小麥苗期鉀、鈉吸收相關(guān)性狀及其QTL分析

吳春紅， 梁 雪,3， 李斯深， 李絮花， 宮曉平， 孔凡美*

(1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018； 2 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東泰安 271018；3 山東省菏澤市曹縣農(nóng)業(yè)局，山東曹縣 274400)

小麥苗期鉀、鈉吸收相關(guān)性狀及其QTL分析

吳春紅1， 梁 雪1,3， 李斯深2， 李絮花1， 宮曉平1， 孔凡美1*

(1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018； 2 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東泰安 271018；3 山東省菏澤市曹縣農(nóng)業(yè)局，山東曹縣 274400)

為進(jìn)一步了解小麥苗期鉀、鈉吸收的相關(guān)性和遺傳特征，本試驗(yàn)在溫室環(huán)境下，以RIL(Recombinant Inbred Lines, RIL)群體為試驗(yàn)材料，采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)法對(duì)不同K+、Na+濃度處理?xiàng)l件下小麥苗期生長(zhǎng)及鉀、鈉的積累、分配及利用等相關(guān)的20個(gè)性狀進(jìn)行了鑒定，探討了K+和Na+的關(guān)系及其對(duì)小麥苗期生長(zhǎng)的影響；并對(duì)所有相關(guān)性狀進(jìn)行了QTL(Quantitative trait loci，QTL)分析。結(jié)果表明，缺鉀條件下，供應(yīng)鈉能夠顯著提高小麥體內(nèi)的Na/K比，但對(duì)小麥的生物量沒(méi)有顯著影響，表明鈉替代鉀的能力較差。而正常鉀條件下，供鈉可顯著促進(jìn)鉀、鈉的吸收，提高了Na/K比，但地上部的生物量反而顯著下降，表明大量的鉀和鈉的累積對(duì)小麥地上部生物量的形成不利。小麥苗期對(duì)鉀、鈉離子的吸收與累積呈顯著正相關(guān)。本試驗(yàn)在小麥全部的21條染色體上共檢測(cè)到與生物量及鉀、鈉相關(guān)性狀有關(guān)的QTLs 141個(gè)。其中的103個(gè)QTLs 組成了14個(gè)重要的QTL簇，有11個(gè)QTL簇同時(shí)定位了鉀、鈉相關(guān)性狀位點(diǎn)。另外，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了8個(gè)在多個(gè)養(yǎng)分環(huán)境條件下均可檢測(cè)到的QTL位點(diǎn)—高頻表達(dá)的QTL位點(diǎn)(RHF-QTLs)，其中4個(gè)是新發(fā)現(xiàn)的位點(diǎn)。這些重要的QTL位點(diǎn)為K+、Na+關(guān)系及其遺傳控制的深入研究提供了重要參考。

小麥； 重組自交系； 鉀； 鈉； QTL分析

K+是植物體內(nèi)一種高濃度、游離態(tài)的必需營(yíng)養(yǎng)元素。植物體內(nèi)的K+對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、氣孔運(yùn)動(dòng)、酶活性和滲透調(diào)節(jié)等至關(guān)重要[1-2]。而Na+對(duì)于絕大多數(shù)植物來(lái)說(shuō)不是必需的營(yíng)養(yǎng)元素[3]，但是低濃度Na+對(duì)絕大多數(shù)植物的生長(zhǎng)有一定的刺激作用。此外，許多研究表明，植物體內(nèi)Na+對(duì)K+有一定的替代作用[3-5]。因此，大部分的植物都會(huì)有不同程度的Na+吸收。由于鈉與鉀是同族元素，其離子狀態(tài)的水合半徑相近，化學(xué)性質(zhì)相似，所以植物對(duì)鉀、鈉離子的吸收機(jī)制間存在密切的關(guān)系?，F(xiàn)階段對(duì)Na+的吸收途徑還不是很清楚，一般認(rèn)為能夠吸收Na+的運(yùn)輸?shù)鞍子蟹沁x擇性陽(yáng)離子通道(CNGC1-20，GLR1等[6])，對(duì)Na+、K+的選擇性相當(dāng)；鉀離子通道(AKT1等[7])在高鹽環(huán)境中吸收Na+；Na+-H+反向運(yùn)輸?shù)鞍?SOS1[8]和NHX[9])或陽(yáng)離子反向運(yùn)輸?shù)鞍?CHX)等[10]也參與Na+的吸收。李青松[11]研究進(jìn)一步表明，在非鹽高鉀情況下，小麥NR9405對(duì)Na+的吸收不通過(guò)鉀吸收系統(tǒng)，而小麥RB6對(duì)Na+吸收有一部分通過(guò)鉀吸收途徑；而在低鉀條件下兩種基因型小麥均可通過(guò)鉀吸收系統(tǒng)吸收Na+。說(shuō)明冬小麥基因組中控制鉀、鈉離子吸收的基因確實(shí)存在一定的相關(guān)性。另外，李青松[11]還證實(shí)在150__250 mmol/L NaCl脅迫下，供試小麥地上部和根部K+含量均隨Na+/H+反向運(yùn)輸?shù)鞍滓种苿┌甭冗拎哼?Amiloride)處理濃度的增加呈下降趨勢(shì)。這表明Na+/H+反向運(yùn)輸?shù)鞍撞坏珔⑴c根系Na+的排泄與細(xì)胞內(nèi)區(qū)隔化，而且參與K+吸收?？梢?，鉀、鈉離子在吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)上確實(shí)存在非常密切的關(guān)系，而且會(huì)共用部分吸收/轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。

