我室植物免疫团队开发小麦GBW16K液相芯片促进小麦遗传研究和分子育种

单核苷酸多态性（SNP）标记被广泛用于小麦种质资源挖掘、基因/QTL的鉴定，重要性状解析等遗传研究以及分子育种。从头组装、全基因组重测序等方案是最全面的鉴定大量种质资源中DNA变异的方法，但是由于小麦基因组庞大，采用该方案价格太过昂贵。因此多种性价比相对较高的基因分型策略，如简化基因组测序和SNP芯片技术被开发出来。简化基因组测序技术具有随机性，基因分型会受到稳定性、可靠性等限制，当前小麦中已有的15K、35K、50K、55K、90K、660K和820K等SNP芯片均采用固相芯片技术，固相芯片往往需要特定的测序平台，并且只能检测固定的SNP位点，基因分型成本较高。基于靶向测序和液相捕获技术的液相芯片与固相芯片相比，具有技术要求更低、更经济和更灵活等优势，因此已成为目前最受欢迎的基因分型技术。

近日，我室植物团队在Plant Communications上在线发表了题为“Development and application of the GenoBaits®WheatSNP16K array to accelerate wheat genetic research and breeding”的研究论文。该研究利用课题组1520份小麦660K SNP芯片数据和20份小麦重测序数据产生的变异数据集，开发了GenoBaits®WheatSNP16K（GBW16K）液相芯片，并将其成功应用于小麦种质资源的多样性评估和亲缘关系分析。此外，该芯片还用于双亲群体的遗传图谱构建，以及抗病基因精细定位。

GBW16K芯片包含6.5 K靶向探针和14,868个目标SNP区域，这些区域呈均匀地分布，基本覆盖小麦整个基因组范围，按照1 Mb大小的窗口，仅有3个>5Mb的Gap区域（图1）。对多个不同品种进行批次间重复和DNA重复测试，GBW16K的检出率和基因型具有高度的相似性和一致性（>99.3%）。

图1 GBW16K芯片的设计与统计

A: GBW16K芯片设计流程；B: 每条染色体上靶向SNP区段的数目；C:靶向SNP区段在染色体上的分布；D: SNP区段在基因组上的分布；E： 3个>5 Mb的gap在基因组上的位置

对包含239份小麦的自然群体进行分析，鉴定到37,669个SNP，主成分和进化树分析显示与这些材料的系谱信息和地理分布或植物生态环境相一致，材料间的平均遗传多样性为0.270，能够满足遗传图谱构建、初步的QTL定位、BSA混池分析、遗传背景相似性评估等研究的需求（图2）。

图2 GBW16K芯片在239的小麦品种（系）中的验证

A: CoreSNPs的最小等位基因频率的分布；B: GBW16K芯片在随机两个小麦品种间的多态性；C: 239个小麦品种（系）的系统发育树；D: 239个小麦品种（系）的主成分分析

利用GBW16K芯片构建了由CIMMYT小麦品系Yaco'S与中国地方品种铭贤169的RIL群体遗传连锁图谱，并通过全基因组连锁分析鉴定出4个成株期抗条锈病位点，其中2BS、2BL和3BS位点来自抗病亲本Yaco“S”，7DS位点来自铭贤169（图3）。

图3 Yaco“S”×铭贤169重组自交系（RIL）群体的抗条锈表型和QTL分析

A: 亲本Yaco“S”和铭贤169的条锈病抗性反应；B: Yaco“S”×铭贤169 RIL群体的反应型和严重度分布；C：四个抗条锈病位点的遗传图谱

根据精细定位、分子标记以及相对位置分析，2BS、3BS、7DS位点分别为Yr27、Yr30和Yr18基因，2BL位点为新抗病位点不同于以往报道的基因/QTL。在1520份小麦中，QYr.nwafu-2BL.4区段存在3种主要的单倍型，其中Hap_1（Yaco“S”）为优异单倍型，具有更低的病害反应型和严重度。综合共线性分析、基因注释、基因表达和SNP数据，共筛选到6个注释基因作为QYr.nwafu-2BL.4的候选基因（图4）。

图4 QYr.nwafu-2BL.4的物理位置、单倍型分析和候选基因

A: QYr.nwafu-2BL.4与已报道的条锈病抗性基因/QTLs的相对位置；B: 基于660K芯片数据的1520份小麦种质QYr.nwafu-2BL.4区间的系统发育树；C:不同单倍型条锈病抗性比较；D: QYr.nwafu-2BL.4区间高可信度基因的表达水平；E: 6个候选基因的基因结构和氨基酸变异

西北农林科技大学学郑炜君副教授，李春莲副教授和吴建辉副教授也参与了此项研究，国际玉米小麦改良中心Ravi P. Singh和Sridhar Bhavani教授为本论文提供了帮助。作物抗逆与高效生产全国重点实验室实验平台为本研究完成提供了技术支持。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等项目的资助。