中国小麦改良的生态基因组学:在适应育种中的意义

背景

中国有适应不同环境的多种小麦品种，被分为十个农业生态区。更好地了解农业生态区之间的基因组差异和选择模式，可以为育种中特定适应性性状的选择提供有用的信息。

结果

利用竞争等位基因特异性PCR (KASP)标记对47个小麦产量、品质、适应和抗逆性基因进行了分型。系统发育树和主成分分析表明，冬春生长习性存在明显差异。核苷酸多样性(π） 和π比率 （π_CL./π_{世纪挑战集团})，表明遗传多样性在育种过程中有所增加，而I-V区中国地方品种对现代中国品种的贡献不大。π比例和FST识别24个KASP标记，具有53个强的选择信号，特定于区域I（9信号），II（12），III（5），IV（5），V（6）和VI（6）。具有澄清遗传分化和对至少三个区域的选择的强烈反应的基因是叶锈病基因Lr34(I, II, III和IV)，光周期敏感基因Ppd-D1（I，II，III，IV和V），春化基因VRN-B1（V，VII，VIII和X），与质量有关的基因glu-b1(I, II和III)和产量相关基因SUS1-7B.(I、II、III、IV及IX)Sus2-2A（I，II，III。，IV和VI）和GW2-6B(II、V和VI)。

结论

本研究多个基因的选择每个区域，跟踪的重要遗传变异生态基因组学和不同农业生态区未来的启发育种目标的分布和提供有用的信息。

中国是全球最大的小麦生产国和消费国。小麦种植区稍微任意分成十个农业生态区与温度，光照，以及生物和非生物胁迫[不同的反应均具有品种1］．秋播品种占生产和区域跨越区域的约90％I（总生产面积的4％），II（60％），III（13％），IV（10％）和V（次要区域生产），而春播小麦覆盖只有7％的总面积的跨区域VI，VII和VIII。区IX和X同时具有秋季播种和春播小麦，但在这些领域春播小麦表示只有3％的总小麦种植面积在该国[2］．

目前，通过位置或基于地图的克隆（例如）鉴定了许多基因并在小麦中克隆，例如RHT-1[3.]，VRN-1[4.]，Lr21[5.]，Lr34[6.]，Pm21[7.),而FHB1.[8.那9.那10］．随着测序和生物信息技术的进步，对比遗传导致了调节粒度和晶粒尺寸的几种基因。质量相关的基因主要包括多酚氧化酶的基因或基因套（PPO)[11]，植物合成酶（PSY1)[12-胡萝卜素去饱和酶(ZDS1.)[13]，和编码高和低分子量的麦谷蛋白亚基的基因[14］．包括晶粒尺寸和粒重的基因TaSus2-2B[15]，TaCwi-A1[16]，TaCKX-D1[17]，Tagw2-6a，6b.[18那19那20.]，TaSus1和TaSus2[15那21]，Tagasr-A1[22]，标签-D1[23那24),而TaTGW6[25］．从这些基因的克隆的最显著实际结果已经功能标记，其允许在非基因型种质或辅助的育种遗传标记的那些基因/等位基因的鉴定的推导。

功能性标志从功能基因的图案衍生和完全挂钩有利等位基因赋予目标性状[26］．最重要的是，功能性标记具有优于随机DNA标记，它们不是具体人口。迄今为止，在小麦超过150点的功能的标记，已经开发了100克隆的基因适应，谷粒产量，抗病性，最终使用的品质，和公差对生物和非生物胁迫。许多这些标记随后转化成高通量KASP试验和育种计划[被广泛采用27那28那29］．许多标记也被用来揭示等位基因在位点上的功能和相互作用，如VRN-A1那Rht-D1和Ppd-B1[30.]，探索在自然变异WBM.（面包质量），glu-b1(针对Bx7^OE特别是等位基因)Sec1（1B.1R转）全球小麦集合[31]，并更好地了解籽粒产量的遗传成分[32］．一项对来自亚洲、欧洲、北美和国际小麦和玉米中心(CIMMYT)的1152份小麦材料的研究显示，人类对多基因有利等位基因的选择[33］．这些出版物集体证明了Kasp标志物将对基因组学和小麦的繁殖是非常有用的。

