周淼平 杨学明 张鹏 张平平 姚金保 何漪

摘要：小麦籽粒硬度是小麦分类和定级的重要标准，会影响小麦面粉的最终用途。为了对小麦籽粒硬度的分子设计育种提供支撑，采用CI12633和扬麦158配制的重组自交系群体，进行连续3年种植和籽粒硬度分析，结合该群体遗传连锁图，对影响小麦籽粒硬度的数量性状座位（QTL）进行分子定位。结果表明，小麦3D、5B、6A、6D和7A染色体上均存在影响小麦籽粒硬度的QTL，单个QTL可以解释11.3%～25.1%的表型变异;其中6A和6D染色体上的QTL由亲本CI12633贡献，3D、5B和7A染色体上的QTL则来自亲本扬麦158;3D、6A、6D和7A染色体为新发现的QTL。这些QTLs可为长江中下游麦区的软质弱筋小麦和硬质中强筋小麦的培育提供参考。

关键词：小麦;籽粒硬度;数量性状座位（QTL）;分子设计育种

中图分类号： S512.103  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）10-0072-03

小麦籽粒硬度是小麦商品化分类、定级和定价的重要标准，籽粒硬度不仅影响小麦籽粒的出粉率及面粉加工的能耗，还会通过影响面粉的流变学特性进而影响面粉的加工品质。因此，开展小麦籽粒硬度遗传机制的研究对于指导小麦品种改良具有极其重要的意义。

小麦籽粒的硬度受种植品种、种植环境及栽培措施的影响，其中品种基因型是主要影响因素[1]。研究发现，小麦籽粒硬度是由多基因控制的数量性状，主要由位于5D染色体短臂Ha位点的Pina和Pinb基因决定，软质对硬质为显性，当2个基因均为野生型时，籽粒为软质，当Pina缺失或Pinb发生突变时，籽粒表现为硬质[2]。除Ha位点外，在1A、1B、4B、5A、5B、5D和7A等染色体上也发现了影响小麦籽粒硬度的数量性状座位（QTL）[3-7]。由于以往的QTL定位研究多采用多态性相对较低的简单重复序列（SSR）标记，遗传连锁图的基因组覆盖率偏低，部分QTL不能被检出，导致单个研究定位的QTL数目少、总体表型解释率低。随着小麦参考基因组组装的完成及基因组测序技术的发展，高通量标记的开发及高密度遗传图谱的构建成为可能，小麦QTL的定位也愈来愈高效和准确。

本研究拟采用籽粒硬度差异明顯的小麦品种CI12633和扬麦158构建的重组自交系群体为材料，结合该重组自交系群体的高密度遗传连锁图，定位影响小麦籽粒硬度的QTLs，以期为今后小麦品质设计育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 重组自交系群体和遗传连锁图的构建

1.1.1 亲本及重组自交系群体的构建 CI12633品种是提莫菲维小麦的六倍体衍生系，该品系籽粒小，但籽粒硬度较高;扬麦158为江苏里下河地区农业科学研究所培育的品种，该品种适应性广，综合抗病性好，曾在长江中下游地区大面积种植，籽粒硬度中等。

重组自交系群体以扬麦158为母本、CI12633为父本，采用单粒传的方法培育，该群体含有198个家系，2017年已达第7代，本研究对其中94个家系进行基因型分析和籽粒硬度的测定。

1.1.2 遗传连锁图的构建 采用二代测序方法开发该群体的单核苷酸多态性（SNP）标记，选取含有95%以上家系基因型的SNP标记，去除共分离分子标记，结合群体多态性SSR标记，用JoinMap 4.0软件构建遗传连锁图，详见周淼平等的研究[8]，该遗传图谱覆盖2 510.7 cM，含有3 355个分子标记，包含31个连锁群，根据SSR和小麦基因组信息，可以将所有连锁群分配至相应的染色体上。

1.2 亲本和重组自交系群体的籽粒硬度测定

亲本和群体各家系于2017、2018、2019年种植于江苏省农业科学院六合动物科学基地，行长 1.6 m，行宽0.25 m，每行均匀播种20粒种子，每个亲本和家系间间隔1行，按常规管理，小麦成熟后收获种子，晒干。每个亲本和家系随机取150粒籽粒，用Perten SKCS4100单籽粒硬度测定仪测定籽粒硬度指数，以硬度指数指示籽粒硬度，硬度指数数值越高，籽粒硬度越大。

1.3 数据分析和QTL定位

各个试验重组自交系群体的籽粒硬度指数最小值、最大值和平均值及试验间相关系数用R软件计算。籽粒硬度QTL分析用MapQTL 5.0软件[9]，先用QTL区间作图法（interval mapping）初步定位，然后用复合QTL作图法（MQM Mapping）进一步进行详细分析，根据置换检测（permutation test）推荐的极大似然函数比的常用对数（likelihood of odd，LOD值）判定是否存在QTL。

2 结果与分析

2.1 亲本和重组自交系群体籽粒硬度的测定结果

于2017、2018、2019年连续3年在江苏省农业科学院六合动物科学基地对亲本和重组自交系群体各家系进行试验。由表1可以看出，亲本CI12633的籽粒硬度与扬麦158差异明显，3年的种植结果也进一步证实这一结果;CI12633、扬麦158的3年平均籽粒硬度指数分别为68.5、47.9;群体的籽粒硬度指数呈连续分布，且有超亲现象，表明小麦籽粒硬度性状是由多基因控制的数量性状。

