青海省小麥品種基于55K SNP 芯片的遺傳多樣性分析

謝靜敏，侯萬偉 ，張小娟

(1. 青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，青海西寧 810016； 2. 青海省農(nóng)林科學(xué)院， 青海西寧 810016)

小麥?zhǔn)乔嗪Ｊ≈饕募Z食作物之一，但前期為解決當(dāng)?shù)匦←湲a(chǎn)量和品質(zhì)下降的問題，在進(jìn)行品種培育過程中多次應(yīng)用同一親本，導(dǎo)致育成品種之間的遺傳關(guān)系較近，不利于后續(xù)的小麥分子育種發(fā)展[1]。

作物遺傳多樣性在很大程度上影響作物的適應(yīng)能力、產(chǎn)量等。作物遺傳變異對(duì)品種改良至關(guān)重要，為后續(xù)培育出抗逆和優(yōu)質(zhì)新品種提供了選擇。相較于通過傳統(tǒng)表型性狀進(jìn)行遺傳多樣性評(píng)價(jià)分析，通過高通量分子標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)能夠快速得到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并為遺傳多樣性分析及分子育種提供大量的資源[2]。目前已經(jīng)有多種分子標(biāo)記應(yīng)用于小麥的遺傳育種中，包括RAPD[3]、ISSR[4]、SSR[4]、AFLP[5]、SNP[6]等。SNP在作物基因組中含量豐富，具有操作簡單、識(shí)別準(zhǔn)確、高通量等優(yōu)勢(shì)，是遺傳作圖和分子育種的理想標(biāo)記[7]，已廣泛應(yīng)用于作物的性狀鑒定、遺傳多樣性分析以及遺傳圖譜的構(gòu)建中[8-13]。相較于其他作物，小麥SNP芯片發(fā)展較晚，目前已開發(fā)出9K[14]、15K[15-16]、35K[17]、55K[18]、90K[19]、660K[20]等芯片，并應(yīng)用于小麥諸多研究領(lǐng)域[21-23]。李珊珊等[24]利用90K SNP芯片對(duì)河北省143份小麥品種進(jìn)行全基因組掃描，根據(jù)分型數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)河北省小麥材料趨同，種質(zhì)資源狹窄，拓展引進(jìn)新種質(zhì)，豐富河北省小麥育種資源已迫在眉睫。馬艷明等[1]利用55K SNP芯片分析新疆冬小麥地方品種和育成品種的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)地方品種與育成品種之間的遺傳差異較大，可以利用地方品種來豐富育成品種的遺傳基礎(chǔ)。

本研究利用55K SNP 小麥芯片對(duì)93個(gè)青海省主栽小麥品種進(jìn)行全基因掃描，通過分析多態(tài)性信息含量(PIC)和遺傳距離來評(píng)估青海省小麥品種的遺傳多樣性，同時(shí)對(duì)93個(gè)小麥品種進(jìn)行聚類分析，以期為后續(xù)青海省小麥的遺傳育種提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括93個(gè)青海省主栽小麥品種(表1)，是目前青海省主要生產(chǎn)種植的育成及引進(jìn)品種。所有供試小麥品種在青海大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)種植，并收集保存。

表1 用于SNP分析的供試小麥品種Table 1 Wheat varieties tested for SNP genotyping

1.2 基因型分析

利用Affymetrix○RAxiom平臺(tái)的小麥 55K SNP 芯片對(duì)93個(gè)品種進(jìn)行全基因組掃描。篩選標(biāo)準(zhǔn)：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制(DQC)≥0.82,分型成功率(call rate，CR)≥0.95，篩選后得到53 063個(gè)原始SNP位點(diǎn)；利用Affymetrix 的Axiom Analysis Suite 軟件對(duì)原始SNP位點(diǎn)進(jìn)行深入分型，得到高質(zhì)量的過濾數(shù)據(jù)，分型原則選擇CR≥0.90、缺失率<10%、最小等位基因頻率(MAF)>0.05 的SNP位點(diǎn)，篩選過濾后得到50 243個(gè)具有多態(tài)性的SNP 位點(diǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用PowerMarker V3.25[25]軟件計(jì)算多態(tài)信息含量(polymorphic information content,PIC)和品種之間的Nei遺傳距離。根據(jù)Nei遺傳距離，利用MEGA 6[26]軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，利用FigTree(http://tree.bio.ed.ac.uk/software/figtree/)和Evolview(http://www.evolgenius.info/evolview)在線作圖軟件[27]對(duì)聚類圖進(jìn)行修飾美化。

