優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥新麥45的遺傳基礎(chǔ)解析

楊瑞晗， 宋曉朋， 孔子明， 趙 莉

(1.駐馬店市農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 河南 駐馬店 463000； 2.駐馬店市遂平縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局， 河南 遂平 463100)

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要的口糧作物，優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效是小麥遺傳育種的重要目標(biāo)。隨著小麥供給側(cè)改革的推進(jìn)，在穩(wěn)定產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，逐步提高新品種的品質(zhì)是今后優(yōu)質(zhì)小麥品種選育的重要途徑[1]。選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)多抗廣適的小麥新品種對(duì)于提高小麥品質(zhì)，滿足小麥產(chǎn)業(yè)化需求具有重要意義。許多育種家對(duì)優(yōu)質(zhì)小麥組合的配制進(jìn)行研究，如濟(jì)麥44是以兩個(gè)具有高產(chǎn)性狀的優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋型親本進(jìn)行組合配制選育出的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥新品種，但較少研究從分子水平上對(duì)小麥品種的遺傳基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

隨著小麥測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，高密度SNP標(biāo)記為小麥遺傳圖譜的構(gòu)建、主要農(nóng)藝性狀基因的發(fā)掘和親本材料的基因檢測(cè)提供了有效的技術(shù)支持[2-3]。李玉剛等[4]利用SSR標(biāo)記和90 K SNP標(biāo)記從基因組水平上對(duì)青農(nóng)2號(hào)的遺傳構(gòu)成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)魯麥14在大多數(shù)染色體上對(duì)青農(nóng)2號(hào)具有較高的遺傳貢獻(xiàn)率；吳勝男等[5]通過小麥55 K SNP芯片對(duì)陜農(nóng)33進(jìn)行遺傳解析發(fā)現(xiàn)，陜農(nóng)981的遺傳貢獻(xiàn)率稍大于新麥18；陳曉杰等[6]通過小麥50 K SNP芯片分析了鄭品優(yōu)9號(hào)的遺傳基礎(chǔ)，結(jié)果表明，鄭麥366在B基因組上具有較高的遺傳貢獻(xiàn)。這些研究表明，分子標(biāo)記已經(jīng)成為鑒定品種遺傳構(gòu)成的重要技術(shù)工具。

新麥45是新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育出的優(yōu)質(zhì)超強(qiáng)筋小麥新品種。新麥45母本為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥品種新麥26，山東省優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥濟(jì)麥20為父本。本研究利用小麥55 K SNP芯片對(duì)新麥45及雙親品種進(jìn)行掃描，從全基因組水平上對(duì)新麥45的遺傳構(gòu)成進(jìn)行分析，以期為優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥選育和材料選用提供選擇信息。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料新麥45及其雙親新麥

26和濟(jì)麥20均由西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。

1.2 55 K SNP芯片分型

供試品種選取幼嫩的葉片，根據(jù)Porebski等[7]的方法提取葉片DNA，DNA的質(zhì)量通過1%的瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè)，濃度用NanoDropND-1 000進(jìn)行測(cè)定。利用55 K SNP芯片對(duì)供試品種進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)工作由北京博奧經(jīng)典生物技術(shù)有限公司完成。通過Excel軟件對(duì)供試品種檢測(cè)出的SNP位點(diǎn)進(jìn)行篩選，最終有49 722個(gè)有效SNP位點(diǎn)用于試驗(yàn)研究分析。

1.3 親本遺傳貢獻(xiàn)率分析及遺傳型圖譜的構(gòu)建

通過篩選得到的SNP位點(diǎn)，根據(jù)新麥45雙親間SNP位點(diǎn)的差異對(duì)標(biāo)記進(jìn)行進(jìn)一步篩選來計(jì)算親本的遺傳貢獻(xiàn)率。如果新麥26的SNP分型結(jié)果與新麥45的相同，則認(rèn)為該SNP位點(diǎn)是新麥26的遺傳貢獻(xiàn)位點(diǎn)。親本對(duì)新麥45的遺傳貢獻(xiàn)率為某一親本遺傳貢獻(xiàn)位點(diǎn)的數(shù)量與雙親間多態(tài)性SNP位點(diǎn)總數(shù)的百分比。根據(jù)親本SNP分型結(jié)果的異同賦予不同的顏色，按照SNP標(biāo)記在不同染色體上的位置順序進(jìn)行排列[8]，利用Origin 2018和GGT 2.0軟件[9]繪制柱形圖和周麥32的基因型圖譜。

