小麦数量遗传学及分子育种应用的一点思考

我是“一麦众承”13号（麦行天下）组成员崔法，我组成员还有杨海川（组长）、宋建喜、张海军、张震 、董普辉、马小飞、梁文化、阎俊。我代表“麦行天下”小组值日，今天想给大家分享关于小麦数量遗传学及分子育种应用的一点所思所想，不妥之处，敬请各位批评指正。

谈及基础研究与应用研究的结合，特别是小麦数量遗传学及分子育种应用领域，经常得出的结论或评价是：“脱节”、“两张皮”、“基础研究就是为了发文章，对育种没什么用”，等等诸如此类。本人一直从事小麦数量遗传学研究，也一直在向各位前辈学习小麦分子育种相关研究，参与审定了一些小麦新品种。以下将结合我个人的科研经历，谈谈小麦数量遗传学及分子育种应用领域一些个人不成熟的看法。

一、高密度遗传连锁图谱构建

小麦基因组拥有约170亿个碱基对，每条染色体就相当于一条高速公路，而分子标记就相当于高速公路上的路标指示牌，分子标记遗传连锁图谱就相当于带有多种类型路标指示牌的一条被分解的高速公路。正是因为有了各种路标指示牌的存在，我们才能清楚了解每条高速公路上的不同风景，并依此规划我们的行程，根据我们的出行目的高效地选择我们应走的高速公路及最佳高速公路的出入口（图1）。（简单科普一下，请勿见笑）

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           图1 分子标记遗传连锁图谱示意图

研究生求学阶段至今，本人曾经构建了5套小麦遗传连锁图谱，其中在中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心李俊明研究员小麦分子育种团队工作期间利用科农9204和京411衍生的KJ-RIL群体构建的小麦高密度遗传连锁图谱具有一定的影响力，该图谱包含了119566个分子标记，其中119001个分子标记来自中国农业科学院作物科学研究所贾继增研究员团队研发的小麦660K SNP芯片的SNP标记（图2）。该文章自2017年发表以来引用率高达141次，连续多年高倍引（google搜索）。目前我们鲁东大学麦类分子育种创新团队已在该图谱的基础上，构建了包含60余万标记的超高密度一致性整合图谱，几乎囊括了目前常用的所有分子标记，相关结果我们正在整理，待发表。

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      图2 基于KJ-RIL群体小麦高密度遗传连锁图谱

先简单介绍一下我们用于KJ-RIL群体构建的两个亲本。科农9204是原所在工作单位中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心李俊明研究员团队自主选育的高产、氮高效小麦品种，目前利用该品种作为亲本已经选育了数十个小麦新品种（图3）；而京411也是我国北部东麦区的常用骨干亲本，相信各位同仁对这两个小麦品种都有所了解，在此不再赘述。正是因为我们选择的两个材料均是国审小麦品种，高产性状突出，且优势互补，我们认为基于该作图群体能够挖掘到育种家可用的高产基因位点。

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           图3 小麦候选骨干亲本科农9204系谱图

二、小麦高产基因位点挖掘及育种选择效应解析

基于上述高密度遗传连锁图谱及8-10个环境产量性状表型鉴定，我们检测到控制37个产量相关性状的968个QTL信号，分布于小麦21条染色体区段。这些QTL信号存在多个多环境间稳定主效QTL及多性状共定位QTL簇（图4，图5）。

我们对4个控制穗粒数的主效稳定QTL进行聚合效应分析，发现在低氮（LN）和高氮（HN）条件下，4个穗粒数QTL优异等位基因的聚合可分别增加35.1%（约12.1粒）和29.5%（约10.6粒）的穗粒数（图6）。以上结果表明，四个QTL在育种中具有重要的应用价值。我们已经开发了上述4个穗粒数QTL紧密连锁基于PCR检测技术的分子标记，并应用于我们团队的分子育种生产实践，效果良好。

利用科农9204衍生的品种及高代系为材料，对16个主效稳定QTL区段的育种选择效应进行了遗传解析，发现在12个QTL区段优异单倍型区段在科农9204衍生后代中已经被优先选择，其区段传递率为52.4-100.0%，在9个QTL区段（75%）的传递率高达90.0%以上。我们利用国内外育成品种组成的自然群体对部分区段也进行了育种选择效应解析，也发现了优异单倍型区段被高频率选择的现象。

