翟曉靈, 王瑞霞, 張連, 焦娟, 李玉剛, 王圣健, 亓?xí)岳? 蓋紅梅*, 張勝全

（1.青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院, 山東青島 266100；2.泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 山東泰安 271000；3.北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥研究所, 北京 100097）

山東省煙臺市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院于1974年以豐產(chǎn)、抗病、落黃優(yōu)良的洛夫林13為母本, 以71(17)6-1-1株系為父本配制雜交組合, 系統(tǒng)選育出煙農(nóng)74（11）及74(11)混-1-1-3和C149等優(yōu)良品系。煙農(nóng)74（11）含有洛夫林13、蚰包麥、農(nóng)林10號、北陸13、小罌粟（農(nóng)林89）、歐柔的血統(tǒng)。洛夫林13來自羅馬尼亞, 表現(xiàn)抗銹病和白粉病、耐高溫；蚰包麥?zhǔn)钱?dāng)?shù)氐漠?dāng)家品種, 表現(xiàn)抗病、高產(chǎn)；農(nóng)林10號、小罌粟來自日本, 攜帶Rht1、Rht2矮稈基因, 表現(xiàn)抗旱、矮稈、抗條銹病；歐柔來自智利, 表現(xiàn)大穗、大粒、抗條銹[1-2]。由煙農(nóng)74(11)育成了20世紀(jì)90年代初大面積推廣的魯麥14、魯麥13等品種, 2000年以后又育成了優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)品種煙農(nóng)19。這些品種不僅在生產(chǎn)上發(fā)揮了很大的作用, 在小麥品種改良過程中也成為重要育種親本, 衍生了濟(jì)麥22、濟(jì)南17、泰農(nóng)18等大面積推廣品種[3-5]。育種工作的突破性進(jìn)展取決于關(guān)鍵遺傳資源的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新[6]。

SNP（single nucleotide polymorphisms）標(biāo)記于1996年由Lander提出[7], 是生物基因組中普遍存在的單核苷酸多態(tài)性, 具有密度高、代表性強(qiáng)、遺傳穩(wěn)定性好和自動化程度高等優(yōu)點(diǎn), 得到專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前, 在不同物種中已探索出30多種SNP檢測方法[8]。隨著基因芯片和測序技術(shù)的快速發(fā)展,SNP標(biāo)記已成為更加高效的第3代分子標(biāo)記[9]。并在人類[10-11]、果蠅[12]、大麥[13]、玉米[14-15]等的遺傳圖譜構(gòu)建、關(guān)聯(lián)分析、QTL定位中發(fā)揮了重要作用。小麥基因組龐大, 其SNP研究滯后于水稻[16]、玉米[17]、大麥等物種[18]。2006年, 由Illumina公司研發(fā)的SNP GoldenGate芯片[19]大大推動了小麥基因組研究的發(fā)展, 目前, 小麥檢測SNP常用的方法有重測序、小麥55K芯片、90K芯片、660K芯片等, 并在遺傳多樣性[20-21]、數(shù)量性狀遺傳[22-24]、全基因組關(guān)聯(lián)分析[25-26]等方面得到廣泛應(yīng)用。

本研究利用90K SNP芯片對煙農(nóng)74（11）的衍生品種(系)、親本及近期育成小麥品種(系)進(jìn)行了基因分型, 從系譜和分子水平探討煙農(nóng)74（11）種質(zhì)在山東省小麥育種中的重要作用, 以期為小麥品種的改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小麥品種（系）120份（表1）, 其中1～62號為煙農(nóng)74（11）的衍生品種(系), 編號63～120為非煙農(nóng)74（11）衍生品種(系), 用于進(jìn)行遺傳多樣性的對比分析。

表1 供試品種（系）Table 1 List of tested wheat variety（line） 續(xù)表Continued

表1 供試品種（系）Table 1 List of tested wheat variety（line）

1.2 研究方法

1.2.1 DNA提取 供試材料種植于田間, 在幼苗期剪取2片幼葉冷凍保存, 并標(biāo)記取樣單株。將冷凍樣品用液氮研磨后, 用試劑盒（天根生化科技有限公司）提取基因組DNA[27], 并用NanoDrop Spectrophotometer（ND-1000）檢測DNA樣品濃度和質(zhì)量。

