鄭建敏，羅江陶，萬洪深，李式昭，楊漫宇，李 俊，劉于斌，蒲宗君

(1.四川省農業(yè)科學院作物研究所/農業(yè)農村部西南地區(qū)小麥生物學與遺傳育種重點實驗室，四川成都 610066；2.四川省涼山州西昌農科所，四川西昌 615000)

小麥是我國重要的糧食作物之一，小麥生產對保障糧食安全具有重要戰(zhàn)略意義[1]。在播種面積整體下降、總產量反而持續(xù)增加的情況下，單產提高是總產增加的主要驅動因素[1]。而單產提高依賴于品種改良。品種改良是根據不同目標(高產、優(yōu)質、抗病、抗逆等)，利用現有材料，采取不同育種方式(雜交、誘變等)和選種方式，在后代大量變異類型中篩選符合目標要求的穩(wěn)定材料。品種改良具有探索性和不可預見性[2]。在長期和廣泛的品種改良探索過程中，科學家發(fā)現少數幾個親本材料能衍生出多個品種，提高育種效率，并將這些材料稱之為骨干親本[3-4]。研究表明，骨干親本及其衍生品種對我國小麥育種和生產做出了巨大貢獻[3]。

川麥44是四川省農業(yè)科學院作物研究所選育的近強筋小麥品種，具有高產、穩(wěn)產、廣適等特性。據不完全統(tǒng)計，近年來利用川麥44為直接親本培育出的高代苗頭品系達20余個，其中9個已通過審定，5個進入2017-2018年四川省區(qū)域試驗，3個進入多點聯合試驗[5-6]。為明確骨干親本川麥44的遺傳特性，挖掘其基因組中具有重要育種貢獻的區(qū)段和基因，本研究利用小麥高密度660K SNP芯片對川麥44及其衍生品種進行全基因組掃描，篩選川麥44特異SNP位點，分析川麥44對衍生品種的遺傳貢獻，并篩選出高遺傳率片段，以期為進一步開展深入研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

以川麥44和6個衍生品種(昌麥32、川麥67、川麥601、川麥63、川麥1131、川麥1145)以及6個相關親本材料(西昌19、川麥42、川麥36、貴農21、川麥30、川農23)為研究對象，信息詳見表1。13個材料全部委托北京康普森生物技術有限公司進行了小麥660K SNP芯片分型分析。小麥660K SNP芯片介紹詳見以下鏈接：http://wheat.pw.usda.gov/ggpages/topics/Wheat660_SNP_array_developed_by_CAAS.pdf。

表1 川麥44及其6個衍生品種的親本信息

1.2 方 法

根據小麥660K SNP標記分型結果，剔除衍生品種中川麥44與其他親本的無差異位點、不純合(不穩(wěn)定)位點、缺失位點、無法確知來源位點及染色體位置不確定位點后，利用剩余有效SNP位點來測算遺傳貢獻率。公式如下：

遺傳貢獻率=川麥44的特異位點數/有效SNP位點總數×100%

進一步利用SNP位點對應染色體信息，比較分析川麥44在小麥A、B和D染色體組的遺傳貢獻率差異及衍生品種在不同染色體的遺傳貢獻率。在此基礎上，根據不同衍生品種同一位點來源于川麥44的比例(如AX-110053833分型結果，6個衍生品種有4個分型與川麥44一致，則遺傳率為66.67%，篩選出川麥44高遺傳率 (>50%)片段，為進一步研究挖掘有益基因片段奠定基礎。用Microsoft Excel及MapDraw V2.1[7]進行數據分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 川麥44在6個衍生品種中的遺傳貢獻

利用小麥660K芯片進行全基因組掃描，共計獲得630 517個SNP位點分型結果，剔除無效標記位點后，測算川麥44的遺傳貢獻率。由表2可知，昌麥32、川麥67、川麥601、川麥63、川麥1131和川麥1145的差異位點數分別為136 276、46 006、21 963、90 979、90 979和90 979個，衍生品種差異位點數存在單交(兩個親本)>三交(三個親本)>雙交(四個親本)的趨勢。川麥44特異位點數也存在單交(兩個親本)>三交(三個親本)>雙交(四個親本)的趨勢。計算結果(表2)表明，衍生品種中，親本的遺傳貢獻均存在偏親現象。同是單交選育的衍生品種，昌麥32遺傳組成偏向于親本西昌19，川麥44的遺傳貢獻率僅為23.77%；而川麥63、川麥1131和川麥1145中，川麥44的遺傳貢獻率均大于60%。這4個來源于單交育種的衍生品種中，川麥44的平均遺傳貢獻為57.68%，整體偏向于川麥44。三交組合和雙交組合選育的川麥67和川麥601中，川麥44的遺傳貢獻率小于理論值。川麥44在6個衍生品種中的平均遺傳貢獻率為48.58%。

