利用功能标记揭示新疆小麦改良品种与地方品种的遗传变异

doi:10.3724/SP.J.1006.2018.00657

Abstract

Abstract:

Illuminating genetic variations in the improved cultivars and landraces of wheat from Xinjiang is important for further improvement of wheat in this region. In this study, 52 functional markers were used to examine 136 Xinjiang wheat accessions. Compared with the improved cultivars, the semi-dwarfing alleles Rht-B1b and Rht-D1b, facultative allele Vrn-D1b, T1BL·1RS translocation, TaLox-B1a allele for high lipoxynase activity, Ppo-D1a allele for lower polyphenol oxidase activity, Psy-A1b allele for low yellow pigment content and Hap-H (TaSus-2B) allele for high kernel weight were absent in the landraces. Furthermore, the frequencies of photoperiod insensitivity allele Ppd-D1a (77.6%), strong gluten subunits Dx5+Dy10 (35.4%), Pin-D1ballele (25.0%) for hard grain texture, and TaCwi-A1a (63.3%), Hap-4A-T (Tacwi-4A) (33.8%), Hap-5D-C (TaCWI-5D) (93.7%), Hap-2 (TaGS1a) (77.9%), TaGS-D1a (78.5%), TaGS5-A1b (50.0%), and TaTGW6-A1a (92.1%) alleles associated with high kernel weight were higher in the improved cultivars than in the landraces. The frequencies of most favorable alleles displayed a discontinuously increasing trend over breeding periods. As for the favorable alleles associated with adaptation and quality, the spring cultivars had higher frequencies than the winter cultivars. Analysis of the functional markers showed that the improved cultivars had higher genetic diversity than the landraces. Based on the principle component analysis, the wheat accessions were clustered into two groups: improved cultivars and landraces, and the improved cultivars were further divided into two groups of winter and spring cultivars. There were significant genetic differences between the improved cultivars and the landraces. The favorable alleles and allele combinations identified in this study provide important information for further improvement of wheat cultivars in Xinjiang.

Key words: Triticum aestivum, Xinjiang Uygur Autonomous Region, functional marker, agronomic traits, genetic variation

Da-Wei JIAN, Yang ZHOU, Hong-Wei LIU, Li YANG, Chun-Yan MAI, Li-Qiang YU, Xin-Nian HAN, Hong-Jun ZHANG, Hong-Jie LI. Functional Markers Reveal Genetic Variations in Wheat Improved Cultivars and Landraces from Xinjiang[J].Acta Agronomica Sinica, 2018, 44(05): 657-671.

Figures/Tables 9

Supplementary table 1

General information on 79 wheat improved cultivars from Xinjiang"

