中间偃麦草基因组特征及其在小麦遗传改良中的应用

张树伟，李 欣，乔麟轶，张晓军，郭慧娟，常利芳，陈 芳，贾举庆，畅志坚

（山西农业大学农学院，作物遗传与分子改良山西省重点实验室，山西太原030031）

小麦的野生近缘植物种类多样，遗传变异丰富，含有大量抗病、抗虫、耐逆、高品质及高产等优异基因，是小麦育种及遗传改良的宝贵野生基因资源库[1]。通过远缘杂交可以将近缘物种的优良基因导入小麦，提高小麦基因组遗传多样性，创制新型小麦种质资源[2]。育种家们在小麦的人工驯化和遗传改良研究中发现，小麦近缘种对小麦基因组贡献较大，丰富其遗传多样性的同时增强了适应性[3]。野生近缘种中间偃麦草（Thinopyrum intermedium，2n＝6x＝42，EeEeEbEbStSt 或 JrJrJvsJvsStSt）是小麦获得新型优良性状的重要基因资源[4]。中间偃麦草属于偃麦草属多年生野生植物，根系发达、长势旺盛、大穗多花、抗病虫害、耐逆性强，常被用作抗旱、耐高温、耐盐碱育种的基因供体，而且被认为是针对真菌病害提供抗性的遗传材料，因此，成为国内外小麦改良研究应用较广的远缘杂交野生资源之一[5]。目前世界上常见的中间偃麦草种质有Amur、RUSH等[6]，经过驯化培育的中间偃麦草新种质，如TLI 系列、UMN 系列等对小麦改良也有很大利用价值[7-8]。

长期人为选择使得小麦遗传多样性匮乏，对现代小麦育种形成制约。利用远缘杂交培育小麦- 中间偃麦草部分双二倍体，再与普通小麦回交，创制小麦- 中间偃麦草异附加系、异代换系和易位系，将中间偃麦草优良基因导入小麦并有效利用，可丰富小麦遗传多样性、为小麦遗传改良提供重要种质资源。为此，笔者对中间偃麦草特征及其染色体组成与基因组演化过程进行了阐述，对中间偃麦草基因组学研究及其在小麦遗传改良中的应用研究进展进行了综述，旨在为中间偃麦草优异基因在小麦遗传改良中持续利用提供参考。

1 中间偃麦草特征及其染色体组成

中间偃麦草是禾本科小麦族偃麦草属多年生草本植物，也称作天蓝冰草、中间冰草，其先后被划分到小麦属、冰草属、偃麦草属、类麦属和毛麦属，由于植物命名与属需要一一对应，其名称也需要跟随属作相应的改正，但因研究者长期的使用习惯，目前将偃麦草属和中间偃麦草的名称延续使用[4，9]。中间偃麦草原产于东欧平原，其长势繁茂、营养丰富，作为一种优质牧草被世界各地引种栽培，目前广泛分布于欧洲、北美、北非和西亚地区[10-11]。地理条件差异和气候多样性使得中间偃麦草在进化过程中获得了抗虫、抗病、耐逆、优质等优良性状，加之较易和小麦杂交，被广泛应用于小麦遗传改良研究。

