦13与临麦2号为亲本构建的F8代重组自交系（RIL）群体为材料，拟通过SNP芯片分析，构建遗传连锁图谱，定位根系相关的QTLs，以期为小麦根系性状研究提供理论支撑。

表1 已定位到的小麦根长性状QTL位点

表1（续）

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以菏麦13为母本、临麦2号为父本进行杂交，通过单粒传法得到包含200个株系的F8代RIL群体。其中，菏麦13是菏泽市农业科学院以沛304-1×鲁麦4号组合培育而成的优质、高产、抗病、弱冬性小麦，适合种植于黄淮冬麦区，于2000年4月通过山东省审定［30］；临麦2号是由临沂市农业科学院以鲁麦23号×临90-15选育出的优质、稳产、抗逆、半冬性小麦，抗旱性1级，于2004年8月通过山东省审定［31］。

1.2 试验方法

1.2.1 小麦幼苗根系的培养 试验材料的准备：收获后，从每株系中挑选15粒饱满、形态相似的种子，用10%的H2O2处理15～20 min，纯净水冲洗5次，保证处理时间相同。

具体试验步骤如下：

（1）准备一次性培养皿，铺上两层滤纸，适当距离摆放种子，置于暗处36 h；

（2）每个材料挑选9粒萌发形态较为一致的种子摆放在有纱网的培养盘中，每盘种60个材料，室外用纯净水培养一周后，将培养盘移到室内再培养5 d（幼苗长到一心一叶），期间换1次纯净水；

（3）培养液配制：配制Hoagland营养液母液，量取15 mL母液逐步加入去离子水中，配制成15 L培养液，将pH值调到6.2；

（4）幼苗移栽：每个材料选取3株长势一致的幼苗，转入培养盒中用Hoagland营养液培养，每盒种202个材料，3次重复，室温培养9 d，每4 d换一次培养液；

（5）试验材料保存：待幼苗长到四叶一心期，剪下根放入自封袋，-20℃冰箱保存。

1.2.2 小麦幼苗根系性状测定 利用EPSON公司的EU-88型根系扫描仪扫描RIL群体幼苗根系形态，通过WinRHIZO软件分析总根长、根体积、根表面积、根平均直径、根尖数等性状表型值，取三次重复平均值进行分析。

1.2.3 RIL群体全基因组SNP芯片分析 利用北京中玉金标记公司研发的15k育种芯片对RIL群体200个株系及其亲本的基因组进行高通量基因分型，并对样品及分析结果进行质控：（1）计算样品的DQC（Dish QC）和CR（call rate）值，判断样品数据是否适合进行后续基因分型分析；（2）SNP位点质控，标记质量分类，选择群体最优标记分型类型；（3）基因分型分析，根据Affymetrix（Thermo Fisher）的筛选标准［32］过滤标记，筛选后得到8 558个多态性位点用于遗传图谱构建。

1.2.4 遗传图谱构建 以菏麦13和临麦2号为亲本构建的RIL群体为作图群体，对8 558个多态性位点进行筛选：舍去杂合率高的标记（＞10%）和缺失率高的标记（＞10%）；应用Tassel v5.0过滤偏分离标记（0.3∶0.7）。

通过QTL IciMapping v4.2对标记初步分组。应用QTL IciMapping v4.2 Bin功能整合同一位点的所有共分离标记，仅保留一个用于后续做图；QTL IciMapping v4.2 Map过程识别基因型数据，根据连锁关系将标记分到小麦21条染色体上。

应用Join Map v4构建全基因组遗传连锁图谱。对QTL IciMapping初步分组结果进行检验，Regression mapping过程确定标记位置并计算遗传距离。

1.2.5 QTL定位方法 利用Windows QTL Cartographer 2.5软件复合区间作图法（CIM）进行QTL分析，置换检测（permutation test）参数设置为P=0.05水平下1 000次重复排列。QTL命名方法［33］按照q+目标性状+染色体+QTL个数。

2 结果与分析

2.1 遗传图谱构建

本研究利用筛选得到的8 558个多态性位点进行遗传图谱构建，所得遗传连锁图谱包含1 003个SNP标记，覆盖21条染色体，全长2 358.54 cM，标记间平均间距2.35 cM（表2）。

