高产优质中强筋小麦新品种豫丰11的遗传构成及其特异区段解析

陈晓杰, 范家霖, 程仲杰, 杨 科, 杨保安, 张福彦, 王嘉欢, 张建伟, 王 浩

(1.河南省科学院同位素研究所有限责任公司/河南省核农学重点实验室, 郑州 450015;2.郑州市农业技术推广站, 郑州 450006; 3.河南省豫丰种业有限公司, 郑州 450008)

小麦是重要的粮食作物之一,小麦产业的发展直接关系到粮食安全和社会稳定,优良新品种对小麦增产的贡献率超过30%,为我国小麦连年丰收提供了关键支撑。准确掌握新育成品种的特征特性、遗传构成将有助于其遗传改良和栽培推广。系谱分析可大致判断品种间的亲缘关系,但难以准确量化品种内在遗传关系和遗传物质传递规律,制约了新品种的遗传改良和生产应用[1]。分子生物学的发展和各种分子标记技术的开发,为在DNA水平研究品种间的遗传关系提供了新方法。王珊珊等[2]和亓佳佳等[3]分别利用SSR标记分析了矮孟牛及其衍生品种(系)和小偃6号及衍生品种(系)的遗传多样性;杨子博等[4]利用SSR标记分析了淮麦33及其双亲的遗传关系和遗传物质传递规律;曹廷杰等[5],孔子明和宋晓明[6]分别利用90K SNP芯片分析了河南省96 个小麦品种的遗传多样性和周麦16的分子遗传构成;高艳等[7]和吴胜男等[8]分别利用小麦55K芯片分析了周麦22及其衍生品种的遗传多样性和亲本对陕农33的遗传贡献率;陈晓杰等[9]利用小麦50K SNP育种芯片,不仅分析了郑品麦24号和郑品优9号的遗传构成,而且明确了其重要性状功能基因的组成。利用分子标记技术可准确解析小麦新品种的遗传构成和品种间的遗传关系,进而对小麦品种进行针对性的改良。

目前,我国已开发出具有自主知识产权、不受其他专利技术制约、不依赖特定检测设备的靶向测序基因型检测(Genotyping By Target Sequencing,GBTS)技术体系,具有检测效率高、成本低、适应性广等特点,可广泛应用于遗传进化分析、种质资源DNA鉴定及评价、遗传图谱构建、基因定位等研究[11-14]。豫丰11是河南省科学院同位素研究所以半冬性、超高产、多抗、广适黄淮区试对照小麦品种周麦18号为母本,以半冬性、矮秆抗倒、高产稳产、多抗广适小麦主栽品种矮抗58的矮秆、大穗、早熟突变体豫同198为父本进行有性杂交,利用60Co-γ射线对杂交F0代干种子进行辐照处理,从F3世代开始对重要品质指标进行连续定向跟踪检测选育而成的高产、稳产、广适、优质中强筋小麦新品种。豫丰11于2018年5月通过国家农作物品种审定委员会审定(国审麦20180017),在生产中表现突出,市场推广潜力较大[15]。因此,本研究利用小麦16K液相芯片,对豫丰11及其父母本进行分子检测,旨在明确该品种遗传基础,为其遗传改良和生产应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

豫丰11及其母本周麦18和父本豫同198,均由河南省科学院同位素研究所(河南省核农学重点实验室)小麦诱变育种团队保存、提供。

1.2 基因组DNA提取及SNP芯片分析

选取每个小麦品种的幼嫩叶片,采用高通量DNA提取试剂盒提取样品DNA,并使用1%琼脂糖凝胶电泳方法分析DNA的纯度和完整性,使用Qubit对DNA浓度进行准确定量。委托石家庄博瑞迪生物技术有限公司进行基于16K GBTS靶向测序基因型分型。

1.3 遗传贡献率分析及基因型图谱绘制

首先剔除杂合或缺失的SNP位点,保留亲本和子代中纯合SNP位点用来遗传贡献率分析。根据纯合多态性SNP位点数计算双亲遗传物质对子代的遗传贡献率,豫丰11与母本的SNP位点相同且与父本SNP位点不同时,认为该SNP位点由母本提供,反之由父本提供,而与双亲均存在差异的SNP位点则由60Co-γ 诱变产生。突变贡献率为子代与双亲均不相同的SNP位点占总位点数的比例;某一亲本对子代的遗传贡献率为子代中与该亲本相同的多态性位点数占总双亲总位点总数的百分比。