2.2 川麥44對6個衍生品種A、B、D染色體組的遺傳貢獻

川麥44特異位點在6個衍生品種A、B和D染色體組中的分布是不均勻的(圖1)，B染色體組>A染色體組>D染色體組，B染色體組特異位點數平均比例為53.02%，D染色體組特異位點數平均比例僅為11.23%。這可能與染色體組遺傳多樣性[8]和不同染色體組的基因變異豐富度[9]有關。

表2 6個衍生品種SNP位點來源分析

圖1 川麥44特異位點在A、B和D染色體組的分布

2.3 川麥44對6個衍生品種不同染色體的遺傳貢獻

川麥44特異位點在衍生品種各染色體上的分布不均勻(表3)，衍生品種昌麥32不同染色體上的特異位點數為50～7 416個，其中川麥44對5A和5D染色體的遺傳貢獻率大于50%；川麥67不同染色體上的特異位點數為12～1 082個，川麥44僅對1D染色體的遺傳貢獻率大于50%；川麥601不同染色體上的特異位點數為3～651個，川麥44僅對7D染色體的遺傳貢獻率大于50%；川麥63不同染色體上的特異位點數為 214～7 323個，其中川麥44對1B、2A、2B、3B、4B、4D、5A、5B、5D、6A、6B、6D、7A和7D染色體的遺傳貢獻率均大于50%；川麥1131不同染色體上的特異位點數為248～8 128個，其中川麥44對1B、2A、2B、2D、3A、3B、4A、4B、4D、5A、5B、5D、6A、6B、6D、7A和7D染色體的遺傳貢獻率均大于50%；川麥1145不同染色體上的特異位點數為177～8 514個，其中川麥44對1B、2A、2B、2D、3B、4B、4D、5A、5B、5D、6A、6B、6D、7A和7D染色體的遺傳貢獻率均大于50%。

表3 川麥44特異位點在衍生品種不同染色體中的分布及其遺傳貢獻率

括號外的數據為川麥44特異位點數；括號內的數據為川麥44的遺傳貢獻率，為百分數。

The data outside brackets are the number of specific loci in Chuanmai 44; the data in brackets are the genetic contribution of Chuanmai 44,which is in percentage.

2.4 川麥44高遺傳率片段

根據不同衍生品種同一位點來源于川麥44的比例，篩選出川麥44高遺傳率(>50%)SNP位點，結果表明，在小麥21對染色體上均有川麥44高遺傳率位點。再根據SNP位點物理位置與該染色體最大物理位置的比值確定位點間的相對距離，將相對距離值小于0.01且物理位置在高遺傳率位點從小到大排序中相鄰的兩個SNP位點確定為相連位點，統(tǒng)計出連續(xù)相連3個位點以上且長度大于或等于0.10 Mb的區(qū)段為高遺傳率片段。結果如圖2所示，除1B和6A外，其他染色體上均存在高遺傳率片段，共計篩選出52個川麥44高遺傳率片段，在染色體上呈不均勻分布，片段長度為0.10～76.20 Mb，其中5B上的片段數量和累計長度均居首位。

根據高遺傳率片段的物理位置信息，在對應的中國春物理圖譜中(IWGSC RefSeq v1.0，詳見網站https://wheat-urgi.versailles.inra.fr/)獲得10 161個預測基因，其中4 201個為高可信度基因(High-confidence genes)，5 960個為低可信度基因(Low-confidence genes)。分析表明這些高遺傳率片段多為基因密集區(qū)段。

圖2 川麥44高遺傳率片段在不同染色體上的分布

3 討 論

3.1 衍生品種中的偏親現象

作為常規(guī)種的小麥，其衍生品種的偏親現象較為普遍。前人對多個小麥骨干親本在后代中的遺傳分析均發(fā)現偏親現象[4,10-17]。本研究表明，不同雜交方式獲得的衍生品種均存在偏親現象。單交組合中，昌麥32的遺傳組成偏向于親本西昌19，川麥63、川麥1131和川麥1145的遺傳組成偏向于親本川麥44。三交組合和雙交組合選育的川麥67和川麥601中，川麥44的遺傳貢獻則小于理論值。