植物鉀營(yíng)養(yǎng)效率的遺傳控制較為復(fù)雜。Figdore等[12]報(bào)道番茄鉀營(yíng)養(yǎng)效率性狀是由存在著加性效應(yīng)的多基因控制的。李共福等[13]對(duì)水稻的鉀營(yíng)養(yǎng)效率遺傳分析也顯示，水稻鉀營(yíng)養(yǎng)效率同樣具有數(shù)量遺傳性狀的特征。小麥鉀、鈉養(yǎng)分吸收性狀也是典型的受多基因控制的數(shù)量性狀。深入探討小麥體內(nèi)參與鉀、鈉離子的吸收與運(yùn)輸?shù)倪z傳學(xué)機(jī)理，對(duì)于深入理解小麥對(duì)鉀、鈉離子的吸收和運(yùn)輸關(guān)系具有重要意義。自從Buschmann等[14]第一個(gè)在小麥上克隆到鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以來(lái)，小麥鉀相關(guān)的基因研究進(jìn)展較慢。QTL (Quantitative trait loci)分析可以把復(fù)雜的數(shù)量性狀分解成不同的QTL，在特定遺傳背景和環(huán)境條件下，對(duì)各QTL進(jìn)行染色體定位和遺傳效應(yīng)分析[15-16]，有助于深入理解復(fù)雜性狀的遺傳控制。作物鉀吸收利用性狀相關(guān)的QTL研究較少，Koyama等[17]在受鹽脅迫水稻的第1條染色體上檢測(cè)到控制莖葉K+濃度的QTL位點(diǎn)；Lin等[18]在水稻上也定位到控制莖葉和根系K+濃度的QTL；曹衛(wèi)東[19]運(yùn)用全營(yíng)養(yǎng)、低氮、低磷和低鉀的營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)小麥，各處理均檢測(cè)到影響地上部和根系鉀吸收量的QTL，其中低鉀脅迫時(shí)分別檢測(cè)到2個(gè)和12個(gè)影響地上部和根系吸鉀量的QTL；此外，Ying Guo等[20]通過(guò)水培試驗(yàn)也在山川群體小麥中檢測(cè)到鉀性狀相關(guān)的QTL，其中檢測(cè)到影響地上部鉀含量、根部鉀含量和鉀總量的高頻QTL各1個(gè)。與對(duì)作物氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)研究相比，人們對(duì)作物鈉營(yíng)養(yǎng)的QTL定位的研究甚少，孫勇[21]在溫室和人工氣候室條件下對(duì)水稻進(jìn)行鹽害脅迫，分別檢測(cè)到影響地上部Na+濃度的QTL 4個(gè)和1個(gè)。試驗(yàn)對(duì)小麥鉀、鈉吸收相關(guān)性狀進(jìn)行全基因組QTL掃描，能夠獲得相關(guān)QTL/基因，但目前相關(guān)研究仍鮮見報(bào)道。

本試驗(yàn)以小麥RIL群體為研究材料，在不同鉀、鈉濃度處理下對(duì)小麥苗期鉀、鈉吸收利用相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行QTL分析，以期獲得與鉀、鈉吸收利用相關(guān)的QTL/基因，為進(jìn)一步探討鉀、鈉離子在吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)上的相互關(guān)系提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

小麥RIL群體，該群體衍生自川35050/山農(nóng)483組合，包括130個(gè)系，2010年為F18代。利用該群體已構(gòu)建了較為飽和的分子標(biāo)記遺傳圖譜[22]。川35050是中國(guó)西南冬麥區(qū)的小麥品系，穗較大、強(qiáng)筋；山農(nóng)483是黃淮麥區(qū)的小麥品系，豐產(chǎn)性好，中弱筋；該品系來(lái)自著名的小麥種質(zhì)和小麥育種的骨干親本“矮孟牛”。利用該群體已經(jīng)構(gòu)建了一張包含719個(gè)分子標(biāo)記遺傳圖譜[22]，圖譜總長(zhǎng)4008.4 cm，染色體的平均長(zhǎng)度190.9 cm，兩標(biāo)記間的平均距離為7.15 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

營(yíng)養(yǎng)液試驗(yàn)采用完全試驗(yàn)方案，K+和Na+分別設(shè)2個(gè)濃度水平，K+濃度為1.7(正常鉀)和0.1 mmol/L(低鉀)，Na+濃度為0和1.5 mmol/L，共4個(gè)處理，用T1、T2、T3、T4表示，具體方案見表1，每個(gè)處理重復(fù)3次。其中鉀用KCl，鈉用NaCl，其他營(yíng)養(yǎng)元素按 Hogland 完全營(yíng)養(yǎng)液調(diào)整。