在中国的过去70年的小麦繁殖中，在提高粮食产量，质量，应力和适应方面存在巨大进展。随着不同农业生态区的广泛纬度和普遍存在的气候条件，从降雨量到沙漠环境，气候，农艺和饮食适应都需要许多不同的特质组合。对大多数等位基因的遗传变异和分布的声音理解不同地区的变化可以提供不仅在中国的育种计划的有价值的信息，而且可以为全球范围内提供有价值的信息。在这项研究中，从中国所有麦子区收集的438个小麦戒指是基因分型，与粮食产量，质量，应力反应和适应有关的52个功能凯斯姆标记物。区区内遗传变异的比较显示了关键等位基因的基因流模式，并为生态基因组学提供了有用的信息，并为不同地区建议未来的育种目标。

中国十大农业生态区小麦种质资源的种群结构

原理成分分析（PCA）将进入分为两个主要群体，即中国地体（CL）和现代中文品种（MCC）（图。1a，b）。平均值Fst和CL与MCC之间的基因流分别为0.13和0.87。1c).核苷酸多样性(π）显示MCC比CC更多样化（图。1d）。此外，相对于CL，MCC在不同的几十年有较高水平的遗传多样性，但较低的基因流程（图的。1在这些比较中，21世纪初MCC与CL比较的遗传差异最高(0.22)，基因渐渗最低(0.88)。比较不同年代的CL和MCC，FSt逐渐增加，基因流减少。20世纪70年代与20世纪50年代、60年代、70年代与80年代、90年代与2000年代的基因渗入量最多(≥10.78)FST（≤0.02）（图。1e, f)，表明相邻时期MCC最小Fst和最大的基因流动，来自一个时期的MCC为接下来的十年提供了遗传基础。

从所有区域小麦种质的群体结构分析进一步进行各亚群（图2）.CL品种的分组主要对应于小麦秋播区和春播区，其中I、II、III、IV和V区为秋播区，而VI、VII、VIII、IX和X区为春播区(图2)。2a，b）。此外，区域IX与区VI和VIII聚集，其中遗传差异相对较大，但小于所有其他区域的遗传差异。这种分类在MCC中并不明显，但仍然揭示了秋季和春阳小麦的分离（图。2C，d）。在对比CL，区域I，II，III，和IV分成两个亚组，与区域I和II在MCC聚类在一起。

跨区域遗传多样性和渐渗

核苷酸多样性分析（π和π_CL./π_{世纪挑战集团}结果表明，除六区外，其他区MCC的核苷酸多样性均高于地方品种π_CL.来π_{世纪挑战集团}<1的比值来表示，由于在每个区域育种和选择（图增加核苷酸多样性。3.A，B;附加文件1）.CL和MCC的比较表明，遗传差异(Fst = 0.07)在X区最小，但该区域的基因渗入量最大(3.23)。更高的遗传分化(Fst≤0.70)，I-V区CL和MCC间遗传渐渗较低(基因流> 0.26);第II区差异最大(FST = 0.34），但最低渗出（基因流= 0.54）（图。3.c, d;附加文件1）.系统发育树还建议CL对地区I-V中的MCC对MCC作出贡献，而在X区X的小麦繁殖和选择作出了重大贡献（附加文件2）.

