高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)中強筋小麥新品種豫豐11的遺傳構(gòu)成及其特異區(qū)段解析

陳曉杰, 范家霖, 程仲杰, 楊 科, 楊保安, 張福彥, 王嘉歡, 張建偉, 王 浩

(1.河南省科學(xué)院同位素研究所有限責(zé)任公司/河南省核農(nóng)學(xué)重點實驗室, 鄭州 450015;2.鄭州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站, 鄭州 450006; 3.河南省豫豐種業(yè)有限公司, 鄭州 450008)

小麥是重要的糧食作物之一,小麥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展直接關(guān)系到糧食安全和社會穩(wěn)定,優(yōu)良新品種對小麥增產(chǎn)的貢獻率超過30%,為我國小麥連年豐收提供了關(guān)鍵支撐。準確掌握新育成品種的特征特性、遺傳構(gòu)成將有助于其遺傳改良和栽培推廣。系譜分析可大致判斷品種間的親緣關(guān)系,但難以準確量化品種內(nèi)在遺傳關(guān)系和遺傳物質(zhì)傳遞規(guī)律,制約了新品種的遺傳改良和生產(chǎn)應(yīng)用[1]。分子生物學(xué)的發(fā)展和各種分子標記技術(shù)的開發(fā),為在DNA水平研究品種間的遺傳關(guān)系提供了新方法。王珊珊等[2]和亓佳佳等[3]分別利用SSR標記分析了矮孟牛及其衍生品種(系)和小偃6號及衍生品種(系)的遺傳多樣性;楊子博等[4]利用SSR標記分析了淮麥33及其雙親的遺傳關(guān)系和遺傳物質(zhì)傳遞規(guī)律;曹廷杰等[5],孔子明和宋曉明[6]分別利用90K SNP芯片分析了河南省96 個小麥品種的遺傳多樣性和周麥16的分子遺傳構(gòu)成;高艷等[7]和吳勝男等[8]分別利用小麥55K芯片分析了周麥22及其衍生品種的遺傳多樣性和親本對陜農(nóng)33的遺傳貢獻率;陳曉杰等[9]利用小麥50K SNP育種芯片,不僅分析了鄭品麥24號和鄭品優(yōu)9號的遺傳構(gòu)成,而且明確了其重要性狀功能基因的組成。利用分子標記技術(shù)可準確解析小麥新品種的遺傳構(gòu)成和品種間的遺傳關(guān)系,進而對小麥品種進行針對性的改良。

目前,我國已開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、不受其他專利技術(shù)制約、不依賴特定檢測設(shè)備的靶向測序基因型檢測(Genotyping By Target Sequencing,GBTS)技術(shù)體系,具有檢測效率高、成本低、適應(yīng)性廣等特點,可廣泛應(yīng)用于遺傳進化分析、種質(zhì)資源DNA鑒定及評價、遺傳圖譜構(gòu)建、基因定位等研究[11-14]。豫豐11是河南省科學(xué)院同位素研究所以半冬性、超高產(chǎn)、多抗、廣適黃淮區(qū)試對照小麥品種周麥18號為母本,以半冬性、矮稈抗倒、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、多抗廣適小麥主栽品種矮抗58的矮稈、大穗、早熟突變體豫同198為父本進行有性雜交,利用60Co-γ射線對雜交F0代干種子進行輻照處理,從F3世代開始對重要品質(zhì)指標進行連續(xù)定向跟蹤檢測選育而成的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、廣適、優(yōu)質(zhì)中強筋小麥新品種。豫豐11于2018年5月通過國家農(nóng)作物品種審定委員會審定(國審麥20180017),在生產(chǎn)中表現(xiàn)突出,市場推廣潛力較大[15]。因此,本研究利用小麥16K液相芯片,對豫豐11及其父母本進行分子檢測,旨在明確該品種遺傳基礎(chǔ),為其遺傳改良和生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