完全營(yíng)養(yǎng)液元素組成： (NH4)2SO4·H2O 1.0 mmol/L，KH2PO40.2 mmol/L，KCl 1.5 mmol/L，CaCl21.5 mmol/L，MgSO40.5 mmol/L，Ca(NO3)2·4H2O 1.0 mmol/L； (NH4)6Mo7O24·4H2O 0.1 μmol/L，H3BO31.0 μmol/L，CuSO4·5H2O 0.5 μmol/L，ZnSO4·7H2O 1.0 μmol/L，MnSO4·H2O 1.0 μmol/L，F(xiàn)eEDTA 100 μmol/L；Na處理用NaCl溶液，濃度為1.5 mmol/L。調(diào)節(jié)并維持培養(yǎng)液pH值為6.1。

表1 RIL群體小麥苗期試驗(yàn)處理Table 1 The treatments of the nutrient solution culture at wheat seedling stage

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 K+、Na+濃度的測(cè)定 將烘干的小麥幼苗用研缽磨碎，用1/10000天平稱取地上部約0.0500 g、根系約0.0200 g于消煮管中，加入5 mL HNO3，180℃消煮爐上恒溫消解60 min，此時(shí)消煮管中顏色變?yōu)闊o(wú)色，待冷卻后完全轉(zhuǎn)移并定容到25 mL容量瓶中，搖勻，冷卻，過(guò)濾后用火焰光度計(jì)測(cè)定。

1.3.2 QTL定位分析 采用Windows QTL Cartographer 2.5軟件進(jìn)行QTL復(fù)合區(qū)間作圖(Composite interval mapping)法分析，以1 cm為步距區(qū)間，QTL入選臨界值為L(zhǎng)OD≧2.5，但是當(dāng)峰值≧3.0時(shí)才認(rèn)定為一個(gè)QTL，通過(guò)該軟件進(jìn)行1000次置換檢測(cè)(Permu 2tation test)，確定QTL的真實(shí)性。檢測(cè)到的QTLs采用PhotoImpact10軟件在小麥飽和圖譜上標(biāo)記檢測(cè)到的QTL及QTL簇的位置。

試驗(yàn)對(duì)20個(gè)相關(guān)性狀進(jìn)行QTL定位分析，性狀名稱及其縮寫、測(cè)定或計(jì)算方法如表2。

2 結(jié)果與分析

2.1不同鉀、鈉處理對(duì)RIL群體小麥苗期生長(zhǎng)的影響

從衍生自川35050/山農(nóng)483組合的RIL群體第F18代小麥的苗期試驗(yàn)結(jié)果(表3)可知，小麥地上部生長(zhǎng)受K+影響較大，低K處理(T3，T4)地上部生物量顯著低于正常K處理(T1，T2)，但其根冠比顯著增加。在正常K處理?xiàng)l件下，加Na+的處理(T2)顯著抑制了小麥地上部的生長(zhǎng)，并顯著增加了其根冠比；但在低K條件下，Na+處理(T4)對(duì)小麥的生物量沒(méi)有顯著影響。

2.2不同處理對(duì)苗期小麥體內(nèi)K+和Na+濃度的影響

鉀、鈉各處理下，小麥地上部和根系的K+和Na+濃度及Na+/K+濃度比表4可知，與T1處理相比，T2能顯著促進(jìn)小麥對(duì)K+和Na+的吸收，地上部及根系的K+濃度顯著提高， Na+/K+比值也顯著提高；與T3處理相比，T4處理的小麥地上部和根系K+的濃度顯著降低，但Na+/K+比值顯著增大。

表2 供試性狀的名稱和縮寫以及對(duì)應(yīng)的測(cè)定或計(jì)算方法Table 2 Methods of determining or calculating along with the names and abbreviations of tested traits

注(Note): Sdw—Shoot dry weight; Rdw—Root dry weight; Br/s—Root-shoot ratio of biomass; Skce—Potassium concentration of shoot; Rkce—Potassium concentration of root; Skc—Potassium content of shoot; Rkc—Potassium content of root; Tkc—Potassium total content; Rskc—Root-shoot ratio of potassium content; Rskce—Root-shoot ratio of potassium concentration; Tna/k—Ratio of potassium and sodium content; Snace—Sodium concentration of shoot; Rnace—Sodium concentration of root; Snac—Sodium content of shoot; Rnac—Sodium content of root; Tnac—Sodium total content;Rsnac—Root-shoot ratio of sodium content; Rsnace—Root-shoot ratio of sodium concentration; Sna/k—Potassium-sodium content ratio of shoot; Rna/k—Potassium-sodium content ratio of root.

表3 鉀、鈉處理對(duì)RIL群體小麥苗期生長(zhǎng)的影響Table 3 Effects of K and Na treatments on RIL wheat seedling growth

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatment at the 5% level.

