小麦穗部性状近等基因系的创制及穗粒数候选基因分析

陈旺; 王殿; 宋波; 刘易科; 朱展望; 卫波; 宁强; CHEN Wang; WANG Dian; SONG Bo; LIU Yike; ZHU Zhanwang; WEI Bo; NING Qiang

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小麦穗部性状近等基因系的创制及穗粒数候选基因分析 PDF

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陈旺 ^1,2
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1. 青岛农业大学农学院，山东青岛 266109； 2. 湖北省农业科学院粮食作物研究所/农业农村部作物分子育种重点实验室/ 粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室，武汉 430064； 3. 北京大学现代农业研究院/ 小麦育种全国重点实验室/潍坊现代农业山东省实验室，山东潍坊 261325

最近更新：2025-04-03

DOI：10.13430/j.cnki.jpgr.20240822001

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摘要

为创制具有育种利用价值的遗传材料，定位影响小麦穗粒数的候选区间，以八倍体小偃麦与普通小麦品种衡观35和科农199杂交构建的近等基因系作为研究材料，对株高、有效分蘖数、穗长、小穗数、每穗粒数、单株产量、千粒重7个性状进行表型鉴定。利用660K SNP芯片对表型差异显著的近等基因系进行全基因组扫描，分析两对近等基因系间的多态性SNPs位点及一致性的物理区间。结合候选区间的基因功能注释和基因表达分析，预测影响小麦穗粒数的重要候选基因。结果表明，N81和N82、N86和N87是两对在小麦穗部性状具有显著差异的近等基因系，其遗传相似度分别为98.02%和98.78%。通过660K SNP芯片分析，确定两对近等基因系分别在1B染色体上662~669 Mb、3B染色体上19~25 Mb和5B染色体上541~548 Mb的物理区间存在明显的遗传多态性，表明这些物理区间可能是影响小麦穗部相关性状的候选区间。通过整合前人研究的QTL定位区间、基因功能注释、基因表达分析和同源基因功能分析，筛选出3个可能影响小麦穗粒数的重要候选基因，分别是1B染色体上编码苹果酸脱氢酶的TraesCS1B02G443200，3B染色体上编码AP2/ERF转录因子的TraesCS3B02G042400，5B染色体上编码C2H2类型锌指蛋白TraesCS5B02G366500。本研究结果为挖掘小麦穗粒数基因提供理论参考。

关键词

小麦; 660K SNP芯片; 近等基因系; 穗部相关性状; 候选基因

小麦（Triticum aestivum L.）是世界上重要的粮食作物之一，维持其稳产、增产对确保粮食生产安全至关重要^［

1-2］。小麦籽粒产量主要取决于单位面积穗数、穗粒数和千粒重，是小麦产量构成的三要素^{［参考文献 3

百度学术}3］，挖掘影响小麦穗发育和穗粒数等性状的关键基因，对小麦穗型的分子设计与精准改良、突破产量瓶颈具有重要意义。迄今为止，通过全基因组关联分析（GWAS，genome-wide association study）、基于双亲遗传群体连锁分析，鉴定到一些与产量相关的QTL/基因^{［参考文献 4-8}4-8］。目前，已经克隆了FT1/2^{［参考文献 9-10}9-10］、TaCOL-B5^{［参考文献 11

百度学术}11］、TaMOC1^{［参考文献 12

百度学术}12］、GNI1^{［参考文献 13

百度学术}13］、AP2L5^{［参考文献 14

百度学术}14］、DUO-B1^{［参考文献 15

百度学术}15］、TaDEP1^{［参考文献 16

百度学术}16］、TaCKX1/2^{［参考文献 17

百度学术}17］、TaSus1-A1^{［参考文献 18

百度学术}18］等产量相关基因。FT1和FT2的功能缺失延长了小穗形成和发育的时间，进而增加每穗小穗数^{［参考文献 9-10}9-10］。过表达TaCOL-B5基因显著增加穗长和小穗数，提高小麦籽粒产量^{［参考文献 11

