3個小麥品種品質分類指標性狀的全基因組關聯分析

摘要：濕面筋含量、吸水率、穩定時間是我國小麥品種品質分類的重要指標性狀，為發掘調控這3個品質性狀的基因位點，挑選了103個長江中下游麥區種植的小麥品種組成自然群體，并利用50K SNP芯片基因分型，結合3個性狀的表型，基于混合線性模型進行全基因組關聯分析。結果鑒定到5個位于小麥1B和6D染色體上，3個位于5D和7D染色體上，28個分布于1A、1B、1D、4A上，分別與濕面筋含量、吸水率、穩定時間顯著關聯的SNP標記，其中1B上3個與濕面筋含量，5D上2個與吸水率以及1D上24個與穩定時間顯著關聯的SNP標記的位置相同或相近，為一個QTL簇。因此，共發掘到3個與濕面筋含量、2個與吸水率、4個與穩定時間顯著關聯的位點。其中，與濕面筋含量關聯的3個位點位于1B染色體619 Mb以及6D染色體445 Mb和89 Mb；與吸水率關聯的2個位點位于5D染色體4 Mb左右和7D染色體389 Mb；與穩定時間關聯的4個位點分別位于1D 415 Mb、1B 553 Mb、1A 508 Mb和4A 591 Mb處。5D上與吸水率顯著關聯的SNP標記AX-86170795位于小麥籽粒硬度Pinb基因序列上，1A、1B、1D上與穩定時間關聯的QTL位點分別與高分子量谷蛋白Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1基因位置一致。下一步相關位點開發功能性分子標記用于小麥品質改良的新品種選育。

關鍵詞：小麥；品質性狀；全基因組關聯分析；候選基因

中圖分類號：S512.103" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）03-0049-05

范祥云，何" 漪，余桂紅，等. 3個小麥品種品質分類指標性狀的全基因組關聯分析［J］. 江蘇農業科學，2025，53（3）：49-54.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2025.03.007

收稿日期：2024-07-09

基金項目：江蘇省重點研發計劃（現代農業）重點項目（編號：BE2021375）；江蘇省種業振興“揭榜掛帥”項目（編號：JBGS〔2021〕047）；國家自然科學基金青年科學基金（編號：32201858）。

作者簡介：范祥云（1988—），男，江蘇揚州人，博士，助理研究員，從事小麥品質性狀遺傳與育種利用研究。E-mail：787704176@qq.com。

通信作者：張" 鵬，博士，研究員，從事小麥高產、優質、抗病育種研究與新品種選育。E-mail：jszhangpeng@163.com。

小麥（Triticum aestivum L.）是我國的主要糧食作物。近年來，隨著國內市場對小麥品質的關注程度和質量要求不斷提高，品質性狀在小麥新品種選育中越來越受到重視［1］。我國小麥品種試驗中根據《主要農作物品種審定辦法（國家級）》（2017）的品質分類，小麥分為弱筋、中筋、中強筋、強筋4種品質類型，包括6個指標性狀，分別為蛋白質含量、濕面筋含量、吸水率、穩定時間、最大拉伸阻力和拉伸面積（能量）［2］。這些品質指標可在很大程度上反映面粉加工特性及其用途和面制品品質［3］。

發掘調控品質性狀的基因位點，明確其效應和育種利用價值，開發功能性分子標記用于育種輔助選擇，是品質改良育種的有效途徑［4］。全基因組關聯分析（GWAS）是在全基因組水平上將性狀的表型差異與基因的多態性相結合，鑒定與表型變異相關分子位點的方法，是發掘調控目標性狀基因位點的重要手段［5］。隨著小麥基因組的釋放和完善以及測序技術的快速發展尤其是SNP芯片的運用，近年來已有較多通過自然群體結合SNP芯片進行GWAS發掘小麥品質性狀位點的研究報道［6］。如彭小愛等通過檢測118份小麥的籽粒容重、蛋白含量、濕面筋含量、沉淀值、出粉率、吸水率、穩定時間和形成時間8個品質性狀表型，結合55K SNP芯片進行GWAS，在13條染色體上鑒定到22個與相關品質性狀顯著關聯的位點［7］。董一帆等以國內外259份冬小麥品種為材料，測定了籽粒硬度、籽粒蛋白和淀粉含量、濕面筋含量、沉降值5個品質性狀，并結合90K SNP芯片通過GWAS發掘了與相關品質性狀顯著關聯的18個位點，此外預測篩選出10個候選基因［8］。He等測定了150份小麥的籽粒硬度，結合55K SNP芯片進行全基因組關聯分析，共鑒定到5個位于1A、3B、4B和7D上的穩定位點［9］。

