陳曉杰，楊 科，范家霖，程仲杰，楊保安，張福彥，焦學(xué)儉，白鶴峰，王嘉歡，張建偉

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450015；2.鄭州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，河南鄭州 450006； 3.河南金苑種業(yè)股份有限公司，河南鄭州 450001)

小麥?zhǔn)俏覈钪饕目诩Z作物之一，其產(chǎn)量和品質(zhì)對保證糧食安全至關(guān)重要[1- 2]。優(yōu)質(zhì)是小麥育種的重要目標(biāo)之一，然而我國小麥品質(zhì)育種工作起步較晚，從“七五”開始，小麥品質(zhì)育種才正式列入國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，經(jīng)過30多年的小麥品質(zhì)研究和遺傳改良，一批強(qiáng)筋小麥品種(如豫麥34、鄭麥9023、藁城8901、新麥26、鄭麥366、西農(nóng)979、濟(jì)麥44等)陸續(xù)被選育和推廣，為我國優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥生產(chǎn)和滿足消費(fèi)者需求做出了重大貢獻(xiàn)。目前我國優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥品種在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、抗倒春寒、抗病性、抗逆性等方面與高產(chǎn)小麥品種仍存在一定差距[3-4]。因此，從分子水平對優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥新品種的遺傳基礎(chǔ)和重要性狀功能基因進(jìn)行解析，對于優(yōu)質(zhì)小麥品種的遺傳改良具有重要的指導(dǎo)意義。

近年來，前人對不同時(shí)期小麥骨干親本和主栽品種的遺傳構(gòu)成進(jìn)行了較多研究，結(jié)果表明，骨干親本和主栽品種中含有與產(chǎn)量、品質(zhì)、適應(yīng)性、抗病抗逆性相關(guān)的染色體區(qū)段，這些區(qū)段更容易被育種家選擇，在后代衍生品種中均具有較大的遺傳貢獻(xiàn)率[5-10]。肖永貴等[5]利用921個(gè)DArT標(biāo)記和83個(gè)SSR標(biāo)記對周8425B及其衍生品種的遺傳結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)周8425B對其衍生子1代、子2代和子3代的平均遺傳貢獻(xiàn)率分別為67.7%、63.6%和58.8%，且周8425B的4個(gè)抗條銹病基因在衍生品種中傳遞。亓佳佳等[6]利用SSR標(biāo)記對小麥骨干親本小偃6號及其衍生品種(系)進(jìn)行遺傳解析，發(fā)現(xiàn)小偃6號對其衍生子1代、子2代、子3代和子4代的平均遺傳貢獻(xiàn)率分別為50.32%、47.54%、46.35%和44.83%。鄒少奎等[7]利用SSR標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，母本周麥13號對周麥23號的遺傳貢獻(xiàn)率為63.04%，并篩選到一個(gè)可用于鑒定周麥23號的特異引物。楊子博等[8]利用SSR標(biāo)記發(fā)現(xiàn)淮麥33更多地繼承了母本煙農(nóng)19的遺傳物質(zhì)。李玉剛等[9]利用SSR和SNP兩種分子標(biāo)記，提示青農(nóng)2號的基因組大部分遺傳信息來自魯麥14(SSR標(biāo)記：54.11%；SNP 標(biāo)記： 72.55%)。吳勝男等[10]利用小麥55K芯片，分析了陜農(nóng)981和新麥18對陜農(nóng)33的遺傳貢獻(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)11個(gè)與農(nóng)藝和品質(zhì)性狀有關(guān)的QTL中，有3個(gè)來源于新麥18，有8個(gè)來源于陜農(nóng)981。

隨著小麥參考基因組的完成，越來越多與小麥重要性狀相關(guān)的基因被定位或克隆，為育種家了解各品種的重要性狀基因組成提供了依據(jù)，也為將來分子設(shè)計(jì)育種提供了支持。功能標(biāo)記是根據(jù)功能基因內(nèi)部引起表型性狀變異的多態(tài)性基序開發(fā)出來的一種新型分子標(biāo)記，這類標(biāo)記不需要進(jìn)一步驗(yàn)證就可以在不同的遺傳背景下確定目標(biāo)等位基因的有無，是作物育種中最有價(jià)值的一類標(biāo)記。功能標(biāo)記的高通量檢測技術(shù)的開發(fā)有助于提高分子標(biāo)記輔助育種的效率。競爭性等位基因特異性PCR(kompetitive allele-specific PCR，KASP)技術(shù)具有高通量、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、靈活等優(yōu)勢[11-12]。目前，KASP標(biāo)記已在分子輔助育種、QTL定位、親本品種鑒定及大規(guī)模樣本篩選等研究上得到應(yīng)用[13-16]。中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所何中虎研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)的小麥50 K SNP育種芯片不僅標(biāo)記數(shù)量多且分布較均勻，而且包括上百個(gè)與株高、籽粒質(zhì)量、品質(zhì)、春化、光周期、開花、抗病、抗逆等小麥性狀相關(guān)基因等位變異的 KASP功能標(biāo)記，在遺傳改良和育種上具有更高的利用價(jià)值[12,17]。