利用GGT2.0软件[16],根据确切染色体位置信息的SNP标记绘制豫丰11及亲本的SNP基因型图谱,根据亲本中SNP标记的差异赋予不同的颜色,豫丰11与亲本标记的异同赋予相应的颜色。

2 结果分析

2.1 双亲对豫丰11的遗传贡献率

通过小麦16K SNP液相芯片分型,在豫丰11及其双亲周麦18和豫同198间共检测到13 411个纯和SNP位点,A、B、D基因组分别包含5 201,5 329,2 881个纯合SNP位点(表1)。其中D基因组SNP位点数较少,但以每Mb窗口大小在染色体滑动统计窗口内的SNP个数,图形化展示SNP的数量在染色体上的分布(图1);发现研究所用的SNP位点覆盖了染色体的绝大多数区段且SNP密度相对一致,表明所用SNP在染色体上分布均匀度较好。

图1 所用SNP位点在染色体上的分布Fig.1 Distribution of SNP sites on chromosomes used

表1 双亲对豫丰11的遗传贡献率Table 1 The genetic contribution from parents to Yufeng11

在13 411个纯合SNP位点中,多态性SNP位点3 434个,多态性位点比例25.61%(表1)。3个基因组的21条染色体均存在多态性位点,但不同基因组及不同染色体间多态性位点数和比例差异较大。B基因组多态性位点最多(1 746个),多态性位点比例也最高(32.76%);A基因组次之,包含了1 368个多态性位点,多态性位点比例为26.30%;D基因组多态性位点数最少(320个),多态性位点比例也最低(11.11%)。在染色体水平,2A染色体多态性位点数最多(501个)、多态性位点比例也最高,达到53.64%,5B多态性位点比例次之(41.1%),5A、6A、1B、6B和7B染色体的多态性位点比例也较高(>30%),表明双亲在这些染色体上遗传差异较大;1D染色体多态性位点比例最低(1.96%),其次是4A、3D、7D染色体(多态性位点比例均<10%),1A、3A、7A、4B、2D、4D、5D、6D染色体多态性位点比例介于10%～20%,表明双亲在这些染色体上遗传差异较小;其余染色体多态性位点比例介于20%～30%之间。

从全基因组水平看,豫丰11中有1 905个多态性SNP位点来源于母本周麦18,1 488个位点来源于父本豫同198,此外还有41个位点与双亲均不一致(表1)。突变贡献率为0.31%,而周麦18和豫同198对豫丰11的遗传贡献率分别为55.97%和43.72%,整体上,周麦18对豫丰11的遗传贡献率大于豫同198。在基因组水平,双亲对豫丰11的贡献率差异较大;在A 基因组上,周麦18对豫丰11的遗传贡献率远大于豫同198,达到76.69%;而在B、D基因组,豫同198对豫丰11的遗传贡献率超过了周麦18,分别达到57.34%和57.50%;此外在B基因组存在0.73%的突变位点。

进一步在染色体水平分析豫丰11的遗传构成,发现不同染色体间变化巨大(表1,图2)。周麦18对豫丰11不同染色体的遗传贡献率范围为1.71%～100%,其中对4B、3D、6D染色体的贡献率为100%,对2A、3A、5A、6A、5B染色体的贡献率超过了70%,对4A、3B、1D染色体的贡献率分别为55.17%,68.37%和55.56%。豫同198对豫丰11不同染色体的遗传贡献率范围为0～98.29%,其中对6B、7B、4D上的贡献率超过了95%,对7A、2B、2D、5D、7D染色体的贡献率超过了70%。周麦18和豫同198对1A染色体的遗传贡献大致相当,分别为50.62%和49.38%的遗传物质。而与双亲均不一致的SNP位点富集在2B(22个)、3B(14个)染色体,此外5A、1B、5B染色体也分别存在2,1,2个多态性位点。

注:灰色表示三者相同区段;红色表示周麦18区段;蓝色表示豫同198区段;黄色表示豫丰11特异区段。图2 豫丰11的21条染色体SNP基因型图谱Fig.2 SNP genotype map on 21 chromosomes of Yufeng11

