生物育种智库第三期 | 小麦660K与55K SNP芯片在基础与应用研究领域的应用

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普通小麦 (Triticum aestivum L.) 是世界主要粮食作物，作为与水稻和玉米并列的“三大”谷物之一，小麦提供了全球约20%的营养热量¹。但是，小麦基因组庞大，与水稻和玉米相比，其遗传多样性和优异性状变异图谱仍有待完善。

普通小麦是六倍体，包含3个亚基因组，其进化历史经历了两次染色体加倍事件。因此，小麦基因组是高度复杂的。它不仅包含大约5倍于人类基因组的碱基对数量(17 Gb)，而且80%的小麦基因组为高度重复的序列，进一步加大了小麦遗传研究的难度。此外，作为典型的多倍体作物，小麦两次染色体加倍增强了其可塑性，成为全球种植范围最广的植物。3个亚基因组既独立又互作，是影响六倍体小麦遗传多样性的主要因素之一。

培育高产优质、绿色环保小麦新品种是当前小麦育种的重点和目标，这就要求小麦品种不仅高产更要稳产，提高小麦对生物和非生物胁迫的抗性和对不断变化的气候的适应性。多倍化和驯化过程中的群体瓶颈效应和奠基者效应、以及当前选择的育种亲本有限，导致目前小麦育成品种多样性显著低于地方品种及其野生祖先种。因此，充分发掘和利用地方品种和野生祖先种的优异等位变异，是改变当前小麦品种遗传基础狭窄、应对各种不利环境的有效途径。

为此，小麦研究人员需要建立全基因组的变异图谱。通过SNP芯片进行SNP聚类并生成单倍型图谱（HapMap），并通过全基因组关联分析明确重要农艺性状相关单倍型，从而加速小麦全基因组选择育种。

为了快速高效地发现小麦基因组中的遗传变异，并分析这些变异对小麦性状的影响，SNP基因分型芯片技术应运而生并迅速发展，其广泛应用将会在全基因组水平揭示小麦遗传多样性变异和重要农艺性状调控基因及染色体区段。

中国农业科学院作物科学研究所小麦基因资源团队利用自主测序的小麦D基因组祖先种粗山羊草和普通小麦矮抗58以及包括野生祖先种、国内外地方品种和现代育成品种在内的400份小麦材料重测序获得的基因组变异信息，基于Axiom基因分型技术开发了有完全知识产权的660K高密度与55K中密度SNP芯片。与国外的同类芯片相比，上述两款芯片具有通量高、检测效率高、性价比高的优点，得到了国内同行的广泛认可。高通量660K单张芯片可检测66万个位点，这是该团队在多倍体作物SNP芯片研制上的首创，此前国外开发的多倍体作物单张芯片检测位点最多只有40多万，该芯片是评估多倍体小麦遗传多样性和研究其性状变异遗传基础的强大工具；中通量55K芯片检测精准而高效，有效标记数在90%以上，一个双亲作图群体可定位到遗传图谱上的SNP标记高达35,000个。这两款小麦芯片已经在我国小麦基础与应用研究领域发挥了重要的作用。

国内从事小麦研究的农业院校和科研机构以及育种单位已利用660K和55K SNP芯片，在小麦遗传图谱构建、群体结构分析、遗传变异检测、全基因组关联分析、重要农艺性状QTL定位、BSA-基因定位等领域开展了广泛、深入的研究。截至2023年7月，基于这两款芯片的小麦遗传研究内容在国内外杂志发表论文累计150余篇，报道了与小麦抗病、抗逆、株型、品质和产量等重要农艺性状基因/QTL 3000余个。例如，有4篇文章报道在小麦染色体1A长臂584.1-590.0Mb区间检测到与千粒重、籽粒长度和穗长相关（BMC Genet., 2019,20(1):77; BMC Genomics, 2019, 20(1):640; Theor Appl Genet., 2020 , 133(10):2897-2914; Ann Bot., 2023,19:mcad003），660K 和55K SNP芯片上的SNP探针AX-111476496、AX-109558656和AX-110587308被重复检测到与性状显著相关，证明该染色体区段作为小麦产量候选区段深入分析的可靠性。对于决定小麦产量的重要因素千粒重，利用660K和55K SNP芯片检测到175个QTL，分布于21条染色体上；如果将10Mb范围内的显著相关位点合并，共有135个染色体区段与小麦千粒重相关。从中发现，不同实验室在小麦染色体1A、1D、3A、4A、5A和5B分别检测到可重复的6个与千粒重显著相关的位点，即6个显著相关SNP在不同实验室检测结果一致。这些结果表明，660K和55K SNP芯片在小麦遗传分析中的有效性，更重要的是，提供了不同实验室间结果的可比性。

此外，小麦660K和55K SNP芯片还被用于小麦族其他物种的遗传分析，例如小麦族冰草属遗传图谱构建（Plant Biotechnol J, 2018, 16(3):818-827）、我国粗山羊草属分布和适应性进化分析（J Genet Genomics, 2022, 49(3):185-194），累计发表相关文章15篇。这些结果显示，660K和55K SNP芯片不仅用于小麦遗传研究，同样可以用于目前缺乏基因组和有效标记的小麦近缘种属的遗传研究。

1.Brenchley, R., et al. (2012) “Analysis of the bread wheat genome using whole-genome shotgun sequencing,” Nature, 491 (pp. 705–710). doi:10.1038/nature11650.