利用55KSNP芯片研究小麥新品種信麥163的遺傳構成

關鍵詞：信麥163;遺傳貢獻；55K育種芯片；單核苷酸多態(tài)性（SNP）

小麥是一種重要的糧食作物，據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO） 2019年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球約有2.15億公頃的種植面積以及約7.5億噸累計年產(chǎn)量。優(yōu)良的品種資源是小麥高效生產(chǎn)的重要保障，育種家們已培育出了許多優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)小麥品種，為糧食安全做出了杰出貢獻。骨干親本是指在長期和廣泛的育種過程中被反復用作親本，并且用其培育出較多大面積推廣品種或衍生出大量品種的種質(zhì)材料。我國大面積推廣（年推廣面積超過66.7萬公頃）的小麥品種，絕大部分都含有骨干親本或骨干親本的衍生系。著名的骨干親本有阿勃、勝利麥、南大2419、矮孟牛、周8425B、繁6、碧螞4號、小偃6號等，在小麥品種選育與改良中發(fā)揮了重要作用。近些年學者們對各地區(qū)各時期小麥骨干親本或代表性品種的遺傳組成進行了較多研究，這對小麥品種改良利用和推廣應用具有重要的現(xiàn)實意義。

親本的遺傳物質(zhì)由于人工選擇干預往往在后代中發(fā)生偏分離現(xiàn)象，僅通過系譜分析、生理生化性狀分析和形態(tài)分析不能完全準確地反映出品種間的親緣關系。隨著分子生物技術的發(fā)展，研究者開始利用分子標記從分子水平上研究小麥親本及其衍生品種的遺傳物質(zhì)組成結構。單核苷酸多態(tài)性（SNP）在生物基因組中普遍存在，具有遺傳穩(wěn)定性高、位點豐富、密度高、代表性強、易實現(xiàn)自動化快速檢測、單個標記檢測成本低等特點，與DNA微陣列和芯片技術的結合使SNP標記成為繼RFLP和SSR標記之后最有前途的第三代分子標記。近些年隨著小麥測序工作的突破性進展和測序數(shù)據(jù)的大量積累，先后開發(fā)出小麥IIIumina Select 9K、Affymetrix Axiom 55K、II-lumina Wheat 90K、Affymetrix Axiom 660K等芯片，在小麥遺傳多樣性、數(shù)量性狀遺傳分析、基因組研究以及株高、產(chǎn)量、品質(zhì)等性狀的關聯(lián)分析等方面發(fā)揮著重要作用。55KSNP芯片探針位點數(shù)共53007個，包含大量精心挑選的二倍體化的標記，有效標記多且質(zhì)量高、穩(wěn)定性好；該芯片基于小麥RefSeqv1.0版本基因組設計，其中49060個標記有明確物理位置信息，基因組信息完善，而且標記較均勻地覆蓋了小麥全基因組：該芯片是384制式芯片，一次可檢測384個樣品的標記信息，具有高通量檢測的特點。吳勝男等利用55KSNP對小麥品種陜農(nóng)33的遺傳構成進行分析，楊瑞晗等利用55KSNP芯片解析豐德存麥5號的遺傳基礎，均取得了良好效果。

信麥163是以信陽234為母本、豐抗38為父本雜交選育而成，2022年通過國家農(nóng)作物品種審定委員會審定，已被轉讓給信陽鴻潤家庭農(nóng)場有限公司。該品種葉片寬長，葉色深綠，分蘗力強，株型緊湊，抗倒性較好，整齊度好，穗層整齊，熟相好，白粒，籽粒軟（粉）質(zhì)、飽滿度高，感條銹病，高感白粉病、葉銹病、紋枯病，中感赤霉病，是目前信陽地區(qū)主推小麥品種，并且利用其作為親本已培育出較多穩(wěn)定且優(yōu)良的高代品系。本研究利用小麥55KSNP芯片對信麥163及其親本進行分子檢測，旨在明確該品種的遺傳物質(zhì)組成，同時為其育種改良和在生產(chǎn)上的推廣應用提供理論參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試材料為信麥163及其母本信陽234和父本豐抗38，均由信陽市農(nóng)業(yè)科學院小麥研究所提供。

1.2基因組DNA提取

2022年11月，每個小麥品種選籽粒飽滿的種子30粒置于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，在光照培養(yǎng)箱內(nèi)25℃水培，待長到一葉一心時選取幼嫩葉片-80℃冷凍保存，備用。取冷凍樣品用液氮研磨后采用天根高效植物基因組DNA提取試劑盒（DP350）提取基因組DNA。DNA濃度檢測用NanoDrop ND-1000分光光度計進行，DNA樣品的質(zhì)量通過1%瓊脂糖凝膠在150V電泳45min進行檢測。

