吳勝男，李英壯，王 娜，劉錄祥，謝彥周，王成社

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081)

小麥?zhǔn)鞘澜缟现匾募Z食作物之一，其品種的改良對(duì)小麥生產(chǎn)具有重要貢獻(xiàn)[1]。一些優(yōu)良的小麥品種往往表現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、抗病性強(qiáng)和適應(yīng)性廣等特點(diǎn)。在小麥品種改良過(guò)程中，育種家每年配制數(shù)百或上千個(gè)雜交組合，但往往依賴(lài)于少數(shù)幾個(gè)骨干親本，例如碧螞1號(hào)、小偃6號(hào)、矮孟牛、阿勃、勝利麥[2-4]。中國(guó)學(xué)者對(duì)骨干親本和大面積推廣品種的遺傳構(gòu)成及其在后代中的傳遞進(jìn)行了不少的研究，結(jié)果表明，骨干親本、大面積推廣品種的產(chǎn)量特性、品質(zhì)特性及其抗病性等受一些染色體區(qū)段控制；在后代品種選育的過(guò)程中，這些染色體區(qū)段具有較大的貢獻(xiàn)率，貢獻(xiàn)率較大的區(qū)段往往與產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)性狀QTL緊密連鎖[5]。

韓 俊等[6]分析了骨干親本燕大1817和勝利麥雜交組合對(duì)其衍生品種的遺傳貢獻(xiàn)率。李小軍等[7]利用SSR標(biāo)記分析了百農(nóng)AK58的遺傳構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)百農(nóng)AK58的多數(shù)特異位點(diǎn)與產(chǎn)量、抗病等重要農(nóng)藝性狀相關(guān)。肖永貴等[8]解析了周8425B及其衍生品種的遺傳構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)其衍生品種中攜帶的4個(gè)抗條銹病基因均來(lái)自周8425B[8]。李 俊等[9]利用SSR標(biāo)記解析了小麥新品種川麥104的遺傳構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)其同時(shí)聚合了雙親中具有增加千粒重的QTL位點(diǎn)。趙春華等[10]在冬小麥種質(zhì)矮孟牛7個(gè)類(lèi)型中，發(fā)現(xiàn)矮孟牛Ⅴ型特異基因組位點(diǎn)附近存在與株高、穗長(zhǎng)、單株粒重、千粒重等重要性狀相關(guān)的QTL，并推測(cè)這是Ⅴ型區(qū)別于其他姊妹系而被育種中廣泛應(yīng)用的遺傳基礎(chǔ)。楊子博等[11]利用SSR標(biāo)記明確了淮麥33更多的繼承了母本煙農(nóng)19的遺傳物質(zhì)。李玉剛等[12]利用SSR和SNP兩種分子標(biāo)記，揭示了親本對(duì)青農(nóng)2號(hào)的遺傳貢獻(xiàn)趨勢(shì)一致，兩親本向子代的遺傳信息傳遞以染色體大片段重組和整合為主要方式。

陜農(nóng)33是西北農(nóng)林科技大學(xué)與中國(guó)農(nóng)科院聯(lián)合選育的小麥優(yōu)良新品種，于2004年配制雜交組合，以當(dāng)時(shí)黃淮流域主栽小麥品種新麥18的航天誘變材料選系新麥18sp-28-14(主要表現(xiàn)弱冬性，中抗條銹病、白粉病，抗倒伏，適應(yīng)性廣泛，多花、多粒，結(jié)實(shí)性好，豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn))為母本，以小麥品系陜農(nóng)981的航天誘變中間材料陜農(nóng)981sp-12-16(主要表現(xiàn)品質(zhì)優(yōu)良、千粒重高、飽滿(mǎn)度好，目的是通過(guò)增大新麥18sp-28-14的籽粒提高產(chǎn)量)為父本，在田間選育的基礎(chǔ)上，應(yīng)用分子標(biāo)記輔助選擇育種。陜農(nóng)33于2012年通過(guò)陜西省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定，2017年通過(guò)河南省引種備案，2018年通過(guò)安徽省引種備案[13]。對(duì)目前在陜西、河南、安徽大力推廣的小麥新品種陜農(nóng)33的遺傳構(gòu)成進(jìn)行分析，可有助于育種家了解當(dāng)前推廣品種的遺傳規(guī)律，進(jìn)而有目的地指導(dǎo)品種改良。

