利用基因芯片分析西南麥區(qū)主栽小麥品種川麥104的遺傳構(gòu)成

李式昭，王 琴，鄭建敏，朱華忠，李 俊， 萬(wàn)洪深，羅江陶，劉澤厚，伍 玲

(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)

小麥?zhǔn)侵袊?guó)三大糧食作物之一，西南麥區(qū)則屬我國(guó)重要小麥產(chǎn)區(qū)，該區(qū)小麥生產(chǎn)對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重大意義。在小麥育種中，骨干親本是培育小麥新品種的種質(zhì)基礎(chǔ)，解析其遺傳構(gòu)成和分子基礎(chǔ)，對(duì)選育集高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病、抗逆為一體的主栽小麥品種具有重要價(jià)值[1]。近年來(lái)，解析各時(shí)期小麥骨干親本或代表性品種的遺傳構(gòu)成，挖掘相關(guān)有益基因資源已成為研究熱點(diǎn)[2-15]。

川麥104[4]是西南麥區(qū)自“十二五”以來(lái)利用川麥42/川農(nóng)16重組自交系群體選育的主栽小麥品種，已通過(guò)國(guó)家和四川省審定。其聚合雙親的產(chǎn)量、抗病、抗逆等優(yōu)良性狀，在四川省區(qū)試中平均產(chǎn)量6 116.1 kg·hm-2，比對(duì)照綿麥37增產(chǎn)14.12%；在國(guó)家區(qū)試中平均產(chǎn)量6 130.5 kg·hm-2，比對(duì)照川麥42增產(chǎn)8.45%；且高抗條銹病、白粉病，抗穗發(fā)芽，在孕穗開(kāi)花期抗低溫冷害[16-17]。目前，以川麥104為親本已培育出川麥69、川麥93、川麥96、川麥98、川麥1546、川麥1580和川麥1532七個(gè)小麥新品種，且尚有大批后備品系處于各級(jí)區(qū)域試驗(yàn)中。因此，研究主栽小麥品種川麥104的遺傳構(gòu)成，對(duì)當(dāng)前西南麥區(qū)的品種選育具有重要意義，也可為該區(qū)分子標(biāo)記輔助育種提供理論依據(jù)。

前人大部分采用SSR、DArT、SRAP等分子標(biāo)記對(duì)各類(lèi)小麥骨干親本和推廣品種的遺傳構(gòu)成進(jìn)行研究[2-8,10-12]。SNP標(biāo)記是繼RFLP和SSR之后的第三代分子標(biāo)記，具有數(shù)量多、密度高、代表性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、相對(duì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的小麥基因芯片技術(shù)，為評(píng)估小麥品種遺傳構(gòu)成、分析小麥遺傳多樣性以及全基因組關(guān)聯(lián)分析等提供了新手段[9,13-15]。本研究采用3種小麥基因芯片(660K SNP、50K SNP和35K SNP)比較分析小麥品種川麥104及雙親的遺傳構(gòu)成，解析親本川麥42和川農(nóng)16對(duì)川麥104的遺傳貢獻(xiàn)，并通過(guò)對(duì)農(nóng)藝、品質(zhì)性狀以及抗性等功能基因進(jìn)行分型，以期為進(jìn)一步利用川麥104的高產(chǎn)、抗病特性奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

川麥104系譜為川麥42/川農(nóng)16，來(lái)源于典型穗重型高產(chǎn)小麥品種川麥42和典型多穗型高產(chǎn)小麥品種川農(nóng)16構(gòu)建的F8代重組自交系群體(RILs，共127個(gè)系)。川麥104于2009―2012年度參加四川省區(qū)試，2010―2012年度參加國(guó)家區(qū)試，并同時(shí)通過(guò)國(guó)家和四川省審定。本研究中川麥104和川麥42由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供，川農(nóng)16由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所提供。

1.2 基因組DNA提取

每個(gè)小麥品種取3株幼苗葉片，采用CTAB法[18]提取基因組DNA，并用UV-9000型紫外分光光度計(jì)檢測(cè)DNA樣品濃度。

1.3 基因芯片分析

小麥660K SNP基因芯片和35K SNP基因芯片由中玉金標(biāo)記(北京)生物技術(shù)股份有限公司進(jìn)行分析，小麥50K SNP基因芯片由北京博奧晶典生物技術(shù)有限公司進(jìn)行分析，二者均使用相同材料的同一DNA樣品。其中小麥660K SNP基因分型芯片(AxiomWheat660 Genotyping Array)由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所設(shè)計(jì)完成，能檢測(cè)630 517個(gè)SNP位點(diǎn)；小麥 50K SNP基因分型芯片[19](AxiomWheat Trait Breed 50K SNP Array)也由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所設(shè)計(jì)完成，能檢測(cè)54 680個(gè)SNP位點(diǎn)，包含135個(gè)功能基因標(biāo)記；小麥35K SNP基因分型芯片[20](AxiomWheat Breeder Genotyping Array)由英國(guó)布里斯托大學(xué)生物科學(xué)學(xué)院谷物功能基因組設(shè)計(jì)完成，能檢測(cè)35 143個(gè)SNP標(biāo)記，適合小麥育種計(jì)劃的高通量選擇。