與T1處理相比，T3能夠顯著增加根系Na+的濃度，提高根系的Na+/K+比；T4處理的地上部及根系的Na+/K+比值均顯著高于T2。表明同一Na水平下，缺鉀會(huì)顯著增加小麥對(duì)Na+的吸收，而提高Na+/K+濃度比值。

2.3不同處理下小麥苗期部分性狀間的相關(guān)性分析

不同處理下小麥生物量的形成與鉀、鈉元素的積累均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，但鈉與生物量的相關(guān)系數(shù)均小于鉀與生物量的相關(guān)系數(shù)(表5)。與T3處理相比，T4處理的生物量與鈉的累積量的相關(guān)系數(shù)增加而與鉀的相關(guān)系數(shù)略有下降。鉀、鈉的吸收量間也存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，且兩者間的相關(guān)程度受外界Na+供應(yīng)濃度的影響較大。加鈉(T2、T4)的處理中，鉀與鈉的相關(guān)系數(shù)均高于相應(yīng)的無(wú)鈉處理。

表4 不同鉀、鈉處理下苗期小麥體內(nèi)K+和Na+的濃度Table 4 Concentrations of K +and Na+ in wheat seedings under different K and Na treatments

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

表5 小麥苗期生物量、鉀、鈉累積總量之間的相關(guān)性Table 5 Correlations between biomass and K and Na accumulations of wheat seedlings

注(Note): ** —P<0.01.

2.4苗期小麥生物量及鉀、鈉相關(guān)性狀的QTL分析

表6 小麥苗期生物量及鉀、鈉吸收/利用相關(guān)性狀的QTLs匯總Table 6 QTLs summary of wheat biomass and absorptions or utilizations of K and Na at the seedling stage

注(Note): a—QTLs名稱 Names of QTLs； b—QTLs數(shù)量 No. of QTLs； c—檢測(cè)到的QTL在染色體上的分布 Distribution of QTLs on chromosome ； d—各QTL平均解釋度 Average resolution of QTLs；e—+、 -分別表示加性效應(yīng)來(lái)自親本川35050、親本山農(nóng)483 Additive effect from chuan35050 parents and shannong 483 respectively.

2.4.2 高頻表達(dá)QTL位點(diǎn) 本試驗(yàn)共檢測(cè)到8個(gè)出現(xiàn)頻率相對(duì)較高的位點(diǎn)，這些位點(diǎn)受試驗(yàn)處理的影響相對(duì)較小，在2個(gè)及2個(gè)以上處理(50%以上處理)中均可檢測(cè)到，即RHF-QTLs位點(diǎn)(relative high frequency QTLs，RHF-QTLs)[18](表7)。其中，6個(gè)RHF-QTLs的平均貢獻(xiàn)率都達(dá)到10%以上，包括QSdw-4B，QSkc-4B，QRkc-4B，QTkc-4B，QRnace-3A和QRsnac-3A。由表8可得出，8個(gè)RHF-QTLs位點(diǎn)中絕大部分的加性效應(yīng)來(lái)自親本山農(nóng)483。位于4B染色體上的一個(gè)重要的QTL位點(diǎn)(表7，C8)同時(shí)定位了4個(gè)RHF-QTLs，包括QSdw-T1.T2.T3.T4，QSkc-T1.T2.T4，QRkc-T1.T2和QTkc-T1.T2.T4。

表7 小麥苗期檢測(cè)到的重要QTL簇匯總Table 7 The important QTL clusters detected for wheat seedlings

注(Note): a—+、 -分別表示加性效應(yīng)來(lái)自親本川35050、親本山農(nóng)483 Additive effect from chuan35050 parents and shannong 483 respectively.

3 討論

3.1 鈉對(duì)小麥苗期生長(zhǎng)及鉀吸收的影響

大量試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)作物體內(nèi)Na+對(duì)K+有部分的替代作用[5,23-24]，并且依據(jù)其替代程度可將作物分為四類，與小麥同科作物大麥、燕麥等屬于低鉀時(shí)加入鈉增加產(chǎn)量的一類[4,25]。許多研究表明，低鉀條件下適當(dāng)供應(yīng)鈉有助于許多植物如番茄[5]，棉花[23]、水稻[26]等的生長(zhǎng)或鉀的吸收。但本試驗(yàn)結(jié)果表明，正常鉀條件下，供應(yīng)鈉(T2)能夠顯著促進(jìn)小麥對(duì)K+的吸收(表4)，但會(huì)抑制地上部生長(zhǎng)，增加根冠比(表3)，這表明，大量K+、Na+的吸收對(duì)小麥苗期地上部生物量的形成不利。與T3處理相比，T4顯著抑制K+的吸收、增加Na+的積累及提高了Na+/K+濃度比值(表4)，但對(duì)苗期生物量的影響不顯著(表3)，表明低鉀處理下鈉對(duì)鉀的替代作用較弱，幼苗無(wú)法通過(guò)增加鈉的吸收保證自身正常生長(zhǎng)。盡管小麥生物量與鈉累積量極顯著相關(guān)，但其相關(guān)系數(shù)均明顯小于生物量與鉀吸收量的相關(guān)系數(shù)，表明鉀仍是決定苗期小麥生長(zhǎng)的主要因素。此外，植株體內(nèi)K+與Na+的累積量極顯著正相關(guān)，而且該相關(guān)系數(shù)會(huì)隨Na+濃度的增加而增加(表4)，表明兩元素在吸收及累積上具有顯著的協(xié)同效果，低濃度Na+的吸收會(huì)顯著影響K+的吸收。由此也可以推測(cè)，高鉀條件下，供應(yīng)鈉可能是通過(guò)促進(jìn)了鉀的吸收而促進(jìn)了小麥幼苗的生長(zhǎng)。

