基于分子標記的小麥親本評價和組合設計

高明剛，郭營，趙巖，安艷榮，李斯深

（1.山東農業(yè)大學／作物生物學國家重點實驗室，山東 泰安 271018；2.濰坊學院生物與農業(yè)工程學院／山東省高校生物化學與分子生物學重點實驗室，山東 濰坊 261061）

親本評價和組合選配是小麥育種工作的重要內容之一［1］。傳統(tǒng)的雜交育種中，親本選擇和組合選配主要從形態(tài)學和統(tǒng)計學等方面著手，主要考慮親本的產量、品質、抗性等重要性狀表現，以及親緣關系、地理區(qū)域、遺傳力等因素，主觀性較強［2］。

21世紀以來，隨著分子標記和基因組測序技術的發(fā)展，分子標記輔助選擇和分子設計育種開始應用于小麥的親本評價和雜交組合設計中［3-5］。通過連鎖分析或全基因組關聯(lián)分析（genome-wide association study，GWAS）等方法對復雜性狀進行遺傳解析和QTL定位，來獲得與目標性狀緊密連鎖的分子標記，使得育種家可以直接從DNA分子水平上對親本進行評價［6］。借助分子標記手段，直觀地判斷出親本所攜帶的優(yōu)異基因，再結合親本的相關表型性狀，能更準確和合理地對親本做出評價并設計組合，從而大大提高育種效率。目前，利用分子標記對親本進行科學評價、提高設計組合的成功率，已經成為現代小麥育種的研究熱點［7，8］。利用分子標記進行親本評價和設計組合依賴于QTL檢測的分辨率和準確度［9］。理論上，在分子標記密度足夠覆蓋整個基因組的情況下，所有的微效QTL均能被檢測到。此時的親本評價模型可以包括幾乎所有可解釋遺傳變異的標記，從而使得預測結果更加準確［10］。近年來，國內外研究開發(fā)出多種小麥SNP芯片，如90K、660K芯片［11，12］，為QTL分析和分子標記設計育種提供了極大便利。

本研究利用小麥自然品種群體的90K SNP分析數據，對小麥的4個產量相關性狀進行全基因組關聯(lián)分析。在此基礎上，利用檢測到的QTL信息，構建親本評價模型，結合表型數據進行親本評價和組合設計，期望能為育種工作中的組合選配提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與GWAS分析

供試材料為我國黃淮麥區(qū)134個小麥品種（系）組成的自然品種群體。134個小麥品種（系）分別種植于山東農業(yè)大學（泰安）、淄博農業(yè)科學研究院（淄博）和新疆農業(yè)科學院（烏魯木齊）。測定其株高（plant height，PH）、穗粒數（grain number per spike，GNS）、每平方米穗數（spike number per square meter，SN）和千粒重（thousand-grain weight，TGW）共4個產量相關性狀。同時利用小麥90K SNP芯片［11］對品種群體進行基因型分型，獲得了8 650個多態(tài)性SNP標記，進而利用這些標記對上述4個重要性狀進行GWAS分析［13］，篩選到231個與其顯著關聯(lián)的SNP位點，用于后續(xù)分析。

1.2 親本評價和組合選配模型

1.2.1 確定QTL效應值 根據已經獲得的與4個性狀顯著關聯(lián)的SNP標記，統(tǒng)計134個品種（系）每個SNP的兩種等位基因型的數目，對于GNS、SN和TGW，在每一SNP位點，若一種等位基因的表型平均值大于另一種等位基因，則確定該等位基因效應為增效，另一等位基因效應為減效；PH性狀反之。

1.2.2 親本評價 按以下公式計算每一個小麥品種（系）的親本評價得分值：

式中Sj為第j個親本的得分；n為SNP位點總數；表示第j個親本中第i個SNP標記的R2；α表i示增效或者減效，增效為1，減效為-1。

1.2.3 組合評價 對134個品種（系）兩兩組合，按照以下公式計算組合的評價得分值：

式中aijk表示第i個親本和第j個親本在第k個位點處的效應值；aik表示第i個親本在第k個位點處的效應值；ajk表示第j個親本在第k個位點處的效應值；Sij表示第i個親本和第j個親本組合的得分值。

以上所有計算均通過R語言程序實現［14］。

2 結果與分析

2.1 親本評價

按照前述方法對親本進行評價，結果表明，134個品種（系）的評價得分值分布范圍為-0.179～0.152，其中豫麥54的得分最高，為0.152，黑小麥76的得分最低，為-0.179。一些生產中表現較好的優(yōu)良品種表現出較高的評價得分值，如濟麥22、新麥26、良星99、魯麥21、山農29、魯麥14、濟麥19、泰農18等品種排名在40位以前，說明該評價方法具有一定的參考價值（表1）。

