楊瑞晗, 孔子明, 高思亮

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

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的口糧作物,對(duì)保障糧食安全具有直接影響。優(yōu)質(zhì)是小麥遺傳改良的重要目標(biāo)之一,發(fā)展優(yōu)質(zhì)小麥亦已成為小麥供給側(cè)改革的重要內(nèi)容,而培育優(yōu)質(zhì)小麥品種則是支撐發(fā)展優(yōu)質(zhì)小麥產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵[1]。近年來(lái),隨著一批優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥品種(如新麥26、鄭麥366、鄭麥7698、西農(nóng)979、冀師02-1、濟(jì)麥44、周麥32、西農(nóng)511等)的選育與大面積推廣,市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥的需求在一定程度上得到了緩解。在小麥生產(chǎn)實(shí)踐中,優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥品種與高產(chǎn)類型的品種在產(chǎn)量、抗病性、抗逆性等方面仍存在一定的差距。因此,從遺傳角度上對(duì)具有代表性的優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥新品種的遺傳構(gòu)成進(jìn)行分析,探究其內(nèi)在的遺傳關(guān)系,可為優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥品種的選育和新種質(zhì)的創(chuàng)制提供指導(dǎo)。

隨著測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展,具有高通量、自動(dòng)化程度高的SNP標(biāo)記芯片在小麥遺傳作圖與新基因發(fā)掘、群體結(jié)構(gòu)分析、比較基因組學(xué)研究等方面得到了極大的應(yīng)用[2-6]。小麥55K SNP芯片是在Affimetrix660K芯片的基礎(chǔ)上精選優(yōu)化開發(fā)出來(lái)的SNP標(biāo)記芯片,目前已廣泛應(yīng)用于小麥遺傳研究[7]。馬艷明等[8]利用小麥55K SNP芯片對(duì)188份新疆冬小麥品種進(jìn)行了遺傳多樣性分析,發(fā)現(xiàn)育成品種與地方品種的遺傳差異較大; 水志杰等[9]利用人工合成小麥RIL群體,通過小麥55K SNP芯片對(duì)穗長(zhǎng)和穗寬等穗部性狀進(jìn)行了QTL發(fā)掘,鑒定出具有一因多效QTL位點(diǎn); Li等[10]通過384份小麥種質(zhì)和55K SNP芯片對(duì)小麥產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析,發(fā)掘出一些與產(chǎn)量性狀相關(guān)的優(yōu)異等位基因位點(diǎn)。這些研究表明, 55K SNP芯片在小麥主要農(nóng)藝性狀遺傳解析方面具有良好的應(yīng)用前景,但迄今較少有研究關(guān)注小麥主栽品種的遺傳解析。

周麥32號(hào)是周口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院以黃淮麥區(qū)主栽品種矮抗58為母本,以優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、抗病、廣適的周麥24號(hào)為父本,通過有性雜交選育出的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋型小麥新品種。該品種能滿足市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥的需求,市場(chǎng)推廣潛力較大。鑒此,本研究通過小麥55K SNP芯片對(duì)周麥32號(hào)及其親本進(jìn)行全基因組掃描,從分子水平上解析周麥32號(hào)的遺傳構(gòu)成及親本對(duì)其遺傳貢獻(xiàn)率,為優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥品種的遺傳改良和推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為周麥32號(hào)及其親本矮抗58、周麥24號(hào),由西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。

1.2 小麥55K SNP芯片檢測(cè)

每個(gè)供試品種于3葉期選取長(zhǎng)相一致的幼嫩葉片,采用改良的CTAB法[11]提取基因組DNA, 通過10 g·L-1瓊脂糖凝膠電泳對(duì)樣品DNA質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),利用分光光度計(jì)對(duì)DNA濃度進(jìn)行測(cè)定。供試材料小麥55K SNP芯片檢測(cè)由北京博奧晶典生物技術(shù)公司完成。利用Excel對(duì)周麥32號(hào)及其親本基因型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,剔除雜合位點(diǎn),缺失位點(diǎn)及染色體未知的位點(diǎn)后,最終有48 613個(gè)SNP位點(diǎn)用于后續(xù)的遺傳分析。