圖1 小麥苗期性狀QTL位點(diǎn)在遺傳圖譜上的位置Fig.1 Locations of QTLs for wheat seedling traits under different K and Na treatments

性狀TraitQTLs名稱NameofQTLs處理TreatmentLODs值ValueofQTLs加性效應(yīng)Additiveeffect貢獻(xiàn)率(%)ContributionSdw(g)QSdw＿4BT1，T2，T3，T4302606-0030-007359178Skc(mg)QSkc＿4BT1，T2，T4350555-0688-373680146Rkc(mg)QRkc＿4BT1，T2352587-0348-048387153Tkc(mg)QTkc＿4BT1，T2，T4369672-0758-469778185Rnac(mg)QRnac＿1BT1，T2339370 0065010876119Rnace(mg/g)QRnace＿2DT1，T2329352-0297-066862119Rnace(mg/g)QRnace＿3AT2，T4314525-0803212691219RsnacQRsnac＿3AT2，T3527683 01914914113327

3.2 小麥苗期生物量及與鉀、鈉相關(guān)的重要QTL

隨著分子數(shù)量遺傳學(xué)的迅速發(fā)展，人們對(duì)植物礦質(zhì)養(yǎng)分吸收和利用的遺傳基礎(chǔ)也進(jìn)行了許多的研究(Rengel等[27]；Ozturk等[28]；Tesfaye等[29]；Rengel等[30]；White等[31]；Quraishi等[32])。近幾年來(lái)，隨著新的分子標(biāo)記的開發(fā)以及分子遺傳圖譜的構(gòu)建，關(guān)于小麥營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用相關(guān)性狀QTL研究結(jié)果也有一些報(bào)道。大多數(shù)的QTL檢測(cè)環(huán)境涉及到單一的氮、磷、鉀元素的不同濃度水平、不同的生長(zhǎng)環(huán)境等，曹衛(wèi)東[19]利用小麥RIL群體F7代通過(guò)水培試驗(yàn)設(shè)計(jì)了正常營(yíng)養(yǎng)液、低氮、低磷及低鉀處理試驗(yàn)，檢測(cè)到與多個(gè)與礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)性狀相關(guān)的QTL位點(diǎn)；An等[33]通過(guò)田間試驗(yàn)研究了小麥DH群體在高氮和低氮處理下與氮吸收利用相關(guān)性狀的QTL位點(diǎn)；Su等在2006年[34]和2009[35]均利用小麥DH群體在低磷和高磷處理下檢測(cè)到了磷素營(yíng)養(yǎng)的QTLs；Li等[36]研究了小麥苗期低磷脅迫時(shí)相關(guān)的磷營(yíng)養(yǎng)QTL位點(diǎn)。雖然前人試驗(yàn)中檢測(cè)到許多與礦質(zhì)養(yǎng)分吸收及利用相關(guān)的QTLs，但由于采用的親本以及鑒定的環(huán)境不同，各性狀的位點(diǎn)數(shù)目、染色體位置和效應(yīng)在不同的研究中各不相同。

QTL研究中，多個(gè)性狀位點(diǎn)形成QTL簇是一個(gè)普遍現(xiàn)象，QTL簇反映了眾多性狀同時(shí)受同一個(gè)QTL/基因控制的現(xiàn)象，表明了這些QTL簇的重要作用及其重要的研究?jī)r(jià)值。許多QTL研究者均發(fā)現(xiàn)了數(shù)量不等的QTL簇。例如，Guo等[20]也采用川35050/山農(nóng)483小麥RIL群體為試驗(yàn)材料在水培條件下進(jìn)行氮、磷和鉀單一元素、兩元素及三元素試驗(yàn)，試驗(yàn)在13條染色體上共檢測(cè)到26個(gè)重要的QTL簇。本試驗(yàn)共檢測(cè)到141個(gè)QTL，其中的103個(gè)QTL組成了14個(gè)重要的QTL簇。其中有4個(gè)QTL簇與Guo等[20]檢測(cè)到的簇完全重合或有疊加區(qū)域，C5與Guo定位到的C11完全重合，且均定位到鉀吸收量性狀QTL；C14和Guo定位到的C25區(qū)間完全吻合，且在此位置都檢測(cè)到了小麥地上部生物量、鉀吸收量和鉀利用效率等性狀QTL；而C8和C13的定位區(qū)間分別與Guo定位的C15、C16和C21區(qū)間有重疊，定位到的性狀均與生物量及鉀累積量有關(guān)，這些位點(diǎn)在不同時(shí)期不同處理?xiàng)l件中均被檢測(cè)到，表明這些QTL位點(diǎn)受環(huán)境影響小、穩(wěn)定性相對(duì)較強(qiáng)，可以作為小麥礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)進(jìn)一步研究的重點(diǎn)選擇對(duì)象。此外，本試驗(yàn)中檢測(cè)到的C3同時(shí)定位了與鈉濃度及累積量相關(guān)的QTL，Guo 在此位置定位到鉀濃度及利用效率的位點(diǎn)，表明鉀鈉間存在一定的關(guān)系；在本試驗(yàn)C6簇位置定位到地上部、根系及整株苗鉀的積累量位點(diǎn)，同時(shí)Guo在此位點(diǎn)也檢測(cè)到鉀吸收總量及地上部磷吸收量位點(diǎn)，此位點(diǎn)穩(wěn)定性相對(duì)較強(qiáng)。除此之外，C1、C2、C7、C9、C10、C11和C12是本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的新位點(diǎn)，這幾個(gè)QTL簇均同時(shí)涉及鉀、鈉性狀位點(diǎn)。在4B染色體上檢測(cè)到一個(gè)重要的QTL簇C8，該QTL簇同時(shí)定位了與地上部干重(Sdw)、地下部干重(Rdw)、地上部全鉀(Skc)、地下部全鉀(Rkc)、植株全鈉(Tnac)、地下部全鈉(Rnac)7個(gè)性狀相關(guān)的QTLs，可能是一因多效或緊密連鎖的穩(wěn)定性QTL位點(diǎn)。本試驗(yàn)檢測(cè)到的14個(gè)QTL簇中有11個(gè)同時(shí)定位了鉀、鈉相關(guān)性狀，表明控制鉀、鈉吸收的QTL/基因間關(guān)系緊密，目前關(guān)于鉀、鈉相關(guān)的離子通道及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的報(bào)道也證明了兩者之間的密切關(guān)系[6-10]。

