利用基因芯片分析西南麦区主栽小麦品种川麦104的遗传构成

李式昭，王 琴，郑建敏，朱华忠，李 俊， 万洪深，罗江陶，刘泽厚，伍 玲

(四川省农业科学院作物研究所/农业农村部西南地区小麦生物学与遗传育种重点实验室，四川成都 610066)

小麦是中国三大粮食作物之一，西南麦区则属我国重要小麦产区，该区小麦生产对保障我国粮食安全具有重大意义。在小麦育种中，骨干亲本是培育小麦新品种的种质基础，解析其遗传构成和分子基础，对选育集高产、优质、抗病、抗逆为一体的主栽小麦品种具有重要价值[1]。近年来，解析各时期小麦骨干亲本或代表性品种的遗传构成，挖掘相关有益基因资源已成为研究热点[2-15]。

川麦104[4]是西南麦区自“十二五”以来利用川麦42/川农16重组自交系群体选育的主栽小麦品种，已通过国家和四川省审定。其聚合双亲的产量、抗病、抗逆等优良性状，在四川省区试中平均产量6 116.1 kg·hm-2，比对照绵麦37增产14.12%；在国家区试中平均产量6 130.5 kg·hm-2，比对照川麦42增产8.45%；且高抗条锈病、白粉病，抗穗发芽，在孕穗开花期抗低温冷害[16-17]。目前，以川麦104为亲本已培育出川麦69、川麦93、川麦96、川麦98、川麦1546、川麦1580和川麦1532七个小麦新品种，且尚有大批后备品系处于各级区域试验中。因此，研究主栽小麦品种川麦104的遗传构成，对当前西南麦区的品种选育具有重要意义，也可为该区分子标记辅助育种提供理论依据。

前人大部分采用SSR、DArT、SRAP等分子标记对各类小麦骨干亲本和推广品种的遗传构成进行研究[2-8,10-12]。SNP标记是继RFLP和SSR之后的第三代分子标记，具有数量多、密度高、代表性强、自动化程度高、相对成本低等优点，以此为基础开发的小麦基因芯片技术，为评估小麦品种遗传构成、分析小麦遗传多样性以及全基因组关联分析等提供了新手段[9,13-15]。本研究采用3种小麦基因芯片(660K SNP、50K SNP和35K SNP)比较分析小麦品种川麦104及双亲的遗传构成，解析亲本川麦42和川农16对川麦104的遗传贡献，并通过对农艺、品质性状以及抗性等功能基因进行分型，以期为进一步利用川麦104的高产、抗病特性奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

川麦104系谱为川麦42/川农16，来源于典型穗重型高产小麦品种川麦42和典型多穗型高产小麦品种川农16构建的F8代重组自交系群体(RILs，共127个系)。川麦104于2009―2012年度参加四川省区试，2010―2012年度参加国家区试，并同时通过国家和四川省审定。本研究中川麦104和川麦42由四川省农业科学院作物研究所提供，川农16由四川农业大学小麦研究所提供。

1.2 基因组DNA提取

每个小麦品种取3株幼苗叶片，采用CTAB法[18]提取基因组DNA，并用UV-9000型紫外分光光度计检测DNA样品浓度。

1.3 基因芯片分析

小麦660K SNP基因芯片和35K SNP基因芯片由中玉金标记(北京)生物技术股份有限公司进行分析，小麦50K SNP基因芯片由北京博奥晶典生物技术有限公司进行分析，二者均使用相同材料的同一DNA样品。其中小麦660K SNP基因分型芯片(AxiomWheat660 Genotyping Array)由中国农业科学院作物科学研究所设计完成，能检测630 517个SNP位点；小麦 50K SNP基因分型芯片[19](AxiomWheat Trait Breed 50K SNP Array)也由中国农业科学院作物科学研究所设计完成，能检测54 680个SNP位点，包含135个功能基因标记；小麦35K SNP基因分型芯片[20](AxiomWheat Breeder Genotyping Array)由英国布里斯托大学生物科学学院谷物功能基因组设计完成，能检测35 143个SNP标记，适合小麦育种计划的高通量选择。

1.4 方 法

根据3种基因芯片的分型结果，剔除不纯合(不稳定)、缺失、无法确知来源以及染色体位置不确定的位点后，统计亲本间的差异位点。当川麦104的分型与川麦42一致时，计为川麦42的贡献位点；当与川农16一致时，计为川农16的贡献位点。川麦42和川农16对川麦104的遗传贡献率为该亲本的贡献位点数占亲本间差异位点数的比例。利用Excel 2010进行数据分析与作图。利用小麦50K SNP基因芯片分型结果确定川麦104及其双亲川麦42、川农16的功能基因。