百度学术}11］。TaMOC1等位基因变异与小穗数显著相关^{［参考文献 12

百度学术}12］。通过RNAi技术沉默GNI-A1基因的表达可提高小麦的小花育性，增加穗粒数^{［参考文献 13

百度学术}13］。AP2L5功能突变导致小穗数显著减少^{［参考文献 14

百度学术}14］。DUO1编码AP2/ERF转录因子，基因敲除DUO-B1显著增加小花育性、小穗数和单位面积产量^{［参考文献 15

百度学术}15］。TaDEP1的下调表达能够增加小麦的穗长、减少小穗数^{［参考文献 16

百度学术}16］。沉默TaCKX1显著增加每穗粒数和千粒重，而沉默TaCKX2导致每穗粒数略微减少^{［参考文献 17

百度学术}17］。蔗糖合酶基因TaSus1-A1的突变体使得穗长、小穗数和穗粒数显著降低^{［参考文献 18

百度学术}18］。

小麦产量相关性状是由多基因控制的复杂数量性状，目前已克隆的基因资源较少，因此，创制产量相关性状差异显著的近等基因系，挖掘和利用更多与产量性状相关的优异基因，对小麦高产育种至关重要。本研究利用八倍体小偃麦与普通小麦作为亲本杂交构建的高世代家系，筛选出两对穗部性状显著差异的近等基因系，进一步利用660K SNP芯片基因型数据，分析和挖掘与小麦穗部性状密切相关的候选区段，为小麦产量的遗传改良提供重要的基因资源和优异种质。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2份小偃麦材料均由中国科学院遗传与发育生物学研究所李振声院士课题组提供。以小偃麦材料小偃78829（NPFP/多年生2号）和小偃693（小偃2号//临7小麦/长穗偃麦草）为供体，分别与2个普通小麦品种衡观35和科农199杂交，连续自交8代（F₈）形成株系。对来自同一穗行的株系进行两年产量相关性状的表型鉴定，筛选出两对在穗部相关性状存在显著差异的近等基因系N81和N82、N86和N87。

1.2 试验设计

试验于2017-2018年、2018-2019年两个生长季在河北省石家庄市赵县实验基地进行。两对近等基因系均播种2行，行长2 m、行距25 cm，20株/行，株距10 cm，设置2次重复。试验田按常规农田管理方法对病虫害防治、田间杂草、水肥资源等进行管理。小麦成熟后，在不同近等基因系长势均匀一致区域连续取10株进行农艺性状考察。鉴定表型包括株高、有效分蘖数、穗长、小穗数、穗粒数、单株产量和千粒重。

1.3 基因型分析

在小麦苗期，取N81和N82、N86和N87两对近等基因系的幼嫩叶片置于EP管中，送样至北京康普森生物科技有限公司（https：//www.kangpusenny.com/breeding/121.html），利用该公司开发的小麦660K SNP芯片对近等基因系进行全基因组扫描，最终获得461658个高质量SNPs位点，用于后续试验数据分析。

1.4 统计分析

采用人工读数统计的方法对株高、有效分蘖数、穗长、小穗数、穗粒数等产量相关性状进行统计，用Excel 2010对表型数据进行计算和显著性分析。通过Shell脚本对660K SNP芯片基因型数据进行分析，得到每对近等基因系间各条染色体上的多态性SNPs，并在差异多态性SNPs密度相似区域进行相关基因分析。

1.5 候选基因的预测与分析

基于小麦中国春的基因组信息（IWGSC RefSeq v1.1），对近等基因系间多态性SNPs重叠区间进行基因分析。利用小麦穗发育关键时期［茎尖分生组织顶端过渡阶段（W1.5）、早期二棱期（W2）、二棱期（W2.5）、护颖原基期（W3）、颖片原基期（W3.25）、小花原基期（W3.5）和晚期小穗期（W4）］的基因表达量TPM（Transcripts per million）（http：//39.98.48. 156：8800/#/）^［