豫豐11及其母本周麥18和父本豫同198,均由河南省科學(xué)院同位素研究所(河南省核農(nóng)學(xué)重點實驗室)小麥誘變育種團隊保存、提供。

1.2 基因組DNA提取及SNP芯片分析

選取每個小麥品種的幼嫩葉片,采用高通量DNA提取試劑盒提取樣品DNA,并使用1%瓊脂糖凝膠電泳方法分析DNA的純度和完整性,使用Qubit對DNA濃度進行準確定量。委托石家莊博瑞迪生物技術(shù)有限公司進行基于16K GBTS靶向測序基因型分型。

1.3 遺傳貢獻率分析及基因型圖譜繪制

首先剔除雜合或缺失的SNP位點,保留親本和子代中純合SNP位點用來遺傳貢獻率分析。根據(jù)純合多態(tài)性SNP位點數(shù)計算雙親遺傳物質(zhì)對子代的遺傳貢獻率,豫豐11與母本的SNP位點相同且與父本SNP位點不同時,認為該SNP位點由母本提供,反之由父本提供,而與雙親均存在差異的SNP位點則由60Co-γ 誘變產(chǎn)生。突變貢獻率為子代與雙親均不相同的SNP位點占總位點數(shù)的比例;某一親本對子代的遺傳貢獻率為子代中與該親本相同的多態(tài)性位點數(shù)占總雙親總位點總數(shù)的百分比。

利用GGT2.0軟件[16],根據(jù)確切染色體位置信息的SNP標記繪制豫豐11及親本的SNP基因型圖譜,根據(jù)親本中SNP標記的差異賦予不同的顏色,豫豐11與親本標記的異同賦予相應(yīng)的顏色。

2 結(jié)果分析

2.1 雙親對豫豐11的遺傳貢獻率

通過小麥16K SNP液相芯片分型,在豫豐11及其雙親周麥18和豫同198間共檢測到13 411個純和SNP位點,A、B、D基因組分別包含5 201,5 329,2 881個純合SNP位點(表1)。其中D基因組SNP位點數(shù)較少,但以每Mb窗口大小在染色體滑動統(tǒng)計窗口內(nèi)的SNP個數(shù),圖形化展示SNP的數(shù)量在染色體上的分布(圖1);發(fā)現(xiàn)研究所用的SNP位點覆蓋了染色體的絕大多數(shù)區(qū)段且SNP密度相對一致,表明所用SNP在染色體上分布均勻度較好。

圖1 所用SNP位點在染色體上的分布Fig.1 Distribution of SNP sites on chromosomes used

表1 雙親對豫豐11的遺傳貢獻率Table 1 The genetic contribution from parents to Yufeng11

在13 411個純合SNP位點中,多態(tài)性SNP位點3 434個,多態(tài)性位點比例25.61%(表1)。3個基因組的21條染色體均存在多態(tài)性位點,但不同基因組及不同染色體間多態(tài)性位點數(shù)和比例差異較大。B基因組多態(tài)性位點最多(1 746個),多態(tài)性位點比例也最高(32.76%);A基因組次之,包含了1 368個多態(tài)性位點,多態(tài)性位點比例為26.30%;D基因組多態(tài)性位點數(shù)最少(320個),多態(tài)性位點比例也最低(11.11%)。在染色體水平,2A染色體多態(tài)性位點數(shù)最多(501個)、多態(tài)性位點比例也最高,達到53.64%,5B多態(tài)性位點比例次之(41.1%),5A、6A、1B、6B和7B染色體的多態(tài)性位點比例也較高(>30%),表明雙親在這些染色體上遺傳差異較大;1D染色體多態(tài)性位點比例最低(1.96%),其次是4A、3D、7D染色體(多態(tài)性位點比例均<10%),1A、3A、7A、4B、2D、4D、5D、6D染色體多態(tài)性位點比例介于10%～20%,表明雙親在這些染色體上遺傳差異較小;其余染色體多態(tài)性位點比例介于20%～30%之間。