基于氣候、土壤、地理條件等差異，中國小麥種植區域被劃分為4個主區，10個亞區，江蘇淮河以南地區屬于10個亞區中的長江中下游冬（秋播）麥區。環境因素對小麥生長有著重要影響，從而影響小麥的產量、品質、抗性等，不同麥區有著適應該區域環境下種植的小麥品種。為減少環境對小麥生長進而對品質的影響，本研究挑選長江中下游麥區種植的103個小麥品種/系組成自然群體，并結合50K SNP芯片對3個小麥品種品質分類的指標性狀（濕面筋含量、吸水率、穩定時間）進行全基因組關聯分析，發掘與相關品質性狀顯著關聯的基因位點，為江蘇淮南麥區小麥品質改良育種提供理論基礎。

1" 材料與方法

1.1" 試驗材料與種植

試驗材料為由103份長江中下游麥區小麥品種/系組成的自然群體。2022年秋播于江蘇省農業科學院院內和六合基地的小麥試驗田，每個材料株距為1.7 cm，行長為1.5 m，行距為25 cm，按照常規大田生產栽培措施管理。成熟后，收獲籽粒，晾曬、熏蒸、備用。

1.2" 品質性狀表型測定

使用布拉本德小型試驗磨（Brabender Quadrumat Junior）按照NY/T 1094.5—2006《小麥實驗制粉" 第5部分：Brabender Quadrumat Jr.（Quadruplex）實驗磨法》進行制粉；使用面筋分析儀（GM2200，Perten，Sweden）采用GB/T 5506.2—2008《小麥粉面筋含量儀器法測定濕面筋》測定濕面筋含量；使用粉質儀（JFZD，北京東方孚德）采用GB/T 14614—2019《小麥粉面團流變學特性測試" 粉質儀法》測定吸水率和穩定時間。

1.3" 全基因組關聯分析

自然群體基因分型采用北京首都生物技術公司的Afymetrix 50K SNP芯片。使用TASSEL軟件（v5.2.13）對SNP標記進行篩選，去除等位基因頻率≤5%和缺失率gt;10%的分子標記。使用Structure 2.3.4軟件進行群體結構和親緣關系分析。使用TASSEL軟件（v5.2.13），基于混合線性模型（MLM，Q+K）對SNP標記與3個品質性狀表型進行全基因組關聯分析。方法詳見文獻［10］。

1.4" 候選基因分析

根據GWAS鑒定到的相關品質性狀顯著關聯的SNP位點的物理位置，利用EnsemblPlants網站（http：//plants.ensembl.org/Triticum_aestivum/Info/Index）提供的數據信息，找到SNP位點其所在基因或結構域，以LD為范圍預測候選基因。