19］，筛选可能影响小麦穗部相关性状的候选基因。

利用小麦WheatOmics网站（http：//202.194.139.32）对基因进行功能注释。

2 结果与分析

2.1 近等基因系的遗传背景分析

利用660K SNP基因芯片对穗部性状显著差异的两对近等基因系N81和N82、N86和N87进行全基因组扫描，筛选获得的461658个高质量SNPs位点中，N81和N82之间的多态性SNPs共9128个（占比为1.98%），N86和N87之间的多态性SNPs共5638个（占比为1.22%）。由表1可知，N81和N82的遗传相似度为98.02%，N86和N87的遗传相似度为98.78%。

表1 N81和N82、N86和N87遗传背景检测结果

Table 1 Genetic background analysis for N81 and N82， N86 and N87

近等基因系 Near-isogenic lines	有效检测位点 Effective detection site	杂合点 Heterozygous site	纯合度（%） Homozygosity	差异位点数 Difference site	遗传背景相似度（%） Genetic similarity
N81	461658	22881	95.04	9128	98.02
N82	461658	26656	94.23	9128	98.02
N86	461658	25293	94.52	5638	98.78
N87	461658	26822	94.19	5638	98.78

2.2 近等基因系产量相关性状的表型分析

2017-2018年和2018-2019年对两对近等基因系（N81和N82、N86和N87）进行产量相关性状表型考察，结果显示，在2017-2018年度与2018-2019年度，N81的株高、有效分蘖数和单株产量均显著高于N82；在2018-2019年度，N81的穗长和每穗粒数均显著高于N82（表2和图1，P<0.01）。综合两年均值分析，与N82比较，N81株高平均增加7.76%，有效分蘖数平均增加21.04%，穗长平均增加8.50%，每穗粒数平均增加11.24%，单株产量平均增加42.95%（图1）。

表2 近等基因系产量相关性状的统计分析

Table 2 Statistical analysis of yield-related traits in near-isogenic lines

性状 Traits	环境 Environment	近等基因系NILs		P值 P-value	近等基因系NILs		P值 P-value
性状 Traits	环境 Environment	N81	N82	P值 P-value	N86	N87	P值 P-value
株高（cm） Plant height	2018SJZ	56.77 ± 3.57	53.61 ± 3.46	5.47 × 10^-3	57.80 ± 2.74	54.52 ± 3.93	2.04 × 10^-3
株高（cm） Plant height	2019SJZ	68.53 ± 3.08	62.50 ± 3.13	2.60 × 10^-7	66.33 ± 3.92	62.89 ± 1.73	4.72 × 10^-4
有效分蘖数 Effective tiller number	2018SJZ	6.85 ± 1.09	5.90 ± 1.07	4.20 × 10^-3	3.65 ± 1.23	3.80 ± 1.01	0.34
有效分蘖数 Effective tiller number	2019SJZ	5.39 ± 0.92	4.28 ± 1.07	1.03 × 10^-3	3.50 ± 0.61	3.20 ± 0.52	0.05
穗长（cm） Spike length	2018SJZ	7.44 ± 0.57	7.20 ± 0.59	0.10	8.13 ± 0.69	7.36 ± 0.75	9.50 × 10^-4
穗长（cm） Spike length	2019SJZ	8.14 ± 0.54	7.15 ± 0.60	2.28 × 10^-6	7.28 ± 0.73	6.75 ± 0.43	3.80 × 10^-3
小穗数 Spikelet number per spike	2018SJZ	17.00 ± 1.65	16.75 ± 1.16	0.29	17.30 ± 1.26	17.15 ± 1.87	0.38
小穗数 Spikelet number per spike	2019SJZ	19.60 ± 1.60	19.00 ± 1.25	0.10	19.75 ± 1.68	18.60 ± 0.75	4.10 × 10^-3
每穗粒数 Kernel number per spike	2018SJZ	51.20 ± 7.66	48.95 ± 7.39	0.18	58.30 ± 5.66	48.11 ± 9.41	1.01 × 10^-4
每穗粒数 Kernel number per spike	2019SJZ	56.65 ± 9.44	48.05 ± 6.27	9.89 × 10^-4	60.80 ± 8.40	50.65 ± 6.34	5.51 × 10^-5
单株产量（g） Grain yield per plant	2018SJZ	8.21 ± 1.66	6.43 ± 1.81	1.57 × 10^-3	6.93 ± 1.69	5.67 ± 0.92	5.32 × 10^-3
单株产量（g） Grain yield per plant	2019SJZ	10.57 ± 3.14	6.68 ± 2.43	4.93 × 10^-5	7.92 ± 2.31	5.66 ± 1.10	2.17 × 10^-4
千粒重（g） Thousand grain weight	2018SJZ	42.91 ± 0.49	40.80 ± 0.49	0.09	43.75 ± 2.14	43.51 ± 4.00	0.41
千粒重（g） Thousand grain weight	2019SJZ	/	/	/	/	/	/

