青海省小麦品种基于55K,SNP,芯片的遗传多样性分析

谢静敏，侯万伟 ，张小娟

(1. 青海大学生态环境工程学院，青海西宁 810016；

2. 青海省农林科学院， 青海西宁 810016)

小麦是青海省主要的粮食作物之一，但前期为解决当地小麦产量和品质下降的问题，在进行品种培育过程中多次应用同一亲本，导致育成品种之间的遗传关系较近，不利于后续的小麦分子育种发展[1]。

作物遗传多样性在很大程度上影响作物的适应能力、产量等。作物遗传变异对品种改良至关重要，为后续培育出抗逆和优质新品种提供了选择。相较于通过传统表型性状进行遗传多样性评价分析，通过高通量分子标记检测技术能够快速得到高质量的数据，并为遗传多样性分析及分子育种提供大量的资源[2]。目前已经有多种分子标记应用于小麦的遗传育种中，包括RAPD[3]、ISSR[4]、SSR[4]、AFLP[5]、SNP[6]等。SNP在作物基因组中含量丰富，具有操作简单、识别准确、高通量等优势，是遗传作图和分子育种的理想标记[7]，已广泛应用于作物的性状鉴定、遗传多样性分析以及遗传图谱的构建中[8-13]。相较于其他作物，小麦SNP芯片发展较晚，目前已开发出9K[14]、15K[15-16]、35K[17]、55K[18]、90K[19]、660K[20]等芯片，并应用于小麦诸多研究领域[21-23]。李珊珊等[24]利用90K SNP芯片对河北省143份小麦品种进行全基因组扫描，根据分型数据发现河北省小麦材料趋同，种质资源狭窄，拓展引进新种质，丰富河北省小麦育种资源已迫在眉睫。马艳明等[1]利用55K SNP芯片分析新疆冬小麦地方品种和育成品种的遗传多样性，发现地方品种与育成品种之间的遗传差异较大，可以利用地方品种来丰富育成品种的遗传基础。

本研究利用55K SNP 小麦芯片对93个青海省主栽小麦品种进行全基因扫描，通过分析多态性信息含量(PIC)和遗传距离来评估青海省小麦品种的遗传多样性，同时对93个小麦品种进行聚类分析，以期为后续青海省小麦的遗传育种提供数据支撑。

1.1 试验材料

试验材料包括93个青海省主栽小麦品种(表1)，是目前青海省主要生产种植的育成及引进品种。所有供试小麦品种在青海大学试验农场种植，并收集保存。

表1 用于SNP分析的供试小麦品种Table 1 Wheat varieties tested for SNP genotyping

1.2 基因型分析

利用Affymetrix○RAxiom平台的小麦 55K SNP 芯片对93个品种进行全基因组扫描。筛选标准：数据质量控制(DQC)≥0.82,分型成功率(call rate，CR)≥0.95，筛选后得到53 063个原始SNP位点；
利用Affymetrix 的Axiom Analysis Suite 软件对原始SNP位点进行深入分型，得到高质量的过滤数据，分型原则选择CR≥0.90、缺失率<10%、最小等位基因频率(MAF)>0.05 的SNP位点，筛选过滤后得到50 243个具有多态性的SNP 位点。

1.3 数据分析

利用PowerMarker V3.25[25]软件计算多态信息含量(polymorphic information content,PIC)和品种之间的Nei遗传距离。根据Nei遗传距离，利用MEGA 6[26]软件构建系统发育树，利用FigTree(http://tree.bio.ed.ac.uk/software/figtree/)和Evolview(http://www.evolgenius.info/evolview)在线作图软件[27]对聚类图进行修饰美化。

2.1 多态性SNP位点的分布

在小麦21条染色体上共检测到53 063个SNP位点，选择缺失率<10%、MAF>0.05的SNP位点，获得具有多态性的SNP位点50 243个，多态性比率为94.68%。每条染色体上分布855～2 575个多态性位点，平均每条染色体分布2 216个，6A染色体分布最多(2 575个)，占比 5.12%；
4D染色体分布最少(855个)，占比 1.70%。SNP标记在A、B、D基因组中分布不均，B 基因组上的SNP标记数最多(17 556)，占比 34.94%；
D 基因组上的SNP标记数最少 (11 904个)，占比23.69%(图1A)。