2.2 来源于双亲的染色体区段

依据13 411个SNP的位置信息,利用GGT 2.0软件绘制了豫丰11的SNP基因型图谱(图2)。来自不同亲本的多态性SNP富集在染色体的不同区段,表明双亲在染色体上的差异呈区段分布。在豫丰11的21条染色体上,存在87个来自双亲的多态性SNP富集区段(物理距离大于10 Mb,SNP位点组合只与某一亲本相同),其中45个染色体区段来源于周麦18,42个区段源于豫同198。最大的染色体区段是2A(156.62～473.52 Mb),该区段包含了354个来自周麦18的多态性SNP,占该区段纯合SNP总数(389个)的91.0%,占染色体总多态性位点的10.31%,也是多态性SNP富集度最高的区段;其次是6B染色体区段(240.08～561.01 Mb),该区段共340个SNP位点,其中包含245个来源于豫同198的多态性SNP位点。

2.3 豫丰11特异染色体区段分析

分析豫丰11的SNP基因型图谱(图2),发现3个突变位点富集的染色体区段(2B 654.53～664.41 Mb、2B 677.79～680.01 Mb和3B 796.01～810.73 Mb),分别包含了8个、8个和14个突变SNP位点,占对应染色体区段总位点的66.67%(12个)、88.89%(9个)和70.0%(20个),占染色体总突变位点数的73.17%。

3 讨 论

利用小麦16K液相芯片对豫丰11及其父母本进行分子检测,揭示了豫丰11的分子遗传构成,发现母本周麦18对豫丰11的遗传贡献率(55.97%)大于父本豫同198(43.72%),这与前人利用分子标记研究后代对遗传物质多偏向某一亲本的现象相一致,淮麦33大部分遗传信息(73.9%)来自母本烟农19[4],周8425B对周麦16的遗传贡献率为64.32%[6],双亲陕农981和新麦18对陕农33的遗传贡献率分别占52.72%和46.38%[8],郑品麦24号82.40%的遗传物质来源于父本豫同194[10]。发生这种遗传现象的原因可能与亲本选用和后代选择有关。选择骨干亲本或当地主栽品种作为亲本之一是杂交育种亲本选择和组配的普遍原则。这些骨干亲本较另一亲本拥有更多的优点,而主栽品种对当地自然条件和栽培条件有更好的适应性。当杂交组合之一是骨干亲本或当地主栽品种时,后代选择常会保留了更多的骨干品种或主栽品种的遗传物质,如烟农19、豫同194(周麦18优系)均是当地主栽品种或骨干亲本,后代品种的遗传物质会发生严重的偏分离,来自某一亲本的遗传物质超过66.67%。当杂交双亲均为骨干亲本、当地主栽品种或双亲优缺点比较均衡时,后代品种来自双亲的遗传物质相对比较接近,如周麦18和豫同198(AK58突变系)均为河南主栽高产品种、陕农981和新麦18分别为陕西和河南主栽品种,单交亲本对后代的遗传贡献率均未超过60%。

理论上,单交组合选用的后代品种所有遗传物质都应来源于双亲,但实际研究发现,杂交后代常会出现一些不同于亲本的特异位点。淮麦33 的特异位点比例为10.4%[4],郑品麦24号存在2.93%的特异位点[10],周麦23的特异位点比例为5.0%[17]。产生特异位点的原因之一是在选择育种的不同世代发生了基因重组及小概率的自然突变,产生了碱基突变、插入、缺失或多个碱基的颠换和置换等变异,但理论上出现这些变异比例应该较低;另一原因可能是研究分析所用的实验材料与十几年前杂交所用的育种材料有一定出入,杂交育种后代发生了天然杂交、亲本出现了变异或新系。本研究发现,豫丰11也存在极小比例(0.31%)的特异位点,主要富集于2B和3B染色体3个染色体区段。但豫丰11选育时利用60Co-γ射线对杂交F0代干种子进行辐照处理,理论上出现变异位点的概率要高于自然变异,同时豫丰11的特异位点主要集中在个别染色体的特定区段,因此豫丰11的特异位点大概率是人工诱变产生的。这种将人工诱变技术与传统杂交技术相结合,能有效打破不良基因连锁,促进更广泛的基因重组,还可以创造新基因,增加变异频率,能发挥不同技术途径的技术优势,对小麦新品种遗传改良具有一定的促进作用。

4 结 论

本研究绘制了高产优质中强筋小麦品种豫丰11的SNP基因型图谱,明确了其遗传构成,母本周麦18对豫丰11的遗传贡献率(55.97%)大于父本豫同198(43.72%)。豫丰11存在不同于双亲的0.31%特异位点,明确了这些特异位点的分布,并初步判断这些特异位点是由60Co-γ射线辐射诱变产生的。