编号 Code	名称 Name	系谱 Pedigree	冬/春性 Winter/ spring	来源 Origin	审定或育成年份 Released/ bred year
1	新冬2号	热依木夏/亥恩·亥德	冬	新疆农业科学院粮食作物研究所	1966
2	新冬5号	巴克甫克/北京7号	冬	新疆农业科学院粮食作物研究所	1969
3	新冬7号	新冬2号/敖萨德3号	冬	新疆农业科学院粮食作物研究所	1969
4	新冬14	热衣木夏/乌克兰83	冬	新疆农垦科学院作物研究所	1984
5	新冬15	新冬2号/中引5号	冬	新疆农业科学院粮食作物研究所	1989
6	新冬16	(巴克甫克/亥恩·亥德)/70-4	冬	新疆生产建设兵团农七师农业科学研究所	1988
7	新冬17	新冬14/安选5号	冬	新疆农垦科学院作物研究所	1994
8	新冬18	N.S11-33/新冬3号	冬	新疆农业科学院粮食作物研究所	1994
9	新冬19	(170/阿夫乐尔)/H-矮82-6 F₀种子辐照	冬	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	1995
10	新冬20	冀875018	冬	新疆农业科学院粮食作物研究所	1995
11	新冬21	318/88122	冬	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	1997
12	新冬22	(诺斯塔/花春84-1)/(76-4/洛夫林13)	冬	新疆生产建设兵团农七师农业科学研究所	1996
13	新冬23	美国引进F₁分离群体/花培品系88-136	冬	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	2000
14	新冬24	9245/冀6159	冬	新疆农业科学院粮食作物研究所	2003
15	新冬27	从中国农业大学引进高代品系系谱选择	冬	新疆农垦科学院作物研究所	2005
16	新冬28	92-45/新冬20	冬	新疆农业科学院粮食作物研究所	2005
17	新冬29	PH82-2-2/鲁植79-1	冬	新疆生产建设兵团农四师农业科学研究所	2005
18	新冬30	不详	冬	新疆农垦科学院作物研究所	2007
19	新冬31	(4114/新冬14/丰收)/(新冬18/中引85)	冬	新疆农业科学院粮食作物研究所	2007
20	新冬33	73-13-36/82-4009	冬	石河子农业科技开发研究中心粮食油料作物研究所	2009
21	新冬36	(89(813)/新冬18)/晋农207	冬	新疆农垦科学院作物研究所	2011
22	新冬37	京411/贵农15	冬	中国农业科学院作物科学研究所	2012
23	新冬38	(矮秆916/9133)/伊农16	冬	新疆生产建设兵团农四师农业科学研究所	2011
24	新冬41	石冬8号/新冬22	冬	石河子农业科学研究院	2013
25	新冬48	(新冬22/M844)/石冬8号	冬	石河子农业科学研究院	2015
26	新冬51	(藁城8901优/新冬18)/冀5473	冬	新疆农垦科学院作物研究所	2015
27	新冬52	新冬17/95-7-13-2	冬	石河子农业科学研究院粮油作物研究所	2015
28	伊农16	(白壳欧柔/72-829/K2-13)/ (72-629-7141-64/K2-13)	冬	新疆生产建设兵团农四师农业科学研究所	1994
29	伊农18	[(77224/R2-13)/(7113-9/76-629)]/[(运动1号/00089)/(工农10-3/72-原78)]	冬	新疆生产建设兵团农四师农业科学研究所	1999
30	奎花1号	京花1号/奎冬3号	冬	新疆生产建设兵团农七师农业科学研究所	1991
31	石冬7号	87-5048/昌冬5号(76-165)	冬	石河子农业科技开发研究中心	1999
32	石冬8号	昌冬5号(76-165)/82-4009	冬	石河子农业科技开发研究中心	2003
33	石冬9号	轮回选择	冬	新疆农垦科学院作物研究所	2003
34	喀冬1号	巴克甫克/亥恩·亥德	冬	喀什地区农业科学研究所	1972
35	喀冬4号	华北187系选	冬	喀什农业学校	1973
36	新春3号	西特·赛洛斯/奇春4号 F₀种子辐照	春	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	1985
37	新春4号	151/74-6//74-16/沃尔森	春	新疆农业科学院粮食作物研究所/昌吉农业科学研究所	1990
38	新春5号	繁6/6038	春	新疆农垦科学院作物研究所	1990
