利用小麥660K SNP芯片分析川麥44在其衍生后代中的遺傳貢獻(xiàn)

鄭建敏，羅江陶，萬(wàn)洪深，李式昭，楊漫宇，李 俊，劉于斌，蒲宗君

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南地區(qū)小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610066；2.四川省涼山州西昌農(nóng)科所，四川西昌 615000)

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物之一，小麥生產(chǎn)對(duì)保障糧食安全具有重要戰(zhàn)略意義[1]。在播種面積整體下降、總產(chǎn)量反而持續(xù)增加的情況下，單產(chǎn)提高是總產(chǎn)增加的主要驅(qū)動(dòng)因素[1]。而單產(chǎn)提高依賴于品種改良。品種改良是根據(jù)不同目標(biāo)(高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病、抗逆等)，利用現(xiàn)有材料，采取不同育種方式(雜交、誘變等)和選種方式，在后代大量變異類型中篩選符合目標(biāo)要求的穩(wěn)定材料。品種改良具有探索性和不可預(yù)見性[2]。在長(zhǎng)期和廣泛的品種改良探索過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)親本材料能衍生出多個(gè)品種，提高育種效率，并將這些材料稱之為骨干親本[3-4]。研究表明，骨干親本及其衍生品種對(duì)我國(guó)小麥育種和生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)[3]。

川麥44是四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所選育的近強(qiáng)筋小麥品種，具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、廣適等特性。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)利用川麥44為直接親本培育出的高代苗頭品系達(dá)20余個(gè)，其中9個(gè)已通過審定，5個(gè)進(jìn)入2017-2018年四川省區(qū)域試驗(yàn)，3個(gè)進(jìn)入多點(diǎn)聯(lián)合試驗(yàn)[5-6]。為明確骨干親本川麥44的遺傳特性，挖掘其基因組中具有重要育種貢獻(xiàn)的區(qū)段和基因，本研究利用小麥高密度660K SNP芯片對(duì)川麥44及其衍生品種進(jìn)行全基因組掃描，篩選川麥44特異SNP位點(diǎn)，分析川麥44對(duì)衍生品種的遺傳貢獻(xiàn)，并篩選出高遺傳率片段，以期為進(jìn)一步開展深入研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

以川麥44和6個(gè)衍生品種(昌麥32、川麥67、川麥601、川麥63、川麥1131、川麥1145)以及6個(gè)相關(guān)親本材料(西昌19、川麥42、川麥36、貴農(nóng)21、川麥30、川農(nóng)23)為研究對(duì)象，信息詳見表1。13個(gè)材料全部委托北京康普森生物技術(shù)有限公司進(jìn)行了小麥660K SNP芯片分型分析。小麥660K SNP芯片介紹詳見以下鏈接：http://wheat.pw.usda.gov/ggpages/topics/Wheat660_SNP_array_developed_by_CAAS.pdf。

表1 川麥44及其6個(gè)衍生品種的親本信息

1.2 方 法

根據(jù)小麥660K SNP標(biāo)記分型結(jié)果，剔除衍生品種中川麥44與其他親本的無(wú)差異位點(diǎn)、不純合(不穩(wěn)定)位點(diǎn)、缺失位點(diǎn)、無(wú)法確知來(lái)源位點(diǎn)及染色體位置不確定位點(diǎn)后，利用剩余有效SNP位點(diǎn)來(lái)測(cè)算遺傳貢獻(xiàn)率。公式如下：

遺傳貢獻(xiàn)率=川麥44的特異位點(diǎn)數(shù)/有效SNP位點(diǎn)總數(shù)×100%

進(jìn)一步利用SNP位點(diǎn)對(duì)應(yīng)染色體信息，比較分析川麥44在小麥A、B和D染色體組的遺傳貢獻(xiàn)率差異及衍生品種在不同染色體的遺傳貢獻(xiàn)率。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同衍生品種同一位點(diǎn)來(lái)源于川麥44的比例(如AX-110053833分型結(jié)果，6個(gè)衍生品種有4個(gè)分型與川麥44一致，則遺傳率為66.67%，篩選出川麥44高遺傳率 (>50%)片段，為進(jìn)一步研究挖掘有益基因片段奠定基礎(chǔ)。用Microsoft Excel及MapDraw V2.1[7]進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 川麥44在6個(gè)衍生品種中的遺傳貢獻(xiàn)