2 結(jié)果分析

2.1 新麥45親本全基因組SNP標(biāo)記分析

在49 722個(gè)有效SNP標(biāo)記中，各染色體標(biāo)記分布較為均衡(圖1)，4 D染色體SNP標(biāo)記數(shù)目最少，只有1 095個(gè)。親本新麥26和濟(jì)麥20表型多態(tài)性的SNP位點(diǎn)有18 457個(gè)，占全部標(biāo)記的37.12%，在不同染色體上多態(tài)性SNP標(biāo)記差異較大，其中，2 A染色體上差異SNP標(biāo)記最多(1 561)，占該染色體標(biāo)記數(shù)目的60.02%，其次是2 D(1 266)和5 A(1 264)，4 D染色體差異性SNP標(biāo)記最少，有213個(gè)；不同基因組多態(tài)性SNP位點(diǎn)數(shù)量差別較大，A基因組最多(7 309)，其次是B基因組(6 490)和D基因組(4 658)。新麥45與親本相同的SNP位點(diǎn)在染色體上分布差別較大，7 D、4 B、4 A和6 B染色體一致性SNP標(biāo)記較多，1 B和4 D染色體上一致性SNP標(biāo)記較少，從基因組水平上看，B基因組存在較多的一致性SNP標(biāo)記，其次是D基因組和A基因組。

圖1 新麥45及親本SNP位點(diǎn)在不同染色體上的分布 Fig.1 The distribution for SNP loci of Xinmai 45 and its parent on different chromosomes

2.2 新麥45的遺傳構(gòu)成分析

親本新麥26對(duì)新麥45的遺傳貢獻(xiàn)率為62.28%，高于濟(jì)麥20的遺傳貢獻(xiàn)率(37.72%)，這說明兩親本在后代遺傳物質(zhì)分配中發(fā)生了嚴(yán)重的分離，新麥45遺傳了新麥26更多的遺傳物質(zhì)。分析雙親在染色體和基因組水平上對(duì)新麥45的遺傳貢獻(xiàn)率(圖2)，發(fā)現(xiàn)在基因組水平上兩親本的遺傳貢獻(xiàn)率存在一定程度的不均衡，新麥26在B基因組和D基因組上的遺傳貢獻(xiàn)率較高，分別為71.43%和74.25%；而濟(jì)麥20在A基因組上遺傳貢獻(xiàn)率(53.54%)高于新麥26(46.46%)。在不同染色體上，雙親對(duì)新麥45的遺傳貢獻(xiàn)率變化較大，新麥26在較多染色體上對(duì)新麥45的遺傳貢獻(xiàn)率較大，在1 B、1 D、2 B、2 D、4 B、5 A、5 B、5 D、7 B染色體上新麥26的遺傳貢獻(xiàn)率超過了80%；在2 A染色體上濟(jì)麥20的遺傳貢獻(xiàn)率達(dá)到了90.71%，在6 A、6 B和6 D染色體上新麥45獲得了更多濟(jì)麥20的遺傳物質(zhì)，而在3 B染色體上兩親本對(duì)新麥45的遺傳貢獻(xiàn)率相差不大。

圖2 新麥26和濟(jì)麥20在染色體上對(duì)新麥45的遺傳貢獻(xiàn)率Fig.2 The genetic contribution ratio of Xinmai 26 and Jimai 20 on chromosome to Xinmai 45

2.3 新麥45來源于雙親的遺傳區(qū)段

參考小麥55 K SNP芯片物理圖譜標(biāo)記位置信息，通過GGT 2.0軟件繪制新麥45基因型圖譜(圖3)，將相鄰連續(xù)3個(gè)及以上SNP標(biāo)記且相對(duì)長(zhǎng)度大于1 Mb為染色體較大遺傳片段，利用Excel軟件對(duì)較大片段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總。在小麥21條染色體上較大遺傳片段中，新麥45來源于其親本的較大遺傳片段有556個(gè)，其中新麥26的較大遺傳片段(385個(gè))多于濟(jì)麥20。2 B、3 D、5 A、5 B、7 A、7 B染色體上來源于新麥26的較多遺傳片段較多，且都超過了30個(gè)；而在2 A、6 A、6 B染色體上新麥45遺傳了更多濟(jì)麥20的染色體較大遺傳片段，在4 A染色體上新麥45來源于雙親的較大遺傳片段相等且都有6個(gè)，在4 D染色體上新麥26貢獻(xiàn)了1個(gè)較大遺傳片段而濟(jì)麥20貢獻(xiàn)了2個(gè)。在基因組水平上，新麥26在A、B、D基因組貢獻(xiàn)了較多的較大遺傳片段，尤其是在B基因組上新麥45獲得更多的染色體較大遺傳片段(186個(gè))，比濟(jì)麥20(61個(gè))多。