中间偃麦草是部分同源异源六倍体，尽管国内外对其染色体组成进行了大量研究，但进化过程中的复杂性和基因组的剧烈变异，其染色体构成和基因组演化过程仍未完全清晰。早期研究中，研究者们认为中间偃麦草含有与小麦同源的染色体组。PETO[12]将小麦和中间偃麦草杂交，观察后代减数分裂时期配对情况，认为中间偃麦草一个染色体组和小麦A 染色体组部分同源，将其染色体构成表示为AXY。VARKAR[13]进一步通过观察研究，认为中间偃麦草有2 个染色体组与小麦A、D 染色体组有相似性，将其染色体构成用AaDaX 表示。朴真三[14]用修改的Giemsa C- 带方法对比中间偃麦草和普通小麦的C- 带带型，认为其一个染色体组和小麦B染色体组有相似性，将其染色体组用B2X1X2表示。后来研究者们认为中间偃麦草不含小麦同源染色体组，STEBBINS 等[15]将黑麦（Secale cereale，RR）与中间偃麦草杂交，观察其后代染色体配对情况，将染色体构成表示为 E1E2N、EN1N2。LIU 等[16]将长穗偃麦草（Lophopyrum elongatum，EE 或EeEe）和拟鹅观草（Pseudoroegneria strigosa，StSt）分别与中间偃麦草杂交，观察后代染色体配对情况，并用Giemsa C-带方法比对其染色体核型，认为中间偃麦草有2 个染色体组与长穗偃麦草相关联，另一个染色体组则与拟鹅观草相关联，将其染色体构成表示为JeJeJe-JeSS。基因组原位杂交（Genomic in situ hybridization，GISH）技术的发展，为中间偃麦草染色体来源和构成的鉴定提供了便利。CHEN 等[17]利用GISH 技术分析了中间偃麦草染色体组成，认为中间偃麦草基因组或用JJJsJsStSt 表示，其中J 基因组与长穗偃麦草的Ee基因组或百萨偃麦草（Thinopyrum bessarabicum，JJ 或 EbEb）的 Eb基因组相关联，St 基因组与拟鹅观草St 基因组相关联，Js 基因组则表示在着丝粒附近有St 基因组特异序列的长穗偃麦草Ee基因组或百萨偃麦草Eb基因组。吉万全等[18]利用相同方法对中间偃麦草进行GISH 分析，将中间偃麦草基因组表示为EeEeEbEbStSt，并认为其3 个基因组中，与长穗偃麦草和百萨偃麦草相似的2 个基因组的亲缘关系较近，且与另外一个和拟鹅观草相似的基因组的亲缘关系较远。MAHELKA 等[19]利用叶绿体转运RNA 间隔区（trnL-F）测序、颗粒结合性淀粉合成酶（GBSSI）测序结合GISH 分析，指出中间偃麦草的进化过程有拟鹅观草属、簇毛麦属、带芒草属、山羊草属和偃麦草属等5 个当代属参与，并认为拟鹅观草是中间偃麦草最早的亲本，簇毛麦（Dasypyrum villosum，VV）可能是其潜在的亲本。WANG 等[20]利用EST-SSR 对中间偃麦草的几个可能供体亲本分析和聚类，推断簇毛麦不是其直接的供体，认为中间偃麦草是由拟鹅观草（St）和一个包含Jr（原始的Jb）、Jvs（原始的Je）的四倍体发生的远古杂交事件形成，并提出用JrJrJvsJvsStSt 表示（图1）。由于供体亲本之间可能存在的同源关系，加之长期进化过程中的复杂性，中间偃麦草染色体构成及其演化还需要进一步探索。

2 中间偃麦草基因组学研究

近年来，随着测序技术的迅速发展，小麦族多个物种的基因组测序已经完成，如乌拉尔图小麦（Triticum urartu，AA）[21]、粗山羊草（Aegilops tauschii，DD）[22]、野生二粒小麦（Triticum dicoccoides，AABB）[23]等，这些都极大推动了小麦族植物基因组学的研究。而中间偃麦草基因组庞大（约14 G），且3 个基因组间的进化关系仍不明确，使其基因组研究进展相对缓慢。

对中间偃麦草基因组研究主要集中在分子标记开发、远缘杂交利用以及染色体结构分析等方面。开发标记种类主要有简单重复序列（SSR）[24]、单核苷酸多态性标记（SNP）[25]、表达序列标签序列（EST）[26]、基于 PCR 的标志性独特基因标记（PLUG）[27]和特异位点扩增片段测序标记（SLAF）[28]等。基因分型测序技术（genotyping-by-sequencing，GBS）是一种简化基因组测序技术，其先用限制性内切酶将植物基因组DNA 酶切，获得复杂度较低的GBS 库，再通过多重测序获得高质量基因组数据，从而用于各项基因组学研究[29]。KANTARSKI 等[30]利用GBS技术对中间偃麦草13 个异质亲本构建的7 个全同胞家系分析，构建出第一个中间偃麦草遗传图谱。该高密度图谱中，21 个连锁群包含10 029 个SNPs，每个连锁群含有SNPs 数目在237～683 个，SNP 之间的平均距离为0.5 cM，为开展表型和基因型关联分析奠定了基础。CSEH 等[31]用基于阵列的SNP 标记技术（array-based SNP）对187 个小麦- 中间偃麦草渗入系分析，开发了634 个中间偃麦草染色体特异 SNP，其中部分标记被定位到 1JVS、2JVS、3JVS和7JVS的着丝粒区域，这些特异SNP 为鉴定小麦- 中间偃麦草导入系奠定了基础。山西农业大学农学院小麦染色体工程与分子育种实验室利用已公布的GBS 数据，开发了2 019 对STS 标记，进一步对第6同源群253 个STS 标记筛选，筛选出160 个中间偃麦草特异标记，这些标记可用于小麦- 中间偃麦草渗入系材料外源染色体及染色体片段的快速检测[32]。2019 年美国能源部联合基因组研究所公布了一个高质量的中间偃麦草基因组序列图谱（https://phytozome-next.jgi.doe.gov/info/Tintermedium_v2_1），DEHAAN 等[33]利用该数据对比栽培作物中与驯化相关的基因，找到了中间偃麦草中与株高、穗密度、种子大小、落粒性等性状相关的候选基因，为其基因组学研究及优异基因快速向小麦转移提供了重要的参考。