1.2.2 小麥90K芯片分析和SNP分型 供試材料DNA的Illumina 90K芯片分析由北京博奧晶典生物技術(shù)有限公司完成。采用Genomestudiov2011.1軟件包對結(jié)果文件*.bmp和*.idat進(jìn)行SNP數(shù)據(jù)校正和分型[28]。數(shù)據(jù)校正基于芯片的原始數(shù)據(jù), 即Genomestudiov2011.1軟件生成的每個SNP位點(diǎn)的聚類圖, 如果聚類圖分為2個組群（無雜合位點(diǎn)）或3個組群（有雜合位點(diǎn)）, 而且每組表現(xiàn)為緊密簇?fù)碓谝黄? 則這些聚類圖表示的SNP位點(diǎn)為有效SNP位點(diǎn), 可用于供試材料的遺傳多樣性分析；如果聚類圖分為雜亂無章的多個組群, 則判定為無效SNP位點(diǎn), 不能用于供試材料研究, 需在Genomestudiov2011.1軟件中, 將無效SNP位點(diǎn)標(biāo)記出來, 待全部位點(diǎn)全部校正完, 導(dǎo)出SNP基因型數(shù)據(jù), 將其中標(biāo)記無效的位點(diǎn)去掉, 即完成全部SNP位點(diǎn)校正。

1.2.3 遺傳多樣性分析 利用Excel軟件進(jìn)行SNP分型數(shù)據(jù)的整理和存儲, 采用自主研發(fā)程序?qū)⒃糞NP數(shù)據(jù)的AA、AB、BB基因型轉(zhuǎn)換為Powermarker3.25軟件[29]需要的輸入格式。利用PowerMarker 3.25軟件分析多態(tài)性信息含量（polymorphism information content, PIC）、基因多樣性、每個SNP位點(diǎn)的等位變異數(shù)、主效等位變異頻率、期望雜合度及遺傳距離, 并計(jì)算遺傳相似性系數(shù)。其中, PIC、基因多樣性等用于評估群體的遺傳多樣性, 遺傳相似性系數(shù)用于評估2個供試材料之間的遺傳關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙農(nóng)74（11）種質(zhì)對山東省冬小麥品種的支撐作用

由圖1可看出, 以煙農(nóng)74（11）種質(zhì)為親本, 選育出了魯麥14、魯麥13、煙農(nóng)19等大面積推廣品種。這些品種不僅在小麥生產(chǎn)中大面積推廣應(yīng)用, 還在小麥育種中發(fā)揮了重要作用。

圖1 小麥關(guān)鍵種質(zhì)煙農(nóng)74（11）的系譜追蹤及主要衍生品種Fig.1 Pedigree tracking of 74（11）and the principal derived variety

對2000—2020年山東省審定小麥品種進(jìn)行了系譜溯源, 21世紀(jì)以來20年間共審定小麥品種197個, 有55.33%的品種含有煙農(nóng)74（11）種質(zhì)血統(tǒng), 36.04%的品種含有魯麥14血統(tǒng), 21.32%的品種含有魯麥13血統(tǒng), 10.66%含有濟(jì)麥22血統(tǒng), 4.57%含有煙農(nóng)19血統(tǒng)。由圖2看出, 不同年代材料在育種中發(fā)揮的作用不同, 就煙農(nóng)74（11）種質(zhì)而言, 在國家“十五”到“十三五”計(jì)劃期間, 其直接衍生的品種占比分別為28.57%（36個品種）、66.67%（36個品種）、62.07%（29個品種）、58.76%（97個品種）, 表明該種質(zhì)對山東省小麥新選育品種具有系譜支撐作用。此外, 魯麥14作為煙農(nóng)74（11）種質(zhì)的直接衍生品種, 在4個五年計(jì)劃中的衍生品種占比分別為20.00%, 41.67%、37.93%和39.18%, 表明魯麥14在小麥育種中成為重要的育種親本。