以上结果显示，资深育种家拥有火眼金睛的超高技能，育种家在新品种选择过程中，其实就是对关键产量位点优异基因的选择、固定和聚合。也暗示我们，如果提前对关键QTL区段进行分子标记基因型鉴定和定向选择，可以进一步提高育种选择效率，加速育种进程，降低大田表型鉴定的工作量。

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图4 基于KJ-RIL群体小麦产量性状QTL挖掘及基因组分布

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图5基于KJ-RIL群体2D染色体小麦产量性状QTL信号分布

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图6基于KJ-RIL群体四个穗粒数主效稳定QTL聚合效应分析

三、烟台系列小麦高产遗传基础解析

烟台市农科院自开展小麦育种研究以来，已有60余年历史。烟台地处胶东半岛，春季干旱，倒春寒频发，夏季潮湿，小麦白粉病、锈病、纹枯病等频发，干热风轻，灌浆持续时间长，小麦产量潜力大。现已育成小麦品种28个，比如上世纪60年代骨干亲本蚰包麦，80年代的优质小麦烟农15，90年代的骨干亲本鲁麦13和鲁麦14，00年代的强筋小麦烟农19，再到近些年的超高产优质小麦烟农999和烟农1212等一系列重要小麦品种（图7）。目前登海种业股份有限公司翟冬峰副院长团队选育的登海系列小麦新品种如登海202、登海206、登海208等小麦品种也是丰产性状突出，综合表现良好。

本人于2016年8月到烟台鲁东大学工作，与很多前辈同行交流时，经常被问到的一个问题是：“你现在已经在烟台从事小麦研究，你认为烟台小麦高产的关键遗传基础是什么？”五年来，在烟台市农科院、登海种业股份有限公司等前辈、兄弟朋友的鼎力支持下，我们做了一些烟农系列及胶东地区小麦育成品种（系）高产遗传基础解析相关研究工作。结果显示，烟农系列及胶东地区小麦育成品种（系）已经富集了较高比例的千粒重、单株产量相关性状的优异等位基因，在千粒重方面表现尤为突出，其优异等位基因占比在90%以上；在穗粒数、单株穗数方面其优异等位基因占比还相对较低（图8）。

对此结果也进行了深思，与姜鸿明副院长、王江春研究员、翟冬峰副院长、李林志副处长、孙晓辉副研究员等前辈、同仁进行了深入探讨，一致认为我们的研究结果与诸位育种家对相关品种的认识和育种选择过程高度一致。众所周知，烟台春季平均始于4月13日，止于6月24日，持续72天，小麦灌浆期干热风轻或无干热风现象，灌浆持续时间长，特殊的气候条件决定小麦粒重能够得到高效选择，单株水平的潜力能够得到充分发挥；基因在，潜力就在；环境具备，潜力就可以发挥，育种选择就具有高效性。该研究结果从另外一个层面暗示我们，未来烟台小麦品种潜力的进一步挖掘需要加强对穗粒数及单株穗数相关性状的关注，其中分子育种手段能够加速相关性状遗传改良的进程。

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                图7 烟农系列小麦品种回顾

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图8 部分烟农小麦产量相关性状优异等位基因占比分布

四、分子育种应用的一点思考

上面基础研究解析说的也很热闹，可育种家所关注的应用方面，可能还是感觉云里雾里，不知如何继续推动。限于本人知识积累有限，才学疏浅，仅结合我们团队目前开展的工作，谈谈自己一点不成熟的想法。

分子标记辅助选择应该是最易被各位育种家理解并接受的分子育种技术，也是比较初级的分子育种策略，该技术在诸如抗病、品质等质量性状遗传改良应用方面效果较好，前提是必须有紧密连锁或共分离的有效分子标记，易于通过PCR或芯片技术检测，成本一般较低，效果较好。目前已经有很多可用的抗病、品质性状分子标记，其中中国农科院作物所夏先春研究员主编的《小麦分子标记实验指导书》对相关分子标记有非常详细的介绍，相关已发表的论文文献也很多，在此不再赘述。