表1 親本評價各品種（系）得分

2.2 組合設計

基于親本的評價得分值，結合其表型測定數據和黃淮麥區(qū)北片的地理因素，刪除明顯不符合本地育種目標的親本，最終篩選出高于得分平均值的57個品種（系），兩兩組合并計算其得分值，并選取前500個得分較高的親本組合進行分析。結果表明，組合評價得分最高的是泰山23-LS4942組合，其分值為0.242。500個組合的親本分布相對比較集中，總共包含35個品種（系）：954（7）-8、LS3283、LS4697、LS4942、LS6045、濟麥19、濟麥22、濟寧16、萊州137、良星99、臨麥4號、臨麥6號、齊豐1號、山農15、山農17、山農18、山農21、山農23、山農25、山農29、石4185、泰農18、泰山22、泰山23、郯麥98、鑫麥289、煙5072、煙99603、煙農0428、煙農19、煙農22、煙農23、煙農836、煙農999、小偃22。其中以濟麥22作為親本之一的組合有29個，泰農18作為親本之一的組合有28個，良星99和山農17作為親本之一的組合均為26個，山農29、煙農19和山農25作為親本之一的組合分別有25、19個和18個，表明以這些生產中大面積種植的優(yōu)良品種作為親本組配組合，可能會取得更好的育種效果。此外，萊州137和煙5072等盡管沒有審定，但不同育種單位已用其育成多個品種，也分別組配了26個和14個組合，因此育種中應該注意優(yōu)異種質的利用。

2.3 泰農18和山農17作為親本的組合及其育種驗證

我們提取根據育種經驗確定的重點利用親本泰農18和山農17，繼而提取涉及這兩個親本的雜交組合共計54個（表2），查找近期國家和山東省審定品種情況可知，其中5個組合（5／54＝9.3%）育成10個審定品種：包括利用“泰農18與濟麥22”雜交組合育成的中麥6052、泰農108、濟麥55、華麥188，利用“泰農18與臨麥6號”雜交組合育成的山農29、山農30、山農41，利用“泰農18與煙農0428”組合育成的青農7號，利用“良星99與泰農18”組合育成的鑫瑞麥38，利用“山農17與良星99”組合育成的泰科麥38。除此之外，以泰農18或山農17作為親本之一還育成許多參加各級區(qū)試的小麥新品系（數據未提供）。

表2 泰農18和山農17作為親本之一的設計組合

3 討論與結論

對親本進行科學合理的評價，并用其選配正確的雜交組合是小麥育種取得成效的關鍵之一［1，4-6］。傳統(tǒng)育種在組合選配方面成功率通常較低，春小麥中成功選出有價值雜交組合的概率不到2%，而冬小麥大約只有0.2%，其根本原因之一可能是對小麥親本的評價不夠合理，選配理論的研究不夠深入［15-17］。

在傳統(tǒng)育種基礎上，通過分子標記輔助選擇，直接從DNA分子水平上評價親本和設計組合，可以有目的地對與目標性狀緊密連鎖的基因進行選擇，有效排除連鎖累贅，從而大大提高育種效率［18-20］。本研究利用134個小麥品種（系）的90K SNP芯片數據，借助GWAS分析，對小麥株高、穗粒數、每平方米穗數和千粒重4個產量相關性狀進行全基因組掃描，檢測到231個與其顯著關聯(lián)的SNP位點，為后續(xù)的親本選配和組合設計提供了依據。在此基礎上，結合表型測定數據，確定每個性狀所有SNP位點的效應值，計算供試品種（系）的評價得分值，并選擇其中高于得分平均值的前57個品種（系）兩兩配置雜交組合，結果表明生產中大面積種植的優(yōu)良品種作為親本的組合，往往表現出更高的評價得分值，這些組合可能具有潛在的育種價值。

分子設計與經驗育種的緊密結合會發(fā)揮更好作用。建議根據設計結果，結合育種目標需求，特別是利用一些大面積推廣品種作親本之一，可提高雜交組合的成功率。我們提取到含有重點利用親本泰農18和山農17的設計組合共計54個，統(tǒng)計看出不同單位在育種實踐中利用其中的5個組合（5／54＝9.3%）育成了10個國家和省級審定品種，這個比例遠遠高于純粹的經驗育種。