注：紅色代表新麥26特異的區(qū)段；藍(lán)色代表濟(jì)麥20特異的區(qū)段；淺灰色代表新麥45、 新麥26和濟(jì)麥20共有的區(qū)段；黃色代表新麥45特異的區(qū)段。 圖3 新麥45的SNP標(biāo)記基因型圖譜 Fig.3 Genotype map of Xinmai 45 by SNP marker

2.4 新麥45特異SNP位點(diǎn)分布

通過比對(duì)新麥45與雙親的基因型，3 861個(gè)新麥45特異性SNP位點(diǎn)分布于21條染色體上，1 A、1 B、4 B染色體上特異性位點(diǎn)較多；2 A染色體上特異性位點(diǎn)最少，僅有11個(gè)。在A、B、D基因組中，新麥45特異性位點(diǎn)表現(xiàn)出B基因組(1 512)>A基因組(1 389)>D基因組(960)。

3 討論與結(jié)論

小麥55 K SNP芯片標(biāo)記數(shù)量多，在各條染色體上分布較為均勻，有效標(biāo)記檢測(cè)比例高，有很高的研究利用價(jià)值?？鬃用鞯萚10]利用90 K SNP芯片分析周麥16的遺傳構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)該芯片在D基因組染色上標(biāo)記密度較少，檢測(cè)效率較低。在本研究中新麥45及其親本在D基因組染色體有效標(biāo)記數(shù)量得到了極大的提高，尤其是在4 D染色體，這表明小麥55 K SNP標(biāo)記芯片能夠有效地對(duì)新麥45全基因組SNP位點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。

本研究發(fā)現(xiàn)，新麥26與濟(jì)麥20在不同染色體上對(duì)新麥45的遺傳貢獻(xiàn)率差別較大，如在5 A染色體上新麥26的遺傳貢獻(xiàn)率達(dá)到了96.99%，而濟(jì)麥20在2 A染色體上的遺傳貢獻(xiàn)率達(dá)90.71%。在全基因組范圍內(nèi)，新麥26的遺傳貢獻(xiàn)率為63.28%，從理論上分析，兩親本的遺傳貢獻(xiàn)率均為50%，這表明新麥45在全基因組和染色體水平上存在“偏向選擇”現(xiàn)象[11]。鄒少奎等[12]利用SSR標(biāo)記分析周麥23的遺傳構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，周麥13的遺傳貢獻(xiàn)率更大，李玉剛等[4]通過SSR和SNP標(biāo)記分析青農(nóng)2號(hào)親本的遺傳貢獻(xiàn)率表明，魯麥14在大多數(shù)染色體的遺傳貢獻(xiàn)率都高于其他親本，陳曉杰等[6]基于小麥50 K SNP標(biāo)記探究鄭品優(yōu)9號(hào)親本的遺傳貢獻(xiàn)率發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋親本鄭麥366的遺傳貢獻(xiàn)率更大。同樣，在本研究中也發(fā)現(xiàn)新麥45遺傳構(gòu)成有明顯的偏向選擇，其原因可能是育種家在品種選育過程中育種目標(biāo)是改良當(dāng)?shù)氐闹髟詮?qiáng)筋品種(如新麥26)，保留其更多的遺傳物質(zhì)，在選育過程中對(duì)目標(biāo)性狀進(jìn)行了定向選擇，選育出品種的遺傳信息更多地偏向定向親本。染色體區(qū)段遺傳是品種獲得親本遺傳信息的重要途徑[13]。在本研究中，統(tǒng)計(jì)分析了親本染色體的較大遺傳片段，新麥45在不同基因組上遺傳更多的新麥26的染色體較大片段，濟(jì)麥20在一些染色體上的較大遺傳片段多于新麥26(如2 A、6 A、6 B、6 D等染色體)，這也表明新麥45有偏向選擇的現(xiàn)象。此外，新麥45染色體上還存在較多的特異性SNP位點(diǎn)，這可能是新麥45具有優(yōu)良性狀的重要信息。