原创解读∣控制软红冬小麦群体农艺性状位点和被选择区域的鉴定

小麦育种主要采取杂交育种方法，组合的选择是育种过程的第一步，有的组合很容易出品种，而有的组合却很难或者不可能出品种，充分理解育种项目中群体材料的综合信息对于组合选配非常有必要。

美国普渡大学小型育种项目，最早于19世纪20年代释放品种，在70年代左右释放的品种占到美国软红冬小麦种植面积的80%左右。该育种项目考虑到涉及各种生物抗病基因，环境适应性和农艺性状的种质引入和外缘渗入。近日，美国普渡大学，北卡罗来纳州立大学，美国农部等三家单位合作对该项目中的软红冬小麦育种群体的基因型和表型多样性进行了重要研究。该研究成果以“Identification of regions under selection and loci controlling agronomic traits in a soft red winter wheat population”为题发表在The Plant Genome上，具体内容如下：

             

简化基因组测序及群体分析

选择来自于1988-2010的123个杂交组合的436份种质进行简化基因组测序。测序结果过滤后获得14,907个SNP，A、B、D 3个亚基因组分别占有6,546 (44%)，1270 (37%)，1,015 (17%)个。其中SNP最多的3个染色体是2B 1,611个 (占B组的25%), 7A 1,270 个(占A基因组的23%), 和 7D 1,015 个(占D基因组的41%)。进行Structure和PCA分析发现436份种质主要分为4个亚群：INW，WHEATEAR，NING和TRUMAN（图1）。结合系谱分析发现INW，WHEATEAR之间存在一些共同祖先亲本，而NING和TRUMAN分别含有中国和澳大利亚品种的血缘，这也解释了为什么INW，WHEATEAR的关系更近一些，而NING和TRUMAN相对较远。
       

图1. 436份种质被分为4个亚群

连锁不平衡分析及外缘片段鉴定

不同的染色体上连锁不平衡范围和衰减速率不一样，LD衰减最快的是4D染色体上的一个642 Kbp区域，而2B上的763Mb和7D上的96.3Mb LD衰减最慢（图2）。2B和7D含有最大的SNP数目和LD Block块，这可能是由小麦野生亲缘种的外缘渗入造成的。2B染色体上的外缘渗入主要是因为小麦外缘抗秆锈基因Sr36的广泛使用造成。7D染色体上面有3个不同的LD Block区域：短臂，着丝粒区，长臂。该育种项目过去导入了中间偃麦草的小麦黄矮病抗性基因Bdv2/3，定位在长臂。其余两个Block区域分别是Fhb7（中间燕麦草）和Sr25/Lr19（长穗偃麦草）区域。

              图2. 2B（左）和7D（右）染色体上的LD Block

全基因组选择信号鉴定

基于FST和hapFLK两种方法分别鉴定到12和4个基因组区段被显著选择（表1），这些区域主要包括高分子麦谷蛋白亚基Glu-D1（1D）、抗赤霉病基因FHB1(3B)、抗寒基因FR-A2(5A)、春化基因VRN-A1(5A)、VRN-B1(5B)、VRN3(7A)、低温耐性LT(1D)及籽粒蛋白含量（GPC）、千粒重(TKW)、产量(Grain Number)等相关位点。另外，在2B染色体上共鉴定到3个选择区域，其中有一个跨度669Mb的2B:2G易位片段，该片段在TRUMAN、NING和WHEATEAR三个亚群中受到了共同选择，另外两个可能是新的位点，被选择的原因还不清楚。

表1. FST和hapFLK两种方法鉴定到的有选择信号的基因组区域           

         图3. 基于FST方法的全基因组选择信号。

主要农艺性状GWAS分析

对抽穗期，株高，单位面积产量，每公顷产量，单位面积穗数，单位面积粒数等多个农艺性状进行了GWAS分析。鉴定到了6个农艺产量相关的主效QTL位点(图4)。

         图4. 抽穗期、株高和单位面积粒数、穗数、产量的GWAS关联分析

总结:

在普渡大学小型软红冬小麦育种群体主要分为4个亚群，两个起源于北美，一个起源于中国，一个起源于澳大利亚。连锁不平衡分析发现2B和7D染色体表现最大的LD block，它们均是外缘渗入片段。基于FST和hapFLK两种方法在全基因组共鉴定到13个区域有选择信号，主要包括环境适应性基因位点(LT, Fr-A2, Vrn-A1,Vrn-B1, Vrn3)和抗病基因位点(Sr36 and Fhb1)。GWAS分析在7B和6A染色体分别鉴定到抽穗期和株高主效位点，效应值分别为2.2天和5 cm，在1A，4B，5A染色体鉴定到农艺性状相关位点。总的来说结合全基因组选择方法和产量组成相关主效位点的选择对于产量改良是一个不错的策略。