阿拉拉特小麦和提莫菲维小麦的遗传多样性和群体结构

遗传多样性是育种计划中改良小麦新品种的重要资源。提莫菲维系小麦(A^tA^tGG, 2n=4x=28)是改良普通小麦的重要基因资源，它包括野生种阿拉拉特小麦和栽培种提莫菲维小麦。课题组采用荧光原位杂交(FISH)和简化基因组测序(GBS)对35份阿拉拉特小麦和15份提莫菲维小麦的遗传多样性和种群结构进行了分析。该研究结果为将来利用阿拉拉特小麦和提莫菲维小麦改良普通小麦提供了重要信息。

阿拉拉特小麦的A^t和G基因组中分别有14个和19个FISH信号变异，而提莫菲维小麦仅在G基因组中有两种信号变异（图1）。阿拉拉特小麦染色体3A^t、4A^t、6A^t、7A^t、5G和7G仅有一种信号类型，存在7种染色体重排类型T2A^t:6A^t, T1G:4G, T2G:4G, T5A^t:3G, T5A^t:1G, T2G:4G:6G, T6G:7G（图1）。

图1.阿拉拉特小麦和提莫菲维小麦FISH分析

GBS分析获得了190,402个SNPs标记，其中最低和最高频率的SNPs分别在G和A^t基因组中（图2）。遗传多样性分析表明，GD和PIC均值分别为0.30和0.26，范围分别为0.1-0.5和0.1-0.4。4G和2A^t染色体上的SNPs数量最低和最高，分别为7748和17527（图2）。

图2.阿拉拉特小麦和提莫菲维小麦基因组A^t和G在所有染色体上的SNP分布

群体结构和聚类分析将50份材料分为两类(POP1和POP2)（图3），POP1和POP2具有较高的遗传多样性。从190,402个高质量SNPs中筛选出纯合SNPs（AA、TT、CC和GG），然后在阿拉拉特小麦和提莫菲维小麦的染色体相同物理位置筛选出了4139个不同的纯合SNPs（图4）。阿拉拉特小麦和提莫菲维小麦之间的差异SNPs广泛分布于所有的染色体上，2A^t、3A^t、5A^t和6A^t染色体上分布较多。

图3.阿拉拉特小麦和提莫菲维小麦遗传聚类分析

图4.阿拉拉特小麦和提莫菲维小麦差异SNPs分布

来自AS273的3034个特异性SNPs的分析结果表明，AS273的染色体2A^t、5A^t、7A^t、3G、4G和6G来自阿拉拉特小麦，染色体1A^t、3A^t、4A^t、6A^t、1G、2G、5G和7G来自提莫菲维小麦（图5）。结果表明，AS273一半以上的遗传信息来自提莫菲维小麦，其余遗传信息来自阿拉拉特小麦。因此，AS273是一个阿拉拉特小麦和提莫菲维小麦的天然杂种。

图5.阿拉拉特小麦和提莫菲维小麦不同SNPs在AS273染色体上分布

该研究结果以“Population structure and genetic diversity ofTriticum araraticumJakubz. andTriticum timopheeviiZhuk.”为题于2023年1月24日在国际期刊Genet Resour Crop Evol（https://doi.org/10.1007/s10722-023-01537-4）在线发表。四川农业大学小麦研究所已毕业硕士研究生彭挺为论文第一作者，刘登才教授团队的张连全教授为论文通讯作者。本研究得到了四川省重点研发计划项目（2021YFYZ0002）和国家自然科学基金项目（91935303和31671682）的资助。