基于分子標(biāo)記的小麥親本評(píng)價(jià)和組合設(shè)計(jì)

高明剛，郭營，趙巖，安艷榮，李斯深

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)／作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2.濰坊學(xué)院生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院／山東省高校生物化學(xué)與分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061）

親本評(píng)價(jià)和組合選配是小麥育種工作的重要內(nèi)容之一［1］。傳統(tǒng)的雜交育種中，親本選擇和組合選配主要從形態(tài)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)等方面著手，主要考慮親本的產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等重要性狀表現(xiàn)，以及親緣關(guān)系、地理區(qū)域、遺傳力等因素，主觀性較強(qiáng)［2］。

21世紀(jì)以來，隨著分子標(biāo)記和基因組測序技術(shù)的發(fā)展，分子標(biāo)記輔助選擇和分子設(shè)計(jì)育種開始應(yīng)用于小麥的親本評(píng)價(jià)和雜交組合設(shè)計(jì)中［3-5］。通過連鎖分析或全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wide association study，GWAS）等方法對(duì)復(fù)雜性狀進(jìn)行遺傳解析和QTL定位，來獲得與目標(biāo)性狀緊密連鎖的分子標(biāo)記，使得育種家可以直接從DNA分子水平上對(duì)親本進(jìn)行評(píng)價(jià)［6］。借助分子標(biāo)記手段，直觀地判斷出親本所攜帶的優(yōu)異基因，再結(jié)合親本的相關(guān)表型性狀，能更準(zhǔn)確和合理地對(duì)親本做出評(píng)價(jià)并設(shè)計(jì)組合，從而大大提高育種效率。目前，利用分子標(biāo)記對(duì)親本進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)、提高設(shè)計(jì)組合的成功率，已經(jīng)成為現(xiàn)代小麥育種的研究熱點(diǎn)［7，8］。利用分子標(biāo)記進(jìn)行親本評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)組合依賴于QTL檢測的分辨率和準(zhǔn)確度［9］。理論上，在分子標(biāo)記密度足夠覆蓋整個(gè)基因組的情況下，所有的微效QTL均能被檢測到。此時(shí)的親本評(píng)價(jià)模型可以包括幾乎所有可解釋遺傳變異的標(biāo)記，從而使得預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確［10］。近年來，國內(nèi)外研究開發(fā)出多種小麥SNP芯片，如90K、660K芯片［11，12］，為QTL分析和分子標(biāo)記設(shè)計(jì)育種提供了極大便利。

本研究利用小麥自然品種群體的90K SNP分析數(shù)據(jù)，對(duì)小麥的4個(gè)產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析。在此基礎(chǔ)上，利用檢測到的QTL信息，構(gòu)建親本評(píng)價(jià)模型，結(jié)合表型數(shù)據(jù)進(jìn)行親本評(píng)價(jià)和組合設(shè)計(jì)，期望能為育種工作中的組合選配提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與GWAS分析

供試材料為我國黃淮麥區(qū)134個(gè)小麥品種（系）組成的自然品種群體。134個(gè)小麥品種（系）分別種植于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)（泰安）、淄博農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院（淄博）和新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院（烏魯木齊）。測定其株高（plant height，PH）、穗粒數(shù)（grain number per spike，GNS）、每平方米穗數(shù)（spike number per square meter，SN）和千粒重（thousand-grain weight，TGW）共4個(gè)產(chǎn)量相關(guān)性狀。同時(shí)利用小麥90K SNP芯片［11］對(duì)品種群體進(jìn)行基因型分型，獲得了8 650個(gè)多態(tài)性SNP標(biāo)記，進(jìn)而利用這些標(biāo)記對(duì)上述4個(gè)重要性狀進(jìn)行GWAS分析［13］，篩選到231個(gè)與其顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點(diǎn)，用于后續(xù)分析。