1.4 方 法

根據(jù)3種基因芯片的分型結(jié)果，剔除不純合(不穩(wěn)定)、缺失、無(wú)法確知來(lái)源以及染色體位置不確定的位點(diǎn)后，統(tǒng)計(jì)親本間的差異位點(diǎn)。當(dāng)川麥104的分型與川麥42一致時(shí)，計(jì)為川麥42的貢獻(xiàn)位點(diǎn)；當(dāng)與川農(nóng)16一致時(shí)，計(jì)為川農(nóng)16的貢獻(xiàn)位點(diǎn)。川麥42和川農(nóng)16對(duì)川麥104的遺傳貢獻(xiàn)率為該親本的貢獻(xiàn)位點(diǎn)數(shù)占親本間差異位點(diǎn)數(shù)的比例。利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖。利用小麥50K SNP基因芯片分型結(jié)果確定川麥104及其雙親川麥42、川農(nóng)16的功能基因。

2 結(jié)果與分析

2.1 全基因組掃描分型結(jié)果

從小麥660K SNP、50K SNP和35K SNP基因芯片掃描結(jié)果(表1)看，川麥104與雙親相同位點(diǎn)數(shù)分別占定位位點(diǎn)總數(shù)的75.90%、74.21%和81.08%。3種小麥基因芯片SNP均能定位在小麥染色體上，川麥104中與雙親相同的共有等位變異位點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)多于其他類(lèi)型位點(diǎn)。3種小麥基因芯片結(jié)果具有同一趨勢(shì)，即SNP在A、B、D基因組上均表現(xiàn)為川麥104與雙親的共有等位變異位點(diǎn)占比最大，且在A、D基因組上的占比均大于B基因組(圖1)。

表1 3種基因芯片對(duì)川麥104全基因組掃描結(jié)果Table 1 Information of Chuanmai 104 genotyped by 3 types of wheat SNP arrays

2.2 川麥42和川農(nóng)16對(duì)川麥104的遺傳貢獻(xiàn)

從表2可以看出，川麥42對(duì)川麥104的遺傳貢獻(xiàn)大于川農(nóng)16。利用小麥660K SNP基因芯片進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)川麥42和川農(nóng)16傳遞至川麥104的SNP位點(diǎn)分別占52.26%和47.74%；利用小麥50K SNP基因芯片進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)川麥42和川農(nóng)16傳遞至川麥104的SNP位點(diǎn)分別占54.63%和45.37%；利用小麥35K SNP基因芯片進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)川麥42和川農(nóng)16傳遞至川麥104的SNP位點(diǎn)分別占64.65%和35.35%。

表2 川麥42和川農(nóng)16在不同染色體上對(duì)川麥104的遺傳貢獻(xiàn)Table 2 Genetic contribution of Chuanmai 42 and Chuannong 16 to Chuanmai 104 on different chromosomes

從基因組水平上來(lái)看，川麥104中來(lái)源于雙親的SNP位點(diǎn)在A、B和D基因組中分布不均勻，3種基因芯片掃描結(jié)果(表2)顯示，在D基因組中來(lái)源于川麥42的遺傳位點(diǎn)均多于川農(nóng)16，而在A、B基因組中來(lái)源于雙親的遺傳位點(diǎn)分布則有所不同。其中小麥660K SNP基因芯片掃描結(jié)果(表2)顯示，在A基因組中川麥42的遺傳貢獻(xiàn)率較高，在B基因組中則為川農(nóng)16的遺傳貢獻(xiàn)率較高；小麥50K SNP基因芯片掃描結(jié)果(表2)顯示，在A、B基因組中均為川農(nóng)16的遺傳貢獻(xiàn)率較高；小麥35K SNP基因芯片掃描結(jié)果(表2)顯示，在A、B基因組中均為川麥42的遺傳貢獻(xiàn)率較大。

從染色體水平上來(lái)看，川麥104中來(lái)源于雙親的等位位點(diǎn)在21條染色體上的分布也不均勻。小麥660K SNP基因芯片檢測(cè)結(jié)果(表2)顯示，來(lái)源于川麥42的等位位點(diǎn)在3A、7A、1B、2B、5B、1D、3D、4D、5D和6D染色體上分布較多(遺傳貢獻(xiàn)率≥70%)，其中，7A、2B、3D和4D染色體上遺傳貢獻(xiàn)率在90%以上；來(lái)源于川農(nóng)16的等位位點(diǎn)在1A、2A、6A、3B和4B染色體上分布較多(遺傳貢獻(xiàn)率≥70%)，其中，6A、3B和4B染色體上遺傳貢獻(xiàn)率在90%以上。

