小麦面粉色泽(白度)与DArT标记的关联分析
于海霞1, 肖静2, 田纪春1,*
1山东农业大学 / 作物生物学国家重点实验室 / 山东省作物生物学重点实验室, 山东泰安 271018
2山东省泰安市岱岳区农业局, 山东泰安 271018
* 通讯作者(Corresponding author): 田纪春, E-mail:jctian@sdau.edu.cn
摘要

面粉色泽(白度)是评价小麦加工品质的重要指标之一。在4个环境中检测了109份矮孟牛姊妹系及其衍生系的面粉色泽(白度)参数, 并利用混合线性模型分析其与覆盖小麦基因组的971个DArT (Diversity Array Technology)标记的关联性。结果显示, 17个DArT标记与面粉色泽显著关联, 4个标记与白度显著关联(P≤0.001)。标记wPt-1196和wPt-669693在多个环境中与色泽a*和b*关联, 且效应值较大。该研究结果为小麦面粉色泽的分子标记辅助选择育种提供了参考信息。

关键词: 小麦; 面粉色泽(白度); 矮孟牛; 关联分析; DArT标记
Genome-wide Association Analysis of Flour Color (Whiteness) Using DArT Markers in Common Wheat
YU Hai-Xia1, XIAO Jing2, TIAN Ji-Chun1,*
1Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology / Shandong Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, China
2Daiyue District Agriculture Bureau of Tai#cod#x02019;an City, Shandong Province, Tai’an 271018, China
Abstract

Flour color (whiteness) is an important index to evaluate wheat quality. Parameters for flour color (L*, a*, and b*) and whiteness of 109 lines derived from wheat variety Aimengniu were evaluated in four environments, and association analysis was carried out using 971 DArT (Diversity Array Technology) markers under the mixed linear model. Twenty-seven DArT markers were found to be associated with flour color (P ≤ 0.001), while seven markers with whiteness. Markers wPt-1196 and wPt-669693 were associated with color a* and b* in multi-environments, and the percentages of phenotypic variation explained were high. These results provide important information for marker-assisted selection of wheat flour color (whiteness).

Keyword: Wheat; Flour color (whiteness); Aimengniu; Association analysis; DArT markers

面粉色泽(白度)是小麦面粉品质的重要指标之一, 在很大程度上反映面粉的质量和制粉精度, 也是面粉分级的重要指标。在我国, 面粉等级标准对色泽(R457白度)的要求是一级大于76, 二级大于75, 三级大于72[ 1]。馒头、面条等中国传统食品大多都需要较高的白度。

面粉色泽主要受遗传因素影响。Parker等[ 2]用重组自交系, 将控制面粉黄色度(flour b*)基因位点定位在3A和7A, 分别解释13%和60%的表型变异, 确定遗传力为0.68, 表明面粉色泽的表达主要受遗传控制。Ma等[ 3]在第1同源群和7B染色体上检测到亮度和黄色度(L*和b*)的QTL。Kuchel等[ 4]在7B染色体上检测到一个主效QTL, 解释48%~60%的表型变异。Zhang等[ 5]将控制黄色度b*的8个QTL定位于1DS、2DL、3A、4D、5D、6AL、6D和7AL。McCartney等[ 6]将控制黄碱面条亮度(noodle L*)和黄色度(noodle b*)基因分别定位在5B、5D和7AL上。张晓和田纪春[ 7]检测到控制面粉色泽的18个加性位点, 分布在19条染色体上, 其中一个主效QTL与位点Xbarc 372 (0.1 cM)邻近, 对红色度a*的贡献率高达25.64%。Zhang等[ 8]在1A染色体上检测到关于色泽的QTL, 解释1.5%~4.1%的变异。大多数研究集中于色泽L*和b*, 而对同样重要的a*则研究较少。