基于上述原因，本研究利用小麥55K芯片對(duì)陜農(nóng)33以及雙親進(jìn)行全基因組掃描，從基因組水平上解析親本陜農(nóng)981和新麥18對(duì)陜農(nóng)33的遺傳貢獻(xiàn)及重要農(nóng)藝和品質(zhì)性狀相關(guān)QTL的遺傳規(guī)律，以期為小麥品種的改良及親本選配提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為陜農(nóng)33及其雙親陜農(nóng)981和新麥18，均由西北農(nóng)林科技大學(xué)小麥航天誘變育種實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 基因組DNA 提取

選取每個(gè)小麥品種的幼嫩葉片，采用CTAB法提取小麥基因組DNA，用NanoDrop ND-1000分光光度計(jì)檢測(cè)DNA濃度，并通過(guò)瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA樣品的質(zhì)量。

1.3 55K芯片分析

由北京博奧晶典生物技術(shù)有限公司完成iSelect Illumina 55K芯片分析，共獲得53 063個(gè)SNP位點(diǎn)。對(duì)分型結(jié)果整理后獲得50 430個(gè)有效SNP位點(diǎn)，其中，17 024個(gè)位點(diǎn)在親本陜農(nóng)981和新麥18之間表現(xiàn)多態(tài)性。

1.4 親本對(duì)陜農(nóng)33遺傳貢獻(xiàn)率的統(tǒng)計(jì)及陜農(nóng)33基因型圖譜的繪制

當(dāng)陜農(nóng)33的分型結(jié)果與陜農(nóng)981一致時(shí)計(jì)為陜農(nóng)981的貢獻(xiàn)位點(diǎn)，當(dāng)陜農(nóng)33分型結(jié)果與新麥18一致時(shí)計(jì)為新麥18的貢獻(xiàn)位點(diǎn)。某一親本對(duì)陜農(nóng)33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GGT 2.0軟件(http://www.ggt.com-about.com/download.html)繪制陜農(nóng)33的基因型圖譜[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 陜農(nóng)33親本基因組差異分析

50 430個(gè)有效SNP標(biāo)記的掃描結(jié)果顯示，親本間遺傳信息有差異，其中，多態(tài)性位點(diǎn)10 724個(gè)，占21.27%。從不同基因組分子標(biāo)記分布來(lái)看，SNP標(biāo)記在A、B、D基因組上均表現(xiàn)為兩親本的相同位點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)多于差異位點(diǎn)數(shù)(圖1)，其中，B基因組的差異位點(diǎn)數(shù)所占比例最多，為 36.52%，其次為A基因組(32.48%)，最少的為D基因組(31.97%)。

圖1 陜農(nóng)981和新麥18 SNP位點(diǎn)的異同比例和染色體組分布Fig.1 Percentage and genomic distribution of the identical and different SNP loci between Shaannong 981 and Xinmai 18

2.2 陜農(nóng)981和新麥18對(duì)陜農(nóng)33的遺傳貢獻(xiàn)

全基因組掃描結(jié)果(圖2和表1)發(fā)現(xiàn)，陜農(nóng)981對(duì)陜農(nóng)33的遺傳貢獻(xiàn)略大于新麥18，其中，陜農(nóng)981和新麥18傳遞至陜農(nóng)33的SNP位點(diǎn)數(shù)分別占52.72%和46.38%。

在基因組水平上來(lái)看，兩親本對(duì)陜農(nóng)33的遺傳貢獻(xiàn)率存在一定的不均衡，其中，陜農(nóng)981在B和D兩個(gè)基因組水平上的遺傳貢獻(xiàn)率較高，分別為64.5%和51.2%；而新麥18在A基因組的遺傳貢獻(xiàn)率較高，為58.7%。從染色體水平上來(lái)看，兩親本對(duì)陜農(nóng)33的遺傳貢獻(xiàn)率差異較大。在1A染色體上，陜農(nóng)981的遺傳貢獻(xiàn)率為98.2%，而新麥18為1.5%，另外，陜農(nóng)981在3A、4A、6A、1B、2B、5B、6B、7B、1D、5D和7D染色體上遺傳貢獻(xiàn)率均超過(guò)50%，在1A、7B、1D染色體上遺傳貢獻(xiàn)率超過(guò)90%；而新麥18在此之外的9條染色體上遺傳貢獻(xiàn)率超過(guò)50%，在2A和4B染色體上遺傳貢獻(xiàn)率超過(guò)90%。