2 結(jié)果與分析

2.1 多態(tài)性SNP位點(diǎn)的分布

在小麥21條染色體上共檢測(cè)到53 063個(gè)SNP位點(diǎn)，選擇缺失率<10%、MAF>0.05的SNP位點(diǎn)，獲得具有多態(tài)性的SNP位點(diǎn)50 243個(gè)，多態(tài)性比率為94.68%。每條染色體上分布855～2 575個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)，平均每條染色體分布2 216個(gè)，6A染色體分布最多(2 575個(gè))，占比 5.12%；4D染色體分布最少(855個(gè))，占比 1.70%。SNP標(biāo)記在A、B、D基因組中分布不均，B 基因組上的SNP標(biāo)記數(shù)最多(17 556)，占比 34.94%；D 基因組上的SNP標(biāo)記數(shù)最少 (11 904個(gè))，占比23.69%(圖1A)。

質(zhì)控后的多態(tài)性 SNP 位點(diǎn)在小麥7個(gè)部分同源群中的平均分布數(shù)量為6 650個(gè)， 其中第 2 部分同源群的多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)分布最多(7 152個(gè))，第4部分同源群的多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)分布最少 (5 656個(gè))(圖1B)。

圖1 多態(tài)性SNP位點(diǎn)在染色體(A)和同源群(B)中的分布

2.2 遺傳多樣性

PIC是DNA變異程度的指標(biāo)，是評(píng)估遺傳多樣性的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。根據(jù)Botstein等[28]提出的PIC衡量標(biāo)準(zhǔn)，PIC值大于0.50的標(biāo)記屬于高度多態(tài)性標(biāo)記，PIC值介于0.25～ 0.50之間的標(biāo)記屬于中度多態(tài)性標(biāo)記，PIC小于 0.25的標(biāo)記則屬于低多態(tài)性標(biāo)記。基于93個(gè)材料的SNP標(biāo)記數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)供試品種的PIC值變化范圍為 0.00～ 0.59，平均值為0.33，主要分布在0.20～0.45之間，說明所用的大部分SNP標(biāo)記屬于中度多態(tài)性標(biāo)記(圖2)。

圖2 SNP標(biāo)記在93個(gè)小麥中的多態(tài)性信息含量分布

遺傳距離是評(píng)估遺傳多樣性的重要標(biāo)準(zhǔn)。利用SNP數(shù)據(jù)計(jì)算93個(gè)小麥品種之間的遺傳距離，共獲得4 278個(gè)遺傳距離值，數(shù)據(jù)范圍在 0.00～0.67之間，平均值為0.41。93個(gè)小麥品種之間的遺傳距離值分布比較集中， 有3 950個(gè)遺傳距離值分布在0.30～0.55之間，占比 92.33%(圖3)。13799和高原437兩個(gè)品種之間的遺傳距離最大，87號(hào)材料和青春10號(hào)兩個(gè)品種之間的遺傳距離最小。

圖3 品種間遺傳距離的次數(shù)分布

2.3 聚類分析

根據(jù)所有小麥品種的SNP標(biāo)記數(shù)據(jù)，利用Powermarker V3.25得到93個(gè)小麥品種兩兩之間的遺傳距離矩陣，并構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(圖4)。通過聚類可將小麥品種分為8個(gè)類群。