1.3 周麥32號(hào)親本遺傳貢獻(xiàn)率分析及遺傳型圖譜構(gòu)建

根據(jù)周麥32號(hào)親本間SNP位點(diǎn)的多態(tài)性進(jìn)行遺傳貢獻(xiàn)率的計(jì)算,統(tǒng)計(jì)出親本間多態(tài)性的SNP位點(diǎn),在此基礎(chǔ)上若周麥32號(hào)的SNP位點(diǎn)與某個(gè)親本一致則表明在該SNP位點(diǎn)上周麥32號(hào)繼承了該親本的基因座。親本的遺傳貢獻(xiàn)率為某一親本遺傳給周麥32號(hào)的SNP位點(diǎn)數(shù)與親本間差異SNP位點(diǎn)總數(shù)的百分比。根據(jù)所有SNP位點(diǎn)在不同染色體上的位置[12], 利用Excel對(duì)每條染色體上SNP位點(diǎn)的高低進(jìn)行排序,通過GGT 2.0軟件[13]繪制周麥32號(hào)的基因型圖譜。此外,根據(jù)SNP標(biāo)記的參考圖譜位置信息[12], 將染色體上連續(xù)相鄰3個(gè)及其以上SNP標(biāo)記且位置長(zhǎng)度大于1 Mb的區(qū)段視為一個(gè)染色體區(qū)段,通過Excel統(tǒng)計(jì)雙親在不同染色體上染色體區(qū)段的數(shù)量。親本特異性SNP標(biāo)記基因注釋信息參考Sun等[12]對(duì)小麥55K SNP標(biāo)記的基因注釋,并通過Excel完成親本基因注釋信息的數(shù)量統(tǒng)計(jì),其他相關(guān)的圖形均通過Origin 2018進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 矮抗58和周麥24號(hào)對(duì)周麥32號(hào)的遺傳貢獻(xiàn)率

利用小麥55K SNP芯片對(duì)供試材料在全基因組上掃描發(fā)現(xiàn),周麥32號(hào)的親本矮抗58和周麥24號(hào)在全基因組范圍內(nèi)有20 652個(gè)多態(tài)性SNP位點(diǎn),通過分析親本的遺傳貢獻(xiàn)率,結(jié)果發(fā)現(xiàn)矮抗58和周麥24號(hào)特異SNP位點(diǎn)傳遞給周麥32號(hào)的比例分別為73.75%和26.35%, 矮抗58對(duì)周麥32號(hào)的遺傳貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于周麥24號(hào)(圖1)。就基因組水平而言,矮抗58在A基因組上對(duì)周麥32號(hào)的遺傳貢獻(xiàn)率最高(79.88%), 其次是D基因組(77.29%), 再次是B基因組(64.58%)。在不同染色體上,雙親對(duì)周麥32號(hào)的遺傳貢獻(xiàn)差異較為明顯,矮抗58在大多數(shù)染色體上的遺傳貢獻(xiàn)率高于周麥24號(hào),尤其是在1D、2A、4D、6B、7A等染色體上的遺傳貢獻(xiàn)率超過90%, 而周麥24號(hào)僅在1B、4B和6A等染色體上的遺傳貢獻(xiàn)率略高于矮抗58。

圖1 矮抗58和周麥24號(hào)在不同染色體上的遺傳貢獻(xiàn)Fig.1 The genetic contribution of Aikang 58 and Zhoumai 24 on different chromosomes

2.2 周麥32號(hào)來(lái)源于親本的染色體區(qū)段

根據(jù)周麥32號(hào)及其親本SNP分型結(jié)果,通過GGT2.0繪制周麥32號(hào)的基因型圖譜(圖2)。在周麥32號(hào)的不同染色上均檢測(cè)到來(lái)自其親本的SNP標(biāo)記,每條染色體上周麥32號(hào)繼承雙親的染色體標(biāo)記的比例均表現(xiàn)不同。周麥32號(hào)在1A、1B、1D、2A、3A、4A、5A、6B、7A、7B、7D等染色體上存在來(lái)源于矮抗58的較大染色體區(qū)段,在1B、3B、4B、5A等染色體上也存在來(lái)源于周麥24號(hào)的較大染色體區(qū)段。通過進(jìn)一步分析周麥32號(hào)獲得親本染色體區(qū)段的數(shù)量(圖3), 發(fā)現(xiàn)周麥32號(hào)在1A、1D、2A、2B、2D、3A、4A、4D、5B、6B、7A、7D等染色體上存在較多的遺傳片段來(lái)源于矮抗58, 而1B、4B、6A等染色體上存在較多的染色體區(qū)段來(lái)源于周麥24號(hào)。在3B、3D和7B等染色體上周麥32號(hào)來(lái)源于雙親的染色體區(qū)段較為接近。

圖2 周麥32號(hào)與雙親的基因型圖譜*Fig.2 SNP genotypic maps of Zhoumai 32 and both parents on different chromosomes* 紅色: 矮抗58區(qū)段; 深藍(lán)色: 周麥24號(hào)區(qū)段; 淺藍(lán)色: 矮抗58、周麥24號(hào)和周麥32號(hào)共有的區(qū)段; 褐色: 周麥32號(hào)特有區(qū)段。* Red: Aikang 58 fragment; Dark blue: Zhoumai 24 fragment; Wathet: identical fragment of Aikang 58, Zhoumai 24 and Zhoumai 32; Brownness: Zhoumai 32 specific fragment.

