小麦周8425B及其衍生品种与黄淮麦区主栽品种的遗传解析

张德强，宋晓朋，冯 洁，连俊芳，孙道杰

(西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100)



小麦周8425B及其衍生品种与黄淮麦区主栽品种的遗传解析

张德强，宋晓朋，冯 洁，连俊芳，孙道杰

(西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100)

为了解小麦骨干亲本周8425B及其衍生品种与黄淮麦区主栽品种的遗传结构和遗传多样性，利用Illumina 90K iSelect SNP 标记技术对周8425B及其16份衍生品种和23份黄淮麦区主栽品种进行全基因组扫描。结果显示，在40份小麦材料中，有22 466个多态性SNP位点被定位在21条染色体上，不同基因组间多态性SNP标记的分布依次为B>A>D。周8425B及其衍生品种的遗传相似系数变化范围为0.640 5～0.926 4，平均值为0.739 8，与黄淮麦区主栽品种间遗传差异较小。供试材料的遗传相似系数变化范围为0.530 1～0.963 4，平均值为0.672 1，并被划分为4个类群，聚类分析结果与系谱较为吻合。周8425B对其衍生一代、二代、三代的平均贡献率为79.48%、76.73%和74.24%,随世代的增加而不断降低，且在不同基因组间的遗传贡献率表现为D>A>B。全基因组扫描结果显示，周8425B衍生品种共有6 789个SNP位点保留了周8425B的遗传基因，不同基因组继承的SNP位点数不同，依次为B>A>D，这些选择位点可能与重要基因的遗传传递有关,可能是周8425B成为骨干亲本的主要遗传特征。

小麦；SNP标记；周8425B；遗传多样性；聚类分析

小麦是我国最重要的粮食作物之一，其生产发展离不开各个时期优异种质资源的创新和利用。国内外育种实践表明，骨干亲本的创制与应用是育种工作取得突破性进展的关键。骨干亲本一般具有优异基因多、配合力高等优良农艺性状。在我国小麦品种改良中，16个农家种和引进种质发挥了核心骨干作用[1]。前人利用不同的分子标记对小麦骨干亲本进行了广泛研究，袁园园等[2]利用SSR标记对碧蚂4号及其姊妹系的研究，揭示了碧蚂4号成为骨干亲本的遗传基础；刘新伦等[3]对小麦骨干亲本阿夫及其衍生品种(系)遗传多样性和变化趋势分析，共获得7个在衍生后代遗传率较高的SSR位点；张莉莉等[4]利用SRAP标记研究豫麦2号及其衍生品系遗传差异，发现豫麦2号在不同衍生世代遗传贡献率不同；于海霞等[5]利用DArT标记对矮孟牛3个亲本进行特异性标记筛选，并研究了这些位点对其衍生后代的遗传贡献率，鉴定出一些骨干亲本中对后代衍生品种(系)有重要贡献的染色体位点。这些研究在一定程度上促进了小麦骨干亲本的利用。周8425B是目前黄淮麦区重要的骨干亲本，用其做亲本育成的品种(系)有100多个，其中通过国家和省级审定的品种79个，包括百农AK58和周麦22等主栽品种，其育种价值越来越高[6]。前人对周8425B及其衍生品种的遗传结构已有报道[7]，但尚未在全基因组水平上对周8425B及其衍生品种与黄淮麦区主栽品种进行遗传研究。

单核苷酸多态性(SNP)标记是普遍存在于生物基因组中的一种新型分子标记，在基因组中具有数量多、分布广、遗传稳定且易于检测等特点[8]。近年来，随着小麦高通量测序研究工作的开展，SNP标记的鉴定和分型已广泛应用于小麦遗传改良[9]。赵 朋等[10]基于Illumina技术平台开发的90K SNP芯片已开始应用于小麦基因定位和连锁不平衡分析。SNP标记能够真实反映小麦品种间的亲缘关系，可以用于分析小麦骨干亲本及其衍生系的遗传基础。