鄭品優(yōu)9號是以半冬性多穗型、中早熟、優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥品種鄭麥366為母本[18]，以春性、早熟、優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥品種豫麥34為父本進(jìn)行雜交[19]，F(xiàn)0代種子經(jīng)60Co-γ 射線(200GY)處理，在F2M2代中選育而成的優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥新品種。該品種表現(xiàn)為半冬性、矮稈、早熟、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋、品質(zhì)穩(wěn)定，具有較大推廣潛力。因此，本研究利用小麥50K SNP育種芯片，對鄭品優(yōu)9號及其父母本進(jìn)行分子檢測，旨在明確該品種遺傳基礎(chǔ)和重要性狀功能基因的組成，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

供試材料為鄭品優(yōu)9號及其雙親鄭麥366和豫麥34，均由河南省科學(xué)院同位素研究所核農(nóng)學(xué)實(shí)驗(yàn)室小麥誘變育種團(tuán)隊(duì)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，并用UV-9000型紫外分光光度計(jì)檢測DNA樣品濃度。

1.3 SNP芯片分析

委托博奧晶典生物技術(shù)有限公司利用小麥50K SNP育種芯片對鄭品優(yōu)9號及其雙親材料進(jìn)行SNP分析及功能基因KASP標(biāo)記分析。功能基因標(biāo)記包括產(chǎn)量性狀相關(guān)基因(矮稈、粒重、籽粒形態(tài)等)、品質(zhì)性狀相關(guān)基因(高低分子量亞基、硬度、面團(tuán)色澤等)、適應(yīng)性相關(guān)基因(光周期、春化、開花等)和抗性性狀基因(抗旱抗逆、抗穗發(fā)芽、抗病等)。

1.4 遺傳貢獻(xiàn)率分析及基因型圖譜的繪制

首先剔除雜合或缺失的SNP位點(diǎn)，保留親本和子代中純合的SNP位點(diǎn)。根據(jù)雙親間純合差異SNP位點(diǎn)數(shù)計(jì)算雙親遺傳物質(zhì)對子代的遺傳貢獻(xiàn)率，某一親本對后代的遺傳貢獻(xiàn)率為后代中同該親本相同的特異位點(diǎn)數(shù)與雙親特異位點(diǎn)總數(shù)的百分比。

利用GGT 2.0軟件[20]，依據(jù)染色體位置信息的純合SNP 標(biāo)記繪制鄭品優(yōu)9號及親本的SNP基因型圖譜，根據(jù)親本中SNP標(biāo)記的差異賦予不同的顏色，鄭品優(yōu)9號與親本標(biāo)記的異同賦予相應(yīng)的顏色。

2 結(jié)果分析

2.1 雙親對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻(xiàn)率

通過小麥50K SNP芯片掃描分析，結(jié)果在鄭品優(yōu)9號及其親本鄭麥366和豫麥34中共檢測到44 716個(gè)純和的SNP位點(diǎn)，其中純合差異SNP位點(diǎn)6 042個(gè)，表現(xiàn)為相同位點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)多于差異位點(diǎn)數(shù)。從表1可以看出，4 124個(gè)純合差異SNP來源于親本鄭麥366，其余1 918個(gè)來源于豫麥34，鄭麥366和豫麥34對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻(xiàn)率分別為68.26%和31.74%。

從基因組水平來看，在A基因組上，鄭麥366和豫麥34對鄭品優(yōu)9號的貢獻(xiàn)率分別為 68.60%和31.40%，與整體遺傳貢獻(xiàn)率接近；在B 基因組上，鄭麥366對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻(xiàn)率達(dá)到90.08%，提供了該基因組絕大部分的遺傳信息；在D基因組上，豫麥34對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于鄭麥366，達(dá)72.37%(表1)。

從染色體水平來看，鄭品優(yōu)9號來源于雙親的遺傳位點(diǎn)在不同染色體間差異較大(表1和圖1)。鄭麥366在不同染色體上對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻(xiàn)率范圍為7.53%～99.43%，其中在2A、4A、5A、2B、3B、4B、5B、6B、7B和2D染色體上對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻(xiàn)率均超過80%。豫麥34在不同染色體上對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻(xiàn)率范圍為0.57%～92.47%，其中在7A、1D、6D和7D染色體上對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻(xiàn)率均超過80%。在6A、1D、3D和4D染色體上純合差異SNP位點(diǎn)數(shù)較少，均不到100個(gè)，表明雙親在這些染色體上差異較小，多態(tài)性差。