從全基因組水平看,豫豐11中有1 905個多態(tài)性SNP位點來源于母本周麥18,1 488個位點來源于父本豫同198,此外還有41個位點與雙親均不一致(表1)。突變貢獻率為0.31%,而周麥18和豫同198對豫豐11的遺傳貢獻率分別為55.97%和43.72%,整體上,周麥18對豫豐11的遺傳貢獻率大于豫同198。在基因組水平,雙親對豫豐11的貢獻率差異較大;在A 基因組上,周麥18對豫豐11的遺傳貢獻率遠大于豫同198,達到76.69%;而在B、D基因組,豫同198對豫豐11的遺傳貢獻率超過了周麥18,分別達到57.34%和57.50%;此外在B基因組存在0.73%的突變位點。

進一步在染色體水平分析豫豐11的遺傳構(gòu)成,發(fā)現(xiàn)不同染色體間變化巨大(表1,圖2)。周麥18對豫豐11不同染色體的遺傳貢獻率范圍為1.71%～100%,其中對4B、3D、6D染色體的貢獻率為100%,對2A、3A、5A、6A、5B染色體的貢獻率超過了70%,對4A、3B、1D染色體的貢獻率分別為55.17%,68.37%和55.56%。豫同198對豫豐11不同染色體的遺傳貢獻率范圍為0～98.29%,其中對6B、7B、4D上的貢獻率超過了95%,對7A、2B、2D、5D、7D染色體的貢獻率超過了70%。周麥18和豫同198對1A染色體的遺傳貢獻大致相當,分別為50.62%和49.38%的遺傳物質(zhì)。而與雙親均不一致的SNP位點富集在2B(22個)、3B(14個)染色體,此外5A、1B、5B染色體也分別存在2,1,2個多態(tài)性位點。

注:灰色表示三者相同區(qū)段;紅色表示周麥18區(qū)段;藍色表示豫同198區(qū)段;黃色表示豫豐11特異區(qū)段。圖2 豫豐11的21條染色體SNP基因型圖譜Fig.2 SNP genotype map on 21 chromosomes of Yufeng11

2.2 來源于雙親的染色體區(qū)段

依據(jù)13 411個SNP的位置信息,利用GGT 2.0軟件繪制了豫豐11的SNP基因型圖譜(圖2)。來自不同親本的多態(tài)性SNP富集在染色體的不同區(qū)段,表明雙親在染色體上的差異呈區(qū)段分布。在豫豐11的21條染色體上,存在87個來自雙親的多態(tài)性SNP富集區(qū)段(物理距離大于10 Mb,SNP位點組合只與某一親本相同),其中45個染色體區(qū)段來源于周麥18,42個區(qū)段源于豫同198。最大的染色體區(qū)段是2A(156.62～473.52 Mb),該區(qū)段包含了354個來自周麥18的多態(tài)性SNP,占該區(qū)段純合SNP總數(shù)(389個)的91.0%,占染色體總多態(tài)性位點的10.31%,也是多態(tài)性SNP富集度最高的區(qū)段;其次是6B染色體區(qū)段(240.08～561.01 Mb),該區(qū)段共340個SNP位點,其中包含245個來源于豫同198的多態(tài)性SNP位點。

2.3 豫豐11特異染色體區(qū)段分析

分析豫豐11的SNP基因型圖譜(圖2),發(fā)現(xiàn)3個突變位點富集的染色體區(qū)段(2B 654.53～664.41 Mb、2B 677.79～680.01 Mb和3B 796.01～810.73 Mb),分別包含了8個、8個和14個突變SNP位點,占對應(yīng)染色體區(qū)段總位點的66.67%(12個)、88.89%(9個)和70.0%(20個),占染色體總突變位點數(shù)的73.17%。