对于产量相关性状遗传改良，全基因组选择育种策略是目前的研究热点，也是产量性状遗传改良的有效育种策略。全基因组选择，到底使用多少标记最合适？检测成本控制到什么范围能够被育种家所接受？如何选择对应的全基因组选择有效预测模型？有没有与全基因组选择模型对应的专用育种芯片？芯片检测报告是否通俗易懂，准确有效？这应该是困扰全基因组选择育种继续往前推动的几个关键问题。目前我们与中国科学院遗传与发育生物学研究所凌宏青研究员团队、河南农业大学陈峰教授团队、山西农业大学郑军教授团队联合开展相关研究，初步结果显示，全基因组选择育种并非标记越多越好，基于前人QTL研究结果及metaQTL分析得到经验关键区段标记探针选择可以实现对产量性状的准确预测。我们也对二十余种全基因组预测模型进行综合比较分析，分析其预测准确性，目前结果还不完善，期待以后有机会与各位分享。概括起来，我们的初步研究结果显示，有效地结合前人数量遗传学结果选择探针，设计专用育种芯片，并研发与育种芯片对应的全基因组选择模型，能够做到检测成本可控，芯片检测报告有效可用，易于被育种加接受和认可，全基因组选择育种策略可以得以推广应用。

除了育种芯片，基于复合PCR技术多标记快速检测引物包也可用于目前我们分子育种的实践。在山东省小麦产业体系首席科学家、山东农业大学农学院院长孔令让教授指导下，在山东省良种工程项目等多个项目的支持下，团队结合前期多个产量性状主效稳定QTL开发的分子标记进行优化组合，设计了多套产量性状分子标记快速检测引物包，扩增效果良好，一次可以实现多个分子标记的高效检测，特别适合于具备基本的PCR及电泳检测技术的育种团队。虽然没有对应的表型预测模型，但我们相信，基因在，潜力即在，有效的分子标记是确保获得优异表型的前提。目前项目组已经利用相关引物包完成育种品系的基因型鉴定，期望能尽快看到其在育种应用方面开花结果，完成相关品种的审定。

基因编辑技术是目前非常火爆的分子育种技术，该技术操作的前提是必须有精准的靶标基因位点。限于小麦基因组庞大且复杂，目前已经成功克隆的基因标记资源有限，基因编辑技术还很难实现在分子育种领域的广泛应用。但相信随着基础研究的推进，基因编辑技术必将逐步走向分子育种生产实践，通过创制更多优异单倍型及等位基因类型实现突破性小麦新品种的培育。

五、小结

综上，我想发表一下自己不成熟的一点看法：育种家不仅仅是艺术家，更是科学家，是遗传学家，他们是智者，他们在育种过程中已经悄无声息地把相关优异基因固定下来，并进行了有效聚合和应用，这是一种无形的选择。分子技术的发展和应用，使得我们可以从理论上解析、揭示这些选择信号。过去：凡事有迹可循！未来：凡事有章可循！小麦数量遗传学基础研究与分子育种应用研究之间是有机的整体，二者之间相互促进，不是两张皮，小麦遗传学及基因组学的发展必将能够加速小麦遗传改良进程，促进突破性小麦新品种的培育。

感谢在育种道路上给予支持鼓励的老师专家同仁们；感谢“一麦众承”这个相互交流互帮互助的大家庭， 学习交流收获良多。

文章疏漏，不足之处，敬请批评指正。谢谢！

                               2022.4.7

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鲁东大学农学院麦类分子育种创新团队介绍：鲁东大学农学院麦类分子育种创新团队2019年获山东省高等学校“青创科技计划”支持，为省级优秀青年科研创新团队，主要从事小麦遗传连锁图谱构建与整合、产量相关性状基因克隆与功能解析、养分高效利用基因位点挖掘、表观遗传学及分子育种等工作。团队现有专任教师6人，团队负责人崔法教授为山东省优秀博士论文获得者、山东省优青获得者、中科院青年创新促进会会员，农学院副院长。团队目前承担国家、省部级项目近20项，累计在Nature Communication、New Phytologist、Molecular Plant、the Plant Journal、Theoretical and Applied Genetics等顶级期刊发表学术论文70余篇，授权发明专利10项，参与审定小麦新品种6个。获山东省高等学校优秀科研成果一等奖、三等奖各1项。