1.3 55KSNP芯片分析及信麥163基因型圖譜的繪制

由新疆康普森生物技術有限公司完成55KSNP芯片結果分析，統(tǒng)計信麥163與兩親本間存在差異的位點數(shù)，當信麥163的分型結果與信陽234 -致時計為信陽234的貢獻位點，當信麥163分型結果與豐抗38 -致時計為豐抗38的貢獻位點，計算母本和父本對其的遺傳貢獻率。父（母）本遺傳貢獻率=父（母）本貢獻位點數(shù)／兩親本間差異位點數(shù)。

采用PLANTGMAP（http：//183.223.252.63：3333/）查找信麥163與其父母本相同的SNP位點；參考小麥RefSeq v1.0版本基因組信息，利用Python語言（https：//www. python.org）繪制信麥163的基因型圖譜。

2結果與分析

2.1多態(tài)性SNP位點在信麥163親本基因組上的差異分析

采用55KSNP芯片共獲得53007個SNP位點，進行質(zhì)控篩選后得到40465個具有染色體定位的SNP位點，其中父母本間表現(xiàn)多態(tài)性的位點9201個，占比22.7%。這些位點不均勻地分布于小麥的21條染色體上，在A、B、D基因組上的分布也不均勻，但基本上都表現(xiàn)為兩親本的相同位點數(shù)遠多于差異位點數(shù)（圖1）。其中，B基因組的差異位點數(shù)所占比例最高，為25.5%;D基因組的差異位點數(shù)所占比例最小，為23.6%。

2.2親本對信麥163的遺傳貢獻分析

在染色體水平上，母本信陽234對信麥163的遺傳貢獻范圍為10.72%（4D）～64.94%（7B），在7B染色體上的遺傳信息有64.94%是母本信陽234傳遞給信麥163的（表1、圖2）；父本豐抗38對信麥163的遺傳貢獻率為35.06%～89.28%，其中遺傳貢獻率超過60.00%的染色體有2條，分別為3A和4D，這兩條染色體上分別有62.44%和89.28%的遺傳信息是由豐抗38傳遞給信麥163的（表1、圖3）。

在全基因組水平（表1）上，兩親本對信麥163的遺傳貢獻大致相當（母本49.60%，父本50.40%），但在4A、5A、7A、4B、5B、6B、7B、1D、5D、6D和7D共11條染色體上表現(xiàn)為信陽234的遺傳貢獻大于豐抗38，而在1A、2A、3A、6A、1B、2B、3B、2D、3D和4D共10條染色體上則表現(xiàn)為豐抗38的遺傳貢獻超過信陽234。從3個基因組看，信陽234的遺傳貢獻率為B基因組gt;A基因組gt;D基因組，豐抗38的遺傳貢獻率為D基因組gt;A基因組gt;B基因組。在A基因組上，信陽234的遺傳貢獻率為49.34%，豐抗38的遺傳貢獻率為50.66%：在B基因組上，信陽234和豐抗38的遺傳貢獻率分別為52.52%和47.48%；在D基因組上，信陽234和豐抗38的遺傳貢獻率分別為45.61%和54.39%。

2.3親本遺傳信息在信麥163染色體上的分布

根據(jù)得到的40 465個有效SNP位點信息，利用Python語言繪制信麥163的基因圖譜（圖4），可以看出，兩親本的遺傳信息主要以染色體大片段形式傳遞到子代信麥163中，如1A、1D、3A、3B、3D、4D、6B、7A、7D染色體，其中在3A、4D、6B染色體上的染色體大片段是由位于同一遺傳距離的數(shù)百個SNP位點構成。信麥163染色體大片段在整合遺傳圖譜中表現(xiàn)為保守遺傳，只有在1B、2A、2B、2D、4A、5A、5B、6A、7B染色體上有大片段非親本等位基因的變異，表現(xiàn)為較多的重組，其中2B染色體上重組片段多而且大：在另外的12條染色體上沒有出現(xiàn)較多的染色體大片段重組。信麥163在D組染色體上集成信陽234和豐抗38共有的區(qū)段較為集中，而且是父本豐抗38遺傳給信麥163的區(qū)段較多。在3A、4D染色體上分布著豐抗38較多的遺傳位點，即這兩條染色體的遺傳信息絕大部分是由豐抗38傳遞給信麥163的；在6B、7A、7B、7D染色體上分布著信陽234較多的遺傳位點，即這四條染色體遺傳信息絕大部分是由信陽234傳遞給信麥163;在2A、5A、6A、2B、4B染色體上信麥163差異SNP來源于親本信陽234和豐抗38的比例接近?？梢?，SNP基因型圖譜分析結果與SNP位點分析和遺傳貢獻率分析結果具有較好的一致性。

