穗颈长作为株高的重要组成部分，是构成小麦理想株型的重要因素之一，适宜的穗颈长可以增加穗部的空气流动，降低空气湿度，从而减少小麦赤霉病的发生。迄今为止，已有众多研究涉及穗颈长相关基因/位点的挖掘，但关于独立于株高存在的穗颈长位点报道极少。因此，鉴定、挖掘不受株高影响的穗颈长位点，对培育优良的小麦株型，进而提高小麦的产量具有重要意义。本研究利用'20828’×川农16 （CN16，2CN，F6） （Liu et al. 2018）和'20828’×SY96-71 （2SY，F7）（Liu et al. 2020）两个重组自交系群体，通过小麦55K SNP芯片进行全基因组扫描，结合两年六个环境的穗颈长表型，鉴定与穗颈长相关的QTL（图1）。
1. 穗颈长表型分析
在2CN群体中，20828与CN16和2SY群体中20828与SY9571的穗颈长之间存在显著性差异。CN16和SY95-71的穗颈长显著性高于20828。2CN群体的穗颈长范围为1.10 cm -27.94 cm，2SY群体的穗颈长范围为1.61 cm - 21.30 cm。2CN和2SY群体的标准差（SD）范围分别为1.59 - 3.74和2.21 - 4.21。2CN和2SY群体的遗传力分别为0.88和0.94，表明穗颈长主要受遗传因素影响（图2）。
图2 两个重组自交系群体的穗颈长表型分布直方图
2. 穗颈长与产量性状的相关性分析
在2CN（图3a）和2SY（图3b）群体中，穗颈长与株高和千粒重均呈显著性正相关性（P<0.05），穗颈长与小穗数均呈极显著性负相关性（P<0.01）。
图3 穗颈长与产量性状的相关性分析
在两个重组自交系群体中，我们总共检测到30个控制穗颈长的QTL，其中在2CN群体中检测到13个QTL，在2SY群体中检测到17个QTL。在2CN群体中检测到的13个QTL中，有两个稳定的QTL（QSEL.sicau-2CN-4D和QSEL.sicau-2CN5A）。QSEL.sicau-2CN-4D位于4D染色体短臂上，并且在4个环境和BLUP值中被检测到。它解释了5.17%到8.74%的表型变异（图4a）。QSEL.sicau-2CN-5A位于5A染色体短臂上，在四个环境以及BLUP值和SEL|PH值中被检测到，可以解释5.31% - 10.20%的表型变异（图4b）。这两个稳定QTL的加性效应均来源于CN16。其余11个QTL解释了5.61% - 9.71%的表型变异。在2SY群体中检测到的17个QTL中，也有两个稳定的QTL（QSEL.sicau-2SY-4B.2和QSEL.sicau-2SY-4D.1）。QSEL.sicau-2SY-4B.2位于4B染色体短臂上，在三个环境和BLUP值中检测到（图4c），该位点解释了11.26% - 16.92%的表型变异。QSEL.sicau-2SY4D.1位于4D染色体短臂上，在三种环境和BLUP数据集中被检测到，它可解释11.81% - 18.45%的表型变异（图4d）。这两个稳定QTL的加性效应均来源于SY95-71。其余15个QTL仅在单一环境中检测到，可以解释5.34% - 13.96%的表型变异。QTL×环境互作（QE）分析表明，2CN和2SY群体共检测到18个QTL。其中14个与在单个环境中检测到的相同。值得注意的是，QSEL.sicau-2CN-4D、QSEL.sicau-2CN-5A和QSEL.sicau-2SY-4D.1在多环境和单环境分析中都能同时被检测到，进一步表明它们是主效和稳定的QTL。
图4 2CN和2SY群体中穗颈长主效QTL的遗传图谱
4. 2CN群体中QSEL.sicau-2CN-4D和QSEL.sicau-2CN-5A对穗颈长的影响QSEL.sicau-2CN-4D和QSEL.sicau-2CN-5A的加性效应均来自CN16，因此我们进一步分析了它们对穗颈长的影响（图5a）。与不携带有任何穗颈长位点的株系相比，仅携带QSEL.sicau-2CN-4D或仅携带QSEL.sicau-2CN-5A位点的株系，可以分别极显著性增加26.69%或22.48%的穗颈长；而同时携带这两个位点的株系可以极显著性增加42.69%的穗颈长。此外，同时携带这两个位点的株系穗颈长比只携带QSEL.sicau-2CN-4D或QSEL.sicau-2CN-5A位点的株系穗颈长增加了12.63%或16.50%。5. 2SY群体中QSEL.SICAU-2SY-4B.2和QSEL.SICAU-2SY-4D.1对穗颈长的影响在2SY群体中，QSEL.sicau-2SY-4B.2和QSEL.sicau-2SY-4D.1的加性效应均来自SY95-71，我们进一步分析这两个位点对穗颈长的影响（图5b）。仅携带QSEL.sicau-2SY-4B.2位点的重组自交系植株，与不携带穗颈长位点的株系相比，穗颈长提高了22.13%，两个位点QSEL.sicau-2SY-4B.2和QSEL.sicau-2SY-4D.1同时存在时，穗颈长极显著性提高了52.55%。同时携带QSEL.sicau-2SY-4B.2和QSEL.sicau-2SY-4D.1位点株系的穗颈长分别比仅携带QSEL.sicau-2SY-4B.2或仅携带QSEL.sicau-2SY-4D.1位点株系的穗颈长提高了24.91%或50.45%。此外，仅携带QSEL.sicau-2SY-4B.2位点的重组自交系穗颈长比仅携带QSEL.sicau-2SY-4D.1位点的株系穗颈长提高了20.45%。
