小麥苗期氮營養(yǎng)效率相關(guān)性狀的QTL分析,農(nóng)業(yè)推廣碩士論文

小麥苗期氮營養(yǎng)效率相關(guān)性狀的QTL分析,農(nóng)業(yè)推廣碩士論文小麥?zhǔn)鞘澜缟献钤缭耘嗟淖魑镏?，同時也是世界上重要的谷物，全世界1/3以上的人口以小麥作為主食，全球貿(mào)易量常年保持1億噸以上，居世界首位。2001~2018年，世界小麥面積和產(chǎn)量分別占糧食作物總面積和產(chǎn)量的29.8%和33.2%〔Hischenhuberetal.,2006;Etienneetal.,2008〕。小麥?zhǔn)俏覀儑冶狈饺嗣竦闹饕诩Z，每年種植面積約2300萬公頃，占全國糧食消費總額的1/5以上，居第三位，僅次于水稻和玉米〔何中虎等,2018〕。氮素是作物生長發(fā)育必需的最重要的大量元素。據(jù)統(tǒng)計，氮肥施入土壤后，僅有30～35%被作物吸收〔Goodetal.,2004〕。全球人口的增加對糧食產(chǎn)量提出了更高層次的要求。為增加作物產(chǎn)量，大量的氮肥資源被投入農(nóng)田，然而肥料利用率較低，造成了大量的能源消耗并導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問題〔Broadbentetal.,1987;DeDattaetal.,1988;Glies.,2005;SchachtmanandShin.,2007;Davidson.,2018;Jinetal.,2021;Zhangetal.,2021)〕。近40年來，世界范圍內(nèi)糧食產(chǎn)量增加了2倍，而氮肥的施用量卻增加了7倍〔Hireletal.,2007〕。因而，培育養(yǎng)分高效利用的農(nóng)作物新品種是第二次綠色革命的重要目的，而深切進入討論小麥氮效率的遺傳基礎(chǔ)是進行小麥遺傳改進的前提。氮效率包括氮吸收效率和利用效率兩個方面，具體表現(xiàn)出了作物利用土壤中的氮元素構(gòu)成作物產(chǎn)量的能力。氮吸收效率反映了根系從土壤或培養(yǎng)液中吸收氮素的能力，而氮利用效率則反映了作物體內(nèi)重新分配利用氮素以維持正常生物量的能力〔Kongetal.,2020〕。氮高效表示清楚植株能夠在較低水平的氮養(yǎng)分條件下吸收較多的氮〔氮吸收效率高〕，或者單位氮養(yǎng)分可更多地轉(zhuǎn)化為籽粒產(chǎn)量〔氮利用效率高〕。不少學(xué)者開展了小麥氮素利用率研究，主要集中在氮高效生理以及氮素利用率相關(guān)性狀間的互相關(guān)系〔Wuetal.,1995;Ladhaetal.,1998;Cassmanetal.,1998;Singhetal.,1998;Jiangetal.,2004;Tongetal.,2006;Wangetal.,2018;Mahjourimajdetal.,2021〕，但氮素利用率遺傳研究相對較少。氮營養(yǎng)相關(guān)性狀是典型的數(shù)量性狀，數(shù)量性狀基因座〔quantitativetraitlocus,QTL〕分析能夠把復(fù)雜的數(shù)量性狀分解成不同的QTL，并明確QTL所在的染色體位置和效應(yīng)的大小，進而為復(fù)雜性狀遺傳控制的研究提供了一種有效的新方式方法〔Doerge,2002〕。因而，對氮營養(yǎng)相關(guān)性狀進行QTL分析，能夠挖掘控制小麥氮素吸收利用的基因座，進而為小麥育種相關(guān)理論研究提供基礎(chǔ)。1.1小麥氮高效基因型的鑒定。礦質(zhì)營養(yǎng)高效的基因型包括兩種類型：一是為低肥水平下產(chǎn)量相對較高，但施肥增產(chǎn)效應(yīng)較低，屬于低投入高產(chǎn)出的省肥基因型；二是低肥水平下產(chǎn)量相對較低，但施肥增產(chǎn)效應(yīng)較高，屬于高投入高產(chǎn)出的基因型〔顧海永,2007〕。