3 中间偃麦草在小麦遗传改良中的应用

3.1 重要桥梁种质资源的创制

远缘杂交是利用不同种或属间物种进行人工杂交并产生后代，加速了不同属或种物种间的基因交流，从而产生更加丰富的遗传多样性。利用远缘杂交将中间偃麦草携带的优良基因导入小麦，可以增加小麦变异类型，丰富小麦遗传多样性，有助于解决因长期人工选择导致的遗传瓶颈。中间偃麦草与小麦杂交亲和性高，杂交产生的部分双二倍体是将优异基因快速转入小麦的重要桥梁材料。CAUDERON[34]用中间偃麦草和普通小麦杂交，育成一个部分双二倍体TAF46，成为研究者们广泛应用的八倍体小偃麦之一。孙善澄等[35-36]将小麦和中间偃麦草杂交，选育出“中”系列小麦- 中间偃麦草部分双二倍体（如中1～中5），成为中间偃麦草优质基因导入小麦的重要材料。其后，研究者们相继育成具有优良性状的小麦- 中间偃麦草部分双二倍体材料，如 TE3[37]、TE183、TE185、TE188、TE198、TE256、TE347[38]、TAI7044、TAI7045、TAI7047、TAI-8335[39]、TE253、TE257、TE267、TE346[40]，为小麦遗传研究和育种改良做出了重要贡献。

3.2 重要异染色体系的利用

部分双二倍体小偃麦一般包含小麦的全套染色体和中间偃麦草的多条染色体，是小麦遗传改良中利用中间偃麦草优良基因的重要中间材料。但由于其携带较多外源染色体，通常表现出较强的野生性，部分农艺性状不符合生产需求，如株高增加、开花期延长、熟期变晚等，难以直接在小麦育种中应用，需要进一步创制新的附加系、代换系和易位系，将中间偃麦草优良基因有效应用到小麦遗传育种中。WANG 等[41]对烟农15 和中间偃麦草杂交后代鉴定，获得高抗条锈病和白粉病的异附加系材料W210、W211、W212，并指出抗病基因均来自中间偃麦草第一同源群染色体上，且有可能是新的基因。LI 等[42]从小麦和中间偃麦草杂交后代中选育出高蛋白含量代换系 AS1677（1St#2（1D）），其籽粒硬度增大、籽粒蛋白含量明显增加，并通过分子标记方法将影响品质相关基因定位于中间偃麦草1St#2染色体长臂FL0.60-1.00 区域。ZHAN 等[43]从绵阳11 与TAI7047 杂交后代中筛选获得一个新的T6BS.6Ai#1L 补偿罗伯逊易位系CH13-21，其高抗条锈病和白粉病，可为小麦抗病育种提供新的抗源。ZHANG 等[44]在中间偃麦草和普通小麦烟农15杂交后代中筛选到一个异源渐渗系山农304，该品系不仅生长茂盛、大穗多花，而且具有耐低磷胁迫的特性，为小麦磷高效种质创制和遗传改良提供了新的种质资源。CUI 等[45]利用“中”系列小麦- 中间偃麦草创制了30 份异附加系、代换系和易位系材料，对其进行田间抗病性鉴定，筛选出6 个抗条锈病品系和13 个抗白粉病品系，为小麦抗病育种提供了有价值的材料。