/：无数据；SJZ：石家庄；下同

/： No data；2018：2017-2018；2019：2018-2019；SJZ：Shijiazhuang；The same as below

图1 近等基因系N81和N82产量相关性状的比较分析

Fig. 1 Comparisons analysis of yield-related traits of NILs N81 and N82

A：近等基因系N81和N82的植株；**：在P<0.01水平差异显著；***：P<0.001水平差异显著；NS：差异不显著；下同

A： NILs N81 and N82 plants；**：Significant correlation at the P<0.01 level；***：Significant correlation at the P<0.001 level； NS： Not significance； The same as below

在2017-2018年度与2018-2019年度，N86的株高、穗长、每穗粒数和单株产量均显著高于N87；在2018-2019年度，N86的小穗数显著高于N87（表2和图2，P<0.01）。综合两年均值分析，与N87比较，N86株高平均增加5.73%，穗长平均增加9.16%，小穗数平均增加3.53%，每穗粒数平均增加20.62%，单株产量平均增加31.15%（图2）。以上结果表明，两对近等基因系在株高、穗长、每穗粒数和单株产量上均有显著差异，N81显著优于N82，N86显著优于N87。

图2 近等基因系N86和N87产量相关性状的比较分析

Fig. 2 Comparisons analysis of yield-related traits of NILs N86 and N87

A：近等基因系N86和N87的植株

A： NILs N86 and N87 plants

2.3 近等基因系间多态性SNPs在染色体上的分布

基于小麦660K SNP芯片对两对近等基因系N81和N82、N86和N87进行基因型分析，得到近等基因系间每条染色体上多态性SNPs的分布。在N81和N82中，多态性SNPs在5B染色体上分布数量最多，共有2917个，占已知多态性SNPs总数的34.44%；其次是在3B染色体上，共有1248个，占已知多态性SNPs总数的14.73%；1B染色体上共有777个，占已知多态性SNPs总数的9.18%（图3A）。近等基因系N86和N87的多态性SNPs在1B染色体上分布数量最多，共有1273个，占已知多态性SNPs总数的23.75%；其次是在3B染色体上，共有1200个，占已知多态性SNPs总数的22.39%；5B染色体上共有1198个，占已知多态性SNPs总数的22.35%（图4A）。以上结果表明，两对近等基因系均在1B、3B、5B染色体上的多态性SNPs分布数量较多，推测近等基因系间表型差异的遗传位点可能位于1B、3B、5B染色体上。

图3 近等基因系N81和N82多态性SNPs在1B、3B和5B染色体上的分布

Fig. 3 Polymorphic SNPs distribution of N81 and N82 on chromosome 1B， 3B and 5B

A：近等基因系N81与N82多态性SNPs在每条染色体上的分布数量；B：多态性SNPs在1B染色体上的位置密度分布；C：多态性SNPs在3B染色体上的位置密度分布；D：多态性SNPs在5B染色体上的位置密度分布

