利用55KSNP芯片研究小麦新品种信麦163的遗传构成

关键词：信麦163;遗传贡献；55K育种芯片；单核苷酸多态性（SNP）

小麦是一种重要的粮食作物，据联合国粮食与农业组织（FAO） 2019年统计数据，全球约有2.15亿公顷的种植面积以及约7.5亿吨累计年产量。优良的品种资源是小麦高效生产的重要保障，育种家们已培育出了许多优质高产小麦品种，为粮食安全做出了杰出贡献。骨干亲本是指在长期和广泛的育种过程中被反复用作亲本，并且用其培育出较多大面积推广品种或衍生出大量品种的种质材料。我国大面积推广（年推广面积超过66.7万公顷）的小麦品种，绝大部分都含有骨干亲本或骨干亲本的衍生系。著名的骨干亲本有阿勃、胜利麦、南大2419、矮孟牛、周8425B、繁6、碧蚂4号、小偃6号等，在小麦品种选育与改良中发挥了重要作用。近些年学者们对各地区各时期小麦骨干亲本或代表性品种的遗传组成进行了较多研究，这对小麦品种改良利用和推广应用具有重要的现实意义。

亲本的遗传物质由于人工选择干预往往在后代中发生偏分离现象，仅通过系谱分析、生理生化性状分析和形态分析不能完全准确地反映出品种间的亲缘关系。随着分子生物技术的发展，研究者开始利用分子标记从分子水平上研究小麦亲本及其衍生品种的遗传物质组成结构。单核苷酸多态性（SNP）在生物基因组中普遍存在，具有遗传稳定性高、位点丰富、密度高、代表性强、易实现自动化快速检测、单个标记检测成本低等特点，与DNA微阵列和芯片技术的结合使SNP标记成为继RFLP和SSR标记之后最有前途的第三代分子标记。近些年随着小麦测序工作的突破性进展和测序数据的大量积累，先后开发出小麦IIIumina Select 9K、Affymetrix Axiom 55K、II-lumina Wheat 90K、Affymetrix Axiom 660K等芯片，在小麦遗传多样性、数量性状遗传分析、基因组研究以及株高、产量、品质等性状的关联分析等方面发挥着重要作用。55KSNP芯片探针位点数共53007个，包含大量精心挑选的二倍体化的标记，有效标记多且质量高、稳定性好；该芯片基于小麦RefSeqv1.0版本基因组设计，其中49060个标记有明确物理位置信息，基因组信息完善，而且标记较均匀地覆盖了小麦全基因组：该芯片是384制式芯片，一次可检测384个样品的标记信息，具有高通量检测的特点。吴胜男等利用55KSNP对小麦品种陕农33的遗传构成进行分析，杨瑞晗等利用55KSNP芯片解析丰德存麦5号的遗传基础，均取得了良好效果。

信麦163是以信阳234为母本、丰抗38为父本杂交选育而成，2022年通过国家农作物品种审定委员会审定，已被转让给信阳鸿润家庭农场有限公司。该品种叶片宽长，叶色深绿，分蘖力强，株型紧凑，抗倒性较好，整齐度好，穗层整齐，熟相好，白粒，籽粒软（粉）质、饱满度高，感条锈病，高感白粉病、叶锈病、纹枯病，中感赤霉病，是目前信阳地区主推小麦品种，并且利用其作为亲本已培育出较多稳定且优良的高代品系。本研究利用小麦55KSNP芯片对信麦163及其亲本进行分子检测，旨在明确该品种的遗传物质组成，同时为其育种改良和在生产上的推广应用提供理论参考。

1材料与方法

1.1试验材料

供试材料为信麦163及其母本信阳234和父本丰抗38，均由信阳市农业科学院小麦研究所提供。

1.2基因组DNA提取

2022年11月，每个小麦品种选籽粒饱满的种子30粒置于铺有滤纸的培养皿内，在光照培养箱内25℃水培，待长到一叶一心时选取幼嫩叶片-80℃冷冻保存，备用。取冷冻样品用液氮研磨后采用天根高效植物基因组DNA提取试剂盒（DP350）提取基因组DNA。DNA浓度检测用NanoDrop ND-1000分光光度计进行，DNA样品的质量通过1%琼脂糖凝胶在150V电泳45min进行检测。

