利用基因芯片分析西南麥區主栽小麥品種川麥104的遺傳構成

李式昭，王 琴，鄭建敏，朱華忠，李 俊， 萬洪深，羅江陶，劉澤厚，伍 玲

(四川省農業科學院作物研究所/農業農村部西南地區小麥生物學與遺傳育種重點實驗室，四川成都 610066)

小麥是中國三大糧食作物之一，西南麥區則屬我國重要小麥產區，該區小麥生產對保障我國糧食安全具有重大意義。在小麥育種中，骨干親本是培育小麥新品種的種質基礎，解析其遺傳構成和分子基礎，對選育集高產、優質、抗病、抗逆為一體的主栽小麥品種具有重要價值[1]。近年來，解析各時期小麥骨干親本或代表性品種的遺傳構成，挖掘相關有益基因資源已成為研究熱點[2-15]。

川麥104[4]是西南麥區自“十二五”以來利用川麥42/川農16重組自交系群體選育的主栽小麥品種，已通過國家和四川省審定。其聚合雙親的產量、抗病、抗逆等優良性狀，在四川省區試中平均產量6 116.1 kg·hm-2，比對照綿麥37增產14.12%；在國家區試中平均產量6 130.5 kg·hm-2，比對照川麥42增產8.45%；且高抗條銹病、白粉病，抗穗發芽，在孕穗開花期抗低溫冷害[16-17]。目前，以川麥104為親本已培育出川麥69、川麥93、川麥96、川麥98、川麥1546、川麥1580和川麥1532七個小麥新品種，且尚有大批后備品系處于各級區域試驗中。因此，研究主栽小麥品種川麥104的遺傳構成，對當前西南麥區的品種選育具有重要意義，也可為該區分子標記輔助育種提供理論依據。

前人大部分采用SSR、DArT、SRAP等分子標記對各類小麥骨干親本和推廣品種的遺傳構成進行研究[2-8,10-12]。SNP標記是繼RFLP和SSR之后的第三代分子標記，具有數量多、密度高、代表性強、自動化程度高、相對成本低等優點，以此為基礎開發的小麥基因芯片技術，為評估小麥品種遺傳構成、分析小麥遺傳多樣性以及全基因組關聯分析等提供了新手段[9,13-15]。本研究采用3種小麥基因芯片(660K SNP、50K SNP和35K SNP)比較分析小麥品種川麥104及雙親的遺傳構成，解析親本川麥42和川農16對川麥104的遺傳貢獻，并通過對農藝、品質性狀以及抗性等功能基因進行分型，以期為進一步利用川麥104的高產、抗病特性奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

川麥104系譜為川麥42/川農16，來源于典型穗重型高產小麥品種川麥42和典型多穗型高產小麥品種川農16構建的F8代重組自交系群體(RILs，共127個系)。川麥104于2009―2012年度參加四川省區試，2010―2012年度參加國家區試，并同時通過國家和四川省審定。本研究中川麥104和川麥42由四川省農業科學院作物研究所提供，川農16由四川農業大學小麥研究所提供。

1.2 基因組DNA提取

每個小麥品種取3株幼苗葉片，采用CTAB法[18]提取基因組DNA，并用UV-9000型紫外分光光度計檢測DNA樣品濃度。

1.3 基因芯片分析

小麥660K SNP基因芯片和35K SNP基因芯片由中玉金標記(北京)生物技術股份有限公司進行分析，小麥50K SNP基因芯片由北京博奧晶典生物技術有限公司進行分析，二者均使用相同材料的同一DNA樣品。其中小麥660K SNP基因分型芯片(AxiomWheat660 Genotyping Array)由中國農業科學院作物科學研究所設計完成，能檢測630 517個SNP位點；小麥 50K SNP基因分型芯片[19](AxiomWheat Trait Breed 50K SNP Array)也由中國農業科學院作物科學研究所設計完成，能檢測54 680個SNP位點，包含135個功能基因標記；小麥35K SNP基因分型芯片[20](AxiomWheat Breeder Genotyping Array)由英國布里斯托大學生物科學學院谷物功能基因組設計完成，能檢測35 143個SNP標記，適合小麥育種計劃的高通量選擇。

1.4 方 法

根據3種基因芯片的分型結果，剔除不純合(不穩定)、缺失、無法確知來源以及染色體位置不確定的位點后，統計親本間的差異位點。當川麥104的分型與川麥42一致時，計為川麥42的貢獻位點；當與川農16一致時，計為川農16的貢獻位點。川麥42和川農16對川麥104的遺傳貢獻率為該親本的貢獻位點數占親本間差異位點數的比例。利用Excel 2010進行數據分析與作圖。利用小麥50K SNP基因芯片分型結果確定川麥104及其雙親川麥42、川農16的功能基因。