小麥50K SNP基因芯片檢測(cè)結(jié)果(表2)顯示，來(lái)源于川麥42的等位位點(diǎn)在7A、1B、2B、5B、1D、3D、4D、5D、6D和7D染色體上分布較多(遺傳貢獻(xiàn)率≥70%)，其中，7A、2B、1D和3D染色體上遺傳貢獻(xiàn)率在90%以上；來(lái)源于川農(nóng)16的等位位點(diǎn)在1A、2A、6A、3B、4B、6B和7B染色體上分布較多(遺傳貢獻(xiàn)率≥70%)，其中，1A、6A、3B和4B染色體上遺傳貢獻(xiàn)率在90%以上。

小麥35K SNP基因芯片檢測(cè)結(jié)果(表2)顯示，來(lái)源于川麥42的等位位點(diǎn)在3A、5A、7A、1B、2B、5B、1D、5D和7D染色體上分布較多(遺傳貢獻(xiàn)率≥70%)，其中，7A和1D染色體上遺傳貢獻(xiàn)率在90%以上；來(lái)源于川農(nóng)16的等位位點(diǎn)在6A、3B和4B染色體上分布較多(遺傳貢獻(xiàn)率≥70%)，其中，6A和4B染色體上遺傳貢獻(xiàn)率在90%以上。

綜上所述，3種基因芯片的檢測(cè)結(jié)果均顯示，來(lái)源于川麥42的等位位點(diǎn)在7A、1B、2B、5B、1D和5D染色體上分布較多(遺傳貢獻(xiàn)率≥70%)，其中7A染色體上遺傳貢獻(xiàn)率在90%以上；來(lái)源于川農(nóng)16的等位位點(diǎn)在6A、3B和4B染色體上分布較多(遺傳貢獻(xiàn)率≥70%)，其中，6A和4B染色體上遺傳貢獻(xiàn)率在90%以上。

2.3 川麥104及雙親的功能基因遺傳分析

小麥50K SNP基因芯片包含了部分常見(jiàn)功能基因(農(nóng)藝、品質(zhì)性狀和抗病性)的SNP標(biāo)記，能夠快速檢測(cè)小麥品種的上述性狀，對(duì)于分子標(biāo)記輔助育種具有重要意義。利用小麥50K SNP基因芯片對(duì)川麥104及其雙親川麥42、川農(nóng)16的功能基因進(jìn)行分型，結(jié)果(表3)表明，川麥104中絕大多數(shù)的優(yōu)良等位基因均同時(shí)繼承了雙親川麥42和川農(nóng)16，僅千粒重基因TaGS5-A1和抗旱基因TaDreb-B1有所不同，在千粒重基因TaGS5-A1方面，川麥104繼承了川麥42的高千粒重基因TaGS5-A1b；在抗旱基因TaDreb-B1方面，川麥104則繼承了川農(nóng)16的抗旱基因TaDreb-B1a。這也是川麥104在產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等方面都表現(xiàn)優(yōu)良的重要原因。

3 討 論

李 俊等[4]利用SSR和DArT標(biāo)記分析川麥104的遺傳構(gòu)成表明，川麥104更多地繼承了川麥42的遺傳成分(60.8%)。本研究也有相似結(jié)果，在小麥660K SNP、50K SNP和35K SNP基因芯片掃描結(jié)果中，川麥42對(duì)川麥104的遺傳貢獻(xiàn)率分別為52.26%、54.63%和64.65%?？傮w來(lái)看，隨著SNP標(biāo)記數(shù)目的增加，川麥104背景中的偏親遺傳選擇現(xiàn)象越來(lái)越不明顯，更接近于理論值(50%)，這可能與SNP標(biāo)記遠(yuǎn)較SSR和DArT標(biāo)記數(shù)目多，且在各條染色體上的分布更均勻有關(guān)。但從小麥21條染色體分布結(jié)果來(lái)看，來(lái)源于川麥42的等位位點(diǎn)在7A、1B、2B、5B、1D和5D染色體上分布較多，而來(lái)源于川農(nóng)16的等位位點(diǎn)在6A、3B和4B染色體上分布較多，這也說(shuō)明在川麥104的雜交和育種選擇過(guò)程中，通過(guò)較大染色體片段發(fā)生遺傳傳遞的現(xiàn)象非常普遍，這表明骨干親本的區(qū)段遺傳和選擇牽連效應(yīng)在育種上具有十分重要的意義，對(duì)某一表型性狀的定向改良是導(dǎo)致后代遺傳信息發(fā)生偏親遺傳的主要原因。