与MCC相比，CL有更大的遗传分化和更少的基因流动(图。4.）.内CL有区域VII和VIII之间更频繁的渐渗（5.45）具有最小Fst(0.04)，其次是I区和II区(3.05 withFst = 0.08), and VIII and X (3.31 withFst = 0.07). Fewer gene flow events and largerFst为II与X、III与VI、IX与X、V与VI、VII、VIII、IX和X的比较，反映了更大的遗传差异(基因流< 0.60和FST≥0.30）。在这些比较中，最大的遗传分歧和最小基因血栓引入是区域V至X.在相邻区域之间的CL中通常发生的遗传增殖可能是其任意分类的结果。对于MCC，十区内的遗传分歧较少，更频繁地迟钝（F圣≤0.20)。II对III、III对IV、VII对VIII和X的基因渗入更频繁(> 4.29)，且较小F圣(≤0.06)。现代育种在一定程度上突破了农业生态区间的分离。

所有区域关键基因的选择信号

遗传分化(F圣,π_CL./π_MCC）通过CL与MCC的比较分析表明Sus2-2A那GW2-6B那gasr-a1和Lr34经历了强选择(在α = 0.05时显著)(附加文件3.）.对每个区域的类似分析确定53个基因座进行强烈的选择（显着α= 0.05）。特别地，与区域VII，VIII，IX和X相比，分别选择了12,9,6,6,5和5个选择性签名的区域II，I，V，VI，III和IV，与2,2，分别为2和4选择信号。这些包括在三个以上的区域中强烈选择的一些众所周知的基因，包括Lr34（区域I，II，III和IV），Ppd-D1(I, II, III, IV及V)VRN-B1(V、VII、VIII和X)，glu-b1（I，II和III），SUS1-7B.(I、II、III、IV及IX)Sus2-2A（I，II，III，IV和VI）和GW2-6B（II，V和VI）（图5.；附加文件4.）.

区域47个座位的等位基因分布

47个基因座中大多数的等位基因频率在CL和MCC中显而易见地在十个农业生态麦楼区分布了不均匀的分布（图。6.；附加文件5.那6.）.对于适应相关的基因，半侏儒等位基因Rht-B1b和Rht-D1b20世纪90年代以后，MCC的感染率达到30%，其中II区感染率最高(11份，50%)Rht-D1b(无花果。6.b;附加文件5.）.约65%的MCC和CL携带冬季型vrn-B1I-IV区等位基因，81%为春季型Vrn-B1b区域vi-x等位基因。来自vi区的所有进入Vrn-B1b（附加文件3.那5.）.该分布的Vrn等位基因与来自每个区域的典型生长习惯相对应(附加文件7.）.在所有区CL的71％携带的光周期敏感等位基因Ppd-D1b，而71%的MCC携带对比鲜明的光周期不敏感等位基因Ppd-D1a．I-V区携带MCC的比例很高(95%)Ppd-D1a使前面下在秋季播种区更低的温度下开花（和成熟）（图6.)，双剪是常见的做法。

在所有区域中，22%的MCC携带抗应激基因MFT-A1与发芽抗性等位基因相关的功能标记小灵通⁺II区22份CL材料均携带抗性等位基因，CL发生频率低于41%;只有14%的MCC在第一区，9%在第四区，18%在第五区，5%在第六区和14%在第七区携带该等位基因(附加文件6.）.此外，CL的55％携带的慢锈Lr34⁺与MCC的15%相比(图。6.）.这解释了比较高的预穗发芽率和可能的广泛发生叶锈病的MCC在最近几年。关于CL的9％（20份）和MCC（11份）5％携带的赤霉病抗性等位基因FHB1.⁺在所有区域中，III区和IV区数量最多(25个)。可以预见的是,1提单。1RS translocation was not detected in CL across all zones but was present at high frequency (89%) in MCC in Zones I-IV (Fig.6.）.