39	新春6号	中7906/新春2号	春	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	1993
编号 Code	名称 Name	系谱 Pedigree	冬/春性 Winter/ spring	来源 Origin	审定或育成年份 Released/ bred year
40	新春7号	中7906/新春2号	春	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	1995
41	新春8号	CO7/21-23	春	石河子大学农学院	1997
42	新春9号	引进春麦品系NS-65	春	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	1999
43	新春10号	9-3-3/新春4号	春	新疆农业科学院粮食作物研究所	2002
44	新春11	新春2号/86-7	春	石河子大学农学院	2002
45	新春12	8021/77-13	春	新疆农业科学院粮食作物研究所	2003
46	新春13	不详	春	不详	2003
47	新春14	不详	春	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	2004
48	新春15	F₅繁24/85307	春	新疆农业科学院粮食作物研究所	2004
49	新春16	86-6B/93鉴9	春	新疆农垦科学院作物研究所	2004
50	新春17	新春6号/NS64	春	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	2005
51	新春18	不详	春	不详	2005
52	新春19	不详	春	石河子大学农学院	2005
53	新春20	昌春6号/墨西哥M85-30	春	新疆农业科学院粮食作物研究所	2006
54	新春21	NS-23-3/青海946	春	新疆生产建设兵团农五师农业科学研究所	2006
55	新春22	Tal/永1265	春	新疆农垦科学院作物研究所; 宁夏永宁县小麦育繁所	2006
56	新春23	CIMMYT引进F₂/88-136	春	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	2006
57	新春24	不详	春	不详	2006
58	新春25	不详	春	新疆农业科学院奇台春小麦试验场	2006
59	新春26	新春9号/新春6号	春	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	2007
60	新春27	91I82299/21-4	春	新疆农业科学院粮食作物研究所	2007
61	新春28	CIMMYT引进, 原代号为01-25	春	新疆农垦科学院作物研究所	2007
62	新春29	85-56/25-3	春	新疆农业科学院粮食作物研究所	2008
63	新春30	新春9号/新春6号	春	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	2009
64	新春31	12-25/96-5	春	石河子大学农学院	2009
65	新春32	97-18/永良11	春	新疆生产建设兵团农五师农业科学研究所	2009
66	新春33	新春9号/新春6号	春	新疆农业科学院核技术生物技术研究所	2010
67	新春34	88(13)/5×44	春	新疆农业科学院粮食作物研究所	2011
68	新春35	巴96-4870/93鉴29	春	新疆农垦科学院作物研究所	2011
69	新春36	21-6/黑小麦	春	新疆生产建设兵团农十三师农业科学研究所	2011
70	新春38	原212/97-46-3	春	新疆农垦科学院作物研究所与新疆九禾种业有限责任公司	2012
71	宁春23	(宁春4号/中7906)/陕农7855	春	宁夏农林科学院作物科学研究所	1995
72	宁春32	建三江- 6918/高代品系1658	春	宁夏农林科学院作物科学研究所	2002
73	宁春35	宁春16/永A71	春	宁夏农林科学院作物科学研究所	2003
74	宁春37	从南非引进	春	宁夏农林科学院作物科学研究所	2005
75	昌春6号	(82A3/021)/(78A131/03312)	春	新疆农业科学院奇台春小麦试验场	1994
76	抗旱1号	H101/C8501	春	新疆生产建设兵团农四师农业科学研究所	2013
77	青春5号	阿勃/欧柔	春	青海省农业科学研究院	1969
78	新曙光1号	阿勃/欧柔	春	黑龙江省农业科学研究院	1971
79	吐春9号	(80B63/02126)/(77A7/834)	春	新疆农业科学院奇台春小麦试验场	1998