2.3 陜農(nóng)33來(lái)源于雙親的染色體區(qū)段

根據(jù)陜農(nóng)33和雙親的55K SNP芯片的分型結(jié)果，利用GGT 2.0繪制陜農(nóng)33的基因型圖譜(圖2)，在陜農(nóng)33的21條染色體上，來(lái)源于雙親的染色體區(qū)段(遺傳距離大于5 cM)有37個(gè)，包含189個(gè)位點(diǎn)，37個(gè)染色體區(qū)段中來(lái)源于陜農(nóng)981的為18個(gè)，來(lái)源于新麥18的為19個(gè)；其中，在7A染色體上來(lái)源于新麥18的染色體區(qū)段最多，共有6個(gè)，而在2A、3A、1B、3B、2D、4D染色體上檢測(cè)到的區(qū)段均來(lái)自新麥18；在6B染色體上來(lái)源于陜農(nóng)981的區(qū)段較多，共有4個(gè)，在1A、6B、7B、3D、5D、6D、7D染色體上檢測(cè)到的區(qū)段均來(lái)自陜農(nóng)981，僅在4A、5A和7A染色體上同時(shí)檢測(cè)到來(lái)自雙親的區(qū)段。

2.4 陜農(nóng)33的特異染色體位點(diǎn)

比較陜農(nóng)33與2個(gè)親本SNP位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在小麥21條染色體上共154個(gè)SNP標(biāo)記與兩親本不同(圖2)。陜農(nóng)33在6B染色體上的特異位點(diǎn)最多，為39個(gè)；其次為6D染色體，為19個(gè)，最少的是3A和4D染色體，僅有一個(gè)特異位點(diǎn)。

2.5 雙親農(nóng)藝性狀及品質(zhì)相關(guān)QTL對(duì)陜農(nóng)33的貢獻(xiàn)

利用陜農(nóng)981和新麥18構(gòu)建的RIL群體在2年3個(gè)環(huán)境下的農(nóng)藝和品質(zhì)相關(guān)性狀的表型數(shù)據(jù)，對(duì)其全基因組農(nóng)藝和品質(zhì)相關(guān)QTL進(jìn)行了掃描(表2)，發(fā)現(xiàn)陜農(nóng)33在2B、2D、3B、4D和6A染色體上有11個(gè)與農(nóng)藝和品質(zhì)性狀相關(guān)的QTL，其中，3個(gè)來(lái)源于新麥18，8個(gè)來(lái)源于陜農(nóng)981。在2B染色體上，來(lái)源于陜農(nóng)981的Qgpc2B、Qwgc2B-2、Qgsc2B-2、Qsv2B、Qdst2B-1和Qdst2B-2對(duì)陜農(nóng)33的蛋白質(zhì)含量、面筋含量、淀粉含量、沉降值和穩(wěn)定時(shí)間等品質(zhì)性狀具有正向促進(jìn)作用。在6A染色體上，來(lái)源于陜農(nóng)981的Qfy6A對(duì)陜農(nóng)33的出粉率具有增效作用。在3B染色體上，來(lái)源于新麥18的Qmr3B對(duì)陜農(nóng)33的最大抗延阻力具有正向促進(jìn)作用。在4D染色體上，來(lái)源于新麥18的Qph4D-1和Qtfil4D對(duì)陜農(nóng)33的株高和穗下節(jié)長(zhǎng)具有降低作用。在2D染色體上，來(lái)源于陜農(nóng)981的Qsl2D對(duì)陜農(nóng)33的穗長(zhǎng)、產(chǎn)量具有增效作用。

表1 陜農(nóng)981和新麥18的21條染色體對(duì)陜農(nóng)33的遺傳貢獻(xiàn)Table 1 Genetic contribution of Shaannong 981 and Xinmai 18 to Shaannong 33 with SNP on 21 chromosomes

紅色：新麥18區(qū)段；藍(lán)色：陜農(nóng)981區(qū)段；灰色：新麥18和陜農(nóng)981相同區(qū)段；黑色：陜農(nóng)33特異區(qū)段。