在质量相关基因方面，45和19%的MCC携带AX1或AX2等位基因在Glu-A1基因座和过表达等位基因glu-b1分别远低于Cl（83和53％）。但是，更多MCC带来了Glu-D1b等位基因（22％）比CL（5％）（附加文件5.那6.）.此外，80%的MCC持有Pinb-D1b所有区域的等位基因，相比之下，CL为6%。在MCC携带Pinb-D1b大约50%的人在I区、II区和VI区有等位基因(附加文件5.那6.）.在…的情况下Pds-B122%的MCC携带等位基因B.黄色素含量(YPC)较低，而CL为3%。第四区出现的频率最高(41%)Pds-B1b（附加文件5.那6.）．MCC的承载更大的质量相关的等位基因数总的趋势是指示质量属性较强的选择。

57%的MCC具有单倍型Hap-1在GW2-6B，远高于CL(9%)。差异在II区、V区和VI区特别大，其中73、77和82%的MCC具有该等位基因，相比之下，II区和V区没有CL, VI区只有13%(图2)。6.）.这表明现代小麦育种选择的是更大(宽)粒。在粒重方面，I、II、III、IV和VI区平均76%的MCC携带粒重Hap-A在Sus2-2A基因座，远高于CL中的那些平均5％。其他区域具有相对较低较低的载体百分比，载体该等位基因（CC1的5％和20％的MCC），暗示主要小麦生长区为高谷物重量选择（图。6.）.

除Zia VI之外所有区域的固定等位基因变量（等位基因频率≥95％）显示CL具有比MCC更固定的变化（附加文件8A;附加文件9.）.Further, a comparison of numbers of rare alleles (allele frequency < 5%) across all zones revealed more rare alleles in CL than MCC in Zones I, IV, VI, VII, VIII and IX, in contract to Zones V and X where MCC had a higher number of rare alleles, whereas frequencies were similar in Zones II and III, indicating a quantitative difference of rare alleles between CL and MCC across the ten agro-ecological zones (Additional file 8b; Additional file9.）.

不同区域的不同光周期和vernalization等位基因

在所有小麦育种计划中，选择高产和增加对新环境和复种制度的适应是一种普遍做法。在过去，培育适应不同农业生态区的本地品种更为重要，需要选择特定的适应等位基因[34］．例如，光周期不敏感等位基因Ppd-D1a在MCC区域选择具有秋季播种和较短的光周期。然而，这种等位基因是不是经常在春播区种植的基因型。又如春化（Vrn)基因。冬季温度和生长季节长短在很大程度上决定春化等位基因的分布。随着1月平均气温从I区到II区、II区到III区、III区到IV区逐渐升高，生长期缩短[1的频率VRN-B1和Vrn-D1等位基因赋予弹簧式增加（附加文件6.；附加文件9.）.的vrn-A1等位基因在秋季播种区占优势，vrn-D1II区、III区和IV区春小麦品种中多见vrn-B1在春季播种的第六、七和八区是常见的(补充文件9.）.福等人报道。[35]昼长和春化等位基因的分布，主要由冬季气温的严重程度和生长季节的长度来确定。

有利等位基因的迟滞增加了MCC的遗传多样性

应用52个KASP标记为47个农业的重要基因促进更好地了解在不同麦区小麦地方品种和现代栽培品种的遗传多样性。核苷酸多样性一般在MCC比CL高，不同的VI区的所有区域。基因流分析表明，CL在主要小麦产量区小促成了MCC I-V，与以前的研究表明，引入现代栽培小麦生产起到了更为重要的作用，在中国养殖[一致33］．MCC中较高的核苷酸多样性归因于两个原因。由于育种的最终目标是提高产量，现代品种中赋予高产的等位基因频率随着种质引进和育种的发展而不断提高[36]，这增加的遗传多样性。一个例子是等位基因GW2-6B（Hap-1)， CL和MCC的平均核苷酸多样性分别为0.16和0.45Hap-1为了提高晶粒尺寸从9〜57％增加（图。5.那6.）.第二，植物育种过程中的杂交有利于遗传物质的重组和交换，增加了遗传多样性[37］．这种遗传多样性的增加与中国早期小麦育种历史相吻合，当时从意大利引进了Abbondanza、St 2422/464、Funo和Mentana等品种，并经常用于杂交计划。随后从俄罗斯和东欧引进了具有1BL/1RS易位的高产抗病种质(Lovrin 10, Predgornaja 2和Neuzucht)和来自CIMMYT的春季和兼性小麦材料。在I-IV区，89%的MCC携带1BL/1RS易位，而地方品种则没有。6.）.因此，在中国小麦育种中，精英种质的引入拓宽了遗传多样性，促进了品种改良，提高了产量和品质属性[1］．