本研究利用Illumina 90K iSelect SNP 标记技术对小麦骨干亲本周8425B及其衍生品种和黄淮麦区主栽品种的遗传基础进行分析，旨在从全基因组水平上了解这些品种的遗传差异，为小麦育种过程中周8425B及其衍生品种的合理利用与亲本选配提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料包括小麦骨干亲本周8425B及其衍生品种共17份，黄淮麦区主栽品种23份，共计40份,由中国农业科学院作物科学研究所提供，供试材料的系谱见表1。试验材料于2014-2015年种植与西北农林科技大学试验农场。

1.2 基因组DNA提取及其基因型鉴定

每个样品取幼嫩叶片约200 mg，参考Saghai maroof等[11]的CTAB法提取基因组DNA。用0.8%琼脂糖电泳检测DNA质量和浓度。采用Illumina 90K iSlect SNP芯片对供试材料进行全基因组扫描，采用Genome Studio软件对样本的原始SNP分型。

1.3 数据处理和分析

根据SNP标记在供试材料的遗传分布，参照曹廷杰等[12]的方法对SNP分型数据进行数字化处理，并依据分析软件的不同转换相应的数据格式。用NTSYSpc version 2.10e软件计算品种间遗传相似系数，根据非加权平均法(UPGMA)进行聚类分析。应用Power marker 3.25计算每个SNP位点的等位基因频率和多态性信息含量(PIC)。

周8425B对后代衍生品种的遗传贡献率，用各衍生品种与周8425B共有位点数占总位点数的百分比表示[7,13]。

表1 供试材料及其系谱

2 结果与分析

2.1 多态性SNP位点在染色体上的分布

对来自90K SNP iSlect芯片的81 587个SNP位点，经过Genome Studio软件分型，去除检测失败的位点，并参考Wang等[14]提供的SNP标记位置信息，共检测到22 466个SNP位点，分别定位于小麦的21条染色体上(图1)。每条染色体分布99～2 150个SNP标记，这些标记在染色体间差异较大，1B、5B和2B染色体上分布最多，4D上分布最少；SNP标记在A、B和D基因组上分布不均匀，以B基因组最多(11 239，占50.03%)，A基因组次之(8 893，占39.58%)，D基因组最少(2 334，占10.39%)。

图1 多态性SNP位点在染色体上的分布

图2 40个小麦品种的SNP聚类图

2.2 供试小麦品种的聚类分析

基于SNP标记计算品种间的遗传相似系数，40份材料的遗传相似系数变化范围为0.530 1～0.963 4，平均值为0.672 1；周8425B及其衍生品种间的遗传相似系数为0.640 5～0.926 4，平均为0.739 8。表明周8425B及其衍生品种与黄淮麦区主栽品种具有一定的异质性，但遗传差异较小。在周8425B及其衍生品种中，中麦875和中麦985的遗传相似系数最高，追踪系谱，中麦875和中麦895是同一组合经系选的不同品种；周麦23与周麦25的遗传相似程度最低，其另一个亲本分别是豫麦69和新麦9号。通过对周8425B及其衍生品种与黄淮麦区其他主栽品种间的遗传相似系数分析发现，周麦18与周麦28遗传相似系数最高，周麦28的一个亲本是周麦18。根据遗传相似系数对供试材料进行聚类分析，供试材料被分为4大类群(图2)，具有相同来源的品种大多聚为一类，例如，周麦13、周麦11、洛麦21、周麦16、周麦18、周麦22等品种与周8425B聚为一类，它们是直接或间接的以周8425B为亲本杂交产生的品种；西农979、郑9023、陕253等品种聚一类，主要由含有小偃麦血统的品种组成。SNP标记聚类的结果与系谱分析具有较好的一致性，这表明利用SNP标记分析周8425B及其衍生品种与黄淮麦区主栽品种间的遗传差异是可靠的。基于SNP标记聚类分析结果表明，周8425B及其衍生品种与黄淮麦区主栽品种亲缘关系较近，在DNA水平上遗传差异不大。

2.3 周8425B不同基因组对其衍生品种的遗传贡献率

由表2可知，周8425B对子一代A、B和D基因组的遗传贡献率分别为81.80%、77.26%和81.62%，对其子二代A、B和D基因组遗传贡献率分别为74.24%、75.28%和75.81%，对其子三代A、B和D基因组遗传贡献率分别为73.30%、75.32%和72.46%，对不同衍生世代的整体平均遗传贡献率表现为子一代>子二代>子三代，说明周8425B对其衍生品种遗传贡献率随着世代增加有下降趋势。