圖3 周麥32號(hào)來(lái)源于雙親染色體區(qū)段的數(shù)量分布Fig.3 The distribution of genetic fragments from both parents of Zhoumai 32

2.3 周麥32號(hào)來(lái)源于親本特異性SNP注釋基因

通過對(duì)周麥32號(hào)及其親本特異性SNP標(biāo)記進(jìn)行基因注釋,統(tǒng)計(jì)親本特異性基因注釋數(shù)量,共提取到4 360個(gè)注釋基因,矮抗58遺傳給周麥32號(hào)的特異性注釋基因數(shù)量為3 188個(gè),占73.12%, 遠(yuǎn)高于周麥24號(hào)注釋基因的數(shù)量(1 172個(gè))。在不同染色體上,周麥32號(hào)獲得親本特異性注釋基因的數(shù)量差異較大(圖4), 但周麥32號(hào)在大多數(shù)染色體上繼承了矮抗58的特異性注釋基因,而周麥24號(hào)僅在1B和3B染色體上特異性注釋基因的數(shù)量稍高于矮抗58, 且在2A和4A染色體上檢測(cè)到的注釋基因數(shù)量較少,不足10個(gè)。

圖4 周麥32號(hào)雙親特異性SNP注釋基因的數(shù)量分布Fig.4 The distribution of specific annotated genes originated from both parents of Zhoumai 32

3 討論

高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效是小麥品種遺傳改良的主要目標(biāo)[14], 本地區(qū)的骨干親本或主栽品種是育種家在品種選育過程中傾向選擇的親本資源[15], 選育出的后代品系在主要農(nóng)藝性狀上與這些材料有較大的相似性,多數(shù)是在骨干親本或主栽品種上對(duì)目標(biāo)改良性狀的修飾改良,因此小麥品種在選育過程中受到這種定向的人工選擇往往會(huì)出現(xiàn)不同類型的偏親現(xiàn)象[16-18]。本研究通過小麥55K SNP標(biāo)記對(duì)周麥32號(hào)及其雙親進(jìn)行標(biāo)記檢測(cè),在全基因組上對(duì)周麥32號(hào)的遺傳構(gòu)成進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)矮抗58對(duì)周麥32號(hào)的遺傳貢獻(xiàn)率(73.75%)遠(yuǎn)高于周麥24號(hào)(26.25%), 在周麥32號(hào)的大多數(shù)染色體上矮抗58的遺傳貢獻(xiàn)率均超過周麥24號(hào),這與楊子博等[19]利用SSR標(biāo)記對(duì)淮麥33的遺傳構(gòu)成分析、孔子明等[20]通過小麥90K SNP標(biāo)記對(duì)周麥16的遺傳貢獻(xiàn)進(jìn)行解析以及陳曉杰等[21]利用小麥50K SNP育種芯片對(duì)鄭品優(yōu)9號(hào)的分子遺傳基礎(chǔ)進(jìn)行解析等研究結(jié)果較為相似,這表明周麥32號(hào)在遺傳物質(zhì)繼承上獲得了更多矮抗58的遺傳物質(zhì),表現(xiàn)出明顯的偏親遺傳現(xiàn)象。矮抗58是黃淮麥區(qū)優(yōu)異的骨干親本,該品種高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、矮稈抗倒、適宜種植地區(qū)廣,也是黃淮麥區(qū)的主栽品種[22]; 周麥32號(hào)在品種選育過程中,更傾向于對(duì)矮抗58的優(yōu)異性狀的選擇,遺傳了矮抗58更多高產(chǎn)、廣適的遺傳區(qū)段。同時(shí)父本周麥24號(hào)屬于優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、抗病、廣適小麥新品種,其抗條銹病和品質(zhì)性狀可能來(lái)源于周麥24號(hào)。矮抗58和周麥24號(hào)均是國(guó)內(nèi)骨干種質(zhì)周8425B的衍生品種,周麥32號(hào)集聚雙親的高產(chǎn)、多抗、優(yōu)質(zhì)的優(yōu)良基因,遺傳基礎(chǔ)較好。本研究中小麥55K SNP標(biāo)記在周麥32號(hào)及其親本各染色體上分布較為均勻,能有效地對(duì)周麥32號(hào)的遺傳構(gòu)成進(jìn)行分析,標(biāo)記解析效力較高,而孔子明等[20]在解析周麥16號(hào)的遺傳構(gòu)成時(shí)因D組染色體標(biāo)記較少且分布不均勻,標(biāo)記的解析效力有限。

染色體區(qū)段的傳遞與繼承是品種獲得主要性狀的重要途徑,本研究通過對(duì)周麥32號(hào)親本特異性染色體區(qū)段數(shù)量的分析發(fā)現(xiàn),周麥32號(hào)獲得了更多矮抗58的染色體區(qū)段。同樣,對(duì)周麥32號(hào)親本特異性注釋基因分析發(fā)現(xiàn),周麥32號(hào)繼承了更多矮抗58的特異性注釋基因。染色體區(qū)段和注釋基因分析均表明周麥32號(hào)遺傳更多矮抗58的基因資源。此外,本研究還檢測(cè)出較多的周麥32號(hào)特異性SNP位點(diǎn),這些特異的SNP位點(diǎn)可能是品種繁殖過程中異花授粉(小概率發(fā)生)、自然突變、親本間基因重組所帶來(lái)的。