近年來(lái)，隨著高通量測(cè)序和高密度基因芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，SNP標(biāo)記因其高效的檢測(cè)效率和不斷降低的成本，逐步成為小麥基因組學(xué)和群體遺傳學(xué)方面研究的主流。Sun等[21]系統(tǒng)評(píng)估了小麥分子育種領(lǐng)域常用的7種SNP基因芯片(9K、15K、35K、55K、90K、660K、820K)，認(rèn)為小麥660K SNP基因芯片包含具有準(zhǔn)確物理位置的基因組特異SNP位點(diǎn)數(shù)目最高(99.05%)，且有229 266個(gè)SNP標(biāo)記位于66 834(63.52%)個(gè)注釋基因內(nèi)或其啟動(dòng)子區(qū)域，這些注釋基因幾乎包含所有其他常用芯片檢測(cè)到的注釋基因，因此，小麥660K芯片在一定程度上可以替代其他6種芯片。本研究結(jié)果也表明，3種基因芯片檢測(cè)結(jié)果具有一定共性趨勢(shì)，而小麥660K和50K基因芯片的檢測(cè)結(jié)果相似度更高，這可能與二者SNP標(biāo)記數(shù)目多、分布相對(duì)均勻，且在設(shè)計(jì)時(shí)均參考了最新相關(guān)小麥基因組的測(cè)序結(jié)果有關(guān)。小麥50K SNP基因芯片因能直接讀出部分常見(jiàn)功能基因的分型結(jié)果，有利于進(jìn)行分子標(biāo)記輔助育種選擇，在一定程度上可作為小麥660K SNP基因芯片的有益補(bǔ)充。

表3 川麥104及其雙親(川麥42和川農(nóng)16)的功能基因分型Table 3 Functional genotyping of Chuanmai 104 and its parents(Chuanmai 42 and Chuannong 16)

川麥104中絕大多數(shù)的優(yōu)良等位基因均同時(shí)繼承雙親川麥42和川農(nóng)16。本研究中，川麥104與高千粒重性狀相關(guān)的基因除TaGS5-A1外，均同時(shí)繼承了雙親，這與李 俊等[4]利用SSR和DArT標(biāo)記發(fā)現(xiàn)川麥104同時(shí)繼承雙親中具有增加千粒重QTL等位位點(diǎn)的結(jié)論一致。本研究表明，川麥104具有正向控制千粒重的基因(TaSus2-2A[22]、TaGS5-3A[23]、TaTGW-7A[24]、TaGASR-7A[25]、TaGW2-6B[26]、TaSus1-7B[27]、TaGS-D1[28])、抗病基因(Sr36[29]、Sr2[30]、Lr67[31]等)、抗穗發(fā)芽基因(TaPHS1[32]、Vp1Bb[33])以及抗旱基因(TaDreb-B1a[34]、1-feh w3[35])，正是以上基因的聚合效應(yīng)，使得川麥104的綜合表現(xiàn)優(yōu)于雙親。以四川省區(qū)試結(jié)果為例，川麥104平均千粒重為49.9 g，高于親本川麥42(49.3 g)和川農(nóng)16(42.0 g)；且抗病性突出，高抗條銹病和白粉病(川麥42感白粉病，川農(nóng)16感條銹病)。本研究闡明了川麥104在產(chǎn)量、抗性等各方面表現(xiàn)優(yōu)良的分子基礎(chǔ)，也為我國(guó)西南麥區(qū)的分子標(biāo)記輔助育種提供理論依據(jù)。鑒于小麥50K SNP基因芯片僅包含135個(gè)功能基因信息，川麥104中尚有更多其他有益基因資源可供發(fā)掘利用。

4 結(jié) 論

3種小麥基因芯片掃描結(jié)果顯示，川麥104中與雙親相同的共有等位變異位點(diǎn)數(shù)目遠(yuǎn)多于其他類(lèi)型位點(diǎn)。川麥104中來(lái)源于雙親的SNP位點(diǎn)在染色體A、B和D基因組中分布不均勻，在D基因組中來(lái)源于川麥42的遺傳位點(diǎn)多于川農(nóng)16。來(lái)源于川麥42的等位位點(diǎn)在7A、1B、2B、5B、1D和5D染色體上分布較多(遺傳貢獻(xiàn)率≥70%)，其中在7A染色體上遺傳貢獻(xiàn)率超過(guò)90%；來(lái)源于川農(nóng)16的等位位點(diǎn)在6A、3B和4B染色體上分布較多(遺傳貢獻(xiàn)率≥70%)，其中在6A和4B染色體上遺傳貢獻(xiàn)率超過(guò)90%。功能基因分型結(jié)果表明，川麥104中絕大多數(shù)的優(yōu)良等位基因均同時(shí)繼承了雙親川麥42和川農(nóng)16，在少部分重要性狀上，川麥104還分別繼承了雙親中的優(yōu)良等位基因。