陳曉杰，楊 科，范家霖，程仲杰，楊保安，張福彥，焦學儉，白鶴峰，王嘉歡，張建偉

(1.河南省科學院同位素研究所有限責任公司/河南省核農學重點實驗室，河南鄭州 450015；2.鄭州市農業(yè)技術推廣站，河南鄭州 450006； 3.河南金苑種業(yè)股份有限公司，河南鄭州 450001)

小麥是我國最主要的口糧作物之一，其產(chǎn)量和品質對保證糧食安全至關重要[1- 2]。優(yōu)質是小麥育種的重要目標之一，然而我國小麥品質育種工作起步較晚，從“七五”開始，小麥品質育種才正式列入國家重點科技攻關項目，經(jīng)過30多年的小麥品質研究和遺傳改良，一批強筋小麥品種(如豫麥34、鄭麥9023、藁城8901、新麥26、鄭麥366、西農979、濟麥44等)陸續(xù)被選育和推廣，為我國優(yōu)質強筋小麥生產(chǎn)和滿足消費者需求做出了重大貢獻。目前我國優(yōu)質強筋小麥品種在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、抗倒春寒、抗病性、抗逆性等方面與高產(chǎn)小麥品種仍存在一定差距[3-4]。因此，從分子水平對優(yōu)質強筋小麥新品種的遺傳基礎和重要性狀功能基因進行解析，對于優(yōu)質小麥品種的遺傳改良具有重要的指導意義。

近年來，前人對不同時期小麥骨干親本和主栽品種的遺傳構成進行了較多研究，結果表明，骨干親本和主栽品種中含有與產(chǎn)量、品質、適應性、抗病抗逆性相關的染色體區(qū)段，這些區(qū)段更容易被育種家選擇，在后代衍生品種中均具有較大的遺傳貢獻率[5-10]。肖永貴等[5]利用921個DArT標記和83個SSR標記對周8425B及其衍生品種的遺傳結構進行解析，發(fā)現(xiàn)周8425B對其衍生子1代、子2代和子3代的平均遺傳貢獻率分別為67.7%、63.6%和58.8%，且周8425B的4個抗條銹病基因在衍生品種中傳遞。亓佳佳等[6]利用SSR標記對小麥骨干親本小偃6號及其衍生品種(系)進行遺傳解析，發(fā)現(xiàn)小偃6號對其衍生子1代、子2代、子3代和子4代的平均遺傳貢獻率分別為50.32%、47.54%、46.35%和44.83%。鄒少奎等[7]利用SSR標記發(fā)現(xiàn)，母本周麥13號對周麥23號的遺傳貢獻率為63.04%，并篩選到一個可用于鑒定周麥23號的特異引物。楊子博等[8]利用SSR標記發(fā)現(xiàn)淮麥33更多地繼承了母本煙農19的遺傳物質。李玉剛等[9]利用SSR和SNP兩種分子標記，提示青農2號的基因組大部分遺傳信息來自魯麥14(SSR標記：54.11%；SNP 標記： 72.55%)。吳勝男等[10]利用小麥55K芯片，分析了陜農981和新麥18對陜農33的遺傳貢獻率，發(fā)現(xiàn)11個與農藝和品質性狀有關的QTL中，有3個來源于新麥18，有8個來源于陜農981。

隨著小麥參考基因組的完成，越來越多與小麥重要性狀相關的基因被定位或克隆，為育種家了解各品種的重要性狀基因組成提供了依據(jù)，也為將來分子設計育種提供了支持。功能標記是根據(jù)功能基因內部引起表型性狀變異的多態(tài)性基序開發(fā)出來的一種新型分子標記，這類標記不需要進一步驗證就可以在不同的遺傳背景下確定目標等位基因的有無，是作物育種中最有價值的一類標記。功能標記的高通量檢測技術的開發(fā)有助于提高分子標記輔助育種的效率。競爭性等位基因特異性PCR(kompetitive allele-specific PCR，KASP)技術具有高通量、穩(wěn)定、準確、靈活等優(yōu)勢[11-12]。目前，KASP標記已在分子輔助育種、QTL定位、親本品種鑒定及大規(guī)模樣本篩選等研究上得到應用[13-16]。中國農科院作物科學研究所何中虎研究員團隊開發(fā)的小麥50 K SNP育種芯片不僅標記數(shù)量多且分布較均勻，而且包括上百個與株高、籽粒質量、品質、春化、光周期、開花、抗病、抗逆等小麥性狀相關基因等位變異的 KASP功能標記，在遺傳改良和育種上具有更高的利用價值[12,17]。