表2 遗传图谱标记分布及密度

2.2 小麦幼苗根系性状表型分析

根系扫描仪扫描分析RIL群体及其亲本的根系形态，利用SPSS 23.0软件进行基本统计和相关性分析。结果（表3）显示，亲本菏麦13的总根长、根体积、根表面积均小于亲本临麦2号；根平均直径和根尖数均大于临麦2号。从分离群体的分布（图1）可以看出，RIL群体幼苗根系性状均表现为双向超亲分离，样本分布呈正态分布或近似正态分布，符合多个基因控制的数量遗传性状特征，可以进行QTL定位。

表3 RIL群体及其亲本幼苗根系性状的表型分析

2.3 根系各性状间相关性分析

分析结果（表4）表明，根表面积与总根长、根体积、根尖数呈显著正相关（P＜0.01），相关系数为0.570～0.830；总根长与根体积、根尖数呈显著正相关（P＜0.01），相关系数为0.600～0.676，与平均直径呈显著负相关（P＜0.01）；根体积与根尖数、根平均直径呈显著正相关（P＜0.01），相关系数为0.152～0.521；根尖数与根平均直径呈显著负相关，相关系数为-0.163。

表4 根系各性状间相关性分析

2.4 小麦幼苗根系QTL定位分析

共检测到13个QTLs，分布于小麦的1D、3A、3B、4B、5A、5B、6B和7B染色体上（表5和图2），可解释5.11%～20.12%的表型变异。

图1 RIL群体幼苗根系性状的样本分布

检测到5个与根表面积相关的QTLs，分布于1D、3A、3B、4B、5B。1D染色体上的qRSA-1D可解释19.32%的表型变异，LOD值为4.83，加性效应为-11.91；3A染色体上的qRSA-3A可解释20.12%的表型变异，LOD值为6.70，加性效应为-11.48；3B染色体上的qRSA-3B可解释9.89%的表型变异，LOD值为4.47，加性效应为2.03；4B染色体上的qRSA-4B可解释20.00%的表型变异，LOD值为6.57，加性效应为-11.70；5B染色体上的qRSA-5B可解释16.37%的表型变异，LOD值为5.68，加性效应为12.82。

检测到3个与总根长相关的QTLs，分布于3B、6B、7B。3B染色体上的qRL-3B可解释6.50%的表型变异；位于6B染色体上的qRL-6B可解释11.56%的表型变异，LOD值为-10.01；位于7B染色体上的qRL-7B可解释5.11%的表型变异，LOD值为2.42。

检测到4个与根体积相关的QTLs，分布于1D、3B、4B、5B。1D染色体上的qRV-1D可解释18.31%的表型变异，LOD值为3.38；位于3B染色体上的qRV-3B可解释8.66%的表型变异，LOD值为3.85；位于4B染色体上的qRV-4B可解释11.58%的表型变异，LOD值为2.76；位于5B染色体上的qRV-5B可解释13.90%的表型变异，LOD值为3.55。

检测到1个与根平均直径相关的QTL，5A上的qRAD-5A可解释18.97%的表型变异。

表5 小麦幼苗根系性状的QTL定位结果

3 讨论与结论

本研究共定位到13个小麦根系相关的QTLs，分别位于1D（2）、3A、3B（3）、4B（2）、5A、5B（2）、6B、7B染色体上。通过分析QTL定位结果，发现在1D染色体标记区间AX-111632760～AX-109830556内存在1个QTL簇，包含了1个控制根表面积的QTL qRSA-1D，1个控制根体积的QTL qRV-1D，且贡献率都大于10%，为主效QTL。前人通过定位发现了多个QTL簇，王璐［34］利用泰农18×临麦6号的RIL群体定位了6个QTL簇，分布在1D、3A、3B（2个）、5D和6B染色体上。1D染色体上定位到控制根体积（QRv-1D）和控制根体积抗旱系数（QDCRv-1D）的2个QTL。3B染色体上定位到1个QTL簇，控制总根长的QTrl-3B和控制根平均直径的QRad-3B.1。6B染色体上定位到了1个QTL簇，控制根体积和根表面积2个性状的QTL（QRv-6B和QRsa-6B.2）。Yuan等［35］利用RIL群体定位到10个与苗期性状及成株期性状有关的QTL簇，分布在1A、1D、4B、5D、6A和6B六个染色体上，占总QTL数量的36.53%，7个相对高频QTL（RHFQTL）在4个QTL簇中被检测到，10个QTL簇分成两种类型：一种是仅在苗期性状被检测到，另一种是在苗期和成株期性状都可以被检测到。王红日［36］以125个小麦品种（系）进行关联分析，检测到26个QTL簇，分别位于1A、1B、1D、2A、2B、3A、3B、4A、5A、6B、7A和7B共12条染色体上。其中1D染色体上检测到两个QTL簇，包含3个QTL，可解释平均表型变异的范围为12.37% ～13.11%；另一QTL簇可解释平均表型变异的范围为9.56%～26.45%。

