小麦8 亲本高世代互交群体的创制与应用

裴 婕，余春梅

（南通大学 生命科学学院，江苏 南通 226019）

作物中的多亲本高世代互交（multiparent advanced generation intercross，MAGIC）群体由Mackay和Cavanagh 等[1-3]提出，是一类通过多个亲本杂交形成杂种，然后再进行杂种的杂交、子代的姊妹互交形成的遗传群体。这类群体解决了双亲群体重组不充分、遗传多样性不够的问题，可以使更多的性状获得表现[3]。以水稻为例，研究人员用两个4 亲本群体和一个8 亲本群体进行了农艺性状、抗白叶枯病QTL（quantitative trait loci）定位[4-5]，并找到新的抗叶枯病QTL。在小麦中，Huang 等[6]构建了4 亲本群体，Mackay 等[1]、Stadlmeier 等[7]、Sannemann 等[8]构建了8亲本MAGIC 遗传群体。对这些群体的遗传多样性，以及小麦白粉病、斑枯病、褐斑病、锈病的抗性基因进行了QTL 定位，并找到新的抗病QTL 位点[9-10]。可见，MAGIC 群体在挖掘基因资源方面具有较大优势。国内，纪耀勇[11]用镇麦168、扬麦16、扬麦20 和扬麦22 等4 亲本构建了MAGIC 群体，并获得一个高筋全麦粉用途的小麦品系。朱冬梅等[12]利用该群体，定位了小麦籽粒生理成熟后的籽粒脱水速率QTL。然而，尚未见用8 亲本的遗传群体进行育种材料选择的报道。

提高小麦产量和品质、保证我国粮食生产安全和满足人民对品质生活的需求是长期以来我国小麦的育种目标。我国小麦品质类型按面筋强度分为强、中、弱筋等3 种类型，强筋小麦蛋白质质量分数通常大于13%，吸水能力高，面团稳定时间长，适于制作面包[13]。一般情况下，弱筋小麦蛋白质质量分数≤11.5%，湿面筋质量分数≤22%[14]，吸水率低，面团延展性好，稳定时间短，比较适合做酥性饼干、曲奇等脆性面制品[15]。介于二者之间的为中筋小麦，适合加工为面条、馒头等食品[16]。

按照农业部的小麦区域划分[17]，长江中下游是农业部规划的我国唯一的弱筋小麦优势产业带。江苏省根据所处的地理位置，将小麦育种的主攻方向定位为优质弱筋[18]。多年来，江苏省农科院和江苏里下河地区农科所相继育成了宁麦13、扬麦9、扬麦13 和扬麦15 等优质弱筋小麦品种，为弱筋小麦产业发展奠定了基础[19-20]。目前，我国饼干生产规模达到1 000 万t，且每年以7%～10%的速率增长。但是，国内弱筋小麦总产量约700 万t，缺口达到30%[21-22]。相关研究发现，现有的弱筋小麦品种存在品质不稳定的问题，蛋白质、湿面筋等指标常因配套栽培措施缺位达不到优质弱筋标准[23]。因此，不断提升弱筋小麦产量和品质对满足市场需求具有重要意义。

粒重是重要产量要素，小麦的基因组有许多位点与粒重相关。Cao 等[24]研究发现，小麦1B、2D、4B和6B 染色体上存在决定千粒重的位点。通过多个遗传群体研究，科学家在我国小麦资源中寻找到与千粒重关联的基因，如与小麦逆境响应有关的基因TaSAP[25]、与小麦赤霉素响应有关的因子TaGASR7[26]、一种跨膜蛋白基因TaGS-D1[27]和粒重相关基因TaGW2[28]等基因的变异均与小麦籽粒大小及千粒重相关。然而，这些分子标记能否用于辅助育种选择，仍然需要在不同的群体中进行验证。

鉴于MAGIC 群体的优势，本研究首先创制了一个8 亲本的MAGIC 群体，并对群体的农艺性状的多样性、稳定性进行考察。利用前人报道[24-28]的籽粒大小和千粒重相关的分子标记检测群体，同时对群体的品质进行测定，旨在获得高产低筋的小麦候选品系，为后续优质低筋小麦的育种奠定基础。

