优质强筋小麦新麦45的遗传基础解析

杨瑞晗， 宋晓朋， 孔子明， 赵 莉

(1.驻马店市农业科学院， 河南 驻马店 463000； 2.驻马店市遂平县农业农村局， 河南 遂平 463100)

小麦是我国主要的口粮作物，优质、高产、高效是小麦遗传育种的重要目标。随着小麦供给侧改革的推进，在稳定产量的基础上，逐步提高新品种的品质是今后优质小麦品种选育的重要途径[1]。选育优质高产多抗广适的小麦新品种对于提高小麦品质，满足小麦产业化需求具有重要意义。许多育种家对优质小麦组合的配制进行研究，如济麦44是以两个具有高产性状的优质强筋型亲本进行组合配制选育出的高产、优质强筋小麦新品种，但较少研究从分子水平上对小麦品种的遗传基础进行分析。

随着小麦测序技术的快速发展，高密度SNP标记为小麦遗传图谱的构建、主要农艺性状基因的发掘和亲本材料的基因检测提供了有效的技术支持[2-3]。李玉刚等[4]利用SSR标记和90 K SNP标记从基因组水平上对青农2号的遗传构成进行分析，发现鲁麦14在大多数染色体上对青农2号具有较高的遗传贡献率；吴胜男等[5]通过小麦55 K SNP芯片对陕农33进行遗传解析发现，陕农981的遗传贡献率稍大于新麦18；陈晓杰等[6]通过小麦50 K SNP芯片分析了郑品优9号的遗传基础，结果表明，郑麦366在B基因组上具有较高的遗传贡献。这些研究表明，分子标记已经成为鉴定品种遗传构成的重要技术工具。

新麦45是新乡市农业科学院选育出的优质超强筋小麦新品种。新麦45母本为高产优质强筋小麦品种新麦26，山东省优质强筋小麦济麦20为父本。本研究利用小麦55 K SNP芯片对新麦45及双亲品种进行扫描，从全基因组水平上对新麦45的遗传构成进行分析，以期为优质强筋小麦选育和材料选用提供选择信息。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料新麦45及其双亲新麦

26和济麦20均由西北农林科技大学农学院提供。

1.2 55 K SNP芯片分型

供试品种选取幼嫩的叶片，根据Porebski等[7]的方法提取叶片DNA，DNA的质量通过1%的琼脂糖凝胶电泳进行检测，浓度用NanoDropND-1 000进行测定。利用55 K SNP芯片对供试品种进行检测，检测工作由北京博奥经典生物技术有限公司完成。通过Excel软件对供试品种检测出的SNP位点进行筛选，最终有49 722个有效SNP位点用于试验研究分析。

1.3 亲本遗传贡献率分析及遗传型图谱的构建

通过筛选得到的SNP位点，根据新麦45双亲间SNP位点的差异对标记进行进一步筛选来计算亲本的遗传贡献率。如果新麦26的SNP分型结果与新麦45的相同，则认为该SNP位点是新麦26的遗传贡献位点。亲本对新麦45的遗传贡献率为某一亲本遗传贡献位点的数量与双亲间多态性SNP位点总数的百分比。根据亲本SNP分型结果的异同赋予不同的颜色，按照SNP标记在不同染色体上的位置顺序进行排列[8]，利用Origin 2018和GGT 2.0软件[9]绘制柱形图和周麦32的基因型图谱。

2 结果分析

2.1 新麦45亲本全基因组SNP标记分析

在49 722个有效SNP标记中，各染色体标记分布较为均衡(图1)，4 D染色体SNP标记数目最少，只有1 095个。亲本新麦26和济麦20表型多态性的SNP位点有18 457个，占全部标记的37.12%，在不同染色体上多态性SNP标记差异较大，其中，2 A染色体上差异SNP标记最多(1 561)，占该染色体标记数目的60.02%，其次是2 D(1 266)和5 A(1 264)，4 D染色体差异性SNP标记最少，有213个；不同基因组多态性SNP位点数量差别较大，A基因组最多(7 309)，其次是B基因组(6 490)和D基因组(4 658)。新麦45与亲本相同的SNP位点在染色体上分布差别较大，7 D、4 B、4 A和6 B染色体一致性SNP标记较多，1 B和4 D染色体上一致性SNP标记较少，从基因组水平上看，B基因组存在较多的一致性SNP标记，其次是D基因组和A基因组。

图1 新麦45及亲本SNP位点在不同染色体上的分布 Fig.1 The distribution for SNP loci of Xinmai 45 and its parent on different chromosomes

