高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)中強(qiáng)筋小麥新品種豫豐11的遺傳構(gòu)成及其特異區(qū)段解析

陳曉杰, 范家霖, 程仲杰, 楊 科, 楊保安, 張福彥, 王嘉歡, 張建偉, 王 浩

(1.河南省科學(xué)院同位素研究所有限責(zé)任公司/河南省核農(nóng)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450015;2.鄭州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站, 鄭州 450006; 3.河南省豫豐種業(yè)有限公司, 鄭州 450008)

小麥?zhǔn)侵匾募Z食作物之一,小麥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展直接關(guān)系到糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定,優(yōu)良新品種對(duì)小麥增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率超過30%,為我國(guó)小麥連年豐收提供了關(guān)鍵支撐。準(zhǔn)確掌握新育成品種的特征特性、遺傳構(gòu)成將有助于其遺傳改良和栽培推廣。系譜分析可大致判斷品種間的親緣關(guān)系,但難以準(zhǔn)確量化品種內(nèi)在遺傳關(guān)系和遺傳物質(zhì)傳遞規(guī)律,制約了新品種的遺傳改良和生產(chǎn)應(yīng)用[1]。分子生物學(xué)的發(fā)展和各種分子標(biāo)記技術(shù)的開發(fā),為在DNA水平研究品種間的遺傳關(guān)系提供了新方法。王珊珊等[2]和亓佳佳等[3]分別利用SSR標(biāo)記分析了矮孟牛及其衍生品種(系)和小偃6號(hào)及衍生品種(系)的遺傳多樣性;楊子博等[4]利用SSR標(biāo)記分析了淮麥33及其雙親的遺傳關(guān)系和遺傳物質(zhì)傳遞規(guī)律;曹廷杰等[5],孔子明和宋曉明[6]分別利用90K SNP芯片分析了河南省96 個(gè)小麥品種的遺傳多樣性和周麥16的分子遺傳構(gòu)成;高艷等[7]和吳勝男等[8]分別利用小麥55K芯片分析了周麥22及其衍生品種的遺傳多樣性和親本對(duì)陜農(nóng)33的遺傳貢獻(xiàn)率;陳曉杰等[9]利用小麥50K SNP育種芯片,不僅分析了鄭品麥24號(hào)和鄭品優(yōu)9號(hào)的遺傳構(gòu)成,而且明確了其重要性狀功能基因的組成。利用分子標(biāo)記技術(shù)可準(zhǔn)確解析小麥新品種的遺傳構(gòu)成和品種間的遺傳關(guān)系,進(jìn)而對(duì)小麥品種進(jìn)行針對(duì)性的改良。

目前,我國(guó)已開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、不受其他專利技術(shù)制約、不依賴特定檢測(cè)設(shè)備的靶向測(cè)序基因型檢測(cè)(Genotyping By Target Sequencing,GBTS)技術(shù)體系,具有檢測(cè)效率高、成本低、適應(yīng)性廣等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于遺傳進(jìn)化分析、種質(zhì)資源DNA鑒定及評(píng)價(jià)、遺傳圖譜構(gòu)建、基因定位等研究[11-14]。豫豐11是河南省科學(xué)院同位素研究所以半冬性、超高產(chǎn)、多抗、廣適黃淮區(qū)試對(duì)照小麥品種周麥18號(hào)為母本,以半冬性、矮稈抗倒、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、多抗廣適小麥主栽品種矮抗58的矮稈、大穗、早熟突變體豫同198為父本進(jìn)行有性雜交,利用60Co-γ射線對(duì)雜交F0代干種子進(jìn)行輻照處理,從F3世代開始對(duì)重要品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)定向跟蹤檢測(cè)選育而成的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、廣適、優(yōu)質(zhì)中強(qiáng)筋小麥新品種。豫豐11于2018年5月通過國(guó)家農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定(國(guó)審麥20180017),在生產(chǎn)中表現(xiàn)突出,市場(chǎng)推廣潛力較大[15]。因此,本研究利用小麥16K液相芯片,對(duì)豫豐11及其父母本進(jìn)行分子檢測(cè),旨在明確該品種遺傳基礎(chǔ),為其遺傳改良和生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

豫豐11及其母本周麥18和父本豫同198,均由河南省科學(xué)院同位素研究所(河南省核農(nóng)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)小麥誘變育種團(tuán)隊(duì)保存、提供。