表1 鄭麥366和豫麥34在不同染色體上對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻(xiàn)Table 1 Genetic contribution of Zhengmai 366 and Yumai 34 to Zhengpinyou 9 on different chromosomes

2.2 鄭品優(yōu)9號來源于雙親的染色體區(qū)段

在檢測到的44 716個(gè)純和SNP位點(diǎn)中，有36 059個(gè)SNP位點(diǎn)有確切的染色體位置信息，其中30 379個(gè)SNP位點(diǎn)在鄭品優(yōu)9號和雙親間無差異，5 680個(gè)SNP在雙親中存在差異。依據(jù)這些SNP信息，利用GGT 2.0軟件繪制了鄭品優(yōu)9號的SNP基因型圖譜(圖1)。在鄭品優(yōu)9號的21條染色體上，均檢測到來自雙親的染色體區(qū)段，但比例不同。在2A、4A、5A、2B、3B、4B、5B、6B、7B、2D、3D和4D染色體上，鄭品優(yōu)9號檢測到的差異區(qū)段主要來源于鄭麥366；而在1A、7A、1D、5D、6D和7D染色體上，鄭品優(yōu)9號檢測到的差異區(qū)段主要來源于豫麥34；在1B、3A、6A染色體上鄭品優(yōu)9號檢測到的差異區(qū)段來源于雙親的比例接近。SNP基因型圖譜分析結(jié)果與遺傳貢獻(xiàn)率分析結(jié)果具有較好的一致性。

淺灰色表示三者相同區(qū)段，紅色表示鄭麥366區(qū)段，藍(lán)色表示豫麥34區(qū)段。Light grey indicates identical fragment; Red indicates Zhengmai 366 fragment; Blue indicates Yumai 34 fragment.圖1 鄭品優(yōu)9號的21條染色體SNP基因型圖譜Fig.1 SNP genotype map on 21 chromosomes of Zhengpinyou 9

2.3 鄭品優(yōu)9號及其雙親重要性狀的功能基因

利用小麥50K SNP育種芯片中的KASP標(biāo)記對鄭品優(yōu)9號及其雙親的產(chǎn)量相關(guān)基因、品質(zhì)性狀相關(guān)基因、適應(yīng)性相關(guān)基因和抗性相關(guān)基因進(jìn)行分析，結(jié)果如下(表2)。

2.3.1 株高、籽粒等產(chǎn)量性狀相關(guān)基因

鄭品優(yōu)9號及雙親株高的矮稈基因均為Rht-D1b基因，粒色為白粒TamybR_B1a基因，均含有芒基因AWN。共檢測到13個(gè)與粒重或粒數(shù)相關(guān)的基因，鄭品優(yōu)9號與鄭麥366在這13個(gè)基因的組成上完全一致，均聚合了8個(gè)高粒重基因(TaSus2-2A、TaSus2-2B、TaSus1-7A、TaSus1-7B、TaGW2-6B、TaGW6-2A、TaGS-D1和TaGS5)和1個(gè)高粒數(shù)基因 (TaMoc)，與豫麥34只在TaGW2-6B基因存在差異。

2.3.2 品質(zhì)性狀相關(guān)基因

在鄭品優(yōu)9號及雙親間共檢測到12個(gè)品質(zhì)性狀相關(guān)基因，3個(gè)品種的品質(zhì)基因組成一致性很高。其中，高分子量谷蛋白亞基Glu-A1和Glu-D1位點(diǎn)均為優(yōu)質(zhì)亞基1和5+10，低分子量谷蛋白亞基Glu-A3和Glu-B3位點(diǎn)組成均為Glu-A3a和Glu-B3e，且均含有硬質(zhì)基因Pina-D1b、高多酚氧化酶基因PPO-A2c、高黃色素含量基因Psy-B1c和Psy-D1g、高蛋白含量基因GPC-Hap-H以及能增加籽粒蛋白質(zhì)積累的基因NAM-6A1b。此外，鄭品優(yōu)9號和鄭麥366含有高黃色素含量的等位基因Pds-B1a，而豫麥34含有低黃色素含量的等位基因Pds-B1b。

2.3.3 春化、光周期、開花等適應(yīng)性相關(guān)基因

在鄭品優(yōu)9號及雙親中共檢測到6個(gè)春化基因、1個(gè)光周期基因和2個(gè)開花基因(表2)。其中鄭品優(yōu)9號和母本鄭麥366在9個(gè)基因組成上完全一致，與豫麥34僅主效春化基因Vrn-B1存在差異。

表2 鄭品優(yōu)9號及雙親重要性狀相關(guān)基因分型Table 2 Genotyping of important traits in Zhengpinyou 9 and its parents