此外，本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了8個(gè)高頻表達(dá)QTL位點(diǎn)(RHF-QTLs)。其中有7個(gè)RHF-QTLs與鉀、鈉的累積量或濃度有關(guān)。這些位點(diǎn)在超過(guò)50%的試驗(yàn)處理中均檢測(cè)到與同一性狀有關(guān)，表明其在不同試驗(yàn)處理中均能夠在一定程度上控制該性狀的表型表達(dá)。這些RHF-QTLs對(duì)于該性狀的表現(xiàn)具有重要意義。針對(duì)本試驗(yàn)材料及其分子標(biāo)記圖譜，這些RHF-QTLs中有4個(gè)是新發(fā)現(xiàn)位點(diǎn)，分別為QRnac_1B(T1，T2)、QRnace_2D(T1，T2)、QRnace_3A(T2，T4)、QRsnac_3A(T2，T3)。其他4個(gè)高頻表達(dá)的QTLs均位于4B染色體上，且這4個(gè)RHF-QTLs是QTL簇C8(wPt-7569--swes30)的成員，同時(shí)涉及地上部生物量和鉀累積量性狀，平均貢獻(xiàn)率為11.5%，Guo[20]在4B染色體上swes24c-wPt-3991、swes1117-barc1096區(qū)間定位到涉及地上部和根部生物量、鉀累積量及鉀利用效率等性狀位點(diǎn)，與本試驗(yàn)C8簇有重疊區(qū)間。這些重要的QTL位點(diǎn)對(duì)今后進(jìn)一步研究小麥鉀營(yíng)養(yǎng)及鈉、鉀替代問(wèn)題，探索新的K+/Na+離子通道及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

低鉀處理會(huì)顯著抑制小麥幼苗的生長(zhǎng)。低鉀條件下，供應(yīng)鈉能夠抑制小麥幼苗對(duì)K+的吸收，提高Na+/K+濃度比值，但鈉替代鉀的能力較弱，無(wú)法通過(guò)鈉吸收的增加使其生物量達(dá)到正常水平。正常鉀條件下，低濃度鈉能夠促進(jìn)小麥幼苗的生長(zhǎng)并顯著促進(jìn)鉀的吸收，但對(duì)地上部生物量的影響不顯著。鉀、鈉在吸收/積累上存在密切關(guān)系，小麥苗期存在同時(shí)與鉀、鈉吸收相關(guān)的相對(duì)穩(wěn)定高頻表達(dá)的QTL位點(diǎn)(RHF-QTLs，7個(gè))以及重要QTL簇(11個(gè))，這些QTL位點(diǎn)可作為深入研究鉀、鈉關(guān)系及其遺傳控制的重點(diǎn)目標(biāo)。

[1] Epstein E. Mineral nutrition of plants:principles and perspectives[M]. New York: Wiley. 1972.

[2] Kochian L V, Lucas W J. Potassium transport in roots[M]. United States: Elsevier, 1989. 15: 93-178.

[3] Marschner H. Mineral nutrition of higher plants[M]. San Diego: Academic Press, 1995.

[4] 姜理英, 億肖娥, 石偉勇. 鈉鉀替代作用及對(duì)作物的生理效應(yīng)[J]. 土壤通報(bào), 2001, 32(1): 28-31. Jiang L Y, Yi X E, Shi W Y. The sodium potassium substitution and the corresponding physiological effects on crop[J]. Chin. J. Soil Sci. 2001, 32(1): 28-31.

[5] Scotts F, Gerloff Gc, Gabelman W H. The effect of increasing sodium chloride levels on potassium utilization efficiency of tomato grown under low-potassium stress[J]. Plant Soil, 1989, 119(2): 295-304.