2 結果與分析

2.1 全基因組掃描分型結果

從小麥660K SNP、50K SNP和35K SNP基因芯片掃描結果(表1)看，川麥104與雙親相同位點數分別占定位位點總數的75.90%、74.21%和81.08%。3種小麥基因芯片SNP均能定位在小麥染色體上，川麥104中與雙親相同的共有等位變異位點數遠多于其他類型位點。3種小麥基因芯片結果具有同一趨勢，即SNP在A、B、D基因組上均表現為川麥104與雙親的共有等位變異位點占比最大，且在A、D基因組上的占比均大于B基因組(圖1)。

表1 3種基因芯片對川麥104全基因組掃描結果Table 1 Information of Chuanmai 104 genotyped by 3 types of wheat SNP arrays

2.2 川麥42和川農16對川麥104的遺傳貢獻

從表2可以看出，川麥42對川麥104的遺傳貢獻大于川農16。利用小麥660K SNP基因芯片進行掃描，發現川麥42和川農16傳遞至川麥104的SNP位點分別占52.26%和47.74%；利用小麥50K SNP基因芯片進行掃描，發現川麥42和川農16傳遞至川麥104的SNP位點分別占54.63%和45.37%；利用小麥35K SNP基因芯片進行掃描，發現川麥42和川農16傳遞至川麥104的SNP位點分別占64.65%和35.35%。

表2 川麥42和川農16在不同染色體上對川麥104的遺傳貢獻Table 2 Genetic contribution of Chuanmai 42 and Chuannong 16 to Chuanmai 104 on different chromosomes

從基因組水平上來看，川麥104中來源于雙親的SNP位點在A、B和D基因組中分布不均勻，3種基因芯片掃描結果(表2)顯示，在D基因組中來源于川麥42的遺傳位點均多于川農16，而在A、B基因組中來源于雙親的遺傳位點分布則有所不同。其中小麥660K SNP基因芯片掃描結果(表2)顯示，在A基因組中川麥42的遺傳貢獻率較高，在B基因組中則為川農16的遺傳貢獻率較高；小麥50K SNP基因芯片掃描結果(表2)顯示，在A、B基因組中均為川農16的遺傳貢獻率較高；小麥35K SNP基因芯片掃描結果(表2)顯示，在A、B基因組中均為川麥42的遺傳貢獻率較大。

從染色體水平上來看，川麥104中來源于雙親的等位位點在21條染色體上的分布也不均勻。小麥660K SNP基因芯片檢測結果(表2)顯示，來源于川麥42的等位位點在3A、7A、1B、2B、5B、1D、3D、4D、5D和6D染色體上分布較多(遺傳貢獻率≥70%)，其中，7A、2B、3D和4D染色體上遺傳貢獻率在90%以上；來源于川農16的等位位點在1A、2A、6A、3B和4B染色體上分布較多(遺傳貢獻率≥70%)，其中，6A、3B和4B染色體上遺傳貢獻率在90%以上。

小麥50K SNP基因芯片檢測結果(表2)顯示，來源于川麥42的等位位點在7A、1B、2B、5B、1D、3D、4D、5D、6D和7D染色體上分布較多(遺傳貢獻率≥70%)，其中，7A、2B、1D和3D染色體上遺傳貢獻率在90%以上；來源于川農16的等位位點在1A、2A、6A、3B、4B、6B和7B染色體上分布較多(遺傳貢獻率≥70%)，其中，1A、6A、3B和4B染色體上遺傳貢獻率在90%以上。

小麥35K SNP基因芯片檢測結果(表2)顯示，來源于川麥42的等位位點在3A、5A、7A、1B、2B、5B、1D、5D和7D染色體上分布較多(遺傳貢獻率≥70%)，其中，7A和1D染色體上遺傳貢獻率在90%以上；來源于川農16的等位位點在6A、3B和4B染色體上分布較多(遺傳貢獻率≥70%)，其中，6A和4B染色體上遺傳貢獻率在90%以上。

綜上所述，3種基因芯片的檢測結果均顯示，來源于川麥42的等位位點在7A、1B、2B、5B、1D和5D染色體上分布較多(遺傳貢獻率≥70%)，其中7A染色體上遺傳貢獻率在90%以上；來源于川農16的等位位點在6A、3B和4B染色體上分布較多(遺傳貢獻率≥70%)，其中，6A和4B染色體上遺傳貢獻率在90%以上。

2.3 川麥104及雙親的功能基因遺傳分析

小麥50K SNP基因芯片包含了部分常見功能基因(農藝、品質性狀和抗病性)的SNP標記，能夠快速檢測小麥品種的上述性狀，對于分子標記輔助育種具有重要意義。利用小麥50K SNP基因芯片對川麥104及其雙親川麥42、川農16的功能基因進行分型，結果(表3)表明，川麥104中絕大多數的優良等位基因均同時繼承了雙親川麥42和川農16，僅千粒重基因TaGS5-A1和抗旱基因TaDreb-B1有所不同，在千粒重基因TaGS5-A1方面，川麥104繼承了川麥42的高千粒重基因TaGS5-A1b；在抗旱基因TaDreb-B1方面，川麥104則繼承了川農16的抗旱基因TaDreb-B1a。這也是川麥104在產量、品質、抗性等方面都表現優良的重要原因。