A： The number of polymorphic SNPs distribution of N81 and N82 on each chromosome； B： The distribution of polymorphic SNPs based on their physical locations on chromosome 1B； C： The distribution of polymorphic SNPs based on their physical locations on chromosome 3B； D： The distribution of polymorphic SNPs based on their physical locations on chromosome 5B

图4 近等基因系N86和N87的多态性SNPs在1B、3B和5B染色体上的分布

Fig. 4 Polymorphic SNPs distribution of N86 and N87 on chromosome 1B， 3B and 5B

A：近等基因系N86与N87多态性SNPs在每条染色体上的分布数量；B：多态性SNPs在1B染色体上的位置密度分布；C：多态性SNPs在3B染色体上的位置密度分布；D：多态性SNPs在5B染色体上的位置密度分布

A： The number of polymorphic SNPs distribution of N86 and N87 on each chromosome； B： The distribution of polymorphic SNPs based on their physical locations on chromosome 1B； C： The distribution of polymorphic SNPs based on their physical locations on chromosome 3B； D： The distribution of polymorphic SNPs based on their physical locations on chromosome 5B

对N81和N82、N86和N87在1B、3B、5B染色体上多态性SNPs的物理位置进行分析，结果显示，两对近等基因系在相同染色体上多态性SNPs分布的物理位置相似。N81和N82在1B染色体上662~690 Mb区间多态性SNPs的密度最高；N86和N87在1B染色体上640~669 Mb区间多态性SNPs的密度最高；662~669 Mb为两对近等基因系多态性SNPs在1B染色体上的重叠物理区间（图3B、图4B）。N81和N82在3B染色体上0~29 Mb、666~670 Mb区间多态性SNPs的密度最高；N86和N87在3B染色体上19~25 Mb、738~765 Mb区间多态性SNPs的密度最高；19~25 Mb为两对近等基因系多态性SNPs在3B染色体上的重叠物理区间（图3C、图4C）。N81和N82在5B染色体上464~548 Mb区间多态性SNPs的密度最高；N86和N87在5B染色体上541~566 Mb区间多态性SNPs的密度最高；541~548 Mb为两对近等基因系多态性SNPs在5B染色体上的重叠物理区间（图3D、图4D）。以上结果表明，两对近等基因系在1B、3B、5B染色体上多态性SNPs的重叠区间可能是影响表型差异的候选区间。

2.4 候选基因的预测与分析

通过对候选区间内注释的功能基因进行表达分析，筛选出在1B、3B和5B染色体上分别有25个、47个和 41个高置信度基因有表达（TPM>0.5）。根据基因表达模式进行聚类分析（图5），其中，1B染色体上可以分为3类，第一类包含3个基因，在穗发育中表达量最高（TPM>100）；第二类包含9个基因，在穗发育中表达量较高（TPM>5）；第三类包含13个基因，在穗发育中表达量较低（TPM<5）。3B染色体上可以分为2类，第一类包含19个基因，在穗发育中表达量较高（TPM>10）；第二类包含28个基因，在穗发育中表达量较低（TPM<10）。5B染色体上可以分为2类，第一类包含19个基因，在穗发育中表达量较高（TPM>7）；第二类包含22个基因，在穗发育中表达量较低（TPM<7）。利用小麦WheatOmics网站对表达量较高的50个基因进行功能注释，其编码多种不同的蛋白（表3）。如1B染色体上TraesCS1B02G443200编码苹果酸脱氢酶蛋白，其玉米中同源基因EAD1在调控花序发育和穗粒数形成中起关键作用^［

20］。TraesCS1B02G443100编码GTP结合的核蛋白，其拟南芥中的同源基因AtRAN3调控细胞分裂和种子大小^{［参考文献 21-22}21-22］。3B染色体上TraesCS3B02G042400编码AP2/ERF转录因子，其拟南芥中的同源基因AtRAP2.2调控植物发育和胁迫响应^{［参考文献 23-24}23-24］。TraesCS3B02G040600编码植物特有的一类DNA结合储藏蛋白相关的转录调控因子，在拟南芥中该类蛋白在调控细胞分裂素应答中发挥重要作用^{［参考文献 25

