中間偃麥草基因組特征及其在小麥遺傳改良中的應用

張樹偉，李 欣，喬麟軼，張曉軍，郭慧娟，常利芳，陳 芳，賈舉慶，暢志堅

（山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，作物遺傳與分子改良山西省重點實驗室，山西太原030031）

小麥的野生近緣植物種類多樣，遺傳變異豐富，含有大量抗病、抗蟲、耐逆、高品質及高產(chǎn)等優(yōu)異基因，是小麥育種及遺傳改良的寶貴野生基因資源庫[1]。通過遠緣雜交可以將近緣物種的優(yōu)良基因導入小麥，提高小麥基因組遺傳多樣性，創(chuàng)制新型小麥種質資源[2]。育種家們在小麥的人工馴化和遺傳改良研究中發(fā)現(xiàn)，小麥近緣種對小麥基因組貢獻較大，豐富其遺傳多樣性的同時增強了適應性[3]。野生近緣種中間偃麥草（Thinopyrum intermedium，2n＝6x＝42，EeEeEbEbStSt 或 JrJrJvsJvsStSt）是小麥獲得新型優(yōu)良性狀的重要基因資源[4]。中間偃麥草屬于偃麥草屬多年生野生植物，根系發(fā)達、長勢旺盛、大穗多花、抗病蟲害、耐逆性強，常被用作抗旱、耐高溫、耐鹽堿育種的基因供體，而且被認為是針對真菌病害提供抗性的遺傳材料，因此，成為國內(nèi)外小麥改良研究應用較廣的遠緣雜交野生資源之一[5]。目前世界上常見的中間偃麥草種質有Amur、RUSH等[6]，經(jīng)過馴化培育的中間偃麥草新種質，如TLI 系列、UMN 系列等對小麥改良也有很大利用價值[7-8]。

長期人為選擇使得小麥遺傳多樣性匱乏，對現(xiàn)代小麥育種形成制約。利用遠緣雜交培育小麥- 中間偃麥草部分雙二倍體，再與普通小麥回交，創(chuàng)制小麥- 中間偃麥草異附加系、異代換系和易位系，將中間偃麥草優(yōu)良基因導入小麥并有效利用，可豐富小麥遺傳多樣性、為小麥遺傳改良提供重要種質資源。為此，筆者對中間偃麥草特征及其染色體組成與基因組演化過程進行了闡述，對中間偃麥草基因組學研究及其在小麥遺傳改良中的應用研究進展進行了綜述，旨在為中間偃麥草優(yōu)異基因在小麥遺傳改良中持續(xù)利用提供參考。

1 中間偃麥草特征及其染色體組成

中間偃麥草是禾本科小麥族偃麥草屬多年生草本植物，也稱作天藍冰草、中間冰草，其先后被劃分到小麥屬、冰草屬、偃麥草屬、類麥屬和毛麥屬，由于植物命名與屬需要一一對應，其名稱也需要跟隨屬作相應的改正，但因研究者長期的使用習慣，目前將偃麥草屬和中間偃麥草的名稱延續(xù)使用[4，9]。中間偃麥草原產(chǎn)于東歐平原，其長勢繁茂、營養(yǎng)豐富，作為一種優(yōu)質牧草被世界各地引種栽培，目前廣泛分布于歐洲、北美、北非和西亞地區(qū)[10-11]。地理條件差異和氣候多樣性使得中間偃麥草在進化過程中獲得了抗蟲、抗病、耐逆、優(yōu)質等優(yōu)良性狀，加之較易和小麥雜交，被廣泛應用于小麥遺傳改良研究。

