摘要
小麦是氮肥需求量较大的作物，上世纪五十年代以来氮肥的投入对小麦产量的提高起到了重要的作用，然而氮肥的大量施用也造成了严重的生态污染和资源浪费。由于小麦氮效率存在着显著的基因型差异，且不同品种对氮肥的响应有高低之分，因此，在缓解农业环境风险和保障生产的前提下，挖掘耐低氮胁迫相关基因资源，培育耐低氮胁迫高产小麦新品种是促进小麦绿色生产的有效途径。 本研究以389份小麦品种组成的自然群体为供试材料，利用660K SNP芯片进行全基因组扫描，并利用GAPIT软件包的混合线性模型（MLM），基于群体结构对小麦抽穗期、归一化植被指数及叶片功能性状等表型数据及其耐低氮敏感指数进行全基因组关联分析，明确这些性状与耐低氮性的关系，筛选相关耐低氮候选基因，为小麦耐低氮品种的选育提供依据。 主要研究结果如下： 1.利用Plink1.9软件对群体基因型数据进行过滤，剔除缺失率(miss rate)大于0.2和最小等位基因频率(minorallele frequency，MAF)小于0.05的SNP，最终得到397642个分布于21染色体上，多态性高、稳定性好的高质量SNP标记用于后续关联分析。 2. Structure 2.3.4 软件分析和主成分分析（Principal component analysis，PCA）、邻接法进化树（Neighbor-Joining，NJ）分析均将参试材料分为2个亚群; 连锁不平衡分析发现A基因组的衰减距离为0.3 Mb，与D基因组相似0.27 Mb，但远小于B基因组0.79 Mb，全基因组的衰减距离为0.47 Mb。 3.对8个环境下（不施氮4个、正常氮4个）的抽穗期及4个环境下耐低氮敏感指数全基因组关联分析（-log10（P）≥5）发现不施氮、正常氮下的抽穗期及耐低氮敏感指数分别关联到53个、114个、33个显著关联标记，至少在两个环境下关联的标记分别为14个、25个、1个；根据连锁不平衡(Linkage disequilibrium，LD)衰减距离发现这些标记共形成11个数量性状基因座（Quantitative trait locus，QTL），其中qHD-2D-2、q HD-7D-3分别在 6个、4个环境中重复检测到且与前人研究结果一致，值得注意的是在相同基因座qHD-2D-2上也检测到与耐氮性相关的QTL（qHDSSI-2D-2）；位于1BS染色体上的qHD-1B-1、qHD-1B-2、qHD-1B-3和2BL染色体上的qHD-2B-1至少4个环境下被重复检测到，且未见报道可能是新的位点，其余 4 个基因座 qHD-2D-1、qHD-7D-1、qHD-7D-2仅在不施氮2个环境下检测到，qHD-1D-1仅在正常氮3个环境下重复检测到；利用以上QTL中最显著标记共筛选到10个优异等位变异，其中AX-111956072-T不仅可以提前抽穗期还可以提高耐低氮性；根据11个QTLs侧翼位置提取其候选区间内的基因，筛选到 10 个低氮胁迫下可能与小麦抽穗期及耐低氮敏感指数相关的候选基因，其中 2 个在前人研究中已被证明与抽穗期相关（TraesCS2D02G079600（Ppd-D1）、TraesCS7D02G111600（Vrn-D3），7个可能在植物抵御非生物胁迫过程中起作用，1个可能与植物激素的合成和响应有关。 4.对自然群体的不同生育期归一化植被指数（NDVI）及耐低氮敏感指数进行全基因组关联分析（-log10（P）≥4），对于NDVI（山西申奉2019年）在不施氮越冬期、正常氮越冬期、不施氮拔节期、正常氮拔节期、不施氮灌浆期、正常氮灌浆期6个环境下分别检测到30、16、94、53、55和20个显著关联标记，其中14个SNP标记在至少2个环境下被重复检测到。根据LD衰减距离，这些标记共形成3个QTLs，其中qNDVI-5D-3中包含12个稳定关联的SNP，且未见报道，可能是新的基因座，其余2个都仅包含一个显著关联标记；进一步对各生育期NDVI的耐低氮敏感指数（SSI）进行关联，发现越冬期、拔节期、灌浆期NDVI的耐低氮敏感指数关联的标记分别为5、217、2个，其中25个SNP在不施氮环境下也被重复检测到。根据LD衰减距离，共形成4个QTLs，其中1B染色体上的qNDVISSI-1B-1、qNDVISSI-1B-2、qNDVISSI-1B-3与前人研究的Q NDVI.ubo-1B.2位置有重叠部分，1D上的QTL未见报道；利用以上QTL中最显著标记筛选出7个优异等位变异且在供试群体中占比都较高。根据QTL侧翼位置提取其候选区间内的基因，筛选到 15 个可能与小麦归一化植被指数及其耐低氮敏感指数相关的候选基因，分别与细胞色素代谢、硝酸盐、铵盐氮吸收转运、转录因子（WRKY、MYB、HTH）、乙烯代谢相关。 5.对自然群体的旗叶相关性状及其耐低氮敏感指数进行全基因组关联分析，共检测到1390个关联标记，广泛分布于21条染色体，其中叶绿素含量、叶长、叶宽、衰老参数检测到的SNP 数目分别为186个（不施氮125个、正常氮61个）、33个（不施氮8个、正常氮25个）、283个（不施氮33个、正常氮250个）、595个（不施氮49个、正常氮546个），其中有16个SNP标记与小麦旗叶相关性状重复关联，涉及性状包括生理性状（叶绿素含量9个）、形态性状（叶长6个）、衰老参数（衰老起始1个），根据LD衰减距离共形成9个QTLs，其中1B染色体上的qSPAD-1B-2和6B染色体上的qLl-6B-2中包含多个显著SNP标记，且未见报道，可能是控制叶绿素含量和叶长的新基因座，其余7个QTL中都仅包含一个显著SNP；有5个SNP具有一因多效性，分布于2 B和4D染色体上和衰老参数、耐氮性相关；利用这些QTL中最显著标记筛选出7个优异等位变异，其中AX-111578849-A在供试材料中所占比例较低，其余6个在供试群体 中占比较高。根据以上QTL侧翼位置提取其候选区间内的基因，包含9个可能与小麦旗叶相关性状及耐低氮敏感指数相关的候选基因，其中3个与叶绿素代谢相关，1个与衰老起始相关，5个与氮代谢途径相关。
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