[6] Demidchik V, Maathuis F J M. Physiological roles of nonselective cation channels in plants: from salt stress to signalling and development[J]. New Phytol., 2007, 175(3): 387-404.

[7] Hirsch R E, Lewis B D, Spalding E Petal. A role for the AKT1 potassium channel in plant nutrition[J]. Science, 1998, 280(5365): 918-921.

[8] Wu S J, Ding L, Zhu J K. SOS1 a genetic locus essential for salt tolerance and potassium acquisition[J]. Plant Cell Environ., 1996, 8(4): 617-627.

[9] Apse M P, Aharon G S, Snedden W Aetal. Salt tolerance conferred by overexpression of a vacuolar Na+/H+antiport in Arabidopsis[J]. Science, 1999, 285(5431): 1256-1258.

[10] Blumwald E. Sodium transport and salt tolerance in plants[M]. Curr. Opin. Cell Biol., 2000, 12: 431-434.

[11] 李青松. 不同基因型冬小麥對(duì)鈉、鉀離子吸收及耐鹽機(jī)制研究[D]. 陜西: 西北農(nóng)林科技大學(xué)博士學(xué)位論文, 2009. Li Q S. Study on sodium and potassium uptake of winter wheat in different genotypes and salt tolerance mechanisms[D]. Shaanxi: PhD dissertation of Northwest A&F University, 2009.

[12] Figdore S, Gerloff C, Gabelman W H. The effect of increasing sodium chloride levels on potassium utilization efficiency of tomato grown under low-potassium stress[J]. Plant Soil, 1989, 119: 295-304.

[13] 李共福. 耐低鉀水稻品種篩選利用的研究: 水稻不同品種在低鉀條件下的產(chǎn)量差異及耐低鉀品種對(duì)鉀的吸收利用特點(diǎn)[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué), 1985, (3): 15-17. Li G F. The screening and using of low potassium tolerant rice varieties : yield differences among rice varieties under the condition of low potassium and absorption and utilization characteristics of the tolerant varieties to low potassium[J]. Hunan Agric. Sci., 1985, (3): 15-17.

[14] Buschmann P H, Vaidyanathan R, Gassmann W. Enhancement of Na+uptake currents, time dependent inward-rectifying K+channel currents, and K+channel transcripts by K+starvation in wheat root cells[J]. Plant Physiol., 2000, 122: 1387-1397.

[15] Doerge R W. Mapping and analysis of quantitative trait loci in experimental populations[J]. Nat. Rev. Genet. 2002, 3: 43-52.

[16] Quarrie S A, Steed A, Calestani C. A high-density genetic map of hexaploid wheat (TriticumaestivumL.) from the cross Chinese Spring ×SQ1 and its use to compare QTLs for grain yield across a range of environments[J]. Theor. Appl. Genet., 2005, 110: 865-880.

[17] Koyama M L, Levesley A, Robert M Detal. Quantitative trait loci for component physiological traits determining salt tolerance in rice[J]. Plant Physiol., 2001, 125: 406- 422.

[18] Lin H X, Zhu M Z, Yano Metal. QTLs for Na+and K+uptake of the shoots and roots controlling rice salt tolerance[J]. Theor. Appl. Genet., 2004, 108: 253- 260

[19] 曹衛(wèi)東. 小麥 (TriticunasetivumL.) 苗期氮、磷、鉀吸收和利用的數(shù)量性狀位點(diǎn)研究[D]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士學(xué)位論文, 2000. Cao W D. Study on QTL for absorption and utilization of nitrogen,phosphorus and potassium in wheat (TriticunasetivumL.) seedlings[D]. Beijing: PhD dissertation of Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2000.

[20] Guo Y, Kong F M, Li S Setal. QTL mapping for seedling traits in wheat grown under varying concentrations of N, P and K nutrients[J]. Theor. Appl. Genet., 2012, 124: 851-865.

[21] 孫勇. 水稻耐鹽QTL表達(dá)的遺傳背景與環(huán)境效應(yīng)研究[D]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士學(xué)位論文, 2007. Sun Y. Study on effects of genetic background and environment on expression of salt tolerant QTL in rice[D]. Beijing: PhD dissertation of Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2007.

[22] Li S S, Jia J Z, Wei X Yetal. A intervarietal genetic map and QTL analysis for yield traits in wheat[J]. Mol. Breed., 2007, 20: 167-178.

[23] 陳國(guó)安. 鈉對(duì)棉花生長(zhǎng)及鉀鈉吸收的影響[J]. 土壤, 1992, 24(2): 201-204. Chen G A. The effects of sodium on cotton growth and potassium and sodium absorption[J]. Soils, 1992, 24(2): 201-204.

[24] 劉國(guó)棟, 劉更另. 水稻基因型與鉀營(yíng)養(yǎng)關(guān)系的研究[A]. 中國(guó)土壤學(xué)會(huì)第五屆青年土壤科學(xué)工作者學(xué)術(shù)討論論文集[C]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 1994. 535-538. Liu G D, Liu G L. Study on the relationship between genotypes and potassium nutrition of rice [A]. The Proceedings of the Soil Science Society of China for the Fifth Youth Soil Scientists Academic Discussion. The modern study on soil science[C]. Beijing: Press of Chinese Agricultural Science and Technology, 1994.535-538.