1 材料与方法

1.1 小麦杂交与农艺性状观察

为了选择高产优质低筋小麦，兼顾江苏生态区的特点和群体的遗传多样性，选择来自不同生态区的8 个小麦品种创制MAGIC 群体。各亲本的主要特点如下：长江中下游冬麦区小麦品种扬麦13 和扬麦18，提供优质低筋、抗白粉病、赤霉病等基因资源；西南冬麦区的川农12 和川麦42，提供抗锈病和营养高效利用等基因资源；黄淮冬麦区鲁麦14 和周麦19，提供高产、耐寒性等基因资源；农家品种永川白麦子，提供抗穗发芽基因资源；美国西北部小麦品种Alpowa，提供抗锈病资源，同时增加群体的遗传多样性。8 个亲本的杂交按图1 开展，形成多亲本重组自交系。所有材料均在南通大学生命科学院植物园种植（2009—2018 年）。每行长度为200 cm，行距为25 cm，播种量为40 粒，施肥总量为750 kg·hm-2复合肥（氮、磷、钾质量分数均为15%，以底肥形式施加）和375 kg·hm-2尿素（根据小麦拔节期和抽穗期长势分别施加）。在抽穗灌浆后期进行田间农艺性状（株高、穗长、小穗数与穗粒数）考察。

图1 8 亲本MAGIC 群体构建Fig.1 Creation of an eight-parent MAGIC population

1.2 种子性状考察

对2017—2018 两年间生长的各株系的种子性状用万深SG-G 考种仪（杭州）及其配套软件进行考种。考种程序用“水稻小麦”向导，获得千粒重（TKW）、粒长、粒宽、粒直径和周长等数据。每个株系所用种子数目大于500 粒。

1.3 植物基因组DNA 提取与分子标记检测

根据1.2 的结果，2017 年度千粒重达到40 g 以上的890 个株系的幼苗用作基因DNA 的提取。利用TIANGEN 公司的植物基因组DNA 提取试剂盒（DP305）提取DNA。本文采用的与产量相关的分子标记如表1 所示，TaSAP1-A1-SNP39、TaGASR7、TaGS-D1、TaGW2-6B-ACAS-1 和TaGW2-6B-ACAS-2根据文献[24-28]。PCR 产物的检测按照文献[24-28]的要求进行琼脂糖凝胶电泳或者聚丙烯酰胺凝胶电泳。

表1 本研究所用的引物Tab.1 Primers used in this study

1.4 品质性状检测

根据1.2 的结果，对千粒重达到40 g 以上的890 个株系的籽粒水分、总蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值和淀粉含量，用福斯（FOSS）近红外分析仪Infratec TM 1241（以下简称红外分析仪）进行品质检测。所有检测株系种子量均需在300 g 以上。

1.5 数据处理

数据图表的绘制用Excel 进行，相关性分析执行Excel 中的pearson 相关性分析。

2 结果分析与讨论

2.1 多亲本遗传群体的多态性

自2009 年开始，经过5 年的杂交和3 年的自交，到2016 年，获得了3 123 个性状稳定的自交系（图1）。对这些株系的种子性状、农艺性状进行考察后，发现该遗传群体具有非常丰富的多态性。千粒重40 g 以上株系为890 个，其中千粒重≥44 g 株系为781 个（图2（a））。在群体中发现了宽粒（图2（b），B97）、长粒（图2（b），B844）的株系；株高40～200 cm（未显示）、穗长度7～17 cm 不等（图2（c）～（e））。说明本群体是一个进行了充分重组的自交群体，是进行遗传学研究的理想群体。

图2 MAGIC 群体中不同株系的表型Fig.2 Phenotype of the different lines in the MAGIC population

2.2 种子性状与千粒重关联分析

通过1.2 的方法，获得了890 个株系的种子的千粒重、平均长度、宽度、直径和周长等形态数据，并对这些数据进行相关性分析。结果表明，种子的平均长度、宽度、直径、周长等形态指标与千粒重虽然都是正相关，但R2均小于0.3，可认为无相关性（图3）。本研究认为原因可能是考种仪通过扫描然后对图像进行分析，其结果不能全面反映种子的大小（立体状态）。因此，将来软件开发人员还需与育种人员共同研究，对种子进行立体扫描，建立小麦种子性状与千粒重之间的相关性，便于更好地进行相关基因的挖掘。