鄭品優(yōu)9號是以半冬性多穗型、中早熟、優(yōu)質強筋小麥品種鄭麥366為母本[18]，以春性、早熟、優(yōu)質強筋小麥品種豫麥34為父本進行雜交[19]，F(xiàn)0代種子經(jīng)60Co-γ 射線(200GY)處理，在F2M2代中選育而成的優(yōu)質強筋小麥新品種。該品種表現(xiàn)為半冬性、矮稈、早熟、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質強筋、品質穩(wěn)定，具有較大推廣潛力。因此，本研究利用小麥50K SNP育種芯片，對鄭品優(yōu)9號及其父母本進行分子檢測，旨在明確該品種遺傳基礎和重要性狀功能基因的組成，為其遺傳改良和生產(chǎn)應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為鄭品優(yōu)9號及其雙親鄭麥366和豫麥34，均由河南省科學院同位素研究所核農學實驗室小麥誘變育種團隊提供。

1.2 基因組DNA提取

選取每個小麥品種的幼嫩葉片，采用CTAB法提取小麥基因組DNA，并用UV-9000型紫外分光光度計檢測DNA樣品濃度。

1.3 SNP芯片分析

委托博奧晶典生物技術有限公司利用小麥50K SNP育種芯片對鄭品優(yōu)9號及其雙親材料進行SNP分析及功能基因KASP標記分析。功能基因標記包括產(chǎn)量性狀相關基因(矮稈、粒重、籽粒形態(tài)等)、品質性狀相關基因(高低分子量亞基、硬度、面團色澤等)、適應性相關基因(光周期、春化、開花等)和抗性性狀基因(抗旱抗逆、抗穗發(fā)芽、抗病等)。

1.4 遺傳貢獻率分析及基因型圖譜的繪制

首先剔除雜合或缺失的SNP位點，保留親本和子代中純合的SNP位點。根據(jù)雙親間純合差異SNP位點數(shù)計算雙親遺傳物質對子代的遺傳貢獻率，某一親本對后代的遺傳貢獻率為后代中同該親本相同的特異位點數(shù)與雙親特異位點總數(shù)的百分比。

利用GGT 2.0軟件[20]，依據(jù)染色體位置信息的純合SNP 標記繪制鄭品優(yōu)9號及親本的SNP基因型圖譜，根據(jù)親本中SNP標記的差異賦予不同的顏色，鄭品優(yōu)9號與親本標記的異同賦予相應的顏色。

2 結果分析

2.1 雙親對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻率

通過小麥50K SNP芯片掃描分析，結果在鄭品優(yōu)9號及其親本鄭麥366和豫麥34中共檢測到44 716個純和的SNP位點，其中純合差異SNP位點6 042個，表現(xiàn)為相同位點數(shù)遠多于差異位點數(shù)。從表1可以看出，4 124個純合差異SNP來源于親本鄭麥366，其余1 918個來源于豫麥34，鄭麥366和豫麥34對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻率分別為68.26%和31.74%。

從基因組水平來看，在A基因組上，鄭麥366和豫麥34對鄭品優(yōu)9號的貢獻率分別為 68.60%和31.40%，與整體遺傳貢獻率接近；在B 基因組上，鄭麥366對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻率達到90.08%，提供了該基因組絕大部分的遺傳信息；在D基因組上，豫麥34對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻率遠大于鄭麥366，達72.37%(表1)。

從染色體水平來看，鄭品優(yōu)9號來源于雙親的遺傳位點在不同染色體間差異較大(表1和圖1)。鄭麥366在不同染色體上對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻率范圍為7.53%～99.43%，其中在2A、4A、5A、2B、3B、4B、5B、6B、7B和2D染色體上對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻率均超過80%。豫麥34在不同染色體上對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻率范圍為0.57%～92.47%，其中在7A、1D、6D和7D染色體上對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻率均超過80%。在6A、1D、3D和4D染色體上純合差異SNP位點數(shù)較少，均不到100個，表明雙親在這些染色體上差異較小，多態(tài)性差。