2 结果与分析

2.1 全基因组扫描分型结果

从小麦660K SNP、50K SNP和35K SNP基因芯片扫描结果(表1)看，川麦104与双亲相同位点数分别占定位位点总数的75.90%、74.21%和81.08%。3种小麦基因芯片SNP均能定位在小麦染色体上，川麦104中与双亲相同的共有等位变异位点数远多于其他类型位点。3种小麦基因芯片结果具有同一趋势，即SNP在A、B、D基因组上均表现为川麦104与双亲的共有等位变异位点占比最大，且在A、D基因组上的占比均大于B基因组(图1)。

表1 3种基因芯片对川麦104全基因组扫描结果Table 1 Information of Chuanmai 104 genotyped by 3 types of wheat SNP arrays

2.2 川麦42和川农16对川麦104的遗传贡献

从表2可以看出，川麦42对川麦104的遗传贡献大于川农16。利用小麦660K SNP基因芯片进行扫描，发现川麦42和川农16传递至川麦104的SNP位点分别占52.26%和47.74%；利用小麦50K SNP基因芯片进行扫描，发现川麦42和川农16传递至川麦104的SNP位点分别占54.63%和45.37%；利用小麦35K SNP基因芯片进行扫描，发现川麦42和川农16传递至川麦104的SNP位点分别占64.65%和35.35%。

表2 川麦42和川农16在不同染色体上对川麦104的遗传贡献Table 2 Genetic contribution of Chuanmai 42 and Chuannong 16 to Chuanmai 104 on different chromosomes

从基因组水平上来看，川麦104中来源于双亲的SNP位点在A、B和D基因组中分布不均匀，3种基因芯片扫描结果(表2)显示，在D基因组中来源于川麦42的遗传位点均多于川农16，而在A、B基因组中来源于双亲的遗传位点分布则有所不同。其中小麦660K SNP基因芯片扫描结果(表2)显示，在A基因组中川麦42的遗传贡献率较高，在B基因组中则为川农16的遗传贡献率较高；小麦50K SNP基因芯片扫描结果(表2)显示，在A、B基因组中均为川农16的遗传贡献率较高；小麦35K SNP基因芯片扫描结果(表2)显示，在A、B基因组中均为川麦42的遗传贡献率较大。

从染色体水平上来看，川麦104中来源于双亲的等位位点在21条染色体上的分布也不均匀。小麦660K SNP基因芯片检测结果(表2)显示，来源于川麦42的等位位点在3A、7A、1B、2B、5B、1D、3D、4D、5D和6D染色体上分布较多(遗传贡献率≥70%)，其中，7A、2B、3D和4D染色体上遗传贡献率在90%以上；来源于川农16的等位位点在1A、2A、6A、3B和4B染色体上分布较多(遗传贡献率≥70%)，其中，6A、3B和4B染色体上遗传贡献率在90%以上。

小麦50K SNP基因芯片检测结果(表2)显示，来源于川麦42的等位位点在7A、1B、2B、5B、1D、3D、4D、5D、6D和7D染色体上分布较多(遗传贡献率≥70%)，其中，7A、2B、1D和3D染色体上遗传贡献率在90%以上；来源于川农16的等位位点在1A、2A、6A、3B、4B、6B和7B染色体上分布较多(遗传贡献率≥70%)，其中，1A、6A、3B和4B染色体上遗传贡献率在90%以上。

小麦35K SNP基因芯片检测结果(表2)显示，来源于川麦42的等位位点在3A、5A、7A、1B、2B、5B、1D、5D和7D染色体上分布较多(遗传贡献率≥70%)，其中，7A和1D染色体上遗传贡献率在90%以上；来源于川农16的等位位点在6A、3B和4B染色体上分布较多(遗传贡献率≥70%)，其中，6A和4B染色体上遗传贡献率在90%以上。

综上所述，3种基因芯片的检测结果均显示，来源于川麦42的等位位点在7A、1B、2B、5B、1D和5D染色体上分布较多(遗传贡献率≥70%)，其中7A染色体上遗传贡献率在90%以上；来源于川农16的等位位点在6A、3B和4B染色体上分布较多(遗传贡献率≥70%)，其中，6A和4B染色体上遗传贡献率在90%以上。

2.3 川麦104及双亲的功能基因遗传分析

小麦50K SNP基因芯片包含了部分常见功能基因(农艺、品质性状和抗病性)的SNP标记，能够快速检测小麦品种的上述性状，对于分子标记辅助育种具有重要意义。利用小麦50K SNP基因芯片对川麦104及其双亲川麦42、川农16的功能基因进行分型，结果(表3)表明，川麦104中绝大多数的优良等位基因均同时继承了双亲川麦42和川农16，仅千粒重基因TaGS5-A1和抗旱基因TaDreb-B1有所不同，在千粒重基因TaGS5-A1方面，川麦104继承了川麦42的高千粒重基因TaGS5-A1b；在抗旱基因TaDreb-B1方面，川麦104则继承了川农16的抗旱基因TaDreb-B1a。这也是川麦104在产量、品质、抗性等方面都表现优良的重要原因。