Supplementary table 1

Supplementary table 2

General information on 57 wheat landraces from Xinjiang"

编号 Code	名称 Name	冬/春性 Winter/spring	来源 Origin	编号 Code	名称 Name	冬/春性 Winter/spring	来源 Origin
80	库车白冬麦	冬	新疆库车	109	直芒	春	新疆焉耆
81	白冬麦	冬	新疆呼图壁	110	佛手麦	春	新疆库车
82	小白冬麦	冬	新疆呼图壁	111	稻麦子	春	新疆乌什
83	阿克库孜盖	冬	新疆库尔勒	112	高拉山春麦	春	新疆疏附
84	热衣木夏	冬	新疆新和	113	白芒红麦	春	新疆叶城
85	长巴什曼	冬	新疆叶城	114	古玛尔汗	春	新疆墨玉
86	纳瓦提然	冬	新疆新和	115	克拉黑麦	春	新疆墨玉
87	阿克脱哈尔	春	新疆哈巴河	116	阿及麦	春	新疆墨玉
88	其力克	春	新疆洛浦	117	白吐里克	春	新疆墨玉
89	黑芒	春	新疆米泉	118	西藏稻麦子	春	新疆洛浦
90	白光头	春	新疆昌吉	119	其力克	春	新疆洛浦
91	红春麦	春	新疆昌吉	120	买甚春麦	春	新疆于田
92	木锨棒	春	新疆昌吉	121	古尔汗满	春	新疆于田
93	疙瘩头	春	新疆昌吉	122	阿克禾孜干	春	新疆于田
94	金包银	春	新疆昌吉	123	吐里克	春	新疆和田
95	兰麦	春	新疆昌吉	124	克兹买克	春	新疆和田
96	黑芒春	春	新疆米泉	125	米麦米尔	春	新疆和田
97	白春麦	春	新疆玛纳斯	126	大头郞	春	新疆哈密
98	无芒麦	春	新疆鄯善	127	小白芒(白)	春	新疆青河
99	分枝麦	春	新疆哈密	128	小白芒(红)	春	新疆青河
100	大白麦	春	新疆哈密	129	小红芒1	春	新疆青河
101	黄库班克	春	新疆伊宁	130	小红芒2	春	新疆青河
102	比热巴沙尔	春	新疆霍城	131	小红麦	春	新疆巴里坤
103	波兰麦	春	新疆吐鲁番	132	托力克	春	新疆和田
104	黑头麦	春	新疆塔城	133	金包银(红)	春	新疆伊吾
105	分枝黑芒	春	新疆塔城	134	金包银(白)	春	新疆伊吾
106	良山麦子	春	新疆阿勒泰	135	红穗无芒	春	新疆阿勒泰
107	黑库班克	春	新疆阿勒泰	136	阿克贾克	春	新疆和田
108	兰壳兰芒	春	新疆阿勒泰

Supplementary table 2

Fig. 1

Table 1

Comparison of allele frequencies at the loci associated with adaptation, quality and kernel weight in the wheat cultivars and the landraces from Xinjiang"

