小麥基因發(fā)掘與分子設計育種取得重要進展（2020.7.21 MolPlant植物科學）

2020年7月20日，Molecular Plant在線發(fā)表了山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院劉樹兵教授領銜的小麥遺傳與分子設計育種團隊題為“High Resolution Genome-Wide Association Study Identifies Genomic Regions and Candidate Genes for Important Agronomic Traits in Wheat”的研究論文，在小麥控制重要農(nóng)藝性狀基因的大規(guī)模發(fā)掘、克隆與基因組學育種方面取得重要進展。

小麥是我國乃至世界上最重要的糧食作物之一。不斷提高小麥的產(chǎn)量，是滿足世界上對小麥需求不斷增長，保證糧食安全的關鍵。對小麥重要農(nóng)藝性狀的遺傳基礎進行解析，對于了解小麥產(chǎn)量相關性狀的遺傳構成，并通過分子育種手段對這些性狀進行有效改良，選育新品種，具有重要意義。

近年來，隨著測序技術的迅速發(fā)展，通過測序鑒定高密度單核苷酸多態(tài)性（SNP），進行全基因組關聯(lián)分析已經(jīng)成為水稻、玉米等重要農(nóng)作物中對產(chǎn)量等復雜性狀進行遺傳解析的一種十分有效方法。這些作物中，連鎖不平衡（LD）衰減距離較短，因此能夠?qū)⒁恍╄b定到的數(shù)量性狀位點（QTL）界定到較小的基因組區(qū)域，同時進行候選基因的鑒定與克隆。但是，在小麥中，由于其龐大的基因組（16G）構成及多倍體特性，造成其基因組學研究難度較大，限制了小麥中有關基因的定位、克隆及形成機理的研究。尤其是在關聯(lián)分析中，由于使用的標記密度低，小麥中的連鎖不平衡一般認為較大（20cM），從而限制了通過關聯(lián)分析進行基因發(fā)掘、克隆及分子設計育種等研究的實施。

本研究中，通過對來自于我國黃淮麥區(qū)、北方冬麥區(qū)、西南麥區(qū)和長江中下游麥區(qū)等小麥主產(chǎn)區(qū)的768份優(yōu)良小麥品種（系）進行GBS基因分型，獲得了327609個覆蓋全基因組的高質(zhì)量的SNP標記并鑒定出174919個連鎖不平衡區(qū)段。確定了小麥中LD衰減距離平均為4.4Mb，其中，D基因組最小，為3.0Mb，A基因組和B基因組分別為4.7Mb、5.6Mb，在理論上確定了利用大群體和高密度SNP標記在小麥中通過全基因組關聯(lián)分析也可以將QTL定位到較小的區(qū)間內(nèi)。

通過在多個環(huán)境下對小麥12個重要農(nóng)藝性狀進行表型的鑒定與全基因組關聯(lián)分析，共定位到395個QTL位點，包括7個已克隆的小麥基因位點，平均每個QTL區(qū)間約4.6Mb，非常接近于全基因組的LD衰減距離（4.4Mb）。其中，有273個QTL被定位在小于1.0Mb區(qū)間內(nèi)，包含的注釋基因數(shù)量不足10個，為候選基因的大規(guī)模鑒定與克隆奠定了重要基礎。

為驗證定位的QTL的可靠性，利用3個雙親本雜交分離群體對3個提高穗部結實性、增加粒長和千粒重、增加穗長和穗粒數(shù)的QTL位點進行了驗證，結合基因表達數(shù)據(jù)鑒定到8個可能的候選基因。另外，水稻基因組信息也為小麥中同源基因克隆提供了重要的參考，將QTL區(qū)間內(nèi)的13，208個注釋基因與水稻中3000+已克隆基因進行序列比對，鑒定到33個農(nóng)藝性狀相關的同源基因，為后續(xù)同源基因功能的驗證奠定了基礎。

通過對QTL的有利等位基因在群體中的分布進行分析，發(fā)現(xiàn)抽穗期、株高、單株穗數(shù)、千粒重、粒長和長寬比等性狀的QTL中，有利等位基因頻率要明顯高于穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、小穗著生密度、結實性和粒寬等性狀QTL的有利等位基因頻率。定位到的QTL具有較好的累加效應，個體攜帶的QTL數(shù)目與目標性狀表型值的相關性（r2）為0.41-0.91，表明這些QTL對目標性狀的表型具有較高的預測能力，為基因組選擇與分子設計育種奠定了基礎。

本研究的完成，對在小麥中大規(guī)模進行優(yōu)異基因的發(fā)掘、克隆、基因組學與分子設計育種奠定了重要基礎，具有重要的理論與應用價值。

本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、山東省良種工程等的支持。山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院龐昀龍博士為論文第一作者，劉樹兵教授和美國農(nóng)業(yè)部柏貴華教授為論文通信作者。山東農(nóng)業(yè)大學小麥遺傳育種團隊的孔令讓教授、李安飛教授、王洪剛教授及部分研究生參與了本研究。本研究同時得到了煙臺農(nóng)科院、河南科技大學、貴州大學、美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局等單位有關人員的合作與支持。