表2 周8425B不同基因组对其衍生后代品种的遗传贡献率

2.4 周8425B及其衍生品种SNP位点相异性分析

全基因组SNP扫描结果表明，周8425B与其衍生品种共有6 789个相同SNP位点，B基因组继承周8425B的遗传位点最多(3 339个)，A基因组其次(2 636个)，D基因组最少(814个)，这可能与SNP标记在不同基因组分布的数量有关。这些SNP位点在不同衍生品种中被育种家选择保留，推测这些位点可能与产量、品质或抗病性状存在连锁关系。根据已知的利用小麦90K SNP标记构建的周8425B/中国春遗传连锁图谱定位的QTL，发现这些位点大多与许多重要的农艺性状相关。如4A染色体上IWB49186-IWB74494与千粒重、穗粒数和穗长等性状相关，5B染色体上的IWA8005-IWB5705与小麦籽粒产量和千粒重有关[15]，7B染色体上也有许多位点被持续选择，可能与该染色体上存在抗条锈病的基因有关[7]。在周8425B衍生品种中，周23是黄淮麦区种植面积较大的弱春性主栽品种，周麦23的亲本周麦13与新麦9号的相同SNP位点数12 851个，不同位点数2 016个。周麦23与周麦13相同位点数4 810个，与新麦9号相同位点数2 789个，可以看出，周麦23更多地遗传了周麦13的基因，而周麦13含有周8425B的血缘。

3 讨 论

周8425B是20世纪80年代后期河南省周口市农业科学院育成的矮秆、大穗、抗病的优异种质，含有小黑麦的优良基因，是目前黄淮麦区的重要骨干亲本。小麦育种效率的提高离不开骨干亲本的利用，以周8425B为亲本育成的品种又作为新一轮的亲本用于小麦品种的遗传改良，如周麦11来自周8425B/内乡182，周麦13来自周8425B/周麦9号，而用其做亲本又育成矮抗58(周麦11//周麦豫麦49/郑8960)、周麦22(周麦12/豫麦49//周麦13)和淮麦28(周13/新麦9号)等品种，但是少数骨干亲本的重复利用，必然造成小麦品种遗传基础日趋狭窄，降低品种抵御各种自然灾害的能力，对国家粮食生产造成威胁。郝晨阳等[16]利用SSR标记对我国近50年来育成的小麦品种遗传多样性分析表明，育成品种遗传多样性以50年代的品种最高，以后越来越低。Chen等[17]对我国48份优异的冬小麦进行了遗传多样性和群体结构分析，表明我国冬小麦遗传多样性较低，需要引进国外的优异种质资源。曹廷杰等[12]基于系谱和SNP标记对河南省近年审定小麦品种的遗传多样性进行分析，发现以周麦品种和周8425B为亲本育成的品种数量占整个供试品种的42.7%，供试品种遗传基础狭窄。本研究利用SNP标记分析了周8425B及其衍生品种和黄淮麦区主栽品种之间的遗传相似性，聚类分析结果表明黄淮麦区主栽品种与周8425B及其衍生品种遗传相似性较高，主栽品种遗传基础较窄，周8425B衍生品种和主栽品种在聚类的各分支中都有出现，从品种的系谱上可以看出，主栽品种与周8425B衍生品种有直接或间接的联系，遗传相似系数的聚类结果与系谱分析基本一致，这和曹廷杰等[12]研究的结果较为一致。在黄淮麦区的遗传改良中，周麦系列品种具有较好的农艺性状和丰产性，被大多数育种家认可，在配制组合中作为首选材料，这也导致黄淮麦区主栽品种与周8425B衍生品种存在较高的遗传相似性。