百度学术}25］。TraesCS3B02G047300编码己糖转运蛋白，在水稻中敲除糖转运蛋白OsSTP15能够增加水稻分蘖数，进而提高产量^{［参考文献 26

百度学术}26］。5B染色体上TraesCS5B02G366500编码C2H2类型的锌指蛋白，其拟南芥中的同源基因AtSUF4调控根系发育和植物开花，影响拟南芥产量^{［参考文献 27-28}27-28］。TraesCS5B02G363500编码核糖体BOP1蛋白同源物，其拟南芥中的同源基因AtBOP1调控细胞分裂和增殖，参与细胞分裂素途径^{［参考文献 29

百度学术}29］。TraesCS5B02G368600编码S-酰基转移酶，其拟南芥中的同源蛋白AtPAT19参与植物激素油菜素内酯信号通路^{［参考文献 30

百度学术}30］，而油菜素内酯是调节植物生长发育的重要激素信号。

图5 1B、3B和5B染色体上候选区间内功能基因在小穗发育时期的表达分析

Fig. 5 Gene expression analysis in candidate intervals on chromosomes 1B， 3B and 5B during spikelet development

A：1B染色体上基因的表达；B：3B染色体上基因的表达；C：5B染色体上基因的表达。W1.5：过渡顶端；W2：早期二棱期；W2.5：二棱期；W3：护颖原基期；W3.25：外稃原基期；W3.5：小花原基期；W4：晚期小穗期；基因表达数据来源于文献［

19］

A： Expression of genes on chromosome 1B；B： Expression of genes on chromosome 3B； C： Expression of genes on chromosome 5B. W1.5： Transition apex； W2： Early double ridge stage； W2.5： Double ridge stage； W3： Glume primordium stage； W3.25：Lemma primordium stage； W3.5： Floret primordium stage； W4： Late terminal spikelet stage； Gene expression data were derived from reference ［

19］

表3 基因功能注释

Table 3 Gene functional annotation

基因编号 Gene ID	染色体 Chormosome	功能注释 Functional annotation	基因编号 Gene ID	染色体 Chormosome	功能注释 Functional annotation
TraesCS1B02G443100	1B	GTP结合的核蛋白	TraesCS1B02G446300	1B	固醇还原酶
TraesCS1B02G443200	1B	苹果酸脱氢酶	TraesCS1B02G446700	1B	β-半乳糖苷酶
TraesCS1B02G442300	1B	酮醇酸还原异构酶	TraesCS1B02G446800	1B	转录伸长因子1
TraesCS1B02G441900	1B	CTP合成酶	TraesCS1B02G442000	1B	核转录因子Y亚基B
TraesCS1B02G443900	1B	蛋白酶体亚基	TraesCS1B02G442500	1B	CHUP1蛋白
TraesCS1B02G446000	1B	DUF617结构域的蛋白	TraesCS1B02G441700	1B	跨膜蛋白
TraesCS3B02G042400 TraesCS3B02G042600 TraesCS3B02G045400 TraesCS3B02G047500 TraesCS3B02G039900 TraesCS3B02G042000 TraesCS3B02G047300 TraesCS3B02G040600 TraesCS3B02G047700 TraesCS3B02G046800 TraesCS3B02G047800 TraesCS3B02G045500 TraesCS3B02G046100 TraesCS3B02G040000 TraesCS3B02G041400 TraesCS3B02G048100 TraesCS3B02G041700 TraesCS3B02G041800 TraesCS3B02G047100	3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B 3B	AP2/ERF转录因子信号肽酶亚基家族蛋白醛糖还原酶 RuvB-like解旋酶跨膜蛋白214 染色质重塑蛋白己糖转运蛋白 DNA结合储藏蛋白相关转录调控因子类棉纤维蛋白真核翻译起始因子己糖转运蛋白钙结合家族蛋白脂肪酸羟化酶 C2结构域蛋白抗病蛋白（NBS-LRR类）家族 RNA聚合酶II转录亚基的介体糖基水解酶翻译起始因子羟酰基谷胱甘肽水解酶	TraesCS5B02G366000 TraesCS5B02G366500 TraesCS5B02G361200 TraesCS5B02G368600 TraesCS5B02G362400 TraesCS5B02G365600 TraesCS5B02G362100 TraesCS5B02G363500 TraesCS5B02G362500 TraesCS5B02G366100 TraesCS5B02G362700 TraesCS5B02G367100 TraesCS5B02G366200 TraesCS5B02G362300 TraesCS5B02G363900 TraesCS5B02G362200 TraesCS5B02G363800 TraesCS5B02G364100 TraesCS5B02G364900	5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B	跨膜蛋白锌指蛋白 BTB/POZ结构域家族蛋白 S-酰基转移酶低温和盐响应蛋白微管相关蛋白跨膜蛋白核糖体BOP1蛋白同源物低温和盐响应蛋白 CASP-like蛋白质环核苷酸门控通道染色体结构域解旋酶-DNA结合家族蛋白 DNA损伤蛋白的介体磷酸酶2C家族蛋白鸟嘌呤核苷酸交换家族蛋白蓝铜蛋白 NADPH-细胞色素P450还原酶 RNA聚合酶II转录亚基的介体 PHD蛋白