质控后的多态性 SNP 位点在小麦7个部分同源群中的平均分布数量为6 650个， 其中第 2 部分同源群的多态性位点数分布最多(7 152个)，第4部分同源群的多态性位点数分布最少 (5 656个)(图1B)。

图1 多态性SNP位点在染色体(A)和同源群(B)中的分布

2.2 遗传多样性

PIC是DNA变异程度的指标，是评估遗传多样性的重要标准之一。根据Botstein等[28]提出的PIC衡量标准，PIC值大于0.50的标记属于高度多态性标记，PIC值介于0.25～ 0.50之间的标记属于中度多态性标记，PIC小于 0.25的标记则属于低多态性标记。基于93个材料的SNP标记数据，发现供试品种的PIC值变化范围为 0.00～ 0.59，平均值为0.33，主要分布在0.20～0.45之间，说明所用的大部分SNP标记属于中度多态性标记(图2)。

图2 SNP标记在93个小麦中的多态性信息含量分布

遗传距离是评估遗传多样性的重要标准。利用SNP数据计算93个小麦品种之间的遗传距离，共获得4 278个遗传距离值，数据范围在 0.00～0.67之间，平均值为0.41。93个小麦品种之间的遗传距离值分布比较集中， 有3 950个遗传距离值分布在0.30～0.55之间，占比 92.33%(图3)。13799和高原437两个品种之间的遗传距离最大，87号材料和青春10号两个品种之间的遗传距离最小。

图3 品种间遗传距离的次数分布

2.3 聚类分析

根据所有小麦品种的SNP标记数据，利用Powermarker V3.25得到93个小麦品种两两之间的遗传距离矩阵，并构建系统进化树(图4)。通过聚类可将小麦品种分为8个类群。

图4 93个小麦品种的 SNP 数据聚类图

第Ⅰ类群包含9个品种，遗传距离在0.13～0.63之间，柴春044与瀚海304之间的遗传距离最小，普冰133与87号材料之间的遗传距离最大。第Ⅱ类群包含3个品种，遗传距离在0.28～0.33之间，宁春26与墨波1号之间的遗传距离最小，宁春26与新麦繁4之间的遗传距离最大。第Ⅲ类群包含9个品种，遗传距离在0.01～0.48之间，ME-47与ME-45之间的遗传距离最小，高原V028与86号材料之间的遗传距离最大。第Ⅳ类群包含9个品种，遗传距离在0.00～0.53之间，青农469与吉农469之间的遗传距离最小，高原584与互助红之间的遗传距离最大。第Ⅴ类群包含11个品种，遗传距离在0.01～0.43之间，青春39与青春41之间的遗传距离最小，13繁530与9101之间的遗传距离最大。第Ⅵ类群包含13个品种，遗传距离在0.15～0.44之间，民和588与民和853之间的遗传距离最小，民和665与兰考906之间的遗传距离最大。第Ⅶ类群包含16个品种，遗传距离在0.05～0.43之间，高原466与高原465之间的遗传距离最小，高原932与杨麦16号之间的遗传距离最大。第Ⅷ类群包含23个品种，遗传距离在0.00～0.52之间，13799与高原437之间的遗传距离最小，阿勃与青春40号之间的遗传距离最大。

根据小麦品种的引进来源进行分析，93个材料主要包括青海省当地所育成的系列品种、外来引进品种(分别从山东、江苏、甘肃、河南、宁夏、意大利、墨西哥引进的品种)以及部分未有具体信息的小麦品种。从聚类结果看，第Ⅱ类群中，于1998年从宁夏引进的宁春26与该类群其他品种间的遗传关系较远；
第Ⅵ类群中，于1999年从河南引入的兰考906与该类群其他品种间的遗传关系较远；
第Ⅷ类群主要包括青春系列品种，而阿勃是青海省为提高当地小麦抗病能力，于20世纪60年代引进的意大利品种，与类群中其他品种的遗传关系较远，说明青海省当地的育成品种与外来引进品种间的遗传距离较大。青海省当地的育成品种和外来引进品种在8个类群中均有分布，表明研究材料间的遗传关系与引进来源无必然关系。高原系列品种中，选用同一亲本高原602进行培育的3个品种(高原448、高原776、高原437)聚在同一类群，表明品种间的遗传关系与育种所选的亲本相关。