1.2 基因組DNA提取及SNP芯片分析

選取每個(gè)小麥品種的幼嫩葉片,采用高通量DNA提取試劑盒提取樣品DNA,并使用1%瓊脂糖凝膠電泳方法分析DNA的純度和完整性,使用Qubit對(duì)DNA濃度進(jìn)行準(zhǔn)確定量。委托石家莊博瑞迪生物技術(shù)有限公司進(jìn)行基于16K GBTS靶向測(cè)序基因型分型。

1.3 遺傳貢獻(xiàn)率分析及基因型圖譜繪制

首先剔除雜合或缺失的SNP位點(diǎn),保留親本和子代中純合SNP位點(diǎn)用來遺傳貢獻(xiàn)率分析。根據(jù)純合多態(tài)性SNP位點(diǎn)數(shù)計(jì)算雙親遺傳物質(zhì)對(duì)子代的遺傳貢獻(xiàn)率,豫豐11與母本的SNP位點(diǎn)相同且與父本SNP位點(diǎn)不同時(shí),認(rèn)為該SNP位點(diǎn)由母本提供,反之由父本提供,而與雙親均存在差異的SNP位點(diǎn)則由60Co-γ 誘變產(chǎn)生。突變貢獻(xiàn)率為子代與雙親均不相同的SNP位點(diǎn)占總位點(diǎn)數(shù)的比例;某一親本對(duì)子代的遺傳貢獻(xiàn)率為子代中與該親本相同的多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)占總雙親總位點(diǎn)總數(shù)的百分比。

利用GGT2.0軟件[16],根據(jù)確切染色體位置信息的SNP標(biāo)記繪制豫豐11及親本的SNP基因型圖譜,根據(jù)親本中SNP標(biāo)記的差異賦予不同的顏色,豫豐11與親本標(biāo)記的異同賦予相應(yīng)的顏色。

2 結(jié)果分析

2.1 雙親對(duì)豫豐11的遺傳貢獻(xiàn)率

通過小麥16K SNP液相芯片分型,在豫豐11及其雙親周麥18和豫同198間共檢測(cè)到13 411個(gè)純和SNP位點(diǎn),A、B、D基因組分別包含5 201,5 329,2 881個(gè)純合SNP位點(diǎn)(表1)。其中D基因組SNP位點(diǎn)數(shù)較少,但以每Mb窗口大小在染色體滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)窗口內(nèi)的SNP個(gè)數(shù),圖形化展示SNP的數(shù)量在染色體上的分布(圖1);發(fā)現(xiàn)研究所用的SNP位點(diǎn)覆蓋了染色體的絕大多數(shù)區(qū)段且SNP密度相對(duì)一致,表明所用SNP在染色體上分布均勻度較好。

圖1 所用SNP位點(diǎn)在染色體上的分布Fig.1 Distribution of SNP sites on chromosomes used

表1 雙親對(duì)豫豐11的遺傳貢獻(xiàn)率Table 1 The genetic contribution from parents to Yufeng11

在13 411個(gè)純合SNP位點(diǎn)中,多態(tài)性SNP位點(diǎn)3 434個(gè),多態(tài)性位點(diǎn)比例25.61%(表1)。3個(gè)基因組的21條染色體均存在多態(tài)性位點(diǎn),但不同基因組及不同染色體間多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)和比例差異較大。B基因組多態(tài)性位點(diǎn)最多(1 746個(gè)),多態(tài)性位點(diǎn)比例也最高(32.76%);A基因組次之,包含了1 368個(gè)多態(tài)性位點(diǎn),多態(tài)性位點(diǎn)比例為26.30%;D基因組多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)最少(320個(gè)),多態(tài)性位點(diǎn)比例也最低(11.11%)。在染色體水平,2A染色體多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)最多(501個(gè))、多態(tài)性位點(diǎn)比例也最高,達(dá)到53.64%,5B多態(tài)性位點(diǎn)比例次之(41.1%),5A、6A、1B、6B和7B染色體的多態(tài)性位點(diǎn)比例也較高(>30%),表明雙親在這些染色體上遺傳差異較大;1D染色體多態(tài)性位點(diǎn)比例最低(1.96%),其次是4A、3D、7D染色體(多態(tài)性位點(diǎn)比例均<10%),1A、3A、7A、4B、2D、4D、5D、6D染色體多態(tài)性位點(diǎn)比例介于10%～20%,表明雙親在這些染色體上遺傳差異較小;其余染色體多態(tài)性位點(diǎn)比例介于20%～30%之間。