图3 种子性状与千粒重相关性分析（2017—2018，n=890）Fig.3 Correlation between TKW and seed traits（2017—2018，n=890）

2.3 分子标记与千粒重关联分析

用表1 中的5 个分子标记检测亲本和群体，发现TaSAP1-A1-SNP39、TaGW2-6B-ACAS-1和TaGW2-6B-ACAS-2在8 个亲本中无多态性。TaGASR7-A1在亲本中有3 种带型：TaGASR7-A1null（无扩增）、a（750 bp）和b（750/1 200 bp）（图4（a）），群体中的带型与亲本类似。TaGS-D1在亲本中有两种带型：TaGS-D1a（562 bp）和b（522 bp），但在群体中，除了亲本的两种扩增的带型外，尚有TaGS-D1null（无扩增，重组类型）和TaGS-D1het（杂合）（图4（b））。两个标记可将MAGIC 群体的株系分成10 种基因型（表2，排除两个分子标记在某个株系中均无扩增的类型）。表2 表明，携带G4 和G7 基因型的株系，平均千粒重最高，其次为基因型G5 和G9，最低为基因型G1。总体而言，TaGASR7-A1null降低千粒重，TaGASR7-A1a或b对千粒重影响不大；TaGS位点对平均千粒重的影响为TaGSD1null＞TaGS-D1a＞TaGS-D1b或TaGS-D1het，说明TaGS-D1分子标记的确可用于本MAGIC 群体跟踪千粒重。因TaGS-D1null为重组类型，后续研究需要解析该类型导致千粒重提高的机理。

图4 不同株系的基因型变异Fig.4 Genotype of different inbred lines

表2 MAGIC 群体的基因型变异与千粒重（n=793）Tab.2 Allele variation and thousand kernel weight of lines in the MAGIC population（n=793）

分子标记检测的结果还显示，尽管本研究获得的MAGIC 群体表型稳定，但它们在分子水平上尚存在大约10%的杂合性，后续仍需要通过单粒传等方法进一步提高群体株系的纯合度。

2.4 弱筋小麦筛选

利用红外分析仪检测种子的水分、蛋白质、湿面筋含量和沉降值。结果表明，在自然晾干的条件下，籽粒中水的质量分数均低于12.5%，蛋白质质量分数在8%～15%范围变动，整个蛋白质含量在群体中的分布为正态分布。蛋白质含量与湿面筋含量和沉降值线性pearson 相关性系数分别为0.901 4 和0.879 0，湿面筋含量与沉降值的相关性达到0.813 6。2017—2018 年，样品量达到检测标准的807 个株系中，有20 个株系的籽粒蛋白质质量分数低于10%，13 个样品的湿面筋质量分数同时低于22%，符合国家优质弱筋小麦标准（表3）。将20 个候选株系样本送国家小麦改良中心扬州分中心检测，B05、B47、B144 等7 个样品可初步预测为优质弱筋麦，其余样品属于中筋偏弱类型（结果未显示）。

表3 20 个候选优质低筋株系的性状Tab.3 Traits of 20 putative high quality weak gluten wheat lines

本研究还发现，筛选获得的候选株系的等位基因组合为G3、4、5、8、9、10 等千粒重相对较高的基因型，说明这些株系在粒重上基本达到了优异组合。对它们农艺性状考察的结果亦显示，这些株系对赤霉病、白粉病等江苏高发的病菌亦有中等以上的抗性。后续研究尚需要进行多点的实验，继续观测弱筋品质稳定性和产量水平，筛选优质弱筋、农艺优良的高产小麦新品系，为弱筋小麦品种培育输送重要中间材料。

3 结论

本研究用来自不同生态区的8 个小麦品种构建了一个MAGIC 群体，通过农艺性状、种子性状和分子标记的检测，得到以下结果：

1）构建的8 亲本MAGIC 群体已实现充分重组，可用于重要农艺基因发掘、定位和高产优质弱筋小麦新品系（种）的筛选。

2）TaGASR7-A1null等位基因与低千粒重关联，TaGS-D1null与高千粒重关联。

3）获得了20 个优质低筋小麦的候选株系。