地方小麦品种具有克服当地特殊环境条件的遗传特性，是小麦分子育种的首选资源。为提高青海省小麦的产量，青海省当地小麦育种以提高作物产量为固定发展方向，以产量较高的小麦品种作为亲本进行连续培育，导致当地小麦的遗传多样性较低，品种的遗传资源基础也越来越窄，无法抵挡青海省当地的特殊气候变化和病害入侵[29-30]。

SNP是在基因组中广泛存在的一类DNA序列变异[31]，本研究利用55K SNP对93个小麦材料进行全基因组扫描，发现SNP的多态性比率为 94.68%，在基因组之间SNP位点的分布具有差异。与张德强等[32]和Tehseen等[33]的研究结果一致，多态性SNP位点数在基因组上的分布均呈现为B>A>D。研究表明，小麦B基因组的遗传多样性较高，而来源于粗山羊草的D基因组遗传多样性较低，这可能和六倍体小麦的起源相关，A、B基因组之间能够形成较多的四倍体小麦品种，而D基因组与A、B基因组之间都无法形成四倍体，在一定程度上减少了D基因组的遗传多样性[19]。SNP多态性位点在第4部分同源群中分布最少，特别是4D染色体，这与白彦明等[34]的研究结果一致。

刘易科等[35]利用18 741个标记对240个小麦品种进行全基因组扫描，发现PIC值的变化范围为0.01～ 0.38，平均值为0.26；
Kumar等[36]利用35K SNP对483个小麦品种进行基因分型，筛选到 14 650个SNP位点，进一步分析得到PIC值的变化范围为0.09～0.38，平均值为 0.29；
左煜昕等[17]利用15 947个SNP标记分析124个抗旱冬小麦品种，发现平均每个位点的PIC值为0.31。本研究利用Powermarker计算93份小麦材料的PIC值，发现PIC值变化范围为0.00～0.59，平均值为0.33，主要分布在0.20～0.45之间，说明所用的SNP标记属于中度多态性标记，与前人研究结论一致。本研究利用SNP数据计算93个小麦品种之间的遗传距离，共获得4 278个遗传距离值，数据范围在0.00～0.67之间，平均值为0.41，主要分布在0.30～0.55之间，占比92.33%，说明93个品种之间的遗传距离分布较为集中，与李珊珊等[24](河北省小麦品种的遗传距离主要分布在 0.52～0.73之间)、曹延杰等[37](河南省小麦品种的遗传距离主要分布在0.63～0.83之间)和马艳明等[1](新疆小麦小麦品种的遗传距离主要分布在0.06～0.12和 0.68～0.72之间)的研究结果相比，青海省小麦品种的遗传距离较小，遗传多样性要小于河北省和河南省小麦品种，但高于新疆部分小麦。

本研究通过聚类分析，将93份材料分为8个类群，当地育种品种与引进品种的遗传关系较远，同时结合品种的来源进行分析，发现遗传关系与品种的来源无必然关系，而与育种所选取的亲本相关，与陈丽华等[38]的研究结论一致。以上研究结果表明，青海省当地的小麦品种遗传多样性较低，在后续的育种工作中可加强外来品种的引用，并结合青海省当地品种，培育出能够适应青海省当地气候且高质量的小麦品种。

利用小麦55K SNP 标记芯片，对93个小麦品种进行全基因组扫描。通过基因分型筛选得到50 243个SNP多态性位点，SNP多态性比率为 94.68%，多态性位点在部分同源群、基因组以及21条染色体上的分布不均，其中第4同源群和D基因组上的多态性位点分布最少，特别是4D染色体。利用Powermarker软件计算小麦品种的基因多样性、PIC值和遗传距离，发现青海省当地主栽品种间的遗传多样性较低。根据两两品种间的遗传距离将93个品种分为8个类群，当地育成品种与引进品种的遗传关系较远。后续可通过利用外来品种和当地优良农家品种进行杂交，培育出可抵御当地特殊气候环境且质量较高的优良品种，丰富青海省当地小麦的遗传多样性。

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