利用小麥660K芯片進(jìn)行全基因組掃描，共計(jì)獲得630 517個(gè)SNP位點(diǎn)分型結(jié)果，剔除無(wú)效標(biāo)記位點(diǎn)后，測(cè)算川麥44的遺傳貢獻(xiàn)率。由表2可知，昌麥32、川麥67、川麥601、川麥63、川麥1131和川麥1145的差異位點(diǎn)數(shù)分別為136 276、46 006、21 963、90 979、90 979和90 979個(gè)，衍生品種差異位點(diǎn)數(shù)存在單交(兩個(gè)親本)>三交(三個(gè)親本)>雙交(四個(gè)親本)的趨勢(shì)。川麥44特異位點(diǎn)數(shù)也存在單交(兩個(gè)親本)>三交(三個(gè)親本)>雙交(四個(gè)親本)的趨勢(shì)。計(jì)算結(jié)果(表2)表明，衍生品種中，親本的遺傳貢獻(xiàn)均存在偏親現(xiàn)象。同是單交選育的衍生品種，昌麥32遺傳組成偏向于親本西昌19，川麥44的遺傳貢獻(xiàn)率僅為23.77%；而川麥63、川麥1131和川麥1145中，川麥44的遺傳貢獻(xiàn)率均大于60%。這4個(gè)來(lái)源于單交育種的衍生品種中，川麥44的平均遺傳貢獻(xiàn)為57.68%，整體偏向于川麥44。三交組合和雙交組合選育的川麥67和川麥601中，川麥44的遺傳貢獻(xiàn)率小于理論值。川麥44在6個(gè)衍生品種中的平均遺傳貢獻(xiàn)率為48.58%。

2.2 川麥44對(duì)6個(gè)衍生品種A、B、D染色體組的遺傳貢獻(xiàn)

川麥44特異位點(diǎn)在6個(gè)衍生品種A、B和D染色體組中的分布是不均勻的(圖1)，B染色體組>A染色體組>D染色體組，B染色體組特異位點(diǎn)數(shù)平均比例為53.02%，D染色體組特異位點(diǎn)數(shù)平均比例僅為11.23%。這可能與染色體組遺傳多樣性[8]和不同染色體組的基因變異豐富度[9]有關(guān)。

表2 6個(gè)衍生品種SNP位點(diǎn)來(lái)源分析

圖1 川麥44特異位點(diǎn)在A、B和D染色體組的分布

2.3 川麥44對(duì)6個(gè)衍生品種不同染色體的遺傳貢獻(xiàn)

川麥44特異位點(diǎn)在衍生品種各染色體上的分布不均勻(表3)，衍生品種昌麥32不同染色體上的特異位點(diǎn)數(shù)為50～7 416個(gè)，其中川麥44對(duì)5A和5D染色體的遺傳貢獻(xiàn)率大于50%；川麥67不同染色體上的特異位點(diǎn)數(shù)為12～1 082個(gè)，川麥44僅對(duì)1D染色體的遺傳貢獻(xiàn)率大于50%；川麥601不同染色體上的特異位點(diǎn)數(shù)為3～651個(gè)，川麥44僅對(duì)7D染色體的遺傳貢獻(xiàn)率大于50%；川麥63不同染色體上的特異位點(diǎn)數(shù)為 214～7 323個(gè)，其中川麥44對(duì)1B、2A、2B、3B、4B、4D、5A、5B、5D、6A、6B、6D、7A和7D染色體的遺傳貢獻(xiàn)率均大于50%；川麥1131不同染色體上的特異位點(diǎn)數(shù)為248～8 128個(gè)，其中川麥44對(duì)1B、2A、2B、2D、3A、3B、4A、4B、4D、5A、5B、5D、6A、6B、6D、7A和7D染色體的遺傳貢獻(xiàn)率均大于50%；川麥1145不同染色體上的特異位點(diǎn)數(shù)為177～8 514個(gè)，其中川麥44對(duì)1B、2A、2B、2D、3B、4B、4D、5A、5B、5D、6A、6B、6D、7A和7D染色體的遺傳貢獻(xiàn)率均大于50%。

表3 川麥44特異位點(diǎn)在衍生品種不同染色體中的分布及其遺傳貢獻(xiàn)率

括號(hào)外的數(shù)據(jù)為川麥44特異位點(diǎn)數(shù)；括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)為川麥44的遺傳貢獻(xiàn)率，為百分?jǐn)?shù)。

The data outside brackets are the number of specific loci in Chuanmai 44; the data in brackets are the genetic contribution of Chuanmai 44,which is in percentage.