1.3 55KSNP芯片分析及信麦163基因型图谱的绘制

由新疆康普森生物技术有限公司完成55KSNP芯片结果分析，统计信麦163与两亲本间存在差异的位点数，当信麦163的分型结果与信阳234 -致时计为信阳234的贡献位点，当信麦163分型结果与丰抗38 -致时计为丰抗38的贡献位点，计算母本和父本对其的遗传贡献率。父（母）本遗传贡献率=父（母）本贡献位点数／两亲本间差异位点数。

采用PLANTGMAP（http：//183.223.252.63：3333/）查找信麦163与其父母本相同的SNP位点；参考小麦RefSeq v1.0版本基因组信息，利用Python语言（https：//www. python.org）绘制信麦163的基因型图谱。

2结果与分析

2.1多态性SNP位点在信麦163亲本基因组上的差异分析

采用55KSNP芯片共获得53007个SNP位点，进行质控筛选后得到40465个具有染色体定位的SNP位点，其中父母本间表现多态性的位点9201个，占比22.7%。这些位点不均匀地分布于小麦的21条染色体上，在A、B、D基因组上的分布也不均匀，但基本上都表现为两亲本的相同位点数远多于差异位点数（图1）。其中，B基因组的差异位点数所占比例最高，为25.5%;D基因组的差异位点数所占比例最小，为23.6%。

2.2亲本对信麦163的遗传贡献分析

在染色体水平上，母本信阳234对信麦163的遗传贡献范围为10.72%（4D）～64.94%（7B），在7B染色体上的遗传信息有64.94%是母本信阳234传递给信麦163的（表1、图2）；父本丰抗38对信麦163的遗传贡献率为35.06%～89.28%，其中遗传贡献率超过60.00%的染色体有2条，分别为3A和4D，这两条染色体上分别有62.44%和89.28%的遗传信息是由丰抗38传递给信麦163的（表1、图3）。

在全基因组水平（表1）上，两亲本对信麦163的遗传贡献大致相当（母本49.60%，父本50.40%），但在4A、5A、7A、4B、5B、6B、7B、1D、5D、6D和7D共11条染色体上表现为信阳234的遗传贡献大于丰抗38，而在1A、2A、3A、6A、1B、2B、3B、2D、3D和4D共10条染色体上则表现为丰抗38的遗传贡献超过信阳234。从3个基因组看，信阳234的遗传贡献率为B基因组gt;A基因组gt;D基因组，丰抗38的遗传贡献率为D基因组gt;A基因组gt;B基因组。在A基因组上，信阳234的遗传贡献率为49.34%，丰抗38的遗传贡献率为50.66%：在B基因组上，信阳234和丰抗38的遗传贡献率分别为52.52%和47.48%；在D基因组上，信阳234和丰抗38的遗传贡献率分别为45.61%和54.39%。

2.3亲本遗传信息在信麦163染色体上的分布

根据得到的40 465个有效SNP位点信息，利用Python语言绘制信麦163的基因图谱（图4），可以看出，两亲本的遗传信息主要以染色体大片段形式传递到子代信麦163中，如1A、1D、3A、3B、3D、4D、6B、7A、7D染色体，其中在3A、4D、6B染色体上的染色体大片段是由位于同一遗传距离的数百个SNP位点构成。信麦163染色体大片段在整合遗传图谱中表现为保守遗传，只有在1B、2A、2B、2D、4A、5A、5B、6A、7B染色体上有大片段非亲本等位基因的变异，表现为较多的重组，其中2B染色体上重组片段多而且大：在另外的12条染色体上没有出现较多的染色体大片段重组。信麦163在D组染色体上集成信阳234和丰抗38共有的区段较为集中，而且是父本丰抗38遗传给信麦163的区段较多。在3A、4D染色体上分布着丰抗38较多的遗传位点，即这两条染色体的遗传信息绝大部分是由丰抗38传递给信麦163的；在6B、7A、7B、7D染色体上分布着信阳234较多的遗传位点，即这四条染色体遗传信息绝大部分是由信阳234传递给信麦163;在2A、5A、6A、2B、4B染色体上信麦163差异SNP来源于亲本信阳234和丰抗38的比例接近。可见，SNP基因型图谱分析结果与SNP位点分析和遗传贡献率分析结果具有较好的一致性。

