BAAFS Wheat 90 K SNP 阵列构建及小麦加工品质遗传分析研究

《BMC Genomics》：Development of a high-quality 90 K SNP array and its application in mining genes associated with wheat processing quality traits

　　

摘要

在本研究中，我们报告了高质量BAAFS Wheat 90 K SNP阵列的开发情况，该阵列用于小麦品种的分子特性分析，并系统验证了其在识别影响小麦加工品质遗传位点方面的实用性。该优化阵列结合了来自Illumina Wheat 90 K iSelect SNP阵列和Axiom^? Wheat 660 K SNP阵列的高质量SNP标记，最终得到了84,661个遗传位点。其中79个位点是基因特异性的功能标记，所有位点都精确地锚定在中国春（CS）端粒到端粒（T2T）参考基因组上，从而保证了高水平的基因组位置准确性。这84,661个位点在A（37.9%）、B（42.5%）和D（18.0%）亚基因组中的分布不均，其中46.91%的位点位于基因区域内。我们对190份材料以及由陕西白麦（Shaanxibaimai）和L43杂交产生的200个F₂个体进行了基因分型，分别获得了91.0%和71.0%的高质量标记。共有1041个中国小麦品种参与了基因分型，这些品种代表了八个主要农业生态区。主成分分析（PCA）显示，前两个主成分共同解释了12.4%的总遗传变异。通过整合“栽培与利用价值”（Value for Cultivation and Use, VCU）试验中的七项加工品质性状（包括面团稳定性时间、面团发育时间、最大抗性、伸展面积、谷物质地、水分吸收率和硬度指数）的表型数据，进行了全基因组关联研究（GWAS）。共检测到294个显著的标记-性状关联（MTAs），对应于62个与这些加工品质性状相关的QTLs，并在1D染色体（408–423 Mb）上鉴定出一个多效区域，该区域调控多种面团品质性状，解释了7.18–31.56%的表型变异。5D染色体（2.7–7.0 Mb）上的另一个关键位点与谷物硬度和质地相关，解释了0.11–16.53%的表型变异。在3D染色体（与面团发育时间和最大抗性相关）、5A染色体（与谷物质地相关）和6D染色体（与水分吸收相关）上还鉴定出了一些新的QTLs。进一步对这些新的QTLs进行了候选基因分析，发现多效QTL QDDT/DST/MR/EA.baaf-3D能够解释12.39–27.08%的面团相关性状表型变异，凸显了其在小麦品质改良中的潜在价值。为了促进小麦育种中的高效标记辅助选择（MAS），我们成功为与加工品质性状相关的关键位点开发了四种竞争性等位基因特异性PCR（KASP）标记。总体而言，BAAFS Wheat 90 K SNP阵列为小麦遗传研究和育种应用提供了一个成本效益高、保真度高的基因组工具，包括种质资源评估、遗传作图、品种鉴定、精确育种、MAS和基因组选择（GS），尤其在揭示小麦加工品质的遗传基础和加速关键农艺性状的遗传改良方面具有显著作用。

在本研究中，我们报告了高质量BAAFS Wheat 90 K SNP阵列的开发情况，该阵列用于小麦品种的分子特性分析，并系统验证了其在识别影响小麦加工品质遗传位点方面的实用性。该优化阵列结合了来自Illumina Wheat 90 K iSelect SNP阵列和Axiom^? Wheat 660 K SNP阵列的高质量SNP标记，最终得到了84,661个遗传位点。其中79个位点是基因特异性的功能标记，所有位点都精确地锚定在中国春（CS）端粒到端粒（T2T）参考基因组上，从而保证了高水平的基因组位置准确性。这些84,661个位点在A（37.9%）、B（42.5%）和D（18.0%）亚基因组中的分布不均，其中46.91%的位点位于基因区域内。我们对190份材料以及由陕西白麦（Shaanxibaimai）和L43杂交产生的200个F₂个体进行了基因分型，分别获得了91.0%和71.0%的高质量标记。共有1041个中国小麦品种参与了基因分型，这些品种代表了八个主要农业生态区。主成分分析（PCA）显示，前两个主成分共同解释了12.4%的总遗传变异。通过整合“栽培与利用价值”（Value for Cultivation and Use, VCU）试验中的七项加工品质性状（包括面团稳定性时间、面团发育时间、最大抗性、伸展面积、谷物质地、水分吸收率和硬度指数）的表型数据，进行了全基因组关联研究（GWAS）。共检测到294个显著的标记-性状关联（MTAs），对应于62个与这些加工品质性状相关的QTLs，并在1D染色体（408–423 Mb）上鉴定出一个多效区域，该区域调控多种面团品质性状，解释了7.18–31.56%的表型变异。5D染色体（2.7–7.0 Mb）上的另一个关键位点与谷物硬度和质地相关，解释了0.11–16.53%的表型变异。在3D染色体（与面团发育时间和最大抗性相关）、5A染色体（与谷物质地相关）和6D染色体（与水分吸收相关）上还鉴定出了一些新的QTLs。进一步对这些新的QTLs进行了候选基因分析，发现多效QTL QDDT/DST/MR/EA.baaf-3D能够解释12.39–27.08%的面团相关性状表型变异，凸显了其在小麦品质改良中的潜在价值。为了促进小麦育种中的高效标记辅助选择（MAS），我们成功为与加工品质性状相关的关键位点开发了四种竞争性等位基因特异性PCR（KASP）标记。总体而言，BAAFS Wheat 90 K SNP阵列为小麦遗传研究和育种应用提供了一个成本效益高、保真度高的基因组工具，包括种质资源评估、遗传作图、品种鉴定、精确育种、MAS和基因组选择（GS），尤其在揭示小麦加工品质的遗传基础和加速关键农艺性状的遗传改良方面具有显著作用。