1.2 親本評(píng)價(jià)和組合選配模型

1.2.1 確定QTL效應(yīng)值 根據(jù)已經(jīng)獲得的與4個(gè)性狀顯著關(guān)聯(lián)的SNP標(biāo)記，統(tǒng)計(jì)134個(gè)品種（系）每個(gè)SNP的兩種等位基因型的數(shù)目，對(duì)于GNS、SN和TGW，在每一SNP位點(diǎn)，若一種等位基因的表型平均值大于另一種等位基因，則確定該等位基因效應(yīng)為增效，另一等位基因效應(yīng)為減效；PH性狀反之。

1.2.2 親本評(píng)價(jià) 按以下公式計(jì)算每一個(gè)小麥品種（系）的親本評(píng)價(jià)得分值：

式中Sj為第j個(gè)親本的得分；n為SNP位點(diǎn)總數(shù)；表示第j個(gè)親本中第i個(gè)SNP標(biāo)記的R2；α表i示增效或者減效，增效為1，減效為-1。

1.2.3 組合評(píng)價(jià) 對(duì)134個(gè)品種（系）兩兩組合，按照以下公式計(jì)算組合的評(píng)價(jià)得分值：

式中aijk表示第i個(gè)親本和第j個(gè)親本在第k個(gè)位點(diǎn)處的效應(yīng)值；aik表示第i個(gè)親本在第k個(gè)位點(diǎn)處的效應(yīng)值；ajk表示第j個(gè)親本在第k個(gè)位點(diǎn)處的效應(yīng)值；Sij表示第i個(gè)親本和第j個(gè)親本組合的得分值。

以上所有計(jì)算均通過R語言程序?qū)崿F(xiàn)［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本評(píng)價(jià)

按照前述方法對(duì)親本進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，134個(gè)品種（系）的評(píng)價(jià)得分值分布范圍為-0.179～0.152，其中豫麥54的得分最高，為0.152，黑小麥76的得分最低，為-0.179。一些生產(chǎn)中表現(xiàn)較好的優(yōu)良品種表現(xiàn)出較高的評(píng)價(jià)得分值，如濟(jì)麥22、新麥26、良星99、魯麥21、山農(nóng)29、魯麥14、濟(jì)麥19、泰農(nóng)18等品種排名在40位以前，說明該評(píng)價(jià)方法具有一定的參考價(jià)值（表1）。

表1 親本評(píng)價(jià)各品種（系）得分

2.2 組合設(shè)計(jì)

基于親本的評(píng)價(jià)得分值，結(jié)合其表型測定數(shù)據(jù)和黃淮麥區(qū)北片的地理因素，刪除明顯不符合本地育種目標(biāo)的親本，最終篩選出高于得分平均值的57個(gè)品種（系），兩兩組合并計(jì)算其得分值，并選取前500個(gè)得分較高的親本組合進(jìn)行分析。結(jié)果表明，組合評(píng)價(jià)得分最高的是泰山23-LS4942組合，其分值為0.242。500個(gè)組合的親本分布相對(duì)比較集中，總共包含35個(gè)品種（系）：954（7）-8、LS3283、LS4697、LS4942、LS6045、濟(jì)麥19、濟(jì)麥22、濟(jì)寧16、萊州137、良星99、臨麥4號(hào)、臨麥6號(hào)、齊豐1號(hào)、山農(nóng)15、山農(nóng)17、山農(nóng)18、山農(nóng)21、山農(nóng)23、山農(nóng)25、山農(nóng)29、石4185、泰農(nóng)18、泰山22、泰山23、郯麥98、鑫麥289、煙5072、煙99603、煙農(nóng)0428、煙農(nóng)19、煙農(nóng)22、煙農(nóng)23、煙農(nóng)836、煙農(nóng)999、小偃22。其中以濟(jì)麥22作為親本之一的組合有29個(gè)，泰農(nóng)18作為親本之一的組合有28個(gè)，良星99和山農(nóng)17作為親本之一的組合均為26個(gè)，山農(nóng)29、煙農(nóng)19和山農(nóng)25作為親本之一的組合分別有25、19個(gè)和18個(gè)，表明以這些生產(chǎn)中大面積種植的優(yōu)良品種作為親本組配組合，可能會(huì)取得更好的育種效果。此外，萊州137和煙5072等盡管沒有審定，但不同育種單位已用其育成多個(gè)品種，也分別組配了26個(gè)和14個(gè)組合，因此育種中應(yīng)該注意優(yōu)異種質(zhì)的利用。