在氮效率方面，小麥存在非常豐富的變異類型。品種改進、氮肥配方施肥和農(nóng)藝技術(shù)的應(yīng)用是提高小麥氮肥利用效率的有效途徑，而選育氮高效作物品種是關(guān)鍵。小麥氮利用效率的鑒定和評價包括水培、盆栽、大田栽培等方式方法。一般采用苗期水培或成株期盆栽試驗進行初選，然后采用成熟期大田栽培試驗進行進一步鑒定。水培法的營養(yǎng)液一般參照Hoagland〔1950〕的配方，華而不實正常氮處理濃度為0.2mmolL-1，低氮處理一般采用1/10氮濃度，即0.02mmolL-1。在盆栽或大田栽培條件下，氮脅迫環(huán)境一般是播種介質(zhì)中有效氮含量在15mgkg-1下面?？梢砸愿鶕?jù)目的產(chǎn)量確定低氮和高氮處理，如畝產(chǎn)400kg〔低氮〕、畝產(chǎn)600kg〔高氮〕的需氮量。氮含量測定是氮利用效率鑒定的基礎(chǔ)，但是氮含量測定的步驟繁瑣，這在很大程度上限制了氮利用效率的大規(guī)模鑒定。不同基因型氮效率的指標(biāo)主要有產(chǎn)量、生物量、氮素積累量、莖葉氮素累積量、莖葉含氮量、地上部生物量、根生物量等〔張錫洲等，2018；趙春波等，2021；趙付江等，2021；黃永蘭等，2021；張俊國等，2008；鐘思榮等，2021〕。作物的產(chǎn)量是種植者和育種者直接追求的指標(biāo)，用來評價不同基因型的耐低氮性和氮利用效率也最具有講服力，是主要的氮利用效率的評價指標(biāo)，但產(chǎn)量評價必須在成熟收獲時期進行。人們一直在尋找既能代替含氮量測定，又能簡單、快速、直觀地反映氮養(yǎng)分效率且遺傳力較高的形態(tài)指標(biāo)或生理指標(biāo)。氮高效鑒定評價應(yīng)以一個或幾個評價指標(biāo)為主，并輔以多個參考指標(biāo)綜合評價，才能確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。路文靜等〔2018〕在不同氮處理條件下，研究了不同氮效率小麥品種的籽粒含量、植株含氮量和植株氮累積量及氮效率相關(guān)的生理參數(shù)。不同氮處理下研究表示清楚：不同小麥品種氮利用效率差異不同很大〔Clrk.,1983;Wangetal.,2018〕。韓勝芳等〔2007〕發(fā)現(xiàn)不同氮效率小麥品種在氮素同化和代謝關(guān)鍵酶活性上存在著明顯的遺傳差異。低氮條件下，吸收高效小麥品種的根系干質(zhì)量大、根系生理活性強，是其植株氮素累積增加的重要原因；利用高效小麥品種的高氮利用效率，主要是由于其較強的氮素同化關(guān)鍵酶活性使植株體內(nèi)的氮素同化和代謝速率得到改善所致。杜保見等〔2020〕對小麥苗期氮素吸收利用效率差異進行了聚類分析，初步確定揚麥16和鑒76為正常供氮和高氮條件下的氮高效型品種，皖麥68、F605014、鑒62和安農(nóng)1026為高氮條件下的氮高效型品種。董召娣等〔2020〕發(fā)現(xiàn)一樣施氮條件下，半冬性小麥品種的氮肥吸收效率和氮肥生產(chǎn)效率比春性小麥品種分別高12.19%和9.64%，差異均達顯著水平。華而不實氮肥吸收效率和氮肥生產(chǎn)效率最高的品種均為濟麥22，春性小麥兩個指標(biāo)最高的品種均為揚麥15。路文靜等〔2018〕在不同氮處理條件下，發(fā)現(xiàn)低氮條件下氮高效品種滄核036表現(xiàn)的氮高效特征，是其具有較強的氮素吸收和同化能力。1.2QTL定位及其在研究小麥氮效率中的應(yīng)用。1.2.1分子標(biāo)記和QTL定位。數(shù)量性狀受多基因控制，存在著復(fù)雜的基因型之間、基因型與環(huán)境之間的互作機制，隨分子生物學(xué)和生物統(tǒng)計技術(shù)的迅速發(fā)展，應(yīng)運而生的QTL作圖技術(shù)為研究復(fù)雜數(shù)量性狀開拓了新途徑。