小麦-四倍体长穗偃麦草1E/1D代换系鉴定及特异分子标记开发

普通小麦是主要的粮食作物之一，然而驯化过程严重地降低了其遗传多样性，从而大大制约了高产，优质，抗性优良的小麦新品种的培育。小麦近缘物种基因组中携有大量控制抗病性以及产量，品质等位变异基因。通过远缘杂交，将野生种质的优良等位基因导入主栽小麦品种，是改良小麦遗传多样性，培育优异小麦新品种的重要手段。本课题组长期致力于通过远缘杂交，并结合细胞遗传学，分子标记开发以及辅助选择育种等手段，转移外源遗传变异，培育小麦新品种研究（Li et al，2018a）。在本研究中，我们通过远缘杂交将硬粒小麦-四倍体长穗偃麦草双二倍体8801（AABBEE）与四川小麦品种蜀麦482和蜀麦921进行杂交、回交，得到小麦-四倍体长穗偃麦草染色体代换系K17-841-1。

利用前期开发的四倍体长穗偃麦草染色体特异性FISH标记（Li et al，2018b），结合GISH分析，表明K17-841-1是1E/1D代换系（图1）。这一结果进一步得到基于1D染色体特异性SSR标记的PCR结果佐证。

图1. K17–841-1的GISH和FISH鉴定

对K17-841-1及其亲本进行农艺性状考察和条锈病鉴定，结果发现，导入外源染色体并没有影响栽培小麦的产量构成等重要农艺性状(图2)，并且K17-841-1表现高抗条锈病的特性（图3）。

图2. K17–841-1及亲本植株、穗子和籽粒形态

图3. K17–841-1及亲本的抗条锈病鉴定

通过GBS对二倍体长穗偃麦草PI531718,四倍体长穗偃麦草PI531750,小偃麦8801, K17-841-1和2E-7E小麦-长穗偃麦草代换系进行测序，挖掘四倍体长穗偃麦草1E染色体特异性标记。通过生物信息学分析，我们一共得到597个1E特异的染色体片段，设计了235对PCR引物。通过PCR验证，一共得到165对1E染色体特异性标记。为了验证这些标记的特异性和稳定性，我们在11个小麦二倍体及含E基因组的多倍体物种进行验证，25对标记仅能检测四倍体长穗偃麦草1E染色体，28对标记可以准确检测二倍体、四倍体、十倍体长穗偃麦草和含有E基因组的多倍体物种中的1E染色体（图4）。58, 32, 5, 8, 28, 8, 13, 50, 73标记在E^b, St, V, H, P, R, Ns, StE, StEP扩增条带；48和74标记在E^e和E^b，E^e和St之间表达出多态性。

进一步验证这些标记在小麦育种中的应用价值，我们构建了K17-841-1与蜀麦969的F2群体，通过对分离群体单株的条锈病抗性鉴定、特异标记检测和GISH分析(图5和6)，表明这些特异标记能准确追踪1E染色体上携带抗条锈病基因。

图4 1E染色体特异引物在小麦近缘物种中的扩增结果

图5.标记TTE1E-21在K17–841-1/SM969 F₂群体中的扩增结果

图6. K17–841-1/SM969 F₂群体的抗条锈病鉴定

该结果于2019年12月10日发表于国际遗传学杂志BMC Genomics，”characterization of a wheat-tetraploid Thinopyrum elongatum1E (1D) substitution line K17-841-1 by cytological and phenotypic analysis and developed molecular marker”.

该研究得到国家重点研发计划（2016YFD0102000, 2017YFD0100905）,国家自然科学基金（No.31771781, 31971883）资助。

文章链接：https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-019-6359-9

参考文献:

Li DY, Long D, Li TH, Wu YL, Wang Y, Zeng J, Xu LL, Fan X, Sha LN, Zhang HQ, Zhou YH, Kang HY (2018a) Cytogenetics and stripe rust resistance of wheat–Thinopyrum elongatumhybrid derivatives. Molecular Cytogenetics 11:16

Li DY, Li TH, Wu YL, Zhang XH, Zhu W, Wang Y, Zeng J, Xu LL, Fan X, Sha LN, Zhang HQ, Zhou YH, Kang HY (2018b) FISH-based markers enable identification of chromosomes derived from tetraploidThinopyrum elongatumin hybrid lines. Frontiers in Plant Science. 9:526