3 讨论

3.1 与前人研究候选区间的比较分析

本研究筛选出小麦穗部相关性状显著差异的两对近等基因系N81和N82、N86和N87。基于660K SNP芯片对近等基因系间的多态性SNPs进行基因型分析，通过比对其物理位置，确定了N81和N82、N86和N87两对近等基因系多态性SNPs共同在1B、3B和5B染色体上662~669 Mb、19~25 Mb和541~548 Mb的物理区间存在重叠，推测这些物理位置可能是影响近等基因系间穗部相关性状表型差异的候选区间。近年来，研究人员利用不同的作图群体，以及全基因组关联分析和连锁分析等方法，鉴定到多个影响小麦产量性状的QTL^［

4-8， 31-35］。通过将前人研究中鉴定到的产量相关性状的QTL位点进行整合，发现本研究中在1B、3B和5B染色体上662~669 Mb、19~25 Mb和541~548 Mb的物理区间分别与前人定位中的6个、17个和6个位点存在高度一致（图6）。此外，两对近等基因系的其他染色体上也存在多态性的SNPs位点，这些位点可能是新的遗传位点。Hao等^{［参考文献 4

百度学术}4］利用全基因组关联分析在1B（665.3~667.3 Mb）和3B（20.4~22.4 Mb）染色体上分别检测到1个与每穗粒数显著关联的SNP位点，其物理区间与本研究在1B和3B染色体上的位置重叠。Pang等^{［参考文献 5

百度学术}5］利用全基因组关联分析在3B（22.7~24.7 Mb）染色体上检测到1个与小穗数显著关联的SNP位点，其物理区间与本研究在3B染色体上的位置重叠。Liu等^{［参考文献 33

百度学术}33］和Li等^{［参考文献 34

百度学术}34］利用连锁分析分别在5B （544.8~546.9 Mb）和5B（539.6~541.9 Mb）染色体上定位到1个与小穗密度和穗长相关的QTL，其物理区间与本研究在5B染色体上的位置重叠。以上结果证实了这些高度一致性物理区间对小麦穗粒数具有重要贡献，也证明了本研究创制的近等基因系是重要的遗传资源，可以进行后续基因的定位和克隆，为小麦高产遗传育种提供指导。

图6 1B、3B和5B染色体上候选区间与前人研究定位的比对

Fig. 6 Comparison of candidate regions on chromosomes 1B， 3B and 5B with previous mapping studies