表1 鄭麥366和豫麥34在不同染色體上對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻Table 1 Genetic contribution of Zhengmai 366 and Yumai 34 to Zhengpinyou 9 on different chromosomes

2.2 鄭品優(yōu)9號來源于雙親的染色體區(qū)段

在檢測到的44 716個純和SNP位點中，有36 059個SNP位點有確切的染色體位置信息，其中30 379個SNP位點在鄭品優(yōu)9號和雙親間無差異，5 680個SNP在雙親中存在差異。依據(jù)這些SNP信息，利用GGT 2.0軟件繪制了鄭品優(yōu)9號的SNP基因型圖譜(圖1)。在鄭品優(yōu)9號的21條染色體上，均檢測到來自雙親的染色體區(qū)段，但比例不同。在2A、4A、5A、2B、3B、4B、5B、6B、7B、2D、3D和4D染色體上，鄭品優(yōu)9號檢測到的差異區(qū)段主要來源于鄭麥366；而在1A、7A、1D、5D、6D和7D染色體上，鄭品優(yōu)9號檢測到的差異區(qū)段主要來源于豫麥34；在1B、3A、6A染色體上鄭品優(yōu)9號檢測到的差異區(qū)段來源于雙親的比例接近。SNP基因型圖譜分析結果與遺傳貢獻率分析結果具有較好的一致性。

淺灰色表示三者相同區(qū)段，紅色表示鄭麥366區(qū)段，藍色表示豫麥34區(qū)段。Light grey indicates identical fragment; Red indicates Zhengmai 366 fragment; Blue indicates Yumai 34 fragment.圖1 鄭品優(yōu)9號的21條染色體SNP基因型圖譜Fig.1 SNP genotype map on 21 chromosomes of Zhengpinyou 9

2.3 鄭品優(yōu)9號及其雙親重要性狀的功能基因

利用小麥50K SNP育種芯片中的KASP標記對鄭品優(yōu)9號及其雙親的產(chǎn)量相關基因、品質性狀相關基因、適應性相關基因和抗性相關基因進行分析，結果如下(表2)。

2.3.1 株高、籽粒等產(chǎn)量性狀相關基因

鄭品優(yōu)9號及雙親株高的矮稈基因均為Rht-D1b基因，粒色為白粒TamybR_B1a基因，均含有芒基因AWN。共檢測到13個與粒重或粒數(shù)相關的基因，鄭品優(yōu)9號與鄭麥366在這13個基因的組成上完全一致，均聚合了8個高粒重基因(TaSus2-2A、TaSus2-2B、TaSus1-7A、TaSus1-7B、TaGW2-6B、TaGW6-2A、TaGS-D1和TaGS5)和1個高粒數(shù)基因 (TaMoc)，與豫麥34只在TaGW2-6B基因存在差異。

2.3.2 品質性狀相關基因

在鄭品優(yōu)9號及雙親間共檢測到12個品質性狀相關基因，3個品種的品質基因組成一致性很高。其中，高分子量谷蛋白亞基Glu-A1和Glu-D1位點均為優(yōu)質亞基1和5+10，低分子量谷蛋白亞基Glu-A3和Glu-B3位點組成均為Glu-A3a和Glu-B3e，且均含有硬質基因Pina-D1b、高多酚氧化酶基因PPO-A2c、高黃色素含量基因Psy-B1c和Psy-D1g、高蛋白含量基因GPC-Hap-H以及能增加籽粒蛋白質積累的基因NAM-6A1b。此外，鄭品優(yōu)9號和鄭麥366含有高黃色素含量的等位基因Pds-B1a，而豫麥34含有低黃色素含量的等位基因Pds-B1b。

2.3.3 春化、光周期、開花等適應性相關基因

在鄭品優(yōu)9號及雙親中共檢測到6個春化基因、1個光周期基因和2個開花基因(表2)。其中鄭品優(yōu)9號和母本鄭麥366在9個基因組成上完全一致，與豫麥34僅主效春化基因Vrn-B1存在差異。

表2 鄭品優(yōu)9號及雙親重要性狀相關基因分型Table 2 Genotyping of important traits in Zhengpinyou 9 and its parents