基于连锁不平衡(linkage disequilibrium, LD)的关联分析通过检测标记-性状关联已成为QTL分析的一个重要手段。近年来, 该技术已在小麦产量、品质、抗病性等遗传学研究上广泛采用[ 9, 10, 11, 12], 但是品质特性研究多集中于高分子量麦谷蛋白, 而对面粉色泽和白度关注较少, 尤其是使用DArT标记(Diversity Arrays Technology, http:// www.diversityarrays.com/)[ 13]的研究还未见报道。本研究通过关联分析对小麦面粉色泽(白度)进行QTL定位, 希望找到与之紧密连锁的DArT标记, 为分子标记辅助选择和分子设计育种提供参考。

1 材料与方法
1.1 植物材料

选用矮孟牛姊妹系及其亲本和衍生系109份材料, 大部分来源于中国。使用DArT标记进行全基因组扫描, 标记的PIC平均值为0.408。使用STRUCTUE 2.0软件评估群体结构, 可分为4个子群体。整个群体LD的延伸距离为23.6 cM[ 14]

1.2 表型性状测定方法

分别在山东泰安的山东农业大学农场(2008—2010连续3年)和安徽宿州紫芦湖农场(2010年) 4个田间条件下种植, 采用完全随机区组设计, 2次重复, 行长2 m, 行距0.25 m。按当地小麦产量品种比较试验的要求进行田间管理。成熟期小区混收。

收获后室温储藏3个月, 用布勒实验磨(model-MLU 300 m/s Buhler, Uzwil, 瑞士)制粉。采用WSB-IV型智能白度测定仪测定面粉白度。用美能达CR-310型色差计(日本)测定面粉色泽(L*、a*、b*值), 以L*、a*和b*色空间

表示。L*为亮度(0表示黑色, 100表示白色), a*表示红-绿方向, b*表示黄-蓝方向。每样品重复5次, 每个环境下的观测值为样品平均值。

1.3 数据处理和关联分析

使用SAS 8.0 (SAS Institute Inc., Cary, NC, 美国)进行方差分析(ANOVA)和相关性分析, 用4个环境的面粉色泽(白度)平均值作相关分析。使用TASSEL 2.0.1 (http://www. maizegenetics.net/)计算DArT标记间的连锁不平衡( r2), 排除稀有等位基因( f < 0.10)后进行1000次排列计算。用Structure 2.0计算群体结构数据, 由TASSEL 2.0.1计算Kinship矩阵, 应用mixed linear model进行标记和性状之间的关联分析。当标记的 P≤0.001时认为与性状存在关联。

2 结果与分析
2.1 面粉色泽(白度)的表型变异及参数之间的相关性

分别对4个环境下材料的面粉色泽和白度参数考察, 显示这个群体的表型具有丰富的多样性, 在不同材料中变异幅度较大, 但在不同环境间差异较小, 尤其是2010年2个地点间差异更小。群体结构对面粉白度、a*和b*变异的解释率分别为12.9%、21.2%和14.6%, 而L*受遗传因素影响较小, 表型变异解释率仅为7.3% ( 表1)。除白度和色泽a*正相关外, 参数之间存在不同程度的负相关, 尤其是b*与a*和L*有显著负相关( 表2)。

表1 面粉色泽和白度的表型变异 Table 1 Phenotypic performance for flour color and whiteness
2.2 面粉色泽与白度的关联分析

利用各环境的数据独立寻找遗传关联, 在 P≤0.001水平上确定了34个标记-性状关联(marker-trait association, MTA), 包括20个分子标记, 分布在1A、1B、3B、5A、6A、6B、6D、7A和7B染色体上, 对表型变异的解释率( R2)为6.8%~18.1%。有8个标记关联2个性状, 其他12个标记关联单个性状; 除3个标记在3个环境、1个标记在2个环境中被重复检测到外, 其他均在单一环境下被检测到( 表3)。

表2 面粉色泽与白度参数之间的相关性系数 Table 2 Pairwise correlation between flour color and whiteness
表3 与面粉色泽(白度)关联标记的染色体定位及其对表型变异的解释 Table 3 Chromosomal location and phenotypic variation explained of marker loci associated with flour color (whiteness)