1.5" 數據分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 16.0進行數據整理和相關統計分析。

2" 結果與分析

2.1" 品質性狀表型分析

自然群體3個品質性狀表型的描述性統計分析結果（表1）顯示，濕面筋含量、吸水率、穩定時間的變幅和極差依次分別為19.45%～35.52%、50.6～65.8 mL/100 g、1.6～22.7 min和16.07%、15.2 mL/100 g、21.1 min，在普通小麥這3個性狀上屬于較廣的變幅和較大的極差。此外，自然群體濕面筋含量、吸水率、穩定時間的變異系數均較大，分別為14.14%、5.40%、71.73%。自然群體相關性狀的頻次分布（圖1）顯示，3個性狀的表型均呈連續性分布，其中濕面筋含量和吸水率2個性狀的表型呈現出中間高兩端低的分布特點（圖1-A、圖1-C），表現出明顯的正態分布特征，而穩定時間的表型分布偏向于低數值的一端（圖1-E），呈偏態分布。依據《主要農作物品種審定辦法（國家級）》（2017）中的品質分類標準，自然群體中濕面筋含量上達到弱筋小麥標準（濕面筋含量lt;24%）的有22個，而達到強筋小麥（濕面筋含量≥30.5%）和中強筋小麥標準（濕面筋含量≥28.5%）的分別有28個和42（14+28）個（圖1-B）；吸水率上，達到弱筋小麥（吸水率lt;55 mL/100 g）、強筋小麥（吸水率≥60 mL/100 g）和中強筋小麥（吸水率≥58 mL/100 g）標準的分別為20、23、46（23+23）個（圖1-D）；穩定時間上，達到弱筋小麥（穩定時間lt;3 min）、強筋小麥（穩定時間≥10 min）和中強筋小麥（穩定時間≥7 min）標準的分別有25、14、34（14+20）個（圖1-F）?？梢?，挑選的組成自然群體的103個小麥品種在濕面筋含量、吸水率、穩定時間3個指標性狀上的不同品質類型小麥數目較均衡。總之，該自然群體3個品質性狀的表型結果符合數量性狀的遺傳規律，并存在豐富的遺傳變異。

2.2" 品質性狀全基因組關聯分析

經過篩選后共有36 360個SNP標記用于GWAS

分析，A、B、D染色體組的SNP標記數分別為11 415、13 133、11 202，其中4D上SNP標記數最少，為875，

3B上標記數最多，為2 698。群體結構和親緣關系分析結果顯示，該自然群體分為3個亞群。以上相關結果詳見Jiang等的文章［10］。由圖2-A、圖2-C、圖2-E的QQ圖可見，3個品質性狀表型分布的實際值與理論值間表現出較好的擬合特性，反映MLM模型適于該自然群體3個品質性狀的全基因組關聯分析。GWAS結果顯示，共鑒定到5個與濕面筋含量顯著關聯的SNP標記，其中1B染色體上的AX-94430132、AX-112290832、AX-179475529等3個SNP標記物理位置基本一致，為同一個遺傳位點，而6B上的2個SNP標記位置相差較遠，分別位于8.9、44.6 Mb處，為不同的位點（表2、圖2-B）。共鑒定到3個與吸水率顯著關聯的SNP標記，其中2個位于5D染色體頭部，1個位于7D染色體上（表2、圖2-D）。此外，共檢測到28個與穩定時間顯著關聯的SNP標記，其中位于1D染色體上的24個SNP標記位置基本相同，為同一個基因位點，表2中只列出了其中P值最低的6個，另外，在1A、1B、4A上還分別鑒定到2、1、1個顯著關聯的SNP標記，1A上的2個SNP標記位置相近（表2、圖2-F）。