骨干亲本能够选育出许多优良的品种，除其本身所具有综合的优良性状外，其重要性状的基因组区段在后代衍生品种中能够被高频率选择。韩 俊等[18]利用SSR标记对燕大1817/胜利麦杂交组合后代衍生品种遗传结构进行了解析，鉴定出对其衍生后代具有重要贡献的基因组区段，这些区段可能是小麦育种中育种家选择的靶位点；王庆专等[2]对骨干亲本碧蚂4号的基因组特异位点在其衍生后代中的传递规律进行解析，推测一些位点及其附近的染色体区域可能是育种家重点关注部分。本研究通过对周8425B及其衍生品种遗传贡献率分析，发现周8425B对不同衍生世代的遗传贡献率表现为子一代>子二代>子三代，均高于理论遗传贡献率，这表明周8425B一些重要的遗传区段在衍生后代品种存在高频率遗传传递。其可能存在的原因是许多遗传位点与重要的农艺性状如产量、抗条锈病等相关，在小麦品种遗传改良中受到育种家的关注而被选择。小麦基因组较大，本研究中所用的标记在A、B和D基因组上分布不均匀，B基因组数量最多，尤其是1B染色体上SNP标记数量最多，这可能是因为周8425B及其衍生系多数具有来自黑麦的1RS染色体臂，而1RS染色体臂与1BS染色体臂的SNP多态性较高[12,19]，D基因组SNP标记数量最少，尤其4D染色体上SNP标记数量最少，仅有49个，SNP标记数量远不能满足理论要求，除此之外，试验材料选择的不同也会对遗传贡献率产生影响，因此研究结果并不能够完全反映骨干亲本周8425B的遗传传递信息。根据前人已经定位的QTL[15]，本研究发现一些高频遗传的位点与千粒重、穗长、穗粒数、籽粒产量等性状存在紧密相关，这能够解释这些染色体区段在不同衍生世代中被强烈选择的原因。

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Genetic Dissection on the Derived Lines from Wheat Cultivar Zhou 8425B and Widely Grown Cultivars in Huang-huai Region

ZHANG Deqiang,SONG Xiaopeng,FENG Jie,LIAN Junfang,SUN Daojie

(Colleage of Agronomy, Northwest A&F University,Yangling, Shaanxi 712100, China)

The common wheat Zhou 8425B is an important core wheat parent in Huang-huai wheat region. In order to define the genetic structure and diversity of Zhou 8425B and its offspring, thus provide information and contribute to the future wheat breeding improvement,23 widely grown varieties in Huang-huai region and 16 derivative varieties of Zhou 8425B were genotyped with the 90K SNP array based on the infinium assay. The total of 22 466 SNPs with polymorphism spread on 21 chromosomes were detected among the 40 varieties and the polymorphic SNPs showed a distribution tendency of B>A>D among different genomes. The genetic similarity of the core parent Zhou 8425B and its derivative varieties ranged from 0.640 5 to 0.926 4 with an average value of 0.739 8. However, the genetic similarity of 0.530 1 to 0.963 4 with an average value of 0.672 1 was found between widely grown varieties in Huang-huai region and derivative varieties of Zhou 8425B, indicating that they have high similarity in genetic background. The 40 varieties could be classified into four groups by clustering analysis which was generally agreed with the pedigree analysis. The results of the genetic contribution of Zhou 8425B to its derivatives varieties indicated that Zhou 8425B had the contribution ratios of 79.48%, 76.73% and 74.24% to its first, second and third generations, respectively, which was decreased from generation to generation. The average genetic contribution of A, B and D genomes were in decreasing order of D>A>B. The SNP genotyping results showed that the derivative varieties of Zhou 8425B preserved 6789 SNPs loci which were derived from their shared parent Zhou 8425B and these SNPs loci were distributed in order as B>A>D among different genomes and these conserved SNPs loci could be connected with important agronomic traits in Zhou 8425B. This might be basic genetic features of Zhou 8425B as a founder parent.

Bread wheat; SNP marker; Zhou 8425B; Genetic diversity; Clustering analysis

时间：2016-10-08

2016-05-06

2016-05-30

国家重点基础研究计划(973计划)项目(2014CB138100)；陕西省自然科学基金项目(2015JM3094)；陕西省重点科技创新团队项目(2014KCT-25)

E-mail：edward0053@126.com(张德强)；weiduxp@163.com(宋晓朋，与第一作者同等贡献)

孙道杰(E-mail：chinawheat@hotmail.com)

S512.1；S321

A

1009-1041(2016)10-1328-07

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160928.0918.004.html