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乌拉尔图小麦是四倍体小麦和普通六倍体小麦A基因组的供体物种,在小麦的遗传进化中具有非常重要的地位。同时,乌拉尔图小麦基因组中存在着许多控制重要农艺性状的位点,对其进行遗传解析可以为了解普通小麦的遗传信息提供参考。随着乌拉尔图小麦参考基因组的公布和高通量测序技术的广泛应用,使得可以从全基因组水平解析A基因组的遗传变异信息,挖掘功能基因,并在此基础上辅助普通小麦的遗传育种。本研究利用A基因组特异的SSR引物分析乌拉尔图小麦群体的遗传多样性,揭示了不同材料的遗传进化关系。从中挑选出具有代表性的品系进行全基因组重测序,获得了大量遗传变异位点,同时,开展关联分析,解析了控制重要农艺性状的SNP位点。主要的研究结果如下: 1.遗传多样性分析 从GUCAS、USDA、ICARDA等研究单位种质资源库收集到了238份乌拉尔图小麦品系,涵盖了大部分起源地区和国家。首先利用A基因组特异的114对SSR标记对这些材料进行遗传背景扫描。结果表明,有62对引物共扩增出了1207个条带,每对引物4~47个不等,平均为19.45个;等位变异频率(Allele Frequency)在0.13~0.86之间,平均为0.33;多态性指数(PIC值)在0.35~0.94之间,平均为0.77。同时对这些材料的高分子量麦谷蛋白亚基进行SDS-PAGE分析,一共检测到11种1Ax亚基和8种1Ay亚基,组合形成了18种基因型。238份种质的有效等位变异数(Ae)为7.29,Neis基因多样性指数(GD)为0.80,表明供试材料具有丰富的遗传多样性。根据研究结果进行UPGMA聚类、群体结构和主坐标分析,可将乌拉尔图小麦材料划分为2大种群,第Ⅰ类为地中海东岸种群,第Ⅱ类为两河流域种群。分子方差分析(AMOVA)显示乌拉尔图小麦的遗传变异主要存在于群体内(69%),遗传分化系数Fst=0.251。 2.全基因组重测序 基于乌拉尔图小麦的遗传多样性分析结果,挑选出59份具有代表性的材料构建DNA文库并进行高通量测序,共计获得3.26Tb的原始数据。经过质量过滤后每个样品的数据量在27.86~84.14Gb之间,平均为47.18Gb;包含的reads数目在185.72~1178.51M之间,平均为443.29M。与参考基因组进行比对,成功比对率在90.22%~96.13%之间,平均为94.42%;有效测序深度在5.04×~24.67×之间,平均为13.87×;基因组的覆盖度在86.84%~97.01%之间,平均为94.13%。总共鉴定出44,045,432个群体SNPs和4,008,751个群体InDels,大部分遗传变异位于基因间隔区。这些SNP和Indels的鉴定,为构建乌拉尔图小麦单体型图谱奠定了基础。根据全基因组分布的SNP位点,进行系统发生树、群体结构和主坐标分析,可将乌拉尔图小麦分为地中海东岸和两河流域两大种群,这一结果与SSR标记的分析结果基本一致。 3.全基因组关联分析 将收集到的乌拉尔图小麦材料分别种植于北京,河南郑州和山东德州,并进行田间表型性状的调查。结果表明,大部分考察的农艺和籽粒性状在不同环境下表现比较稳定。同时,构建这些材料的GBS文库并进行简化基因组测序,共计获得124.68Gb的原始数据。经过质量过滤后每个样品的数据量在26.13~1295.99Mb之间,平均为409.59Mb;包含的reads数目在0.19~9.53M之间,平均为3.05M。通过与参考基因组的比对,共鉴定出68,367个SNP位点,然后经过筛选,得到个体缺失率小于40%的高可信度SNP标记有23,717个。群体结构分析表明乌拉尔图小麦分为地中海东岸和两河流域种群,这一结果与之前的研究结果基本一致;连锁不平衡分析显示LD衰减距离为110kb。通过全基因组的关联分析,在1A染色体的530,858,057bp位置检测到与抽穗期显著关联的SNP位点,其模型R2值为49.57%;在2A染色体的261,798,723bp位置检测到与穗长显著关联的SNP位点,其模型R2值为57.56%;在2A染色体的377,658,844bp位置检测到与主茎小穗数显著关联的SNP位点,其模型R2值为51.03%。