在本试验中，小麦籽粒硬度的遗传力较高，受环境的影响小，可以从群体各家系连续3年试验的相关系数看出：2017年群体籽粒硬度指数与2018、2019年群体籽粒硬度指数间的相关系数均为0.8，2018年群体籽粒硬度指数与2019年群体籽粒硬度指数间的相关系数为0.7。

2.2 小麦籽粒硬度性状的QTL定位结果

根据3年重组自交系群体籽粒硬度测定资料，结合已经构建的该群体高密度遗传连锁图，采用复合区间作图，共检测到5个QTL位点，分别位于3D、5B、6A、6D和7A染色体上（图1），单个QTL可以解释11.3%～25.1%的表型变异，其中6A、6D染色体QTL由亲本CI12633贡献，3D、5B、7A染色体的QTL则来自亲本扬麦158（表2），7B、7D染色体虽然在区间作图中检测到QTL，但未能通过复合区间作图的检测。

在本研究发现的QTL中，位于3D、5B和6D染色体的QTL均只在1年表型资料中检测到，属于不稳定QTL，可能与特定的环境有关。位于7A、6A染色体的QTL分别在2、3年表型资料中检测到，属于较为稳定的QTL，可以在今后的标记辅助育种或设计育种中发挥重要作用，特别是位于6A染色体的QTL，不仅稳定，而且表型解释率和加性效应均较高，与之紧密连锁的分子标记是SNP标记，可进行高通量筛选。

3 讨论与结论

采用重组自交系群体3年表型资料及遗传连锁图，分别在3D、5B、6A、6D和7A染色体上定位了影响小麦籽粒硬度的QTL。由于亲本CI12633和扬麦158籽粒硬度均超过软质小麦，且对小麦籽粒硬度的影响最大，位于5D染色体的Ha位点在群体中未出现分离，因此推测2个亲本在该位点均为硬质突变型。与已有研究相比，位于3D、6A和6D染色体上的QTL尚未见报道，为新发现的QTL，特别是6A染色体的QTL比较稳定，表型解释率高，加性效应明显，可在今后小麦籽粒硬度的遗传育种中发挥重要作用。

Groos等借助2个硬质小麦构建的重组自交系群体，曾在5B染色体上发现1个影响小麦籽粒硬度的QTL，可解释7.9%～9.4%的表型变异[4]，根据SSR标记信息，该QTL与本研究中检测到的位于5B染色体的QTL位置接近，可能为相同的QTL。Kumar等采用重组自交系群体在2地连续2年进行表型资料分析发现，在7A染色体的364.8～373.1 cM位置存在影响籽粒硬度的QTL，可解释7.4%的表型变异[7]，但是根据小麦基因组信息，本研究检测到的位于7A染色体上的QTL与之相距较远，为不同的QTL。

根据籽粒硬度，小麦可以分为软质麦与硬质麦，用软质麦磨制的面粉颗粒度小、破损淀粉含量低、面粉吸水率低，适合制作饼干和糕点等;用硬质麦磨制的面粉颗粒度大、破损淀粉含量高、面粉吸水率较高，适合制作面包和优质面条等[1]。在本研究中，亲本CI12633为引进的白粉病抗源，后来的研究发现，其对小麦纹枯病和茎基腐病均有较好的抗性[8，10];扬麦158的综合抗病性好，曾在长江中下游地区大面积种植。因此，可根据最终加工目的及亲本特性，结合本研究发现的影响籽粒硬度的QTL，指导针对长江中下游麦区的软质弱筋及中强筋等品质小麦的品种改良。

参考文献：

[1]郑雅月，赵振杰，赵万春，等. 小麦籽粒硬度研究进展[J]. 麦类作物学报，2017，37（7）：915-922.

[2]Bhave M，Morris C F. Molecular genetics of puroindolines and related genes：allelic diversity in wheat and other grasses[J]. Plant Molecular Biology，2008，66（3）：205-219.

[3]Igrejas G，Leroy P，Charmet G，et al. Mapping QTLs for grain hardness and puroindoline content in wheat （Triticum aestivum L.）[J]. Theoretical and Applied Genetics，2002，106（1）：19-27.

[4]Groos C，Bervasb E，Charmet G. Genetic analysis of grain protein content，grain hardness and dough rheology in a hard×hard bread wheat progeny[J]. Journal of Cereal Science，2004，40（2）：93-100.

[5]Heo H，Sherman J. Identification of QTL for grain protein content and grain hardness from winter wheat for genetic improvement of spring wheat[J]. Plant Breeding and Biotechnology，2013，1（4）：347-353.

[6]Ibba M I，Kiszonas A M，See D R，et al. Mapping kernel texture in a soft durum （Triticum turgidum subsp. durum） wheat population[J]. Journal of Cereal Science，2019，85：20-26.

[7]Kumar A，Mantovani E E，Simsek S，et al. Genome wide genetic dissection of wheat quality and yield related traits and their relationship with grain shape and size traits in an elite × non-adapted bread wheat cross[J]. PLoS One，2019，14（9）：e0221826.

[8]周淼平，姚金保，楊学明，等. 小麦纹枯病抗性QTL的分析[J]. 麦类作物学报，2020，40（5）：554-559.

[9]van Ooijen J W. MapQTL5，Software for the mapping of quantitative trait loci in experimental population[M]. Netherlands：Kyazma B V，Wageningen，2004.

[10]周淼平，张 鹏，杨学明，等. 小麦茎基腐病抗性QTL 的分析[J]. 麦类作物学报，2021，41（5）：538-543.