3 讨 论

李 俊等[4]利用SSR和DArT标记分析川麦104的遗传构成表明，川麦104更多地继承了川麦42的遗传成分(60.8%)。本研究也有相似结果，在小麦660K SNP、50K SNP和35K SNP基因芯片扫描结果中，川麦42对川麦104的遗传贡献率分别为52.26%、54.63%和64.65%。总体来看，随着SNP标记数目的增加，川麦104背景中的偏亲遗传选择现象越来越不明显，更接近于理论值(50%)，这可能与SNP标记远较SSR和DArT标记数目多，且在各条染色体上的分布更均匀有关。但从小麦21条染色体分布结果来看，来源于川麦42的等位位点在7A、1B、2B、5B、1D和5D染色体上分布较多，而来源于川农16的等位位点在6A、3B和4B染色体上分布较多，这也说明在川麦104的杂交和育种选择过程中，通过较大染色体片段发生遗传传递的现象非常普遍，这表明骨干亲本的区段遗传和选择牵连效应在育种上具有十分重要的意义，对某一表型性状的定向改良是导致后代遗传信息发生偏亲遗传的主要原因。

近年来，随着高通量测序和高密度基因芯片技术的不断发展，SNP标记因其高效的检测效率和不断降低的成本，逐步成为小麦基因组学和群体遗传学方面研究的主流。Sun等[21]系统评估了小麦分子育种领域常用的7种SNP基因芯片(9K、15K、35K、55K、90K、660K、820K)，认为小麦660K SNP基因芯片包含具有准确物理位置的基因组特异SNP位点数目最高(99.05%)，且有229 266个SNP标记位于66 834(63.52%)个注释基因内或其启动子区域，这些注释基因几乎包含所有其他常用芯片检测到的注释基因，因此，小麦660K芯片在一定程度上可以替代其他6种芯片。本研究结果也表明，3种基因芯片检测结果具有一定共性趋势，而小麦660K和50K基因芯片的检测结果相似度更高，这可能与二者SNP标记数目多、分布相对均匀，且在设计时均参考了最新相关小麦基因组的测序结果有关。小麦50K SNP基因芯片因能直接读出部分常见功能基因的分型结果，有利于进行分子标记辅助育种选择，在一定程度上可作为小麦660K SNP基因芯片的有益补充。

表3 川麦104及其双亲(川麦42和川农16)的功能基因分型Table 3 Functional genotyping of Chuanmai 104 and its parents(Chuanmai 42 and Chuannong 16)

川麦104中绝大多数的优良等位基因均同时继承双亲川麦42和川农16。本研究中，川麦104与高千粒重性状相关的基因除TaGS5-A1外，均同时继承了双亲，这与李 俊等[4]利用SSR和DArT标记发现川麦104同时继承双亲中具有增加千粒重QTL等位位点的结论一致。本研究表明，川麦104具有正向控制千粒重的基因(TaSus2-2A[22]、TaGS5-3A[23]、TaTGW-7A[24]、TaGASR-7A[25]、TaGW2-6B[26]、TaSus1-7B[27]、TaGS-D1[28])、抗病基因(Sr36[29]、Sr2[30]、Lr67[31]等)、抗穗发芽基因(TaPHS1[32]、Vp1Bb[33])以及抗旱基因(TaDreb-B1a[34]、1-feh w3[35])，正是以上基因的聚合效应，使得川麦104的综合表现优于双亲。以四川省区试结果为例，川麦104平均千粒重为49.9 g，高于亲本川麦42(49.3 g)和川农16(42.0 g)；且抗病性突出，高抗条锈病和白粉病(川麦42感白粉病，川农16感条锈病)。本研究阐明了川麦104在产量、抗性等各方面表现优良的分子基础，也为我国西南麦区的分子标记辅助育种提供理论依据。鉴于小麦50K SNP基因芯片仅包含135个功能基因信息，川麦104中尚有更多其他有益基因资源可供发掘利用。

4 结 论

3种小麦基因芯片扫描结果显示，川麦104中与双亲相同的共有等位变异位点数目远多于其他类型位点。川麦104中来源于双亲的SNP位点在染色体A、B和D基因组中分布不均匀，在D基因组中来源于川麦42的遗传位点多于川农16。来源于川麦42的等位位点在7A、1B、2B、5B、1D和5D染色体上分布较多(遗传贡献率≥70%)，其中在7A染色体上遗传贡献率超过90%；来源于川农16的等位位点在6A、3B和4B染色体上分布较多(遗传贡献率≥70%)，其中在6A和4B染色体上遗传贡献率超过90%。功能基因分型结果表明，川麦104中绝大多数的优良等位基因均同时继承了双亲川麦42和川农16，在少部分重要性状上，川麦104还分别继承了双亲中的优良等位基因。