2.4 川麥44高遺傳率片段

根據(jù)不同衍生品種同一位點(diǎn)來(lái)源于川麥44的比例，篩選出川麥44高遺傳率(>50%)SNP位點(diǎn)，結(jié)果表明，在小麥21對(duì)染色體上均有川麥44高遺傳率位點(diǎn)。再根據(jù)SNP位點(diǎn)物理位置與該染色體最大物理位置的比值確定位點(diǎn)間的相對(duì)距離，將相對(duì)距離值小于0.01且物理位置在高遺傳率位點(diǎn)從小到大排序中相鄰的兩個(gè)SNP位點(diǎn)確定為相連位點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)出連續(xù)相連3個(gè)位點(diǎn)以上且長(zhǎng)度大于或等于0.10 Mb的區(qū)段為高遺傳率片段。結(jié)果如圖2所示，除1B和6A外，其他染色體上均存在高遺傳率片段，共計(jì)篩選出52個(gè)川麥44高遺傳率片段，在染色體上呈不均勻分布，片段長(zhǎng)度為0.10～76.20 Mb，其中5B上的片段數(shù)量和累計(jì)長(zhǎng)度均居首位。

根據(jù)高遺傳率片段的物理位置信息，在對(duì)應(yīng)的中國(guó)春物理圖譜中(IWGSC RefSeq v1.0，詳見網(wǎng)站https://wheat-urgi.versailles.inra.fr/)獲得10 161個(gè)預(yù)測(cè)基因，其中4 201個(gè)為高可信度基因(High-confidence genes)，5 960個(gè)為低可信度基因(Low-confidence genes)。分析表明這些高遺傳率片段多為基因密集區(qū)段。

圖2 川麥44高遺傳率片段在不同染色體上的分布

3 討 論

3.1 衍生品種中的偏親現(xiàn)象

作為常規(guī)種的小麥，其衍生品種的偏親現(xiàn)象較為普遍。前人對(duì)多個(gè)小麥骨干親本在后代中的遺傳分析均發(fā)現(xiàn)偏親現(xiàn)象[4,10-17]。本研究表明，不同雜交方式獲得的衍生品種均存在偏親現(xiàn)象。單交組合中，昌麥32的遺傳組成偏向于親本西昌19，川麥63、川麥1131和川麥1145的遺傳組成偏向于親本川麥44。三交組合和雙交組合選育的川麥67和川麥601中，川麥44的遺傳貢獻(xiàn)則小于理論值。

依據(jù)經(jīng)典遺傳學(xué)定律，研究人員可根據(jù)品種的系譜推斷衍生后代遺傳結(jié)構(gòu)的理論值。然而就單個(gè)個(gè)體而言，遺傳構(gòu)成的偏親現(xiàn)象屬正常情況，理論值是針對(duì)群體在理想狀態(tài)下的構(gòu)成而言；在自然進(jìn)化、人工馴化和人工選擇過程中，因受生態(tài)條件、偶發(fā)自然災(zāi)害、育種方式、定向選擇等眾多因素影響，遺傳貢獻(xiàn)會(huì)出現(xiàn)各種類型的偏親現(xiàn)象。

3.2 骨干親本的區(qū)段(片段)遺傳與牽連效應(yīng)

前人研究表明，小麥骨干親本碧螞4號(hào)[18]、歐柔[10]、燕大1817[19]、阿夫[20]、繁6[21]、川麥42[14]、周8425B[22]、臨汾5064[16]等均存在染色體區(qū)段(片段)傳遞現(xiàn)象。本研究利用660K SNP芯片在19對(duì)染色體上也篩選出52個(gè)高遺傳率片段。李玉剛等[4]認(rèn)為這是作物育種選擇過程存在的選擇牽連效應(yīng)。