QTL作圖是通過分析整個染色體組的DNA標(biāo)記和數(shù)量性狀表型值的關(guān)系情況，將QTL每個都定位到連鎖群的相應(yīng)位點，進而估測其遺傳效應(yīng)。它的一般步驟包括：〔1〕構(gòu)建作圖群體；〔2〕確定和挑選遺傳標(biāo)記并構(gòu)建連鎖遺傳圖譜；〔3〕檢測分離世代群體中每一個體〔家系〕的標(biāo)記基因型；〔4〕測量數(shù)量性狀；〔5〕統(tǒng)計分析標(biāo)記基因型和數(shù)量性狀值能否存在關(guān)聯(lián)，確定QTL在染色體上的數(shù)目和位置，估測QTL的遺傳效應(yīng)。QTL定位的必要條件為：〔1〕高密度的連鎖遺傳圖〔一般要求標(biāo)記間平均距離小于15-20cM〕和相應(yīng)的統(tǒng)計分析方式方法；〔2〕目的性狀在群體中分離明顯，符合正態(tài)分布，在遺傳分析群體構(gòu)建選擇親本時要盡可能地選擇性狀表現(xiàn)差異大和親緣關(guān)系較遠的材料。1.2.1.1作圖群體。作圖群體是進行QTL定位的基礎(chǔ)，其親本選擇的適宜與否是QTL定位成敗的關(guān)鍵因素之一。作圖群體可分為初級和次級作圖群體。因遺傳分離特性和遺傳背景的穩(wěn)定性不同，初級作圖群體又分為暫時性群體和永久性群體。暫時性群體不能穩(wěn)定遺傳，其遺傳組成會因自交、近交而改變，如F2群體及衍生的F2-3，BC1、BC2等回交后代群體；永久性群體為同一株系內(nèi)個體間的遺傳背景一樣、自交后代群體不分離，可永久性用于遺傳分析，在不同時間地點進行多年多點試驗，為不同實驗室所共享，如重組自交系〔recombinantinbredlines，RIL〕群體、加倍單倍體〔doubledhaploid，DH〕群體等。近年來，大部分QTL研究是基于兩個親本構(gòu)建的RIL群體或DH群體〔Suetal.,2018;Guoetal.,2020;Ryanetal.,2021;ZhangandWang.,2021〕。假如選擇栽培品種或者骨干親本作RIL群體或DH群體的親本之一，那么將更有利于QTL定位結(jié)果應(yīng)用于育種實踐。高尚等〔2021〕利用90k小麥SNP基因芯片技術(shù)，對包含188個家系的RIL群體進行多態(tài)性分析，并利用JoinMap構(gòu)建連鎖圖譜，圖譜包含7197個多態(tài)性SNP標(biāo)記，構(gòu)建了包括43個連鎖群、6573個SNP標(biāo)記的分子標(biāo)記遺傳圖譜，標(biāo)記間平均間距0.38cM。Zanke等〔2020〕利用358個歐洲冬麥品種組成的自然群體，將732個SSR標(biāo)和7934個SNP標(biāo)記映射到遺傳圖譜上，定位了控制小麥抽穗期的72個SSR和432個SNP位點，并與水稻、兩穗短柄草同源序列進行比對，發(fā)如今水稻上控制光周期的基因Hd6和小麥位5BL染色體上控制光周期的基因具有高度同源性。次級作圖群體是指經(jīng)過雜交、多代回交和分子標(biāo)記選擇與改進構(gòu)成的群體，常用的有染色體片段代換系〔chromosomalsegmentsubstitutionline,CSSLs〕、單片段代換系〔singlesegmentsubstitutionlines，SSSLs〕、近等基因系〔nearisogeniclines，NILs〕、剩余雜合體群體〔residualheterozygouslines,RHLs〕等，其共同特點是遺傳背景類似，僅帶有少數(shù)供體親本的染色體片段，是進行QTL精細定位的良好材料。Xue等〔2008〕采用CSSLs群體圖位克隆了1個同時控制水稻株高、抽穗期和每穗粒數(shù)的基因Gh