3 討 論

李 俊等[4]利用SSR和DArT標記分析川麥104的遺傳構成表明，川麥104更多地繼承了川麥42的遺傳成分(60.8%)。本研究也有相似結果，在小麥660K SNP、50K SNP和35K SNP基因芯片掃描結果中，川麥42對川麥104的遺傳貢獻率分別為52.26%、54.63%和64.65%?？傮w來看，隨著SNP標記數目的增加，川麥104背景中的偏親遺傳選擇現象越來越不明顯，更接近于理論值(50%)，這可能與SNP標記遠較SSR和DArT標記數目多，且在各條染色體上的分布更均勻有關。但從小麥21條染色體分布結果來看，來源于川麥42的等位位點在7A、1B、2B、5B、1D和5D染色體上分布較多，而來源于川農16的等位位點在6A、3B和4B染色體上分布較多，這也說明在川麥104的雜交和育種選擇過程中，通過較大染色體片段發生遺傳傳遞的現象非常普遍，這表明骨干親本的區段遺傳和選擇牽連效應在育種上具有十分重要的意義，對某一表型性狀的定向改良是導致后代遺傳信息發生偏親遺傳的主要原因。

近年來，隨著高通量測序和高密度基因芯片技術的不斷發展，SNP標記因其高效的檢測效率和不斷降低的成本，逐步成為小麥基因組學和群體遺傳學方面研究的主流。Sun等[21]系統評估了小麥分子育種領域常用的7種SNP基因芯片(9K、15K、35K、55K、90K、660K、820K)，認為小麥660K SNP基因芯片包含具有準確物理位置的基因組特異SNP位點數目最高(99.05%)，且有229 266個SNP標記位于66 834(63.52%)個注釋基因內或其啟動子區域，這些注釋基因幾乎包含所有其他常用芯片檢測到的注釋基因，因此，小麥660K芯片在一定程度上可以替代其他6種芯片。本研究結果也表明，3種基因芯片檢測結果具有一定共性趨勢，而小麥660K和50K基因芯片的檢測結果相似度更高，這可能與二者SNP標記數目多、分布相對均勻，且在設計時均參考了最新相關小麥基因組的測序結果有關。小麥50K SNP基因芯片因能直接讀出部分常見功能基因的分型結果，有利于進行分子標記輔助育種選擇，在一定程度上可作為小麥660K SNP基因芯片的有益補充。

表3 川麥104及其雙親(川麥42和川農16)的功能基因分型Table 3 Functional genotyping of Chuanmai 104 and its parents(Chuanmai 42 and Chuannong 16)

川麥104中絕大多數的優良等位基因均同時繼承雙親川麥42和川農16。本研究中，川麥104與高千粒重性狀相關的基因除TaGS5-A1外，均同時繼承了雙親，這與李 俊等[4]利用SSR和DArT標記發現川麥104同時繼承雙親中具有增加千粒重QTL等位位點的結論一致。本研究表明，川麥104具有正向控制千粒重的基因(TaSus2-2A[22]、TaGS5-3A[23]、TaTGW-7A[24]、TaGASR-7A[25]、TaGW2-6B[26]、TaSus1-7B[27]、TaGS-D1[28])、抗病基因(Sr36[29]、Sr2[30]、Lr67[31]等)、抗穗發芽基因(TaPHS1[32]、Vp1Bb[33])以及抗旱基因(TaDreb-B1a[34]、1-feh w3[35])，正是以上基因的聚合效應，使得川麥104的綜合表現優于雙親。以四川省區試結果為例，川麥104平均千粒重為49.9 g，高于親本川麥42(49.3 g)和川農16(42.0 g)；且抗病性突出，高抗條銹病和白粉病(川麥42感白粉病，川農16感條銹病)。本研究闡明了川麥104在產量、抗性等各方面表現優良的分子基礎，也為我國西南麥區的分子標記輔助育種提供理論依據。鑒于小麥50K SNP基因芯片僅包含135個功能基因信息，川麥104中尚有更多其他有益基因資源可供發掘利用。

4 結 論

3種小麥基因芯片掃描結果顯示，川麥104中與雙親相同的共有等位變異位點數目遠多于其他類型位點。川麥104中來源于雙親的SNP位點在染色體A、B和D基因組中分布不均勻，在D基因組中來源于川麥42的遺傳位點多于川農16。來源于川麥42的等位位點在7A、1B、2B、5B、1D和5D染色體上分布較多(遺傳貢獻率≥70%)，其中在7A染色體上遺傳貢獻率超過90%；來源于川農16的等位位點在6A、3B和4B染色體上分布較多(遺傳貢獻率≥70%)，其中在6A和4B染色體上遺傳貢獻率超過90%。功能基因分型結果表明，川麥104中絕大多數的優良等位基因均同時繼承了雙親川麥42和川農16，在少部分重要性狀上，川麥104還分別繼承了雙親中的優良等位基因。