從全基因組水平看,豫豐11中有1 905個(gè)多態(tài)性SNP位點(diǎn)來源于母本周麥18,1 488個(gè)位點(diǎn)來源于父本豫同198,此外還有41個(gè)位點(diǎn)與雙親均不一致(表1)。突變貢獻(xiàn)率為0.31%,而周麥18和豫同198對(duì)豫豐11的遺傳貢獻(xiàn)率分別為55.97%和43.72%,整體上,周麥18對(duì)豫豐11的遺傳貢獻(xiàn)率大于豫同198。在基因組水平,雙親對(duì)豫豐11的貢獻(xiàn)率差異較大;在A 基因組上,周麥18對(duì)豫豐11的遺傳貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于豫同198,達(dá)到76.69%;而在B、D基因組,豫同198對(duì)豫豐11的遺傳貢獻(xiàn)率超過了周麥18,分別達(dá)到57.34%和57.50%;此外在B基因組存在0.73%的突變位點(diǎn)。

進(jìn)一步在染色體水平分析豫豐11的遺傳構(gòu)成,發(fā)現(xiàn)不同染色體間變化巨大(表1,圖2)。周麥18對(duì)豫豐11不同染色體的遺傳貢獻(xiàn)率范圍為1.71%～100%,其中對(duì)4B、3D、6D染色體的貢獻(xiàn)率為100%,對(duì)2A、3A、5A、6A、5B染色體的貢獻(xiàn)率超過了70%,對(duì)4A、3B、1D染色體的貢獻(xiàn)率分別為55.17%,68.37%和55.56%。豫同198對(duì)豫豐11不同染色體的遺傳貢獻(xiàn)率范圍為0～98.29%,其中對(duì)6B、7B、4D上的貢獻(xiàn)率超過了95%,對(duì)7A、2B、2D、5D、7D染色體的貢獻(xiàn)率超過了70%。周麥18和豫同198對(duì)1A染色體的遺傳貢獻(xiàn)大致相當(dāng),分別為50.62%和49.38%的遺傳物質(zhì)。而與雙親均不一致的SNP位點(diǎn)富集在2B(22個(gè))、3B(14個(gè))染色體,此外5A、1B、5B染色體也分別存在2,1,2個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)。

注:灰色表示三者相同區(qū)段;紅色表示周麥18區(qū)段;藍(lán)色表示豫同198區(qū)段;黃色表示豫豐11特異區(qū)段。圖2 豫豐11的21條染色體SNP基因型圖譜Fig.2 SNP genotype map on 21 chromosomes of Yufeng11

2.2 來源于雙親的染色體區(qū)段

依據(jù)13 411個(gè)SNP的位置信息,利用GGT 2.0軟件繪制了豫豐11的SNP基因型圖譜(圖2)。來自不同親本的多態(tài)性SNP富集在染色體的不同區(qū)段,表明雙親在染色體上的差異呈區(qū)段分布。在豫豐11的21條染色體上,存在87個(gè)來自雙親的多態(tài)性SNP富集區(qū)段(物理距離大于10 Mb,SNP位點(diǎn)組合只與某一親本相同),其中45個(gè)染色體區(qū)段來源于周麥18,42個(gè)區(qū)段源于豫同198。最大的染色體區(qū)段是2A(156.62～473.52 Mb),該區(qū)段包含了354個(gè)來自周麥18的多態(tài)性SNP,占該區(qū)段純合SNP總數(shù)(389個(gè))的91.0%,占染色體總多態(tài)性位點(diǎn)的10.31%,也是多態(tài)性SNP富集度最高的區(qū)段;其次是6B染色體區(qū)段(240.08～561.01 Mb),該區(qū)段共340個(gè)SNP位點(diǎn),其中包含245個(gè)來源于豫同198的多態(tài)性SNP位點(diǎn)。

2.3 豫豐11特異染色體區(qū)段分析

分析豫豐11的SNP基因型圖譜(圖2),發(fā)現(xiàn)3個(gè)突變位點(diǎn)富集的染色體區(qū)段(2B 654.53～664.41 Mb、2B 677.79～680.01 Mb和3B 796.01～810.73 Mb),分別包含了8個(gè)、8個(gè)和14個(gè)突變SNP位點(diǎn),占對(duì)應(yīng)染色體區(qū)段總位點(diǎn)的66.67%(12個(gè))、88.89%(9個(gè))和70.0%(20個(gè)),占染色體總突變位點(diǎn)數(shù)的73.17%。