与面粉白度显著关联的标记共4个, 其中位于1A的wPt-731090在3个环境中被检测到, 位于6D的wPt- 666615在2个环境中被检测到。

与面粉色泽L*显著关联的标记有7个, 在1B和6B染色体上均有多个标记位点(2个和3个), 其中位于6B的wPt-730273的表型贡献率高达13.7%。

检测到6个与面粉色泽a*显著关联的标记位点, 其中位于7B的wPt-1196和wPt-669693都在3个环境下被重复检测到( P≤0.0001), 其表型贡献率平均值都超过10%。

与面粉色泽b*显著关联的标记位点最多, 共10个, 在7A和7B染色体上各有3个, 但所有标记仅在单一环境中被检测到。7A上的wPt-1958具有最高的表型解释率(13.3%); 7B上wPt-1196t也是a*的关联标记; 其余标记, 如wPt-731090 (1A)、wPt-6594 (6B)和wPt-5533 (7A)也与白度或L*关联。7A上遗传距离未知的wPt-1958与已定位标记wPt-5533 (221.8 cM)存在较强的LD ( r2 > 0.8), 这2个标记均可视为在定位标记附近[ 17]

3 讨论

面粉色泽是小麦磨粉品质和商品品质的主要指标, 面粉白度直接影响中国馒头和面条的外观品质。早期已有许多面粉色泽的QTL研究, 本研究首次应用DArT标记和关联分析探究面粉色泽(白度)的遗传基础, 这将有助于分子标记辅助育种。我们发现关联标记大多集中在1A、1B、6B、7A和7B上, 与以往QTL定位结果吻合[ 2, 3, 4, 7, 13]

本研究结果进一步证实色泽b*与a*和L*有显著负相关[ 7]。目前发现的面粉白度、色泽L*和a*相关QTL较少, 所以研究a*与L*的遗传基础对获得理想的面粉色泽很重要。本研究得到了a*和L*的大量MTA, 其中主效位点wPt-1196可解释色泽a*变异的18.1%, 且能在多个环境中被检测到, 是一个值得深入研究的位点。此外仅检测到1个与白度和b*关联的位点, 还需进一步研究。

关联结果与材料群体结构和试验环境高度相关[ 15], 使用具有较高遗传多样性的材料, 并在多个环境下重复检测, 可有效减少误差。Bordes等[ 13]利用803个标记, 在来自世界各国的小麦群体中检测到与面粉色泽显著关联的位点, 其中wPt-6447为共同关联标记。本研究表明, 7B上的wPt-1196和wPt-669693都在3个环境下与a*和b*显著关联, 且具有高的贡献率(18.1%), 可用于分子标记辅助选择育种。

关联分析主要用于确定控制复杂性状且效应值较小的QTL[ 16]。面粉色泽是受微效多基因控制的数量性状。Tsilo等[ 17]在6条染色体(1A、1B、5A、5B、5D和7B)上发现了QTL簇, 单个标记的表型贡献率较小。本文确定的关联标记与以往研究相比, 大多位于相同染色体, 但位置不同。这可能与作图群体和试验环境、标记类型和数据、分析方法, 以及图谱基因组覆盖率和标记密度等有关。

小麦面粉色泽主要由胚乳颜色确定[ 18], 色泽组分包括黄色素和棕色素等。黄色素是决定面粉颜色的主要组分, 同时具有一定的抗氧化功能, 对慢性病有一定的抵抗功效[ 19, 20]。加强对黄色素的研究有助于对面粉色泽的理解。另外, 谷物蛋白含量和硬度等同样影响面粉色泽。蛋白含量与色泽水平显著正相关[ 21], 硬度通常与白度负相关[ 22, 23]。探讨相关性状的遗传基础可能有助于理解色泽的遗传机制。

面粉色泽(白度)的改良包括利用现有白度优良的品种资源, 可采用传统杂交育种和现代生物技术相结合, 选育白度优良的材料。本研究中, 携带优异位点或优异等位变异的材料主要有矮丰3号、鲁麦23、孟县201等[ 14], 广大育种者在材料选择时可加以参考。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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