3" 討論與結論

品質性狀調控位點的發掘和遺傳解析是品質改良分子育種的基礎［11］。目前，我國小麥新品種試

驗中，是依據《主要農作物品種審定辦法（國家級）》（2017）對小麥品質進行分類的，其中指標性狀有6個，分別為蛋白質含量、濕面筋含量、吸水率、穩定時間、最大拉伸阻力和拉伸面積［2］。本研究選取其中濕面筋含量、吸水率、穩定時間等3個品質指標性狀用作GWAS分析，結果可更直接服務于小麥新品種選育和審定。小麥品質是受多基因調控的數量性狀，不僅受遺傳調控，還易受環境影響［12-13］。本研究挑選了長江中下游麥區種植的103個小麥品種組成自然群體，這些品種適應當地麥區的環境能夠正常生長且按常規、一致的栽培措施管理種植，減少了非遺傳因素對小麥生長進而對品質表型和GWAS結果的影響。目標性狀表型數據的測定結果對GWAS也有一定影響［14］。本研究所用自然群體中各品種在濕面筋含量、吸水率、穩定時間3個性狀表型上有著豐富的變異，變幅和變異系數依次分別為19.45%～35.52%、50.6～65.8 mL/100 g、1.6～22.7 min 和14.14%、 5.40 mL/100 g、 71.73%（表1），此外，依據《主要農作物品種審定辦法（國家級）》中的品質分類標準，3個品質指標性狀上的不同品質類型小麥數目也較均衡（圖1-B、圖1-D、圖1-F），這為GWAS定位奠定了良好的基礎。

全基因組關聯分析是作物遺傳育種領域的重要工具，目前小麥中通過GWAS已發掘出大量與品質性狀相關的基因位點［15］。張德華等以小麥骨干親本百農 AK58和碧螞4號衍生的包含248個株系的重組自交系群體為材料，結合高密度SNP遺傳連鎖圖譜進行QTL定位，其中在6D上4.0 cM位置發掘到1個與濕面筋含量相關的QTL（QWgc.his-6D），其側翼標記為AX-108745027～AX-109374059，其中AX-108745027在參考基因組上的物理位置為445.7 Mb，與本研究中GWAS關聯到的濕面筋含量相關SNP標記AX-111581587的位置一致（表2），因此2個為同一個QTL［16］。此外，本研究中GWAS關聯到的與濕面筋含量相關的另外2個QTL還未見報道，其中1B上的QTL表型解釋率超過10%，可將其緊密連鎖的SNP標記轉化為KASP標記用作進一步的育種利用評價。GWAS發掘的與吸水率顯著關聯的SNP標記AX-86170795為小麥籽粒硬度基因Pinb的功能性分子標記（本研究中自然群體基因分型所用SNP芯片包含148個小麥產量、品質、抗性等方面的功能性分子標記），AX-86170795標記的差異位點位于Pinb基因上。目前較多研究已經表明，小麥籽粒硬度與吸水率極顯著正相關［17-19］。本研究自然群體籽粒硬度與吸水率呈極顯著正相關，相關系數0.719，這可能是吸水率的GWAS關聯到籽粒硬度基因的原因。此外，在7D染色體上還鑒定到1個與吸水率相關的位點（表2、圖2-D），這個位點目前未見報道。本研究中穩定時間GWAS結果在1D染色體412～416 Mb物理位置處檢測到24個顯著關聯的SNP標記（表2、圖2-F），而小麥高分子量谷蛋白Glu-D1基因在小麥參考基因組1D 412.1 Mb位置，可以推斷此位點調控穩定時間的候選基因為Glu-D1。Glu-D1的同源基因Glu-A1和Glu-B1的位置分別在1A染色體508.7 Mb和1B染色體555.7 Mb處，而本研究穩定時間GWAS鑒定到的顯著關聯位點AX-94433348和AX-95017670分別位于1A 508.7 Mb和1B 555.3 Mb，與Glu-A1和Glu-B1位置基本一致。目前研究已明確小麥高分子量谷蛋白對小麥穩定時間有著極重要的影響［20-22］，本研究GWAS結果也說明了這點。此外，除了Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1所在的3個位點外，還在4A染色體上檢測到1個顯著關聯位點（表2），這個位點目前未見報道。

綜上，本研究對濕面筋含量、吸水率、穩定時間等3個小麥品種品質分類指標性狀的全基因組關聯分析分別鑒定到3、2、4個顯著關聯位點。其中吸水率和穩定時間關聯位點候選基因預測為Pinb、Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1基因，這些基因已有相應功能性分子標記，可以直接用于品質育種。此外，在1B上發掘到的濕面筋含量相關位點下一步將其緊密連鎖的SNP標記轉化為KASP標記在育種利用上進行評價。以上相關結果有助于小麥品質改良育種。

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