基于分子标记的小麦亲本评价和组合设计

高明刚，郭营，赵岩，安艳荣，李斯深

（1.山东农业大学／作物生物学国家重点实验室，山东 泰安 271018；2.潍坊学院生物与农业工程学院／山东省高校生物化学与分子生物学重点实验室，山东 潍坊 261061）

亲本评价和组合选配是小麦育种工作的重要内容之一［1］。传统的杂交育种中，亲本选择和组合选配主要从形态学和统计学等方面着手，主要考虑亲本的产量、品质、抗性等重要性状表现，以及亲缘关系、地理区域、遗传力等因素，主观性较强［2］。

21世纪以来，随着分子标记和基因组测序技术的发展，分子标记辅助选择和分子设计育种开始应用于小麦的亲本评价和杂交组合设计中［3-5］。通过连锁分析或全基因组关联分析（genome-wide association study，GWAS）等方法对复杂性状进行遗传解析和QTL定位，来获得与目标性状紧密连锁的分子标记，使得育种家可以直接从DNA分子水平上对亲本进行评价［6］。借助分子标记手段，直观地判断出亲本所携带的优异基因，再结合亲本的相关表型性状，能更准确和合理地对亲本做出评价并设计组合，从而大大提高育种效率。目前，利用分子标记对亲本进行科学评价、提高设计组合的成功率，已经成为现代小麦育种的研究热点［7，8］。利用分子标记进行亲本评价和设计组合依赖于QTL检测的分辨率和准确度［9］。理论上，在分子标记密度足够覆盖整个基因组的情况下，所有的微效QTL均能被检测到。此时的亲本评价模型可以包括几乎所有可解释遗传变异的标记，从而使得预测结果更加准确［10］。近年来，国内外研究开发出多种小麦SNP芯片，如90K、660K芯片［11，12］，为QTL分析和分子标记设计育种提供了极大便利。

本研究利用小麦自然品种群体的90K SNP分析数据，对小麦的4个产量相关性状进行全基因组关联分析。在此基础上，利用检测到的QTL信息，构建亲本评价模型，结合表型数据进行亲本评价和组合设计，期望能为育种工作中的组合选配提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与GWAS分析

供试材料为我国黄淮麦区134个小麦品种（系）组成的自然品种群体。134个小麦品种（系）分别种植于山东农业大学（泰安）、淄博农业科学研究院（淄博）和新疆农业科学院（乌鲁木齐）。测定其株高（plant height，PH）、穗粒数（grain number per spike，GNS）、每平方米穗数（spike number per square meter，SN）和千粒重（thousand-grain weight，TGW）共4个产量相关性状。同时利用小麦90K SNP芯片［11］对品种群体进行基因型分型，获得了8 650个多态性SNP标记，进而利用这些标记对上述4个重要性状进行GWAS分析［13］，筛选到231个与其显著关联的SNP位点，用于后续分析。

1.2 亲本评价和组合选配模型

1.2.1 确定QTL效应值 根据已经获得的与4个性状显著关联的SNP标记，统计134个品种（系）每个SNP的两种等位基因型的数目，对于GNS、SN和TGW，在每一SNP位点，若一种等位基因的表型平均值大于另一种等位基因，则确定该等位基因效应为增效，另一等位基因效应为减效；PH性状反之。

1.2.2 亲本评价 按以下公式计算每一个小麦品种（系）的亲本评价得分值：

式中Sj为第j个亲本的得分；n为SNP位点总数；表示第j个亲本中第i个SNP标记的R2；α表i示增效或者减效，增效为1，减效为-1。

1.2.3 组合评价 对134个品种（系）两两组合，按照以下公式计算组合的评价得分值：

式中aijk表示第i个亲本和第j个亲本在第k个位点处的效应值；aik表示第i个亲本在第k个位点处的效应值；ajk表示第j个亲本在第k个位点处的效应值；Sij表示第i个亲本和第j个亲本组合的得分值。

以上所有计算均通过R语言程序实现［14］。

2 结果与分析

2.1 亲本评价

按照前述方法对亲本进行评价，结果表明，134个品种（系）的评价得分值分布范围为-0.179～0.152，其中豫麦54的得分最高，为0.152，黑小麦76的得分最低，为-0.179。一些生产中表现较好的优良品种表现出较高的评价得分值，如济麦22、新麦26、良星99、鲁麦21、山农29、鲁麦14、济麦19、泰农18等品种排名在40位以前，说明该评价方法具有一定的参考价值（表1）。