2.3 泰農(nóng)18和山農(nóng)17作為親本的組合及其育種驗(yàn)證

我們提取根據(jù)育種經(jīng)驗(yàn)確定的重點(diǎn)利用親本泰農(nóng)18和山農(nóng)17，繼而提取涉及這兩個(gè)親本的雜交組合共計(jì)54個(gè)（表2），查找近期國家和山東省審定品種情況可知，其中5個(gè)組合（5／54＝9.3%）育成10個(gè)審定品種：包括利用“泰農(nóng)18與濟(jì)麥22”雜交組合育成的中麥6052、泰農(nóng)108、濟(jì)麥55、華麥188，利用“泰農(nóng)18與臨麥6號(hào)”雜交組合育成的山農(nóng)29、山農(nóng)30、山農(nóng)41，利用“泰農(nóng)18與煙農(nóng)0428”組合育成的青農(nóng)7號(hào)，利用“良星99與泰農(nóng)18”組合育成的鑫瑞麥38，利用“山農(nóng)17與良星99”組合育成的泰科麥38。除此之外，以泰農(nóng)18或山農(nóng)17作為親本之一還育成許多參加各級(jí)區(qū)試的小麥新品系（數(shù)據(jù)未提供）。

表2 泰農(nóng)18和山農(nóng)17作為親本之一的設(shè)計(jì)組合

3 討論與結(jié)論

對(duì)親本進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)，并用其選配正確的雜交組合是小麥育種取得成效的關(guān)鍵之一［1，4-6］。傳統(tǒng)育種在組合選配方面成功率通常較低，春小麥中成功選出有價(jià)值雜交組合的概率不到2%，而冬小麥大約只有0.2%，其根本原因之一可能是對(duì)小麥親本的評(píng)價(jià)不夠合理，選配理論的研究不夠深入［15-17］。

在傳統(tǒng)育種基礎(chǔ)上，通過分子標(biāo)記輔助選擇，直接從DNA分子水平上評(píng)價(jià)親本和設(shè)計(jì)組合，可以有目的地對(duì)與目標(biāo)性狀緊密連鎖的基因進(jìn)行選擇，有效排除連鎖累贅，從而大大提高育種效率［18-20］。本研究利用134個(gè)小麥品種（系）的90K SNP芯片數(shù)據(jù)，借助GWAS分析，對(duì)小麥株高、穗粒數(shù)、每平方米穗數(shù)和千粒重4個(gè)產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行全基因組掃描，檢測到231個(gè)與其顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點(diǎn)，為后續(xù)的親本選配和組合設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合表型測定數(shù)據(jù)，確定每個(gè)性狀所有SNP位點(diǎn)的效應(yīng)值，計(jì)算供試品種（系）的評(píng)價(jià)得分值，并選擇其中高于得分平均值的前57個(gè)品種（系）兩兩配置雜交組合，結(jié)果表明生產(chǎn)中大面積種植的優(yōu)良品種作為親本的組合，往往表現(xiàn)出更高的評(píng)價(jià)得分值，這些組合可能具有潛在的育種價(jià)值。

分子設(shè)計(jì)與經(jīng)驗(yàn)育種的緊密結(jié)合會(huì)發(fā)揮更好作用。建議根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，結(jié)合育種目標(biāo)需求，特別是利用一些大面積推廣品種作親本之一，可提高雜交組合的成功率。我們提取到含有重點(diǎn)利用親本泰農(nóng)18和山農(nóng)17的設(shè)計(jì)組合共計(jì)54個(gè)，統(tǒng)計(jì)看出不同單位在育種實(shí)踐中利用其中的5個(gè)組合（5／54＝9.3%）育成了10個(gè)國家和省級(jí)審定品種，這個(gè)比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純粹的經(jīng)驗(yàn)育種。