根表面积、总根长、根体积三个性状检测到相同的QTL位点，位于3B染色体上标记区间AX-110413790～AX-110375698内。控制根表面积的qRSA-3B可解释9.89%的表型变异；控制总根长的qRL-3B可解释6.50%的表型变异；控制根体积的qRV-3B可解释8.66%的表型变异。位于4B 染色体上AX-110430517～AX-111102215区间存在两个QTL位点。控制根表面积的qRSA-4B，LOD值为6.57，可解释20.00%的表型变异；控制根体积的qRV-4B，LOD值为2.76，可解释11.58%的表型变异。5B染色体上AX-109055754～AX-111538681检测到两个QTL位点，控制根表面积的qRSA-5B，LOD值为5.68，可解释16.37%的表型变异；控制根体积的qRV-5B，LOD值为3.55，可解释13.90%的表型变异。相关性分析显示，根表面积与根长、根体积显著正相关，与王璐［34］、翟荣荣［37］等的结果相同，说明根表面积与根长、根体积三个性状的关系密切，本研究检测到的位于3B、4B和5B染色体上的QTL位点存在一因多效的作用。其中，在3B染色体上检测到的控制根表面积、总根长、根体积的QTL簇包含qRSA-3B、qRL-3B、qRV-3B与董肖昌［21］定位到的控制茎叶干重的qSDW3Ba位置相近。

周升辉等［22］在7B染色体上检测到1个控制小麦最大根长的QTL，QMrl.cau-7BS，贡献率为9.41%；任永哲等［38］发现位于7B染色体上控制最大根长的QMrl.sqn-7B，能解释8.00%的表型变异。杨彩凤［39］利用DH群体在7BS染色体上检测到1个控制主根长的QTL位点qTL-7B，LOD值为2.84，贡献率为5.95%。姜朋［40］在7B染色体上定位到1个控制根长的QTL QRl-7B，LOD值为2.79，能解释9.50%的表型变异。本研究在7B染色体上定位到控制总根长的qRL-7B，能解释5.11%的表型变异。根据以上结果推测在小麦7B染色体上可能存在控制根长的重要基因。本研究检测到的位于6B染色体上控制总根长性状的 qRL-6B，位于标记区间 AX-109889475～AX-111468538之内，贡献率为11.56%，与周小鸿［41］在6B染色体上定位到控制总根长性状的qTRL-6B位置相近。

对两个亲本菏麦13和临麦2号的根系性状表型数据分析显示，临麦2号的总根长、根体积、根表面积大于菏麦13；根平均直径、根尖数小于菏麦13。在控制根表面积的5个QTL中，2个QTL加性效应为正值，增效基因来自菏麦13；控制根长的3个QTL中，2个QTL加性效应为正值，增效基因来自菏麦13；控制根体积的4个QTL中，2个QTL加性效应为正值，增效基因来自菏麦13。控制根平均直径的1个QTL，加性效应为负值，增效基因来自于临麦2号，以上结果说明在表现型较差的亲本中含有增加这种表型的基因，与黄清华［26］、Wang［17］、刘新元［18］等的结论一致。后续将进一步对本研究检测到的QTL进行精细定位，以期挖掘出控制根系的重要功能基因，为分子育种提供候选基因。