表1 亲本评价各品种（系）得分

2.2 组合设计

基于亲本的评价得分值，结合其表型测定数据和黄淮麦区北片的地理因素，删除明显不符合本地育种目标的亲本，最终筛选出高于得分平均值的57个品种（系），两两组合并计算其得分值，并选取前500个得分较高的亲本组合进行分析。结果表明，组合评价得分最高的是泰山23-LS4942组合，其分值为0.242。500个组合的亲本分布相对比较集中，总共包含35个品种（系）：954（7）-8、LS3283、LS4697、LS4942、LS6045、济麦19、济麦22、济宁16、莱州137、良星99、临麦4号、临麦6号、齐丰1号、山农15、山农17、山农18、山农21、山农23、山农25、山农29、石4185、泰农18、泰山22、泰山23、郯麦98、鑫麦289、烟5072、烟99603、烟农0428、烟农19、烟农22、烟农23、烟农836、烟农999、小偃22。其中以济麦22作为亲本之一的组合有29个，泰农18作为亲本之一的组合有28个，良星99和山农17作为亲本之一的组合均为26个，山农29、烟农19和山农25作为亲本之一的组合分别有25、19个和18个，表明以这些生产中大面积种植的优良品种作为亲本组配组合，可能会取得更好的育种效果。此外，莱州137和烟5072等尽管没有审定，但不同育种单位已用其育成多个品种，也分别组配了26个和14个组合，因此育种中应该注意优异种质的利用。

2.3 泰农18和山农17作为亲本的组合及其育种验证

我们提取根据育种经验确定的重点利用亲本泰农18和山农17，继而提取涉及这两个亲本的杂交组合共计54个（表2），查找近期国家和山东省审定品种情况可知，其中5个组合（5／54＝9.3%）育成10个审定品种：包括利用“泰农18与济麦22”杂交组合育成的中麦6052、泰农108、济麦55、华麦188，利用“泰农18与临麦6号”杂交组合育成的山农29、山农30、山农41，利用“泰农18与烟农0428”组合育成的青农7号，利用“良星99与泰农18”组合育成的鑫瑞麦38，利用“山农17与良星99”组合育成的泰科麦38。除此之外，以泰农18或山农17作为亲本之一还育成许多参加各级区试的小麦新品系（数据未提供）。

表2 泰农18和山农17作为亲本之一的设计组合

3 讨论与结论

对亲本进行科学合理的评价，并用其选配正确的杂交组合是小麦育种取得成效的关键之一［1，4-6］。传统育种在组合选配方面成功率通常较低，春小麦中成功选出有价值杂交组合的概率不到2%，而冬小麦大约只有0.2%，其根本原因之一可能是对小麦亲本的评价不够合理，选配理论的研究不够深入［15-17］。

在传统育种基础上，通过分子标记辅助选择，直接从DNA分子水平上评价亲本和设计组合，可以有目的地对与目标性状紧密连锁的基因进行选择，有效排除连锁累赘，从而大大提高育种效率［18-20］。本研究利用134个小麦品种（系）的90K SNP芯片数据，借助GWAS分析，对小麦株高、穗粒数、每平方米穗数和千粒重4个产量相关性状进行全基因组扫描，检测到231个与其显著关联的SNP位点，为后续的亲本选配和组合设计提供了依据。在此基础上，结合表型测定数据，确定每个性状所有SNP位点的效应值，计算供试品种（系）的评价得分值，并选择其中高于得分平均值的前57个品种（系）两两配置杂交组合，结果表明生产中大面积种植的优良品种作为亲本的组合，往往表现出更高的评价得分值，这些组合可能具有潜在的育种价值。

分子设计与经验育种的紧密结合会发挥更好作用。建议根据设计结果，结合育种目标需求，特别是利用一些大面积推广品种作亲本之一，可提高杂交组合的成功率。我们提取到含有重点利用亲本泰农18和山农17的设计组合共计54个，统计看出不同单位在育种实践中利用其中的5个组合（5／54＝9.3%）育成了10个国家和省级审定品种，这个比例远远高于纯粹的经验育种。