[25] Cram W J. Negative feedback regulation of transport in cells[A]. Luttge L, Pitman M G. The maintenance of turger, volume and nutrient supply. TransportⅡ. Encycolpedia of plant physiology new ser.[M]. New York : Springer, 1976. Ⅱ(A): 284-346.

[26] 劉國(guó)棟, 劉更另. 論緩解我國(guó)鉀源短缺的新對(duì)策[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 1995, 28(1): 5-32. Liu G D, Liu G L. A new strategy alleviating shortage of potassium resource in China[J]. Sci. Agric. Sin., 1995, 28(1): 5-32.

[27] Rengel Z, Marschner P. Nutrient availability and managem genotypic differences[J]. New Phytol., 2005, 168: 305-312.

[28] Ozturk L, Eker S, Torun B, Cakmak I. Variation in phosphorus efficiency among 73 bread and durum wheat genotypes grown in a phosphorus-deficient calcareous soil[J]. Plant Soil, 2005, 269: 69-80.

[29] Tesfaye M, Liu J, Allan D L, Vance C P. Genomic and genetic control of phosphate stress in legumes[J]. Plant Physiol., 2007, 144: 594-603.

[30] Rengel Z, Damon P M. Crops and genotypes differ in efficiency of potassium uptake and use[J]. Physiol. Plant., 2008, 133: 624-636.

[31] White P J, Hammond J P, King G J. Genetic analysis of potassium use efficiency inBrassicaoleracea[J]. Ann. Bot., 2010, 105: 1199-1210.

[32] Quraishi U M, Abrouk M, Murat F. Cross-genomemap based dissection of a nitrogen use efficiency ortho-meta QTL in bread wheat unravels concerted cereal genome evolution[J]. Plant J., 2011, 65: 745-756.

[33] An D G, Su J Y, Liu Q Y, Zhu Y G. Mapping QTLs for nitrogen uptake in relation to the early growth of wheat (TriticumaestivumL)[J]. Plant Soil, 2006, 284: 73-84.

[34] Su J Y, Xiao Y M, Li M, Liu Q Y. Mapping QTLs for phosphorus-deficiency tolerance at wheat seedling stage[J]. Plant Soil, 2006, 281: 25-36.

[35] Su J Y, Zheng Q, Li H W, Li B. Detection of QTLs for phosphorus use efficiency in relation to agronomic performance of wheat grown under phosphorus sufficient and limited conditions[J]. Plant Sci., 2009, 176: 824-836.

[36] Li Z X, Ni Z F, Peng H R, Liu Z Y. Molecular mapping of QTLs for root response to phosphorus deficiency at seedling stage in wheat (TriticumaestivumL)[J]. Prog. Nat. Sci., 2007, 17: 1177-1184.

PotassiumandsodiumabsorptionrelatedtraitsandQTLmappingattheseedlingstageofwheat

WU Chun-hong1, LIANG Xue1, 3, LI Si-shen2, LI Xu-hua1, GONG Xiao-ping1, KONG Fan-mei1*

(1ResourcesandEnvironmentCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018,China;2CollegeofAgronomyofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018,China;3CaoxianBureauofAgriculture,Caoxian,Shandong274400,China)

Accumulation of K in vacuoles creates necessary osmotic potential for cell extension. Rapid cell extension requires high mobility of osmotic pressure. Na is one of the few other ions which can replace K in this role. To further understand correlation and genetic characteristics of potassium (K) and sodium (Na) absorption and utilization at wheat seedling stage, a hydroponics experiment was conducted with different K and Na treatments in greenhouse using a recombinant inbred lines (RILs). Variance and correlation analysis were conducted for shoot and root biomass, K and Na accumulation respectively. QTL mapping for twenty related traits including the biomass and K/Na related traits was also conducted. The results show that the accumulations of K and Na in wheat seedlings are closely related to each other. Compared with the K deficiency treatment, the Na/K ratio is significantly increased when supplied with Na, but the biomass of wheat seedlings is not increased, so Na has poor ability to replace K when K is deficient. On the other hand, when K is efficient, the Na+treatments can significantly promote K+accumulation, but decrease shoot biomass. Therefore, excess amounts of K, Na accumulation are not conducive to the formation of the biomass at the seeding stage of wheat. Total 141 QTLs distributed on all the 21 chromosomes are detected for the tested 20 traits. Fourteen important QTL clusters which including 104 QTLs are identified, and in which, 11 QTL clusters are co-located with K and Na related traits. Eight high frequency QTLs (RHF-QTLs) which could be detected simultaneously in different treatments are also identified in this experiment. These important QTL sites provide important references for further investigation of K and Na relations in plant nutrition and their genetic control.

wheat; recombinant inbred lines (RILs); Na; K; QTL

2013-01-03接受日期2013-05-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(31201671)；山東省自然科學(xué)基金(ZR2011CQ033)項(xiàng)目資助。

吳春紅(1986—)，女，山東德州人，博士，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)遺傳研究。E-mail: wuchunhong.123@163.com * 通信作者 E-mail: fmkong@sdau.edu.cn

S512.1.01

A

1008-505X(2013)05-1025-12