依據經典遺傳學定律，研究人員可根據品種的系譜推斷衍生后代遺傳結構的理論值。然而就單個個體而言，遺傳構成的偏親現象屬正常情況，理論值是針對群體在理想狀態(tài)下的構成而言；在自然進化、人工馴化和人工選擇過程中，因受生態(tài)條件、偶發(fā)自然災害、育種方式、定向選擇等眾多因素影響，遺傳貢獻會出現各種類型的偏親現象。

3.2 骨干親本的區(qū)段(片段)遺傳與牽連效應

前人研究表明，小麥骨干親本碧螞4號[18]、歐柔[10]、燕大1817[19]、阿夫[20]、繁6[21]、川麥42[14]、周8425B[22]、臨汾5064[16]等均存在染色體區(qū)段(片段)傳遞現象。本研究利用660K SNP芯片在19對染色體上也篩選出52個高遺傳率片段。李玉剛等[4]認為這是作物育種選擇過程存在的選擇牽連效應。

張學勇等[23]認為影響選擇牽連效應大小的因素主要有群體的交配方式、選擇壓和被選擇位點附近的重組率。育種家對農藝性狀(產量、抗性、株高等)的偏好選擇，會導致較強的選擇牽連效應發(fā)生[23]。長期的育種過程中，育種家們?yōu)榱讼嗤蛳嗨频挠N目標而努力，對大量資源材料進行高壓選擇，改變了基因在人工選擇群體中的頻率分布，可能產生較多優(yōu)異基因的連鎖現象。骨干親本一般具有綜合農藝性狀優(yōu)良的特征，在人工育種選擇過程中，易因肉眼選擇保留更多的偏向性表型而形成區(qū)段(片段)遺傳和牽連效應。

區(qū)段(片段)遺傳與牽連效應一方面給發(fā)掘和研究育種貢獻大的優(yōu)異基因(區(qū)段)提供便利，另一方面也可能帶來不利影響。如骨干親本的反復利用可能會導致品種間親緣關系愈來愈近，遺傳基礎變得狹窄，致使品種遺傳脆弱性增加，易受病害侵襲。如何在不降低遺傳多樣性的前提下，充分利用骨干親本的區(qū)段(片段)遺傳與牽連效應是育種人應該引起重視的問題。

3.3 骨干親本利用與設計育種

著名小麥專家莊巧生先生[3]統(tǒng)計發(fā)現，建國后的50年間，16個小麥骨干親本衍生至少976個優(yōu)良品種，約占所有育成品種的一半。此后，小偃6號[24]、矮孟牛[25]、繁6[21]、川麥42[14]、周8425B[22]、京411[15]、豫麥2號[17]、魯麥14[4]、臨汾5064[16]等的研究證明了骨干親本利用對育種貢獻是巨大的。然而在遺傳機理機制尚未明晰的情況下，骨干親本更多是在品種選育完成后歸納提煉出來的，一定程度上制約育種發(fā)展，降低骨干親本利用價值。傳統(tǒng)育種極大程度上依賴于表型選擇和育種家的經驗，提高育種的可預見性和效率，實現從傳統(tǒng)的“經驗育種”到定向、高效“精確育種”的轉變是育種人長久以來的夢想。Peleman和vander[26]首先提出設計育種的概念。此后，萬建民[2]和王建康等[27]進一步明確設計育種3個步驟。設計育種是突破傳統(tǒng)育種瓶頸的有效途徑，是育種未來的發(fā)展方向。

骨干親本為目標基因型提供良好的遺傳背景(基礎)，骨干親本的區(qū)段(片段)遺傳與牽連效應為挖掘和研究目標性狀基因及相互關系提供便利。隨著分子技術的發(fā)展[1,28]、小麥基因組測序和物理圖譜的完成[29]，功能基因組學研究將不斷發(fā)展和深入，可用于育種的功能標記將越來越多，為鑒定優(yōu)異資源和開展設計育種奠定基礎。然而在重要農藝性狀的基因定位/基因功能組學/遺傳基礎/作用機制/調控網絡等研究還很欠缺、生物信息學研究和數據共享體系尚未完善的現實情況下，設計育種還有較長的路要走。

4 結 論

川麥44衍生品種中，川麥44的遺傳貢獻率為23.77%～72.63%，平均為 48.58%，存在明顯偏親現象。川麥44特異性標記在不同染色體和染色體組中分布不均勻。在除1B和6A外的19對染色體上，篩選出52個川麥44高遺傳率片段，長度為0.10～76.20 Mb。