張學(xué)勇等[23]認(rèn)為影響選擇牽連效應(yīng)大小的因素主要有群體的交配方式、選擇壓和被選擇位點(diǎn)附近的重組率。育種家對(duì)農(nóng)藝性狀(產(chǎn)量、抗性、株高等)的偏好選擇，會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的選擇牽連效應(yīng)發(fā)生[23]。長(zhǎng)期的育種過程中，育種家們?yōu)榱讼嗤蛳嗨频挠N目標(biāo)而努力，對(duì)大量資源材料進(jìn)行高壓選擇，改變了基因在人工選擇群體中的頻率分布，可能產(chǎn)生較多優(yōu)異基因的連鎖現(xiàn)象。骨干親本一般具有綜合農(nóng)藝性狀優(yōu)良的特征，在人工育種選擇過程中，易因肉眼選擇保留更多的偏向性表型而形成區(qū)段(片段)遺傳和牽連效應(yīng)。

區(qū)段(片段)遺傳與牽連效應(yīng)一方面給發(fā)掘和研究育種貢獻(xiàn)大的優(yōu)異基因(區(qū)段)提供便利，另一方面也可能帶來(lái)不利影響。如骨干親本的反復(fù)利用可能會(huì)導(dǎo)致品種間親緣關(guān)系愈來(lái)愈近，遺傳基礎(chǔ)變得狹窄，致使品種遺傳脆弱性增加，易受病害侵襲。如何在不降低遺傳多樣性的前提下，充分利用骨干親本的區(qū)段(片段)遺傳與牽連效應(yīng)是育種人應(yīng)該引起重視的問題。

3.3 骨干親本利用與設(shè)計(jì)育種

著名小麥專家莊巧生先生[3]統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，建國(guó)后的50年間，16個(gè)小麥骨干親本衍生至少976個(gè)優(yōu)良品種，約占所有育成品種的一半。此后，小偃6號(hào)[24]、矮孟牛[25]、繁6[21]、川麥42[14]、周8425B[22]、京411[15]、豫麥2號(hào)[17]、魯麥14[4]、臨汾5064[16]等的研究證明了骨干親本利用對(duì)育種貢獻(xiàn)是巨大的。然而在遺傳機(jī)理機(jī)制尚未明晰的情況下，骨干親本更多是在品種選育完成后歸納提煉出來(lái)的，一定程度上制約育種發(fā)展，降低骨干親本利用價(jià)值。傳統(tǒng)育種極大程度上依賴于表型選擇和育種家的經(jīng)驗(yàn)，提高育種的可預(yù)見性和效率，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的“經(jīng)驗(yàn)育種”到定向、高效“精確育種”的轉(zhuǎn)變是育種人長(zhǎng)久以來(lái)的夢(mèng)想。Peleman和vander[26]首先提出設(shè)計(jì)育種的概念。此后，萬(wàn)建民[2]和王建康等[27]進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)育種3個(gè)步驟。設(shè)計(jì)育種是突破傳統(tǒng)育種瓶頸的有效途徑，是育種未來(lái)的發(fā)展方向。

骨干親本為目標(biāo)基因型提供良好的遺傳背景(基礎(chǔ))，骨干親本的區(qū)段(片段)遺傳與牽連效應(yīng)為挖掘和研究目標(biāo)性狀基因及相互關(guān)系提供便利。隨著分子技術(shù)的發(fā)展[1,28]、小麥基因組測(cè)序和物理圖譜的完成[29]，功能基因組學(xué)研究將不斷發(fā)展和深入，可用于育種的功能標(biāo)記將越來(lái)越多，為鑒定優(yōu)異資源和開展設(shè)計(jì)育種奠定基礎(chǔ)。然而在重要農(nóng)藝性狀的基因定位/基因功能組學(xué)/遺傳基礎(chǔ)/作用機(jī)制/調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等研究還很欠缺、生物信息學(xué)研究和數(shù)據(jù)共享體系尚未完善的現(xiàn)實(shí)情況下，設(shè)計(jì)育種還有較長(zhǎng)的路要走。

4 結(jié) 論

川麥44衍生品種中，川麥44的遺傳貢獻(xiàn)率為23.77%～72.63%，平均為 48.58%，存在明顯偏親現(xiàn)象。川麥44特異性標(biāo)記在不同染色體和染色體組中分布不均勻。在除1B和6A外的19對(duì)染色體上，篩選出52個(gè)川麥44高遺傳率片段，長(zhǎng)度為0.10～76.20 Mb。