圖4 93個(gè)小麥品種的 SNP 數(shù)據(jù)聚類圖

第Ⅰ類群包含9個(gè)品種，遺傳距離在0.13～0.63之間，柴春044與瀚海304之間的遺傳距離最小，普冰133與87號(hào)材料之間的遺傳距離最大。第Ⅱ類群包含3個(gè)品種，遺傳距離在0.28～0.33之間，寧春26與墨波1號(hào)之間的遺傳距離最小，寧春26與新麥繁4之間的遺傳距離最大。第Ⅲ類群包含9個(gè)品種，遺傳距離在0.01～0.48之間，ME-47與ME-45之間的遺傳距離最小，高原V028與86號(hào)材料之間的遺傳距離最大。第Ⅳ類群包含9個(gè)品種，遺傳距離在0.00～0.53之間，青農(nóng)469與吉農(nóng)469之間的遺傳距離最小，高原584與互助紅之間的遺傳距離最大。第Ⅴ類群包含11個(gè)品種，遺傳距離在0.01～0.43之間，青春39與青春41之間的遺傳距離最小，13繁530與9101之間的遺傳距離最大。第Ⅵ類群包含13個(gè)品種，遺傳距離在0.15～0.44之間，民和588與民和853之間的遺傳距離最小，民和665與蘭考906之間的遺傳距離最大。第Ⅶ類群包含16個(gè)品種，遺傳距離在0.05～0.43之間，高原466與高原465之間的遺傳距離最小，高原932與楊麥16號(hào)之間的遺傳距離最大。第Ⅷ類群包含23個(gè)品種，遺傳距離在0.00～0.52之間，13799與高原437之間的遺傳距離最小，阿勃與青春40號(hào)之間的遺傳距離最大。

根據(jù)小麥品種的引進(jìn)來源進(jìn)行分析，93個(gè)材料主要包括青海省當(dāng)?shù)厮傻南盗衅贩N、外來引進(jìn)品種(分別從山東、江蘇、甘肅、河南、寧夏、意大利、墨西哥引進(jìn)的品種)以及部分未有具體信息的小麥品種。從聚類結(jié)果看，第Ⅱ類群中，于1998年從寧夏引進(jìn)的寧春26與該類群其他品種間的遺傳關(guān)系較遠(yuǎn)；第Ⅵ類群中，于1999年從河南引入的蘭考906與該類群其他品種間的遺傳關(guān)系較遠(yuǎn)；第Ⅷ類群主要包括青春系列品種，而阿勃是青海省為提高當(dāng)?shù)匦←溈共∧芰Γ?0世紀(jì)60年代引進(jìn)的意大利品種，與類群中其他品種的遺傳關(guān)系較遠(yuǎn)，說明青海省當(dāng)?shù)氐挠善贩N與外來引進(jìn)品種間的遺傳距離較大。青海省當(dāng)?shù)氐挠善贩N和外來引進(jìn)品種在8個(gè)類群中均有分布，表明研究材料間的遺傳關(guān)系與引進(jìn)來源無必然關(guān)系。高原系列品種中，選用同一親本高原602進(jìn)行培育的3個(gè)品種(高原448、高原776、高原437)聚在同一類群，表明品種間的遺傳關(guān)系與育種所選的親本相關(guān)。

3 討 論

地方小麥品種具有克服當(dāng)?shù)靥厥猸h(huán)境條件的遺傳特性，是小麥分子育種的首選資源。為提高青海省小麥的產(chǎn)量，青海省當(dāng)?shù)匦←溣N以提高作物產(chǎn)量為固定發(fā)展方向，以產(chǎn)量較高的小麥品種作為親本進(jìn)行連續(xù)培育，導(dǎo)致當(dāng)?shù)匦←湹倪z傳多樣性較低，品種的遺傳資源基礎(chǔ)也越來越窄，無法抵擋青海省當(dāng)?shù)氐奶厥鈿夂蜃兓筒『θ肭諿29-30]。

SNP是在基因組中廣泛存在的一類DNA序列變異[31]，本研究利用55K SNP對(duì)93個(gè)小麥材料進(jìn)行全基因組掃描，發(fā)現(xiàn)SNP的多態(tài)性比率為 94.68%，在基因組之間SNP位點(diǎn)的分布具有差異。與張德強(qiáng)等[32]和Tehseen等[33]的研究結(jié)果一致，多態(tài)性SNP位點(diǎn)數(shù)在基因組上的分布均呈現(xiàn)為B>A>D。研究表明，小麥B基因組的遺傳多樣性較高，而來源于粗山羊草的D基因組遺傳多樣性較低，這可能和六倍體小麥的起源相關(guān)，A、B基因組之間能夠形成較多的四倍體小麥品種，而D基因組與A、B基因組之間都無法形成四倍體，在一定程度上減少了D基因組的遺傳多樣性[19]。SNP多態(tài)性位點(diǎn)在第4部分同源群中分布最少，特別是4D染色體，這與白彥明等[34]的研究結(jié)果一致。