选择信号为所有农业生态区的未来小麦滋生提供指导

I-VI区选择信号数量远高于VII-X区。这可能是由于更大的生产区域和更密集的育种工作在这些区域,占产量的85%,这是最密集的黄色和淮河流域冬小麦区(二区)以43%的小麦面积和产量的60% (38］．在驯化和育种过程中的选择重塑了作物基因组，因为努力集中在位于基因区域的潜在有益等位基因的金字塔[39］．更有利的等位基因在MCC和CL中的主要等位基因方面逐渐从次要转移。例如，高千粒重量的等位基因，Sus1-7A-Hap-H和Cwi-5D-Hap-C和面粉色泽等位基因PSY-A1B，PSY-B1A或B.和psy-d1a.在CL和MCC中增加了频率(附加文件5.那6.）.这些结果证实了先前的调查结果，即高千粒重和面粉白度的某些等位基因已成为固定的育种群体。其他一些等位基因的频率生产和客户偏好有利的，如Glu-D1b那Pinb-D1b那Pds-B1b那GW2-6B_Hap-1和Sus2-2A_Hap-A已经在现代品种由于从选择在全部十个区逐渐积累（图增加。6.；附加文件6.）.然而，少数抗病等位基因如LR68⁺和Yr15⁺在所有区域的CL和MCC中相对罕见，这很可能是因为前者不是高效的，似乎主要存在于在中国没有广泛评估的南亚种质中，以及Yr15是来自小麦属植物dicoccoides且尚未广泛部署。这两个基因可能是未来育种目标。

品种改善通常伴有正面和负面影响[36］．在面筋强度方面，I区和II区约91%的CL携带等位基因AX1或Ax2 *在Glu-A1远高于MCC的平均40%。的频率Bx7^OE在MCC分别为5和分别在区域I和II，14％，比CL（68和45％）下（附加文件5.那6.）.这些等位基因的定向选择可为今后的品种改良提供依据。采前发芽抗性等位基因频率小灵通在MFT-A1在所有区域中，MCC(22%)明显低于CL (41%)， II区CL为100%。这在一定程度上解释了中冶近期收获前发芽率高的原因。

近年来，赤霉病或黑星病的重要性日益增加，特别是其从较为传统的长江流域和华南地区扩散到黄淮河流域冬小麦主产区[40］．理解的分布和假定的捐助者FHB1.将有助于该基因的广泛应用，从而有助于提高我国小麦抗赤霉病的能力。在这里，大约9%的CL(20份)和5%的MCC(11份)携带FHB1.⁺在所有区域中，III区和IV区数量最多(25个)。6.）.中国小麦育种家在20世纪50年代开始了对FHB的研究。苏麦3号等抗赤霉病优良品种相继研制成功，并在生产和育种中得到广泛应用。抗赤霉病育种是一项长期的任务，但利用新技术和抗病来源有望在未来10年内在新品种中提高对赤霉病的抗性。此外，55%的CL携带慢锈抗性基因Lr34与MCC的15%相比，这些频率与Yang等人的结果一致[41] （无花果。6.）.综上所述，对不同小麦区重要农艺性状的有利等位基因的分析，有助于更好地了解小麦关键基因在全国的地理分布，并有助于分子育种。

植物材料和DNA提取

438份小麦种质包括22个中国地方品种(CL)和22个中国现代品种(MCC)。1一种;附加文件7.）.所有登录均来自中国作物种质资源信息系统（http://www.cgris.net/zhongzhidinggou/index.php）.使用CTAB方法从每次加入的幼叶中提取基因组DNA [42］．