中間偃麥草是部分同源異源六倍體，盡管國內(nèi)外對其染色體組成進行了大量研究，但進化過程中的復雜性和基因組的劇烈變異，其染色體構成和基因組演化過程仍未完全清晰。早期研究中，研究者們認為中間偃麥草含有與小麥同源的染色體組。PETO[12]將小麥和中間偃麥草雜交，觀察后代減數(shù)分裂時期配對情況，認為中間偃麥草一個染色體組和小麥A 染色體組部分同源，將其染色體構成表示為AXY。VARKAR[13]進一步通過觀察研究，認為中間偃麥草有2 個染色體組與小麥A、D 染色體組有相似性，將其染色體構成用AaDaX 表示。樸真三[14]用修改的Giemsa C- 帶方法對比中間偃麥草和普通小麥的C- 帶帶型，認為其一個染色體組和小麥B染色體組有相似性，將其染色體組用B2X1X2表示。后來研究者們認為中間偃麥草不含小麥同源染色體組，STEBBINS 等[15]將黑麥（Secale cereale，RR）與中間偃麥草雜交，觀察其后代染色體配對情況，將染色體構成表示為 E1E2N、EN1N2。LIU 等[16]將長穗偃麥草（Lophopyrum elongatum，EE 或EeEe）和擬鵝觀草（Pseudoroegneria strigosa，StSt）分別與中間偃麥草雜交，觀察后代染色體配對情況，并用Giemsa C-帶方法比對其染色體核型，認為中間偃麥草有2 個染色體組與長穗偃麥草相關聯(lián)，另一個染色體組則與擬鵝觀草相關聯(lián)，將其染色體構成表示為JeJeJe-JeSS。基因組原位雜交（Genomic in situ hybridization，GISH）技術的發(fā)展，為中間偃麥草染色體來源和構成的鑒定提供了便利。CHEN 等[17]利用GISH 技術分析了中間偃麥草染色體組成，認為中間偃麥草基因組或用JJJsJsStSt 表示，其中J 基因組與長穗偃麥草的Ee基因組或百薩偃麥草（Thinopyrum bessarabicum，JJ 或 EbEb）的 Eb基因組相關聯(lián)，St 基因組與擬鵝觀草St 基因組相關聯(lián)，Js 基因組則表示在著絲粒附近有St 基因組特異序列的長穗偃麥草Ee基因組或百薩偃麥草Eb基因組。吉萬全等[18]利用相同方法對中間偃麥草進行GISH 分析，將中間偃麥草基因組表示為EeEeEbEbStSt，并認為其3 個基因組中，與長穗偃麥草和百薩偃麥草相似的2 個基因組的親緣關系較近，且與另外一個和擬鵝觀草相似的基因組的親緣關系較遠。MAHELKA 等[19]利用葉綠體轉運RNA 間隔區(qū)（trnL-F）測序、顆粒結合性淀粉合成酶（GBSSI）測序結合GISH 分析，指出中間偃麥草的進化過程有擬鵝觀草屬、簇毛麥屬、帶芒草屬、山羊草屬和偃麥草屬等5 個當代屬參與，并認為擬鵝觀草是中間偃麥草最早的親本，簇毛麥（Dasypyrum villosum，VV）可能是其潛在的親本。WANG 等[20]利用EST-SSR 對中間偃麥草的幾個可能供體親本分析和聚類，推斷簇毛麥不是其直接的供體，認為中間偃麥草是由擬鵝觀草（St）和一個包含Jr（原始的Jb）、Jvs（原始的Je）的四倍體發(fā)生的遠古雜交事件形成，并提出用JrJrJvsJvsStSt 表示（圖1）。由于供體親本之間可能存在的同源關系，加之長期進化過程中的復雜性，中間偃麥草染色體構成及其演化還需要進一步探索。

2 中間偃麥草基因組學研究

近年來，隨著測序技術的迅速發(fā)展，小麥族多個物種的基因組測序已經(jīng)完成，如烏拉爾圖小麥（Triticum urartu，AA）[21]、粗山羊草（Aegilops tauschii，DD）[22]、野生二粒小麥（Triticum dicoccoides，AABB）[23]等，這些都極大推動了小麥族植物基因組學的研究。而中間偃麥草基因組龐大（約14 G），且3 個基因組間的進化關系仍不明確，使其基因組研究進展相對緩慢。

對中間偃麥草基因組研究主要集中在分子標記開發(fā)、遠緣雜交利用以及染色體結構分析等方面。開發(fā)標記種類主要有簡單重復序列（SSR）[24]、單核苷酸多態(tài)性標記（SNP）[25]、表達序列標簽序列（EST）[26]、基于 PCR 的標志性獨特基因標記（PLUG）[27]和特異位點擴增片段測序標記（SLAF）[28]等?；蚍中蜏y序技術（genotyping-by-sequencing，GBS）是一種簡化基因組測序技術，其先用限制性內(nèi)切酶將植物基因組DNA 酶切，獲得復雜度較低的GBS 庫，再通過多重測序獲得高質量基因組數(shù)據(jù)，從而用于各項基因組學研究[29]。KANTARSKI 等[30]利用GBS技術對中間偃麥草13 個異質親本構建的7 個全同胞家系分析，構建出第一個中間偃麥草遺傳圖譜。該高密度圖譜中，21 個連鎖群包含10 029 個SNPs，每個連鎖群含有SNPs 數(shù)目在237～683 個，SNP 之間的平均距離為0.5 cM，為開展表型和基因型關聯(lián)分析奠定了基礎。CSEH 等[31]用基于陣列的SNP 標記技術（array-based SNP）對187 個小麥- 中間偃麥草滲入系分析，開發(fā)了634 個中間偃麥草染色體特異 SNP，其中部分標記被定位到 1JVS、2JVS、3JVS和7JVS的著絲粒區(qū)域，這些特異SNP 為鑒定小麥- 中間偃麥草導入系奠定了基礎。山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院小麥染色體工程與分子育種實驗室利用已公布的GBS 數(shù)據(jù)，開發(fā)了2 019 對STS 標記，進一步對第6同源群253 個STS 標記篩選，篩選出160 個中間偃麥草特異標記，這些標記可用于小麥- 中間偃麥草滲入系材料外源染色體及染色體片段的快速檢測[32]。2019 年美國能源部聯(lián)合基因組研究所公布了一個高質量的中間偃麥草基因組序列圖譜（https://phytozome-next.jgi.doe.gov/info/Tintermedium_v2_1），DEHAAN 等[33]利用該數(shù)據(jù)對比栽培作物中與馴化相關的基因，找到了中間偃麥草中與株高、穗密度、種子大小、落粒性等性狀相關的候選基因，為其基因組學研究及優(yōu)異基因快速向小麥轉移提供了重要的參考。