2.3.4 抗性相關基因

共檢測到3個小麥抗旱、抗逆相關基因 (COMT3B、TaDREB1和1-FEH-6B)、3個抗穗發(fā)芽基因(Vp1B1、SDRA1和TaSdr-B1)和1個抗葉銹病基因(Lr34)。鄭品優(yōu)9號和雙親在這7個基因組成上完全一致。

3 討 論

利用小麥50 K SNP育種芯片對鄭品優(yōu)9號及其父母本進行分子檢測，揭示了鄭品優(yōu)9號的分子遺傳構成，發(fā)現(xiàn)鄭品優(yōu)9號大部分的遺傳物質來源于母本鄭麥366(68.26%)。這與前人利用分子標記對小麥骨干親本或主栽品種在后代中的遺傳物質多發(fā)生偏親現(xiàn)象一致[7-9,21-22]。如周麥23中63.31% 的遺傳物質來源于母本周麥13(SSR標記)[7]，淮麥33中73.9%的遺傳物質來源于母本煙農19(SSR標記)[8]，青農2號大部分遺傳信息來源于魯麥14(SSR 標記：54.11%；SNP 標記：72.55%)[9],周麥16中64.32%的遺傳物質來源于周8425B[21]。Bernardo等[22]研究表明，單交親本對后代的遺傳貢獻率為26%～74%，與本研究的結果一致。在單交后代中普遍出現(xiàn)子代遺傳物質偏向于某一親本的主要原因，可能與育種家的育種目標和親本選用有關。育種家在配制單交組合時，常選擇骨干親本或當?shù)刂髟云贩N作為親本之一，一般這些骨干親本或主栽品種較另一親本更適應當?shù)貐^(qū)域生態(tài)條件，在后代選育時，選擇符合當?shù)厣鷳B(tài)區(qū)域條件的優(yōu)良變異類型是重要的育種目標，因此后代品種保留了更多的骨干品種或主栽品種的遺傳物質。前人研究中的鄭麥366、煙農19、魯麥14和周8425B等均是當?shù)刂髟云贩N或骨干親本，較另一親本具有更多的優(yōu)良遺傳位點，具有更好的適應性，經(jīng)人工選育的后代品種遺傳物質也偏向這類品種。

本研究發(fā)現(xiàn)，在基因組和染色體水平上，雙親對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻率差異均較大。鄭麥366對鄭品優(yōu)9號A、B和D基因組的貢獻率分別為68.60%、90.98%和27.63%，而豫麥34的貢獻率分別為31.40%、9.02%和72.37%；鄭麥366對鄭品優(yōu)9 號在不同染色體上的遺傳貢獻率范圍為7.53%～99.43%，在2A、4A、5A、2B、3B、4B、5B、6B、7B和2D染色體上均超過80%；而豫麥34在不同染色體上對鄭品優(yōu)9號的遺傳貢獻率范圍為0.57%～92.47%，在7A、1D、6D和7D染色體上均超過80%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能也與育種家的育種目標選擇有關。

本研究發(fā)現(xiàn)，鄭品優(yōu)9號聚合了多個優(yōu)異基因，含有矮稈基因(Rht-D1b)[23-24]、高千粒重基因(TaSus2-2A、TaSus2-2B、TaSus1-7A、TaSus1-7B、TaGWb-2A、TaGS-D1和TaGS5[25]、高粒數(shù)基因(TaMoc)[25]、抗旱基因(TaDREB1a和1fehw3)[26-27]、低穗發(fā)芽基因(SDRA1a)[28]、抗葉銹病基因(Lr34)[29]、高蛋白含量基因(GPC-Hap-H)以及有利籽粒蛋白質積累的基因 (NAM-6A1b)[30-31]。正是由于以上基因的聚合效應，鄭品優(yōu)9號表現(xiàn)出半冬性、矮稈、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質強筋以及一定的抗逆抗病性和適應性等特點，與審定報告性狀特征相一致。另外，鄭品優(yōu)9號含有高多酚氧化酶活性基因(PPO-A2c)和高黃色素含量基因 (Psy-B1c和Psy-D1g)[32-33]，使得其面粉色澤白度不夠，影響面制品的外觀品質，因此降低黃色素含量是今后該品種改良的一個目標。本研究也發(fā)現(xiàn)，鄭品優(yōu)9號的有利抗病抗逆基因和產(chǎn)量基因仍不夠多，表明其在產(chǎn)量水平和抗病、抗逆方面仍有很大的改良空間。