图5 QSEL.sau-2CN-4D和QSEL.sau-2CN-5A对2CN群体穗颈长的影响（a）以及QSEL.sau-2SY-4B.2和QSEL.sau-2SY-4D.1对2SY群体穗颈长的影响（b）
穗颈长是株高的重要组成部分。因此，穗颈长与株高密切相关。为了确定穗颈长和株高的遗传关系，我们对穗颈长和株高进行了条件QTL分析。结果表明：三个主要QTL （QSEL.sicau-2CN-4D、QSEL.sicau-2SY-4B.2和QSEL.sicau-2SY-4D.1）的LOD值在排除株高的背景下极显著降低到2.5阀域以下，表明这三个QTL与株高密切相关（图6a、c、d）。有趣的是，在条件QTL分析中，QSEL.sicau-2CN-5A在2CN群体中的LOD值没有显著性差异（图6b）。这些结果表明，QSEL.sicau-2CN-5A位点可能不受株高的影响。
图6 2CN和2SY群体中穗颈长QTL位点的条件QTL分析
7. 穗颈长QSEL.sicau-2CN-5A的验证为了验证QSEL.sicau-2CN-5A在三个不同遗传背景群体（S849-8/CN16，MTL7/CN16和MZ-5/CN16）上的效应，我们开发了一个与QSEL.sicau-2CN-5A紧密连锁的KASP-AX-110413733标记。利用KASP-AX-110413733标记检测亲本CN16与亲本S849-8、MTL7和MZ-5之间的多态性。根据基因型（不包括杂合子），将品系分为两组（图7a-c）。正如预期的那样，t检验发现他们之间存在极显著性差异（P < 0.01）(图7d-f)。在3个验证群体中，携带CN16等位基因位点株系的穗颈长极显著性高于不携带该等位基因株系的穗颈长，两组间的差异在13.04% - 36.95%之间，平均为23.43%。
图7 QSEL.sau-2CN-5A在三个不同遗传背景群体中的验证
穗颈长作为小麦株高的重要组成部分，对小麦理想型的形成起着重要作用。尽管已有大量小麦穗颈长位点的报道，但我们对不受株高影响的穗颈长位点了解还很有限。本研究以两个重组自交系群体为材料利用小麦55K SNP构建的遗传图谱，在两年六个环境中进行穗颈长QTL检测。总共检测到30个控制穗颈长的QTL，其中QSEL.sicau-2CN-4D、QSEL.sicau-2SY-4B.2、QSEL.sicau-2SY-4D.1和QSEL.sicau-2CN-5A是主效和稳定存在的。遗传分析和条件QTL分析表明，前三个QTL与株高显著性相关，QSEL.sicau-2CN-5A可能不受株高的影响。遗传图谱和物理图谱的比较表明，QSEL.sicau-2CN-5A可能是一个新的QTL。因此，我们开发了一个与该新位点紧密连锁的KASP-AX-110413733特异标记，成功地验证了其在三个不同遗传群体中的效应。此外，在QSEL.sicau-2CN-5A区间内，我们根据功能注释预测了三个主要在小麦茎中表达的候选基因，它们在水稻中都编码细胞色素P450。综上所述，本研究结果拓宽了我们对穗颈长遗传基础的理解，为基于分子标记筛选不同穗颈长的品系和精细定位不依赖株高的新QTLQSEL.sicau-2CN-5A奠定了基础。该结果于2020年9月1日发表在Theoretical and Applied Genetics杂志（A novel,validated,and plant height independent QTL for spike extension length is associated with yield-related traits in wheat)。文章链接：https://doi.org/10.1007/s00122-020-03675-0该研究得到国家自然科学基金、四川省科技厅应用基础研究项目、四川省留学生科技活动重点项目、四川农业大学双支计划的资助。
主要参考文献：
Liu J, Luo W, Qin N, Ding P, Zhang H, Yang C, Mu Y, Tang H, Liu Y, Li W, Jiang Q, Chen G, Wei Y, Zheng Y, Liu C, Lan X, Ma J (2018) A 55 K SNP array-based genetic map and its utilization in QTL mapping for productive tiller number in common wheat. Theor Appl Genet 131:2439-2450
Liu J, Tang H, Qu X, Liu H, Li C, Tu Y, Li S, Habib A, Mu Y, Dai S, Deng M, Jiang Q, Liu Y, Chen G, Wang J, Chen G, Li W, Jiang Y, Wei Y, Lan X, Zheng Y, Ma J (2020) A novel, major, and validated QTL for the effective tiller number located on chromosome arm 1BL in bread wheat. Plant Mol Biol. 104:173–185
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