★是本研究在1B、3B和5B染色体上鉴定到的物理位置；不同颜色字体表示前人鉴定到的不同位点；PH：株高；FT：开花期；ETN：有效分蘖数；SC、SD：穗密度；SL：穗长；SNS：每穗小穗数；KN、GNPS：每穗粒数；KL：粒长；KW：粒宽；TGW：千粒重

★ is the physical location identified on chromosomes 1B， 3B and 5B in this study； Different color fonts represent different sites identified by predecessors； PH：Plant height； FT： Flowering time； ETN： Effective tiller number； SC：Spike compactness； SD： Spike density； SL： Spike length； SNS： Spikelet number per spike； KN： Kernel number per spike； GNPS： Grain number per spike； KL： Kernel length； KW： Kernel width； TGW： 1000-grain weight

3.2 小麦穗部相关性状的候选基因

小麦幼穗的发育经历生长锥伸长期、单棱期、二棱期、小花原基分化期、雌雄蕊原基分化期等关键时期。其中，单棱期和二棱期的持续时长和分化速率决定小穗原基的数目；小花原基分化期是决定小花数目的关键时期；而雌雄蕊分化期决定了小花的育性。小麦的每个小穗能产生多到8个以上的小花原基，但最后只有3~4个能够发育生成籽粒。因此，小穗的早期发育和小花育性对于穗粒数的形成较为关键，影响小麦的最终产量。

本研究对1B、3B和5B染色体上的一致性物理区间进行候选基因挖掘，根据基因的功能注释、基因表达分析及同源基因功能分析，分别在1B、3B和5B染色体上筛选出25个、47个和41个高置信度基因。其中，1B染色体上TraesCS1B02G443200编码苹果酸脱氢酶，其在植物生长发育、逆境响应过程中起着重要作用，并且该基因在小麦穗发育的多个时期表达量较高（TPM>110）。Pei 等^［

20］研究表明苹果酸在调控玉米幼穗发育和籽粒产量中起关键作用，外源喷施苹果酸可显著增加玉米穗粒数。因此，推测TraesCS1B02G443200可能是影响小穗发育和穗粒数的重要候选基因。3B染色体上TraesCS3B02G042400编码AP2/ERF转录因子，该基因在小麦穗发育的多个时期表达量较高（TPM>40），其家族基因DUO-B1通过调控小麦小穗结构，负调控每穗粒数且不影响其他农艺性状^{［参考文献 15

百度学术}15］。结合前人研究发现TraesCS3B02G042400基因位于影响小麦穗粒数的候选区间^{［参考文献 4-6}4-6］（图6），推测该基因可能是调控穗粒数的候选基因。5B染色体上TraesCS5B02G366500编码C2H2类型的锌指蛋白，该基因在小麦穗发育的多个时期表达量较高（TPM>50），并且该基因位于影响穗长、小穗密度相关的候选区间^{［参考文献 33-34}33-34］（图6）。Shang等^{［参考文献 36

百度学术}36］发现拟南芥C2H2锌指蛋白KNU可以适时终止花分生组织的增殖，促进干细胞分化，为后续植物种子的形成营造条件；Zhuang等^{［参考文献 37

百度学术}37］研究表明水稻C2H2锌指蛋白NSG1在维持小穗发育方面起着关键作用，推测TraesCS5B02G366500基因可能是影响小穗发育和穗粒数的候选基因。以上结果显示，3个候选基因在小麦穗发育过程中持续性表达，可能参与穗粒数的形成，可作为重要候选基因进一步研究。

4 结论

本研究创制了两对穗部性状显著差异的近等基因系（N81和N82、N86和N87）。利用660K SNP基因芯片，确定了两对近等基因系在1B、3B和5B染色体上存在的一致性物理区间，并鉴定出TraesCS1B02G443200、TraesCS3B02G042400和TraesCS5B02G366500可能是调控小麦穗粒数的重要候选基因。

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