基因 Gene	基因座 Locus	等位基因 Allele	全部All		冬性Winter		春性Spring
基因 Gene	基因座 Locus	等位基因 Allele	改良品种 Improved cultivar	地方品种 Landrace	改良品种 Improved cultivar	地方品种 Landrace	改良品种 Improved cultivar	地方品种 Landrace
适应性 Adaptation
Rht	Rht-B1	Rht-B1a	20.3	100.0	16.1	100.0	23.3	100.0
		Rht-B1b	79.7	0	83.9	0	76.7	0
	Rht-D1	Rht-D1a	84.8	100.0	91.4	100.0	79.5	100.0
		Rht-D1b	15.2	0	8.6	0	20.5	0
VRN	Vrn-A1	Vrn-A1	39.2	5.8	0	0	70.5	93.3
		vrn-A1	60.8	94.2	100.0	100.0	29.5	6.7
	Vrn-B1	Vrn-B1	39.2	44.0	0	0	70.5	47.8
		vrn-B1	60.8	56.0	100.0	100.0	29.5	52.2
	Vrn-D1	Vrn-D1a	20.5	80.0	0.0	0.0	37.2	93.0
		Vrn-D1b	1.7	0	2.9	0	0	0
		vrn-D1	78.2	20.0	97.1	100.0	62.8	7.0
	Vrn-B3	Vrn-B3	0	0	0	0	0	0
		vrn-B3	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0
Ppd	Ppd-A1	Ppd-A1a	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0
		Ppd-A1b	0	0	0	0	0	0
	Ppd-B1	Ppd-B1a	0	0	0	0	0	0
基因 Gene	基因座 Locus	等位基因 Allele	全部All		冬性Winter		春性Spring
基因 Gene	基因座 Locus	等位基因 Allele	改良品种 Improved cultivar	地方品种 Landrace	改良品种 Improved cultivar	地方品种 Landrace	改良品种 Improved cultivar	地方品种 Landrace
		Ppd-B1b	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0
	Ppd-D1	Ppd-D1a	77.6	4.1	55.9	0	95.1	4.8
		Ppd-D1b	22.4	95.9	44.1	100.0	4.9	95.2
T1BL·1RS	Sec-1	T1BL·1RS	16.5	0	11.4	0	20.5	0
		Non T1BL·1RS	83.5	100.0	88.6	100.0	79.5	100.0
品质 Quality
Glu-1	Glu-D1	Dx5+Dy10	35.4	1.8	22.9	16.7	45.5	0
		Dx2+Dy12	64.6	98.2	77.1	83.3	54.5	100.0
Lox	TaLox-B1	TaLox-B1a	20.0	0	37.1	0	5.0	0
		TaLox-B1b	80.0	100.0	62.9	100.0	95.0	100.0
Pin	Pinb-D1	Pinb-D1a	75.0	91.7	56.3	50.0	91.7	97.6
		Pinb-D1b	25.0	8.3	43.8	50.0	8.3	2.4
Ppo	Ppo-A1	Ppo-A1a	78.1	48.6	60.9	50.0	88.1	48.5
		Ppo-A1b	21.9	51.4	39.1	50.0	11.9	51.5
	Ppo-D1	Ppo-D1a	3.7	0	0	0	6.7	0
		Ppo-D1b	96.3	100.0	100.0	100.0	93.3	100.0
Psy	Psy-A1	Psy-A1a	89.6	100.0	100.0	100.0	82.6	100.0
		Psy-A1b	10.4	0	0	0	17.4	0
	Psy-B1	Psy-B1c	58.8	55.0	100.0	100.0	30.0	52.6
		Psy-B1d	41.2	45.0	0	0	70.0	47.4
	Psy1-D1	Psy1-D1a	84.4	55.6	80.0	100.0	88.1	48.9
		Psy1-D1g	15.6	44.4	20.0	0	11.9	51.1
粒重 Kernel weight
CWI	TaCwi-A1	TaCwi-A1a	63.3	22.8	40.0	14.3	81.8	24.0
		TaCwi-A1b	36.7	77.2	60.0	85.7	18.2	76.0
	TaCWI-4A	Hap-4A-C	66.2	83.7	54.5	66.7	77.1	86.0
		Hap-4A-T	33.8	16.3	45.5	33.3	22.9	14.0
	TaCWI-5D	Hap-5D-C	93.7	85.5	88.6	71.4	97.7	87.5
		Hap-5D-G	6.3	14.5	11.4	28.6	2.3	12.5
GS1	TaGS1a	Hap-1	22.1	39.0	40.7	0.0	9.8	42.1
		Hap-2	77.9	61.0	59.3	100.0	90.2	57.9
GS3	TaGS-D1	TaGS-D1a	78.5	64.0	80.0	57.1	77.3	65.1
		TaGS-D1b	21.5	36.0	20.0	42.9	22.7	34.9
GS5	TaGS5-A1	TaGS5-A1a	50.0	88.7	39.3	83.3	58.3	89.4
		TaGS5-A1b	50.0	11.3	60.7	16.7	41.7	10.6
Sus-2	TaSus2-2B	Hap-L	86.8	100.0	66.7	100.0	100.0	100.0
		Hap-H	13.2	0	33.3	0	0	0
TGW6	TaTGW6-A1	TaTGW6-A1a	92.1	55.1	87.9	20.0	95.3	59.1
		TaTGW6-A1b	7.9	44.9	12.1	80.0	4.7	40.9

Table 1

Fig. 2

Fig. 3

Table 2

Comparison of number of alleles and polymorphic information content (PIC) at the loci associated with adaptation, quality and kernel weight in wheat cultivars and landraces from Xinjiang"