3 中間偃麥草在小麥遺傳改良中的應用

3.1 重要橋梁種質資源的創(chuàng)制

遠緣雜交是利用不同種或屬間物種進行人工雜交并產(chǎn)生后代，加速了不同屬或種物種間的基因交流，從而產(chǎn)生更加豐富的遺傳多樣性。利用遠緣雜交將中間偃麥草攜帶的優(yōu)良基因導入小麥，可以增加小麥變異類型，豐富小麥遺傳多樣性，有助于解決因長期人工選擇導致的遺傳瓶頸。中間偃麥草與小麥雜交親和性高，雜交產(chǎn)生的部分雙二倍體是將優(yōu)異基因快速轉入小麥的重要橋梁材料。CAUDERON[34]用中間偃麥草和普通小麥雜交，育成一個部分雙二倍體TAF46，成為研究者們廣泛應用的八倍體小偃麥之一。孫善澄等[35-36]將小麥和中間偃麥草雜交，選育出“中”系列小麥- 中間偃麥草部分雙二倍體（如中1～中5），成為中間偃麥草優(yōu)質基因導入小麥的重要材料。其后，研究者們相繼育成具有優(yōu)良性狀的小麥- 中間偃麥草部分雙二倍體材料，如 TE3[37]、TE183、TE185、TE188、TE198、TE256、TE347[38]、TAI7044、TAI7045、TAI7047、TAI-8335[39]、TE253、TE257、TE267、TE346[40]，為小麥遺傳研究和育種改良做出了重要貢獻。

3.2 重要異染色體系的利用

部分雙二倍體小偃麥一般包含小麥的全套染色體和中間偃麥草的多條染色體，是小麥遺傳改良中利用中間偃麥草優(yōu)良基因的重要中間材料。但由于其攜帶較多外源染色體，通常表現(xiàn)出較強的野生性，部分農(nóng)藝性狀不符合生產(chǎn)需求，如株高增加、開花期延長、熟期變晚等，難以直接在小麥育種中應用，需要進一步創(chuàng)制新的附加系、代換系和易位系，將中間偃麥草優(yōu)良基因有效應用到小麥遺傳育種中。WANG 等[41]對煙農(nóng)15 和中間偃麥草雜交后代鑒定，獲得高抗條銹病和白粉病的異附加系材料W210、W211、W212，并指出抗病基因均來自中間偃麥草第一同源群染色體上，且有可能是新的基因。LI 等[42]從小麥和中間偃麥草雜交后代中選育出高蛋白含量代換系 AS1677（1St#2（1D）），其籽粒硬度增大、籽粒蛋白含量明顯增加，并通過分子標記方法將影響品質相關基因定位于中間偃麥草1St#2染色體長臂FL0.60-1.00 區(qū)域。ZHAN 等[43]從綿陽11 與TAI7047 雜交后代中篩選獲得一個新的T6BS.6Ai#1L 補償羅伯遜易位系CH13-21，其高抗條銹病和白粉病，可為小麥抗病育種提供新的抗源。ZHANG 等[44]在中間偃麥草和普通小麥煙農(nóng)15雜交后代中篩選到一個異源漸滲系山農(nóng)304，該品系不僅生長茂盛、大穗多花，而且具有耐低磷脅迫的特性，為小麥磷高效種質創(chuàng)制和遺傳改良提供了新的種質資源。CUI 等[45]利用“中”系列小麥- 中間偃麥草創(chuàng)制了30 份異附加系、代換系和易位系材料，對其進行田間抗病性鑒定，篩選出6 個抗條銹病品系和13 個抗白粉病品系，為小麥抗病育種提供了有價值的材料。

