小麦最长根长主效QTL—QMrl-7B的精细定位及其遗传效应分析

Roots play vital roles in efficient exploring soil resources and achieving high yield potential in wheat (Triticum aestivum L.). Identification of the novel genes or loci controlling root morphological traits is important for the genetic improvement of wheat root system architecture. QMrl-7B, a major stable QTL for maximum root length on chromosome 7B, could be reproductively detected under both low-nitrogen and high-nitrogen conditions at seedling stage using a recombinant inbred line population derived from the cross between Kenong9204 and Jing411 (KJ-RILs). In this project, fine mapping of QMrl-7B will be conducted based on the saturated genetic linkage map of the target segment developed via Affymetrix wheat 660K SNP array as well as the bioinformatics and comparative genomics approaches and the secondary mapping population derived from the residual heterozygous lines of QMrl-7B in KJ-RILs. Additionally, the effect of QMrl-7B on root features, grain yield and nitrogen use efficiency will also be characterized by phenotyping the NILs at different stages in both hydroponic experiments and multi-environment field trials under different nitrogen treatments.

根系形态是影响小麦产量潜力和养分吸收利用效率的重要因素，鉴定控制根系形态性状的新基因对小麦根系遗传改良具有重要意义。我们利用科农9204×京411重组自交系群体（KJ-RILs）检测到一个稳定表达的控制最长根长的主效QTL—QMrl-7B，本项目拟通过KJ-RILs剩余杂合体自交分离获得QMrl-7B次级作图群体，结合Affymetrix wheat 660K SNP芯片技术、生物信息学和比较基因组学分析方法，开发分子标记，构建靶区间饱和遗传连锁图谱，实现QMrl-7B的精细定位；通过分子标记辅助选择，由次级作图群体筛选靶区间纯合重组体，构建遗传背景高度一致的近等基因系（NILs），结合水培实验和田间试验，比较NILs在高、低氮处理条件下的根系形态、农艺性状和氮素吸收利用差异，解析QMrl-7B对根系、产量和氮效率相关性状的影响。

根系是小麦吸收养分的主要器官，不同遗传背景下的根系形态对养分供应的响应水平具明显差异，是制约小麦实现资源高效利用、发挥产量潜力的关键因素。然而，育种过程中直接观测地下根系难度较大，育种家往往是在调查地上部性状时对根系进行间接选择，制约了根系改良效率的提高。因此，开展小麦根系形态性状的遗传改良是实现资源高效利用、增加产量的重要手段。而研究控制小麦根系形态性状的遗传基础，探析其与产量和氮素吸收利用效率的关系，对小麦根系遗传改良及高产高效型品种选育具有重要意义。本研究利用Meta-QTL、BSR-seq及生物信息学和比较基因组学等分析方法，对控制苗期最大根长的主效稳定QTL—QMrl-7B进行了精细定位：研究结果将初定位区间分为2个靶区间，分别对应中国春参考基因组2.45Mb和0.2Mb，分别含10个和3个候选基因，并筛选与它们紧密连锁的分子标记4个。同时，通过不同氮肥处理条件下的转录组测序分析，筛选到17个可能与QMrl-7B调控根系伸长相关的关键基因。另外，本研究还对QMrl-7B进行了遗传效应分析：利用次级作图群体，结合水培试验和多年田间试验，在3种氮肥水平条件下，在苗期、拔节期、花后10天及成熟期等不同生长时期，0-60cm土层范围内，研究了QMrl-7B对小麦根系生长的调控情况以及对不同供氮水平的响应差异，解析了它对氮效率、最终产量等相关性状的影响，发现QMrl-7B的优势等位基因可增加小麦不同生长时期的生物量、氮代谢效率、产量与收获指数，并且在低氮环境下的调控作用更明显。同时在科农9204的衍生家系中预估了QMrl-7B的育种应用潜力。以上研究为克隆该基因，探析其控制根系形态性状的分子调控网络，以及大根系、高效、高产品种的选育提供了支撑。