功能基因的kasp基因分型

本研究共使用了之前描述的47个克隆小麦基因的52个KASP标记[27那33那43］．这些基因与小麦产量、品质、抗病和适应性有关。简单地说，KASP标记是根据诊断性SNP标记按照标准的KASP指南设计的。所使用的等位基因特异性引物列在附加文件中10，设计一种常用的反向引物，以确保总扩增子小于120 bp。KASP检测采用384孔模式，5.0 μL混合物中含有2.2 μL 40 ng/μL DNA, 2.5 μL 1 × KASP V4.02 × Master mix (KBS-1016-017)， 0.04 μL Mg^２＋， 0.056 μL, 0.204 ddH₂O.使用超纯水作为非模板对照（NTC）。PCR cycles of KASP assay were: (1) 94 °C for 15 min; (2) 95 °C for 20s; 65 °C for 25 s initially and the following each cycle decreasing 1 °C for 10 cycles; (3) 95 °C for 10s; 56 °C for 1 min for 30 cycles. QuantStudioTM7 Flex (Applied Biosystems by Life Technologies) was used to collect fluorescence signals for genotyping. Data were visualized and generated with QuantStudioTM Real-time PCR Software v1.3 (Applied Biosystems by Life Technologies).

种群结构和系统发育分析

Nei’s遗传距离的计算基于438份材料的KASP标记分析数据[44］．使用PowerMarker V3.25构建邻居加入（NJ）树[45]并且使用MEGA5 [可视化46］．主要成分分析（PCA）应用于使用ADEGENET V2.0.1在R中的所有登录47］．

遗传分化和基因流评估

固定指数(FSt)和遗传距离的计算，以评估群体分化[48］．田岛氏菌的核苷酸多样性值π利用POPGENE软件分析不同区域亚居群间的基因流动[49那50］．为了检测与改进相关的位点，选择信号是通过靶基因多态性位点等位基因频率的变化来识别的[51］．

支持本文的结论的数据集包含在附加文件中。

我:

北方冬小麦区

二：

淮河流域冬小麦产区

第三:

长江中下游流域冬小麦产区

四:

西南冬麦区

V:

南方冬小麦区

六：

东北春小麦区

七：

北方春小麦区

八：

西北春小麦地区

第九:

青藏冬小麦区

X：

新疆冬春麦区

肤色线:

中国一起

MCC：

中国现代品种

凯斯克：

Kompetitive等位基因特异性PCR

π：

核苷酸多样性

F圣:

固定指数

主成分分析:

原理成分分析

NJ:

邻居加入

我们非常感谢罗伯特麦金斯教授的帮助，悉尼大学麦克铁教授，拥有英语编辑。

国家重点研发计划项目(no . 2016YFD0100302, no . 2017YFD0101000);中国农业科学院农业科技创新计划项目;国家自然科学基金项目(no . 31901541);山西省自然科学基金项目(no . 201901D211361)。资助方在研究的设计、数据的收集、分析和解释中没有作用。

从属关系

1. 山西农业大学农学院，山西晋中030801

   郭杰，郭嘉辉，石卫平，程顺和，周美雪

2. 中国农业科学院作物科学研究所/农业农村部作物基因资源与种质创新重点实验室/国家作物基因资源与遗传改良重点实验室，北京100081

   常丽，赵骏和晨阳昊

3. 江苏省里下河农业研究所，农业农村部长江中下游小麦生物学与遗传改良重点实验室，江苏扬州225007

   顺河程

4. 农业塔斯马尼亚研究所，塔斯马尼亚大学，私人袋1375，展望，TAS，7250，澳大利亚

   Meixue周

贡献

JG分析数据，撰写稿件;JJZ和CL协助进行实验;JHG和WPS协助稿件的数据准备;MXZ和SHC参与撰写稿件;CYH参与了实验设计，为数据分析提供了建议，并协助撰写了手稿。所有作者都已阅读并批准了最终版本。

相应的作者

对应于Chenyang郝．

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版物

不适用。

利益争夺

提交人声明他们没有竞争利益。

出版商的注意

Springer Nature在发表地图和机构附属机构中的司法管辖权索赔方面仍然是中立的。

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