3.3 從中間偃麥草導入小麥的抗病基因

中間偃麥草對小麥流行病害的抗性表現(xiàn)突出，其優(yōu)異抗病基因導入小麥提高抗病性是當代小麥育種的目標之一。目前通過染色體異源重組導入小麥的抗病基因定位方法是利用抗性不同的小麥近緣屬雜交，或利用誘變獲得突變體，構建次級群體進行精細定位甚至克隆。但該方法需要精確的遺傳圖譜，且近緣屬基因組復雜，不易與小麥染色體配對或交換，這些都增加了外源基因導入與定位的難度。迄今為止，國際上正式命名的小麥抗病基因中，來源于中間偃麥草的基因僅有9 個，具體包括抗白粉病基因Pm40[46]、Pm43[47]，抗條銹病基因Yr50[48]，抗葉銹病基因Lr38[49]和抗稈銹病基因Sr44[50]，抗黃矮病基因Bdv2[51]、Bdv3[52]，抗線條花葉病基因Wsm1[53]、Wsm3[54]。中間偃麥草作為提高小麥抗病性的重要基因庫，仍有豐富的優(yōu)異基因有待挖掘和利用。SHEN 等[55]從中間偃麥草和普通小麥雜交后代中選育的高抗白粉病材料中定位了抗白粉病基因PmL962，并指出該抗病基因可能來源于中間偃麥草，且不同于已知的Pm基因。山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院小麥染色體工程與分子育種實驗室長期從事中間偃麥草與小麥遠緣雜交創(chuàng)制抗病新種質工作，以多抗性八倍體小偃麥為抗源，進一步選育隱形滲入系材料，并對抗病基因進行定位，如已定位的抗白粉病基因PmCH83[56]、PmCH89[57]和PmCH7124[58]等，為外緣種質用于小麥育種提供了重要的材料支撐。隨著小麥近緣屬物種測序工作的不斷開展，參考基因組信息的不斷增加，可以預測今后來源于中間偃麥草的抗病基因定位與克隆也會逐漸變得容易，并有效應用到小麥遺傳改良中來[59]。

4 展望

長期以來小麥育種的定向選擇，使得現(xiàn)有小麥的遺傳基礎日趨狹窄，抵御生物性和非生物性脅迫能力下降，急需豐富小麥現(xiàn)有種質資源，從而達到提高產(chǎn)量、改善品質、保障糧食安全的目的[60]。在小麥的三級基因源中，一級基因源最容易利用，二級基因源較容易利用，三級基因源則最難利用。中間偃麥草作為小麥的三級基因源，與小麥雜交產(chǎn)生的異染色體系無法直接用于小麥育種，需要創(chuàng)制包含優(yōu)異基因的小片段易位系才可用于小麥遺傳改良。有2 個復雜的因素阻礙優(yōu)異基因從偃麥草向小麥滲入的效率：（1）多數(shù)情況下，雜交F1胚都是皺縮的，種子在正常條件下很難萌發(fā)；（2）獲得的大量重組株通常都是利用耗時費力的人工細胞學技術檢測，不能用高通量技術分析[61]。第一個因素可以通過胚胎拯救和組織培養(yǎng)技術解決，從而極大程度獲得珍貴遺傳資源；第二個因素則較難解決，需要開發(fā)中間偃麥草覆蓋整個基因組的染色體特異分子標記以實現(xiàn)高通量檢測。盡管不斷有中間偃麥草分子標記被報道，但數(shù)量還很有限，且沒有覆蓋整個中間偃麥草基因組，新的高密度標記仍需要進一步開發(fā)。

中間偃麥草長久以來被用于小麥遺傳改良，研究者們利用其與小麥雜交培育的異附加系、異代換系和易位系為小麥遺傳多樣性的豐富、抗病蟲害能力及品質提升發(fā)揮了重要的作用。近年來，隨著測序成本的不斷降低和生物信息學的快速發(fā)展，DNA芯片技術、簡化基因組測序技術、基因分型測序技術及基于陣列的SNP 標記技術等新技術不斷被應用到中間偃麥草基因組研究及標記開發(fā)中并取得一定的進展。但中間偃麥草異源六倍體特性及進化過程的復雜性，使其染色體組成尚不明確，目前只有擬鵝觀草是其St 基因組公認的供體親本，另外2個基因組的起源仍然有爭論。因此，深入探討中間偃麥草進化過程、明確其染色體組構成、開發(fā)高通量特異分子標記，能夠為中間偃麥草優(yōu)異基因向小麥中高效轉移提供理論基礎，加快小麥遺傳育種進程。