表2 陜農(nóng)33來(lái)源于雙親的重要QTLTable 2 Important QTL of Shaannong 33 from parents

3 討 論

小麥品種改良是育種家有目的、有計(jì)劃地定向改良小麥的過(guò)程[15]。高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病、抗逆等質(zhì)量或數(shù)量性狀已經(jīng)成為育種家選擇的目標(biāo)。本研究對(duì)陜農(nóng)33的遺傳構(gòu)成分析表明，來(lái)自陜農(nóng)981的基因組遺傳信息(52.71%)略大于新麥18(46.38%)，這與前人利用SSR分子標(biāo)記對(duì)小麥的研究中常常出現(xiàn)子代遺傳物質(zhì)偏向于某一親本的現(xiàn)象不同[6-9]，如淮麥33中73.9%的遺傳物質(zhì)來(lái)源于單交親本煙農(nóng)19[11]，川麥104中60.8%的遺傳物質(zhì)來(lái)源于單交親本川麥42[9]，周麥23中63.3%的遺傳物質(zhì)來(lái)源于單交親本周麥13[16]。Bernardo[17]研究表明，單交親本對(duì)后代的遺傳貢獻(xiàn)率為0.26%～0.74%，與本研究的結(jié)果一致。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)，陜農(nóng)33親本間重組事件在基因組水平上分布不均勻。在1A染色體上，遺傳信息絕大多數(shù)來(lái)自陜農(nóng)981，僅在染色體端部少數(shù)位點(diǎn)發(fā)生重組；7B和1D染色體上遺傳信息幾乎都來(lái)自陜農(nóng)981；2A和4B染色體上絕大部分遺傳信息都來(lái)自新麥18，極少數(shù)位點(diǎn)發(fā)生重組事件；重組較多的為3B、4A、3D等染色體。另外，還發(fā)現(xiàn)某些染色體上發(fā)生的重組主要在染色體的大片段之間。上述結(jié)果表明，陜農(nóng)33的選育過(guò)程中并未發(fā)生親本全基因組大范圍且均勻的交換重組，而是染色體較大片段間的交換，甚至是整條染色體的遺傳。這與Lai等[18]通過(guò)SNP完成的鄭麥58的遺傳組成圖譜揭示的染色體大片段遺傳傳遞現(xiàn)象一致。

本研究中，陜農(nóng)33的特異位點(diǎn)較多(107個(gè))，均高于淮麥33(38個(gè))[11]、周麥23號(hào)(7個(gè))[16]和百農(nóng)AK58(16個(gè))[7]，這些特異性位點(diǎn)可能來(lái)自于陜農(nóng)981和新麥18與航天誘變產(chǎn)生的陜農(nóng)981sp-12-16和新麥18sp-28-14之間的差異。由于航天誘變育種技術(shù)具有有益突變多、變異幅度大、頻率高等特點(diǎn)，可以引發(fā)小麥在DNA水平上發(fā)生變異(堿基替換、缺失、易位等)[19-21]。這些特異位點(diǎn)對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)性狀的作用，還需進(jìn)一步深入剖析。

4 結(jié) 論

本研究繪制了小麥品種陜農(nóng)33的基因型圖譜，明確了其遺傳構(gòu)成，陜農(nóng)981對(duì)陜農(nóng)33的遺傳貢獻(xiàn)略大于新麥18，符合1∶1理論值。陜農(nóng)33聚合了陜農(nóng)981和新麥18的農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀相關(guān)的QTL，其中，在品質(zhì)相關(guān)性狀中，來(lái)源于陜農(nóng)981的Qgpc2B、Qwgc2B-2、Qgsc2B-2、Qsv2B、Qdst2B-1、Qdst2B-2、Qfy6A對(duì)陜農(nóng)33的蛋白質(zhì)含量、面筋含量、淀粉含量、沉降值、穩(wěn)定時(shí)間、出粉率等品質(zhì)性狀具有正向促進(jìn)作用；來(lái)源于新麥18的Qmr3B的對(duì)陜農(nóng)33的最大抗延阻力具有正向促進(jìn)作用。在農(nóng)藝相關(guān)性狀中，來(lái)源于新麥18的Qph4D-1和Qtfil4D對(duì)陜農(nóng)33的株高和穗下節(jié)長(zhǎng)具有降低作用；來(lái)源于陜農(nóng)981的Qsl2D對(duì)陜農(nóng)33的穗長(zhǎng)、產(chǎn)量具有增效作用。