3 討 論

利用小麥16K液相芯片對豫豐11及其父母本進行分子檢測,揭示了豫豐11的分子遺傳構(gòu)成,發(fā)現(xiàn)母本周麥18對豫豐11的遺傳貢獻率(55.97%)大于父本豫同198(43.72%),這與前人利用分子標記研究后代對遺傳物質(zhì)多偏向某一親本的現(xiàn)象相一致,淮麥33大部分遺傳信息(73.9%)來自母本煙農(nóng)19[4],周8425B對周麥16的遺傳貢獻率為64.32%[6],雙親陜農(nóng)981和新麥18對陜農(nóng)33的遺傳貢獻率分別占52.72%和46.38%[8],鄭品麥24號82.40%的遺傳物質(zhì)來源于父本豫同194[10]。發(fā)生這種遺傳現(xiàn)象的原因可能與親本選用和后代選擇有關(guān)。選擇骨干親本或當?shù)刂髟云贩N作為親本之一是雜交育種親本選擇和組配的普遍原則。這些骨干親本較另一親本擁有更多的優(yōu)點,而主栽品種對當?shù)刈匀粭l件和栽培條件有更好的適應(yīng)性。當雜交組合之一是骨干親本或當?shù)刂髟云贩N時,后代選擇常會保留了更多的骨干品種或主栽品種的遺傳物質(zhì),如煙農(nóng)19、豫同194(周麥18優(yōu)系)均是當?shù)刂髟云贩N或骨干親本,后代品種的遺傳物質(zhì)會發(fā)生嚴重的偏分離,來自某一親本的遺傳物質(zhì)超過66.67%。當雜交雙親均為骨干親本、當?shù)刂髟云贩N或雙親優(yōu)缺點比較均衡時,后代品種來自雙親的遺傳物質(zhì)相對比較接近,如周麥18和豫同198(AK58突變系)均為河南主栽高產(chǎn)品種、陜農(nóng)981和新麥18分別為陜西和河南主栽品種,單交親本對后代的遺傳貢獻率均未超過60%。

理論上,單交組合選用的后代品種所有遺傳物質(zhì)都應(yīng)來源于雙親,但實際研究發(fā)現(xiàn),雜交后代常會出現(xiàn)一些不同于親本的特異位點。淮麥33 的特異位點比例為10.4%[4],鄭品麥24號存在2.93%的特異位點[10],周麥23的特異位點比例為5.0%[17]。產(chǎn)生特異位點的原因之一是在選擇育種的不同世代發(fā)生了基因重組及小概率的自然突變,產(chǎn)生了堿基突變、插入、缺失或多個堿基的顛換和置換等變異,但理論上出現(xiàn)這些變異比例應(yīng)該較低;另一原因可能是研究分析所用的實驗材料與十幾年前雜交所用的育種材料有一定出入,雜交育種后代發(fā)生了天然雜交、親本出現(xiàn)了變異或新系。本研究發(fā)現(xiàn),豫豐11也存在極小比例(0.31%)的特異位點,主要富集于2B和3B染色體3個染色體區(qū)段。但豫豐11選育時利用60Co-γ射線對雜交F0代干種子進行輻照處理,理論上出現(xiàn)變異位點的概率要高于自然變異,同時豫豐11的特異位點主要集中在個別染色體的特定區(qū)段,因此豫豐11的特異位點大概率是人工誘變產(chǎn)生的。這種將人工誘變技術(shù)與傳統(tǒng)雜交技術(shù)相結(jié)合,能有效打破不良基因連鎖,促進更廣泛的基因重組,還可以創(chuàng)造新基因,增加變異頻率,能發(fā)揮不同技術(shù)途徑的技術(shù)優(yōu)勢,對小麥新品種遺傳改良具有一定的促進作用。

4 結(jié) 論

本研究繪制了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)中強筋小麥品種豫豐11的SNP基因型圖譜,明確了其遺傳構(gòu)成,母本周麥18對豫豐11的遺傳貢獻率(55.97%)大于父本豫同198(43.72%)。豫豐11存在不同于雙親的0.31%特異位點,明確了這些特異位點的分布,并初步判斷這些特異位點是由60Co-γ射線輻射誘變產(chǎn)生的。