圖2 2000—2020年煙農(nóng)74（11）及其衍生品種（系）在山東省的衍生材料統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of wheat materials derived from Yannong 74（11）and the principal variety（line）inShandong province from 2000 to 2020

2.2 供試材料的SNP分型及遺傳多樣性分析

120份供試材料共獲得有雜交信號的SNP位點(diǎn)81 587個, 校正后獲得有效SNP位點(diǎn)26 026個, 有染色體定位的SNP位點(diǎn)20 953個, 其中A基因組8 373個, B基 因 組10 592個, D基 因 組1 988個, 覆蓋小麥基因組3 646.01 cM。

小麥90K芯片獲得的SNP基因型數(shù)據(jù)在染色體間分布非常不均勻, 變異系數(shù)為58.17%, SNP個數(shù)最少的染色體是4D（73個）, 最多的是1B（1 984個）, 且在3個基因組中, 均為D基因組的SNP個數(shù)最少。SNP標(biāo)記的平均等位變異數(shù)為2.28個, 變異系數(shù)為1.80%, 變幅很小。平均主效等位基因頻率為0.77, 平均基因多樣性為0.31, 平均期望雜合度為0.03。平均多態(tài)性信息含 量（PIC）為0.25, 變 幅 為0.18（4D）～0.31（2D）, 明顯低于SSR標(biāo)記揭示的遺傳多樣性（表2）。

表2 供試材料在染色體水平的遺傳多樣性Table 2 Genetic diversity of SNP marker at chromosome level with tested materials

2.3 不同供試材料分組的遺傳關(guān)系

對供試材料進(jìn)行了分組, 分為全部材料組（組Ⅰ）和煙農(nóng)74（11）種質(zhì)衍生材料組（組Ⅱ）(圖3)。對2組供試材料分別進(jìn)行了遺傳相似性系數(shù)的計(jì)算, 組Ⅰ共有7 140個兩兩組合模式, 遺傳相似性系數(shù)范圍為0.56～1.00, 平均為0.70；根據(jù)遺傳相似性系數(shù)區(qū)間對材料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析：0.51～0.60的 材 料 占0.66%、0.61～0.70的 占59.44%、0.71～0.80的占32.98%、0.81～0.90的占6.12%、≥0.91的占0.80%, 近60%的材料間遺傳相似性系數(shù)在0.61～0.70區(qū)間, 表明組Ⅰ材料的遺傳關(guān)系相對較遠(yuǎn)。組Ⅱ材料之間共有2 219個兩兩組合模式, 遺傳相似性系數(shù)范圍為0.61～1.00, 平均為0.75；遺傳相似性系數(shù)區(qū)間在0.61～0.70的材料占26.77%、0.71～0.80的占53.22%、0.81～0.90的占17.26%、≥0.91的占2.75%, 表明僅含有煙農(nóng)74（11）種質(zhì)衍生后代之間的遺傳相似性系數(shù)一半以上為0.71～0.80, 近20%的材料組合為0.81～0.90, 表明組Ⅱ的材料兩兩間遺傳關(guān)系比組Ⅰ更近。

圖3 供試材料兩兩之間的遺傳相似性系數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistical of genetic identity coefficient between every two tested materials

2.4 典型組合遺傳關(guān)系

煙農(nóng)74（11）種質(zhì)衍生后代中系譜關(guān)系比較完整且在小麥生產(chǎn)中大面積應(yīng)用的小麥品種與親本之間的遺傳關(guān)系如表3所示。主要雜交組合為：魯麥13/臨汾5064、魯麥14/豫麥13、魯麥14/魯884187、魯麥13/豫麥2號。由于濟(jì)麥22的父本材料未得到妥善保存, 故只分析了濟(jì)麥22與其母本935106的遺傳關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn), 這4個雜交組合的父母本之間的遺傳相似性系數(shù)為0.69、0.65、0.68、0.71, 平均為0.68；子代與上緣親本間的遺傳相似性系數(shù)為0.67～0.87, 平均為0.79；姊妹系之間的遺傳相似性系數(shù)為0.84～0.87, 平均為0.855。濟(jì)麥22與母本的遺傳相似性系數(shù)為0.87, 與骨干親本魯麥14的遺傳相似性系數(shù)為0.85。從父母本之間的遺傳關(guān)系可以看出, 這些組合雙親的遺傳關(guān)系相對較遠(yuǎn)；從子代與親本的遺傳關(guān)系可以看出育種中存在偏向性選擇現(xiàn)象, 其中子代與關(guān)鍵親本的遺傳相似性系數(shù)達(dá)0.80以上, 甚至0.85以上。