3討論與結論

小麥55KSNP芯片有效標記多且質(zhì)量高、穩(wěn)定性好，基因組信息完善，標記分布均勻，有效標記檢測比例高，有很高的研究利用價值。王瑞霞等利用90KSNP芯片分析泰山22的遺傳組成，發(fā)現(xiàn)該芯片在D組染色體上的標記數(shù)量較少，有效標記檢測比例低。在本研究中，D組染色體上有效標記的數(shù)量在信麥163及其親本信陽234和豐抗38中較高，這表明小麥55KSNP標記芯片能夠有效地對信麥163以及信陽234和豐抗38的全基因組SNP位點進行檢測。近年來，SNP檢測的效率隨著高通量測序和高密度芯片技術的快速發(fā)展而快速提升，成本大幅降低，將會在今后的個體和群體遺傳學研究中得到越來越多的應用。

人類有目的、有計劃地通過人工雜交、誘變、基因重組、基因交換等手段定向選擇穗形、株型、品質(zhì)、產(chǎn)量等表現(xiàn)較好的性狀的過程稱為作物品種改良。對信麥163的研究結果表明，從全基因組來看，父本豐抗38遺傳給信麥163的遺傳物質(zhì)較多；從21條染色體來看，在4A、5A、7A、4B、5B、6B、7B、1D、5D、6D和7D染色體上表現(xiàn)為信陽234的遺傳貢獻大于豐抗38，在1A、2A、3A、6A、1B、2B、3B、2D、3D和4D染色體上表現(xiàn)為豐抗38的遺傳貢獻超過信陽234。從理論上講，系譜地位相等的兩個親本對后代的貢獻應各為50%，但在本研究中出現(xiàn)了“偏向性選擇”現(xiàn)象，而且該現(xiàn)象在小麥中表現(xiàn)比較普遍。如：陳曉杰等利用小麥50KSNP標記對鄭品優(yōu)9號的研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)強筋親本鄭麥366的遺傳貢獻率更大；吳勝男等利用小麥55K芯片對陜農(nóng)33的遺傳分析發(fā)現(xiàn)親本陜農(nóng)981的遺傳貢獻大于新麥18：鄒少奎等對周麥23的研究表明親本周麥13的遺傳貢獻為63.04%，親本新麥9號的遺傳貢獻率為36.96%，兩親本對子代的遺傳貢獻差異較大：孔子明等對周麥16及其父母本利用90KSNP標記進行了全基因組掃描，發(fā)現(xiàn)周麥16的遺傳物質(zhì)大部分都來自于親本周8425。造成這一現(xiàn)象的主要原因可能是育種家對表型性狀的定向改良。

本研究還發(fā)現(xiàn)親本間的重組事件在信麥163基因組中分布不均勻：在3A、4D染色體上，幾乎整條染色體的遺傳信息都來自豐抗38，僅在端部有極少數(shù)重組；在6B、7A、7B、7D染色體上，絕大部分遺傳信息來自于信陽234，也僅有少數(shù)重組；在2A、2B、2D、3B、4A、5A、5B等染色體上則有較多的重組．而且重組的形式表現(xiàn)為染色體大片段的重組。表明信麥163的遺傳信息組成并不是父母本基因組均勻的交換重組，而是較大染色體片段的重組，基因圖譜可以更直觀和清晰地呈現(xiàn)出染色體大片段遺傳傳遞的現(xiàn)象。

總之，采用基因組覆蓋度高、檢測通量水平高的55K SNP標記對信麥163的親本遺傳貢獻進行研究，可以從基因組水平很好地解析其遺傳構成，明確遺傳物質(zhì)從信陽234和豐抗38向其傳遞的規(guī)律，從而有目的地指導品種改良，并加速高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、綜合多抗、品質(zhì)優(yōu)良小麥品種的培育進程。本研究結果不僅豐富了我國小麥品種的遺傳基礎研究，而且為小麥的改良提供了良好的親本材料。