2.3.4 抗性相關(guān)基因

共檢測到3個(gè)小麥抗旱、抗逆相關(guān)基因 (COMT3B、TaDREB1和1-FEH-6B)、3個(gè)抗穗發(fā)芽基因(Vp1B1、SDRA1和TaSdr-B1)和1個(gè)抗葉銹病基因(Lr34)。鄭品優(yōu)9號和雙親在這7個(gè)基因組成上完全一致。

3 討 論

利用小麥50 K SNP育種芯片對鄭品優(yōu)9號及其父母本進(jìn)行分子檢測，揭示了鄭品優(yōu)9號的分子遺傳構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)鄭品優(yōu)9號大部分的遺傳物質(zhì)來源于母本鄭麥366(68.26%)。這與前人利用分子標(biāo)記對小麥骨干親本或主栽品種在后代中的遺傳物質(zhì)多發(fā)生偏親現(xiàn)象一致[7-9,21-22]。如周麥23中63.31% 的遺傳物質(zhì)來源于母本周麥13(SSR標(biāo)記)[7]，淮麥33中73.9%的遺傳物質(zhì)來源于母本煙農(nóng)19(SSR標(biāo)記)[8]，青農(nóng)2號大部分遺傳信息來源于魯麥14(SSR 標(biāo)記：54.11%；SNP 標(biāo)記：72.55%)[9],周麥16中64.32%的遺傳物質(zhì)來源于周8425B[21]。Bernardo等[22]研究表明，單交親本對后代的遺傳貢獻(xiàn)率為26%～74%，與本研究的結(jié)果一致。在單交后代中普遍出現(xiàn)子代遺傳物質(zhì)偏向于某一親本的主要原因，可能與育種家的育種目標(biāo)和親本選用有關(guān)。育種家在配制單交組合時(shí)，常選擇骨干親本或當(dāng)?shù)刂髟云贩N作為親本之一，一般這些骨干親本或主栽品種較另一親本更適應(yīng)當(dāng)?shù)貐^(qū)域生態(tài)條件，在后代選育時(shí)，選擇符合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)區(qū)域條件的優(yōu)良變異類型是重要的育種目標(biāo)，因此后代品種保留了更多的骨干品種或主栽品種的遺傳物質(zhì)。前人研究中的鄭麥366、煙農(nóng)19、魯麥14和周8425B等均是當(dāng)?shù)刂髟云贩N或骨干親本，較另一親本具有更多的優(yōu)良遺傳位點(diǎn)，具有更好的適應(yīng)性，經(jīng)人工選育的后代品種遺傳物質(zhì)也偏向這類品種。

本研究發(fā)現(xiàn)，在基因組和染色體水平上，雙親對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻(xiàn)率差異均較大。鄭麥366對鄭品優(yōu)9號A、B和D基因組的貢獻(xiàn)率分別為68.60%、90.98%和27.63%，而豫麥34的貢獻(xiàn)率分別為31.40%、9.02%和72.37%；鄭麥366對鄭品優(yōu)9 號在不同染色體上的遺傳貢獻(xiàn)率范圍為7.53%～99.43%，在2A、4A、5A、2B、3B、4B、5B、6B、7B和2D染色體上均超過80%；而豫麥34在不同染色體上對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻(xiàn)率范圍為0.57%～92.47%，在7A、1D、6D和7D染色體上均超過80%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能也與育種家的育種目標(biāo)選擇有關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)，鄭品優(yōu)9號聚合了多個(gè)優(yōu)異基因，含有矮稈基因(Rht-D1b)[23-24]、高千粒重基因(TaSus2-2A、TaSus2-2B、TaSus1-7A、TaSus1-7B、TaGWb-2A、TaGS-D1和TaGS5[25]、高粒數(shù)基因(TaMoc)[25]、抗旱基因(TaDREB1a和1fehw3)[26-27]、低穗發(fā)芽基因(SDRA1a)[28]、抗葉銹病基因(Lr34)[29]、高蛋白含量基因(GPC-Hap-H)以及有利籽粒蛋白質(zhì)積累的基因 (NAM-6A1b)[30-31]。正是由于以上基因的聚合效應(yīng)，鄭品優(yōu)9號表現(xiàn)出半冬性、矮稈、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋以及一定的抗逆抗病性和適應(yīng)性等特點(diǎn)，與審定報(bào)告性狀特征相一致。另外，鄭品優(yōu)9號含有高多酚氧化酶活性基因(PPO-A2c)和高黃色素含量基因 (Psy-B1c和Psy-D1g)[32-33]，使得其面粉色澤白度不夠，影響面制品的外觀品質(zhì)，因此降低黃色素含量是今后該品種改良的一個(gè)目標(biāo)。本研究也發(fā)現(xiàn)，鄭品優(yōu)9號的有利抗病抗逆基因和產(chǎn)量基因仍不夠多，表明其在產(chǎn)量水平和抗病、抗逆方面仍有很大的改良空間。