2.2 新麦45的遗传构成分析

亲本新麦26对新麦45的遗传贡献率为62.28%，高于济麦20的遗传贡献率(37.72%)，这说明两亲本在后代遗传物质分配中发生了严重的分离，新麦45遗传了新麦26更多的遗传物质。分析双亲在染色体和基因组水平上对新麦45的遗传贡献率(图2)，发现在基因组水平上两亲本的遗传贡献率存在一定程度的不均衡，新麦26在B基因组和D基因组上的遗传贡献率较高，分别为71.43%和74.25%；而济麦20在A基因组上遗传贡献率(53.54%)高于新麦26(46.46%)。在不同染色体上，双亲对新麦45的遗传贡献率变化较大，新麦26在较多染色体上对新麦45的遗传贡献率较大，在1 B、1 D、2 B、2 D、4 B、5 A、5 B、5 D、7 B染色体上新麦26的遗传贡献率超过了80%；在2 A染色体上济麦20的遗传贡献率达到了90.71%，在6 A、6 B和6 D染色体上新麦45获得了更多济麦20的遗传物质，而在3 B染色体上两亲本对新麦45的遗传贡献率相差不大。

图2 新麦26和济麦20在染色体上对新麦45的遗传贡献率Fig.2 The genetic contribution ratio of Xinmai 26 and Jimai 20 on chromosome to Xinmai 45

2.3 新麦45来源于双亲的遗传区段

参考小麦55 K SNP芯片物理图谱标记位置信息，通过GGT 2.0软件绘制新麦45基因型图谱(图3)，将相邻连续3个及以上SNP标记且相对长度大于1 Mb为染色体较大遗传片段，利用Excel软件对较大片段进行统计汇总。在小麦21条染色体上较大遗传片段中，新麦45来源于其亲本的较大遗传片段有556个，其中新麦26的较大遗传片段(385个)多于济麦20。2 B、3 D、5 A、5 B、7 A、7 B染色体上来源于新麦26的较多遗传片段较多，且都超过了30个；而在2 A、6 A、6 B染色体上新麦45遗传了更多济麦20的染色体较大遗传片段，在4 A染色体上新麦45来源于双亲的较大遗传片段相等且都有6个，在4 D染色体上新麦26贡献了1个较大遗传片段而济麦20贡献了2个。在基因组水平上，新麦26在A、B、D基因组贡献了较多的较大遗传片段，尤其是在B基因组上新麦45获得更多的染色体较大遗传片段(186个)，比济麦20(61个)多。

注：红色代表新麦26特异的区段；蓝色代表济麦20特异的区段；浅灰色代表新麦45、 新麦26和济麦20共有的区段；黄色代表新麦45特异的区段。 图3 新麦45的SNP标记基因型图谱 Fig.3 Genotype map of Xinmai 45 by SNP marker

2.4 新麦45特异SNP位点分布

通过比对新麦45与双亲的基因型，3 861个新麦45特异性SNP位点分布于21条染色体上，1 A、1 B、4 B染色体上特异性位点较多；2 A染色体上特异性位点最少，仅有11个。在A、B、D基因组中，新麦45特异性位点表现出B基因组(1 512)>A基因组(1 389)>D基因组(960)。

3 讨论与结论

小麦55 K SNP芯片标记数量多，在各条染色体上分布较为均匀，有效标记检测比例高，有很高的研究利用价值。孔子明等[10]利用90 K SNP芯片分析周麦16的遗传构成，发现该芯片在D基因组染色上标记密度较少，检测效率较低。在本研究中新麦45及其亲本在D基因组染色体有效标记数量得到了极大的提高，尤其是在4 D染色体，这表明小麦55 K SNP标记芯片能够有效地对新麦45全基因组SNP位点进行检测。

本研究发现，新麦26与济麦20在不同染色体上对新麦45的遗传贡献率差别较大，如在5 A染色体上新麦26的遗传贡献率达到了96.99%，而济麦20在2 A染色体上的遗传贡献率达90.71%。在全基因组范围内，新麦26的遗传贡献率为63.28%，从理论上分析，两亲本的遗传贡献率均为50%，这表明新麦45在全基因组和染色体水平上存在“偏向选择”现象[11]。邹少奎等[12]利用SSR标记分析周麦23的遗传构成发现，周麦13的遗传贡献率更大，李玉刚等[4]通过SSR和SNP标记分析青农2号亲本的遗传贡献率表明，鲁麦14在大多数染色体的遗传贡献率都高于其他亲本，陈晓杰等[6]基于小麦50 K SNP标记探究郑品优9号亲本的遗传贡献率发现优质强筋亲本郑麦366的遗传贡献率更大。同样，在本研究中也发现新麦45遗传构成有明显的偏向选择，其原因可能是育种家在品种选育过程中育种目标是改良当地的主栽强筋品种(如新麦26)，保留其更多的遗传物质，在选育过程中对目标性状进行了定向选择，选育出品种的遗传信息更多地偏向定向亲本。染色体区段遗传是品种获得亲本遗传信息的重要途径[13]。在本研究中，统计分析了亲本染色体的较大遗传片段，新麦45在不同基因组上遗传更多的新麦26的染色体较大片段，济麦20在一些染色体上的较大遗传片段多于新麦26(如2 A、6 A、6 B、6 D等染色体)，这也表明新麦45有偏向选择的现象。此外，新麦45染色体上还存在较多的特异性SNP位点，这可能是新麦45具有优良性状的重要信息。