表3 基于小麥90K芯片的典型雜交組合親本及后代的遺傳關(guān)系Table 3 Genetic relationship of typical test material based on wheat 90K array 續(xù)表Continued

表3 基于小麥90K芯片的典型雜交組合親本及后代的遺傳關(guān)系Table 3 Genetic relationship of typical test material based on wheat 90K array

3 討論

本文對120份供試小麥材料進(jìn)行了90K芯片分析, 結(jié)果表明,這些供試材料的平均遺傳相似性系數(shù)為0.70, 如果排除蚰包麥、農(nóng)林10號等早代育種親本, 則當(dāng)代育成品種(系)的遺傳關(guān)系更近：62份煙農(nóng)74（11）種質(zhì)的衍生后代間的平均遺傳相似性系數(shù)為0.75。當(dāng)前, 極端災(zāi)害天氣頻發(fā), 病蟲害日益加重, 遺傳種質(zhì)的單一化, 容易導(dǎo)致抗災(zāi)能力減弱, 甚至有“全軍覆沒”的風(fēng)險(xiǎn)。劉建軍等[30]認(rèn)為, 由于長期對產(chǎn)量、抗性、品質(zhì)等性狀的持續(xù)定向選擇, 導(dǎo)致了當(dāng)代育成品種遺傳多樣性急劇下降。遺傳多樣性的降低在一定程度上阻礙了小麥突破性品種的選育, 從而阻礙小麥育種的發(fā)展和潛力的提高。李邦發(fā)[31]指出, 繁6及其衍生品種在四川占統(tǒng)治地位30年, 但由于2001年條銹病大流行, 超過90%的衍生品種感染條銹病, 造成小麥生產(chǎn)巨大損失, 在育種領(lǐng)域應(yīng)引以為戒。因此, 應(yīng)擴(kuò)大小麥育種材料的遺傳基礎(chǔ), 尋找更加多樣的優(yōu)良骨干親本。

煙農(nóng)74（11）種質(zhì)來自20世紀(jì)50、60年代的蚰子麥衍生的蚰包麥, 其在山東省連續(xù)推廣種植15年, 是黃淮麥區(qū)首個產(chǎn)量超過7 500 kg·hm-2的小麥品種[5], 被莊巧生先生列為16個骨干親本之一[1]。張學(xué)勇等[32]認(rèn)為, 早期的品種或骨干親本無論當(dāng)時多么優(yōu)秀, 其田間表現(xiàn)和遺傳背景與今天的優(yōu)良品種或骨干親本相比都有很大差距, 這反映了小麥品種改良是早期品種的繼承和符合現(xiàn)代目標(biāo)的優(yōu)良基因積累的過程。蚰子麥→蚰包麥→煙農(nóng)74(11)種質(zhì)→魯麥14→濟(jì)麥22的衍變過程, 也表明不同年代的當(dāng)家品種首先是在繼承和綜合中發(fā)展, 必需有經(jīng)過生產(chǎn)檢驗(yàn)的品種基因組為基礎(chǔ)；此外, 從一代當(dāng)家品種發(fā)展到新一代當(dāng)家品種, 必需有突破性的進(jìn)展, 必需解決當(dāng)家品種與生產(chǎn)實(shí)際之間的主要矛盾。

致謝：感謝煙臺市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院方正先生在煙農(nóng)74（11）種質(zhì)的特征特性及育種地位等方面給予的指導(dǎo)。