3 討 論

利用小麥16K液相芯片對(duì)豫豐11及其父母本進(jìn)行分子檢測(cè),揭示了豫豐11的分子遺傳構(gòu)成,發(fā)現(xiàn)母本周麥18對(duì)豫豐11的遺傳貢獻(xiàn)率(55.97%)大于父本豫同198(43.72%),這與前人利用分子標(biāo)記研究后代對(duì)遺傳物質(zhì)多偏向某一親本的現(xiàn)象相一致,淮麥33大部分遺傳信息(73.9%)來自母本煙農(nóng)19[4],周8425B對(duì)周麥16的遺傳貢獻(xiàn)率為64.32%[6],雙親陜農(nóng)981和新麥18對(duì)陜農(nóng)33的遺傳貢獻(xiàn)率分別占52.72%和46.38%[8],鄭品麥24號(hào)82.40%的遺傳物質(zhì)來源于父本豫同194[10]。發(fā)生這種遺傳現(xiàn)象的原因可能與親本選用和后代選擇有關(guān)。選擇骨干親本或當(dāng)?shù)刂髟云贩N作為親本之一是雜交育種親本選擇和組配的普遍原則。這些骨干親本較另一親本擁有更多的優(yōu)點(diǎn),而主栽品種對(duì)當(dāng)?shù)刈匀粭l件和栽培條件有更好的適應(yīng)性。當(dāng)雜交組合之一是骨干親本或當(dāng)?shù)刂髟云贩N時(shí),后代選擇常會(huì)保留了更多的骨干品種或主栽品種的遺傳物質(zhì),如煙農(nóng)19、豫同194(周麥18優(yōu)系)均是當(dāng)?shù)刂髟云贩N或骨干親本,后代品種的遺傳物質(zhì)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的偏分離,來自某一親本的遺傳物質(zhì)超過66.67%。當(dāng)雜交雙親均為骨干親本、當(dāng)?shù)刂髟云贩N或雙親優(yōu)缺點(diǎn)比較均衡時(shí),后代品種來自雙親的遺傳物質(zhì)相對(duì)比較接近,如周麥18和豫同198(AK58突變系)均為河南主栽高產(chǎn)品種、陜農(nóng)981和新麥18分別為陜西和河南主栽品種,單交親本對(duì)后代的遺傳貢獻(xiàn)率均未超過60%。

理論上,單交組合選用的后代品種所有遺傳物質(zhì)都應(yīng)來源于雙親,但實(shí)際研究發(fā)現(xiàn),雜交后代常會(huì)出現(xiàn)一些不同于親本的特異位點(diǎn)?；贷?3 的特異位點(diǎn)比例為10.4%[4],鄭品麥24號(hào)存在2.93%的特異位點(diǎn)[10],周麥23的特異位點(diǎn)比例為5.0%[17]。產(chǎn)生特異位點(diǎn)的原因之一是在選擇育種的不同世代發(fā)生了基因重組及小概率的自然突變,產(chǎn)生了堿基突變、插入、缺失或多個(gè)堿基的顛換和置換等變異,但理論上出現(xiàn)這些變異比例應(yīng)該較低;另一原因可能是研究分析所用的實(shí)驗(yàn)材料與十幾年前雜交所用的育種材料有一定出入,雜交育種后代發(fā)生了天然雜交、親本出現(xiàn)了變異或新系。本研究發(fā)現(xiàn),豫豐11也存在極小比例(0.31%)的特異位點(diǎn),主要富集于2B和3B染色體3個(gè)染色體區(qū)段。但豫豐11選育時(shí)利用60Co-γ射線對(duì)雜交F0代干種子進(jìn)行輻照處理,理論上出現(xiàn)變異位點(diǎn)的概率要高于自然變異,同時(shí)豫豐11的特異位點(diǎn)主要集中在個(gè)別染色體的特定區(qū)段,因此豫豐11的特異位點(diǎn)大概率是人工誘變產(chǎn)生的。這種將人工誘變技術(shù)與傳統(tǒng)雜交技術(shù)相結(jié)合,能有效打破不良基因連鎖,促進(jìn)更廣泛的基因重組,還可以創(chuàng)造新基因,增加變異頻率,能發(fā)揮不同技術(shù)途徑的技術(shù)優(yōu)勢(shì),對(duì)小麥新品種遺傳改良具有一定的促進(jìn)作用。

4 結(jié) 論

本研究繪制了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)中強(qiáng)筋小麥品種豫豐11的SNP基因型圖譜,明確了其遺傳構(gòu)成,母本周麥18對(duì)豫豐11的遺傳貢獻(xiàn)率(55.97%)大于父本豫同198(43.72%)。豫豐11存在不同于雙親的0.31%特異位點(diǎn),明確了這些特異位點(diǎn)的分布,并初步判斷這些特異位點(diǎn)是由60Co-γ射線輻射誘變產(chǎn)生的。