基因座 Locus	等位基因数 No. of alleles						多态性信息量 PIC
	改良品种 Improved cultivar			地方品种 Landrace			改良品种 Improved cultivar			地方品种 Landrace
	全部 All	冬性 Winter	春性 Spring	全部 All	冬性 Winter	春性 Spring	全部 All	冬性 Winter	春性 Spring	全部 All	冬性 Winter	春性 Spring
适应性 Adaptation
Rht-B1	2	2	2	1	1	1	0.27	0.23	0.29	0	0	0
Rht-D1	2	2	2	1	1	1	0.22	0.14	0.27	0	0	0
Vrn-A1	2	1	2	2	1	2	0.36	0	0.33	0.10	0	0.11
Vrn-B1	2	1	2	2	1	2	0.36	0	0.33	0.37	0	0.37
Vrn-D1	3	2	2	2	1	2	0.29	0.05	0.36	0.27	0	0.12
Vrn-B3	1	1	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0
Ppd-A1	1	1	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0
Ppd-B1	1	1	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0
Ppd-D1	2	2	2	2	1	2	0.29	0.37	0.11	0.09	0	0.10
T1BL·1RS	2	2	2	1	1	1	0.24	0.18	0.27	0	0	0
平均Mean	1.80	1.50	1.70	1.40	1.00	1.40	0.20	0.10	0.20	0.08	0	0.07
品质 Quality
Dx5+Dy10	2	2	2	2	2	1	0.35	0.30	0.37	0.05	0.28	0
TaLox-B1	2	2	2	2	2	2	0.28	0.35	0.15	0.07	0.24	0.04
Pinb-D1	2	2	2	2	2	2	0.32	0.37	0.23	0.15	0.38	0.07
Ppo-A1	2	2	2	2	2	2	0.29	0.36	0.21	0.37	0.38	0.37
Ppo-D1	2	1	2	1	1	1	0.07	0	0.12	0	0	0
Psy-A1	2	1	2	1	1	1	0.17	0	0.25	0	0	0
Psy-B1	2	1	2	2	1	2	0.37	0	0.33	0.37	0	0.37
Psy1-D1	2	2	2	2	1	2	0.23	0.27	0.19	0.37	0	0.37
平均Mean	2.00	1.63	2.00	1.75	1.50	1.63	0.26	0.21	0.23	0.17	0.16	0.15
粒重 Kernel weight
TaCwi-A1	2	2	2	2	2	2	0.36	0.36	0.25	0.29	0.21	0.30
TaCWI-4A	2	2	2	2	2	2	0.35	0.37	0.32	0.28	0.35	0.26
TaCWI-5D	2	2	2	2	2	2	0.11	0.18	0.04	0.23	0.32	0.21
TaGS1a	2	2	2	2	2	2	0.29	0.37	0.17	0.36	0.19	0.37
TaGS-D1	2	2	2	2	2	2	0.28	0.36	0.37	0.35	0.24	0.19
TaGS5-A1	2	2	2	2	2	2	0.38	0.27	0.29	0.20	0.37	0.35
TaSus2-2B	2	2	1	1	1	1	0.21	0.35	0	0	0	0
TaTGW6-A1	2	1	2	2	2	2	0.14	0.19	0.10	0.37	0.27	0.37
平均Mean	2.00	1.88	1.88	1.85	1.88	1.88	0.27	0.31	0.19	0.26	0.24	0.26
总平均 Total mean	1.92	1.67	1.86	1.65	1.46	1.63	0.24	0.20	0.21	0.17	0.13	0.16

Table 2

Table 3

Fig. 4

References 44

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变异来源 Source of variance	自由度 df	平方和 Sum of square	方差分量 Variance component	变异百分比 Percentage of variation (%)
群体间Among populations	1	96.7	0.70^**	23.9
群体内个体间Among individuals within populations	134	578.4	2.09^**	71.5
个体间Within individuals	136	18.5	0.14^**	4.7
总计Total	271	693.6	2.92

Functional Markers Reveal Genetic Variations in Wheat Improved Cultivars and Landraces from Xinjiang

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