劉易科等[35]利用18 741個(gè)標(biāo)記對(duì)240個(gè)小麥品種進(jìn)行全基因組掃描，發(fā)現(xiàn)PIC值的變化范圍為0.01～ 0.38，平均值為0.26；Kumar等[36]利用35K SNP對(duì)483個(gè)小麥品種進(jìn)行基因分型，篩選到 14 650個(gè)SNP位點(diǎn)，進(jìn)一步分析得到PIC值的變化范圍為0.09～0.38，平均值為 0.29；左煜昕等[17]利用15 947個(gè)SNP標(biāo)記分析124個(gè)抗旱冬小麥品種，發(fā)現(xiàn)平均每個(gè)位點(diǎn)的PIC值為0.31。本研究利用Powermarker計(jì)算93份小麥材料的PIC值，發(fā)現(xiàn)PIC值變化范圍為0.00～0.59，平均值為0.33，主要分布在0.20～0.45之間，說明所用的SNP標(biāo)記屬于中度多態(tài)性標(biāo)記，與前人研究結(jié)論一致。本研究利用SNP數(shù)據(jù)計(jì)算93個(gè)小麥品種之間的遺傳距離，共獲得4 278個(gè)遺傳距離值，數(shù)據(jù)范圍在0.00～0.67之間，平均值為0.41，主要分布在0.30～0.55之間，占比92.33%，說明93個(gè)品種之間的遺傳距離分布較為集中，與李珊珊等[24](河北省小麥品種的遺傳距離主要分布在 0.52～0.73之間)、曹延杰等[37](河南省小麥品種的遺傳距離主要分布在0.63～0.83之間)和馬艷明等[1](新疆小麥小麥品種的遺傳距離主要分布在0.06～0.12和 0.68～0.72之間)的研究結(jié)果相比，青海省小麥品種的遺傳距離較小，遺傳多樣性要小于河北省和河南省小麥品種，但高于新疆部分小麥。

本研究通過聚類分析，將93份材料分為8個(gè)類群，當(dāng)?shù)赜N品種與引進(jìn)品種的遺傳關(guān)系較遠(yuǎn)，同時(shí)結(jié)合品種的來源進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)遺傳關(guān)系與品種的來源無必然關(guān)系，而與育種所選取的親本相關(guān)，與陳麗華等[38]的研究結(jié)論一致。以上研究結(jié)果表明，青海省當(dāng)?shù)氐男←溒贩N遺傳多樣性較低，在后續(xù)的育種工作中可加強(qiáng)外來品種的引用，并結(jié)合青海省當(dāng)?shù)仄贩N，培育出能夠適應(yīng)青海省當(dāng)?shù)貧夂蚯腋哔|(zhì)量的小麥品種。

4 結(jié) 論

利用小麥55K SNP 標(biāo)記芯片，對(duì)93個(gè)小麥品種進(jìn)行全基因組掃描。通過基因分型篩選得到50 243個(gè)SNP多態(tài)性位點(diǎn)，SNP多態(tài)性比率為 94.68%，多態(tài)性位點(diǎn)在部分同源群、基因組以及21條染色體上的分布不均，其中第4同源群和D基因組上的多態(tài)性位點(diǎn)分布最少，特別是4D染色體。利用Powermarker軟件計(jì)算小麥品種的基因多樣性、PIC值和遺傳距離，發(fā)現(xiàn)青海省當(dāng)?shù)刂髟云贩N間的遺傳多樣性較低。根據(jù)兩兩品種間的遺傳距離將93個(gè)品種分為8個(gè)類群，當(dāng)?shù)赜善贩N與引進(jìn)品種的遺傳關(guān)系較遠(yuǎn)。后續(xù)可通過利用外來品種和當(dāng)?shù)貎?yōu)良農(nóng)家品種進(jìn)行雜交，培育出可抵御當(dāng)?shù)靥厥鈿夂颦h(huán)境且質(zhì)量較高的優(yōu)良品種，豐富青海省當(dāng)?shù)匦←湹倪z傳多樣性。