3讨论与结论

小麦55KSNP芯片有效标记多且质量高、稳定性好，基因组信息完善，标记分布均匀，有效标记检测比例高，有很高的研究利用价值。王瑞霞等利用90KSNP芯片分析泰山22的遗传组成，发现该芯片在D组染色体上的标记数量较少，有效标记检测比例低。在本研究中，D组染色体上有效标记的数量在信麦163及其亲本信阳234和丰抗38中较高，这表明小麦55KSNP标记芯片能够有效地对信麦163以及信阳234和丰抗38的全基因组SNP位点进行检测。近年来，SNP检测的效率随着高通量测序和高密度芯片技术的快速发展而快速提升，成本大幅降低，将会在今后的个体和群体遗传学研究中得到越来越多的应用。

人类有目的、有计划地通过人工杂交、诱变、基因重组、基因交换等手段定向选择穗形、株型、品质、产量等表现较好的性状的过程称为作物品种改良。对信麦163的研究结果表明，从全基因组来看，父本丰抗38遗传给信麦163的遗传物质较多；从21条染色体来看，在4A、5A、7A、4B、5B、6B、7B、1D、5D、6D和7D染色体上表现为信阳234的遗传贡献大于丰抗38，在1A、2A、3A、6A、1B、2B、3B、2D、3D和4D染色体上表现为丰抗38的遗传贡献超过信阳234。从理论上讲，系谱地位相等的两个亲本对后代的贡献应各为50%，但在本研究中出现了“偏向性选择”现象，而且该现象在小麦中表现比较普遍。如：陈晓杰等利用小麦50KSNP标记对郑品优9号的研究发现优质强筋亲本郑麦366的遗传贡献率更大；吴胜男等利用小麦55K芯片对陕农33的遗传分析发现亲本陕农981的遗传贡献大于新麦18：邹少奎等对周麦23的研究表明亲本周麦13的遗传贡献为63.04%，亲本新麦9号的遗传贡献率为36.96%，两亲本对子代的遗传贡献差异较大：孔子明等对周麦16及其父母本利用90KSNP标记进行了全基因组扫描，发现周麦16的遗传物质大部分都来自于亲本周8425。造成这一现象的主要原因可能是育种家对表型性状的定向改良。

本研究还发现亲本间的重组事件在信麦163基因组中分布不均匀：在3A、4D染色体上，几乎整条染色体的遗传信息都来自丰抗38，仅在端部有极少数重组；在6B、7A、7B、7D染色体上，绝大部分遗传信息来自于信阳234，也仅有少数重组；在2A、2B、2D、3B、4A、5A、5B等染色体上则有较多的重组．而且重组的形式表现为染色体大片段的重组。表明信麦163的遗传信息组成并不是父母本基因组均匀的交换重组，而是较大染色体片段的重组，基因图谱可以更直观和清晰地呈现出染色体大片段遗传传递的现象。

总之，采用基因组覆盖度高、检测通量水平高的55K SNP标记对信麦163的亲本遗传贡献进行研究，可以从基因组水平很好地解析其遗传构成，明确遗传物质从信阳234和丰抗38向其传递的规律，从而有目的地指导品种改良，并加速高产稳产、综合多抗、品质优良小麦品种的培育进程。本研究结果不仅丰富了我国小麦品种的遗传基础研究，而且为小麦的改良提供了良好的亲本材料。