3.3 从中间偃麦草导入小麦的抗病基因

中间偃麦草对小麦流行病害的抗性表现突出，其优异抗病基因导入小麦提高抗病性是当代小麦育种的目标之一。目前通过染色体异源重组导入小麦的抗病基因定位方法是利用抗性不同的小麦近缘属杂交，或利用诱变获得突变体，构建次级群体进行精细定位甚至克隆。但该方法需要精确的遗传图谱，且近缘属基因组复杂，不易与小麦染色体配对或交换，这些都增加了外源基因导入与定位的难度。迄今为止，国际上正式命名的小麦抗病基因中，来源于中间偃麦草的基因仅有9 个，具体包括抗白粉病基因Pm40[46]、Pm43[47]，抗条锈病基因Yr50[48]，抗叶锈病基因Lr38[49]和抗秆锈病基因Sr44[50]，抗黄矮病基因Bdv2[51]、Bdv3[52]，抗线条花叶病基因Wsm1[53]、Wsm3[54]。中间偃麦草作为提高小麦抗病性的重要基因库，仍有丰富的优异基因有待挖掘和利用。SHEN 等[55]从中间偃麦草和普通小麦杂交后代中选育的高抗白粉病材料中定位了抗白粉病基因PmL962，并指出该抗病基因可能来源于中间偃麦草，且不同于已知的Pm基因。山西农业大学农学院小麦染色体工程与分子育种实验室长期从事中间偃麦草与小麦远缘杂交创制抗病新种质工作，以多抗性八倍体小偃麦为抗源，进一步选育隐形渗入系材料，并对抗病基因进行定位，如已定位的抗白粉病基因PmCH83[56]、PmCH89[57]和PmCH7124[58]等，为外缘种质用于小麦育种提供了重要的材料支撑。随着小麦近缘属物种测序工作的不断开展，参考基因组信息的不断增加，可以预测今后来源于中间偃麦草的抗病基因定位与克隆也会逐渐变得容易，并有效应用到小麦遗传改良中来[59]。

4 展望

长期以来小麦育种的定向选择，使得现有小麦的遗传基础日趋狭窄，抵御生物性和非生物性胁迫能力下降，急需丰富小麦现有种质资源，从而达到提高产量、改善品质、保障粮食安全的目的[60]。在小麦的三级基因源中，一级基因源最容易利用，二级基因源较容易利用，三级基因源则最难利用。中间偃麦草作为小麦的三级基因源，与小麦杂交产生的异染色体系无法直接用于小麦育种，需要创制包含优异基因的小片段易位系才可用于小麦遗传改良。有2 个复杂的因素阻碍优异基因从偃麦草向小麦渗入的效率：（1）多数情况下，杂交F1胚都是皱缩的，种子在正常条件下很难萌发；（2）获得的大量重组株通常都是利用耗时费力的人工细胞学技术检测，不能用高通量技术分析[61]。第一个因素可以通过胚胎拯救和组织培养技术解决，从而极大程度获得珍贵遗传资源；第二个因素则较难解决，需要开发中间偃麦草覆盖整个基因组的染色体特异分子标记以实现高通量检测。尽管不断有中间偃麦草分子标记被报道，但数量还很有限，且没有覆盖整个中间偃麦草基因组，新的高密度标记仍需要进一步开发。

中间偃麦草长久以来被用于小麦遗传改良，研究者们利用其与小麦杂交培育的异附加系、异代换系和易位系为小麦遗传多样性的丰富、抗病虫害能力及品质提升发挥了重要的作用。近年来，随着测序成本的不断降低和生物信息学的快速发展，DNA芯片技术、简化基因组测序技术、基因分型测序技术及基于阵列的SNP 标记技术等新技术不断被应用到中间偃麦草基因组研究及标记开发中并取得一定的进展。但中间偃麦草异源六倍体特性及进化过程的复杂性，使其染色体组成尚不明确，目前只有拟鹅观草是其St 基因组公认的供体亲本，另外2个基因组的起源仍然有争论。因此，深入探讨中间偃麦草进化过程、明确其染色体组构成、开发高通量特异分子标记，能够为中间偃麦草优异基因向小麦中高效转移提供理论基础，加快小麦遗传育种进程。