研究人员如何利用基因组学来预测面包品质并加速小麦品种的发展

堪萨斯州立大学和国际玉米和小麦改良中心(CIMMYT)的一个育种者和遗传学家团队提出了一种新的方法来确定新品种的面包小麦是否具备制作更好面包的能力。在美国国际开发署的Feed the Future Initiative的资助下，该团队正在使用DNA标记来预测面包小麦的重要品质特性，如面团强度和面包体积。他们的工作“CIMMYT春季面包小麦育种计划中加工和最终使用质量特性的基因组选择”最近发表在植物基因组杂志上。

主要作者是Sarah Battenfield，他是堪萨斯州立大学遗传学博士研究生，也是植物病理学的前博士后研究员。共同作者是该大学的农学教授Allan Fritz和植物病理学助理教授Jesse Poland; 来自CIMMYT的Susanne Dreisigacker，Carlos Guzman，RobertoJ.Peña和Ravi P. Singh; 和R. Chris Gaynor，罗斯林研究所和爱丁堡大学皇家(迪克)兽医研究学院。

从历史上看，小麦育种的主要焦点是粮食产量和具有最佳性能和抗病性的品系的选择。

“在许多育种计划中，由于成本高和测试所需的大量谷物，在候选小麦品种的选择周期结束时评估质量特性，”Battenfield说。“因为典型的小麦育种周期需要8到10年，等到面包质量测试直到最后几年经常会导致人们认为小麦品种被丢弃，因为它们不能生产出好的面包。”

该团队使用测试烘焙实验室中生成的小麦质量数据，并使用DNA标记建立预测算法，以确定新一代候选小麦品种的品质性状。使用预测算法，他们能够将小麦质量筛选推进至少一年，并预测候选品种的数量超过质量实验室测试的10倍。

“传统上，我们能够在CIMMYT质量实验室中每年测试大约1,500个样品，但由于我们仅通过DNA标记预测质量，我们能够筛选所有10,000个第一年的产量试验以获得质量，这将超过可能以大致相同的成本进行物理处理，“巴顿菲尔德说。

巴顿菲尔德和该团队相信有可能将这一过程推进长达三年。

“小麦质量测试从分析谷物形态，硬度和蛋白质含量开始，”CIMMYT小麦化学和质量实验室负责人Carlos Garcia说。“该程序继续将小麦籽粒研磨成面粉，然后确定蛋白质含量以及在不同的流变测试中将面团制作的水量最佳。然后将面粉与水混合在混合仪中，这就像一个带有针的微型搅拌碗测量面团在开发时的抗性 - 就像地震仪一样。“

“我们可以调查这条曲线，告诉我们一种候选品种的面团相对于另一种面团的强度是多大，以及获得面团的最佳混合时间是多少，”巴滕菲尔德说。“我们堪萨斯州的硬红冬小麦需要有很强的面团，因为大多数都是面向工业面包店，所以它需要能够承受工业加工。”

测量面团强度，混合时间和延展性，并烘焙面包作为性能的最终测试。从所有这些数据中可以确定小麦品系是否足够好以保持 - 但这个问题直到育种周期的六到八年才能出现。

“使用来自单一植物的DNA，我们可以使用这些新的预测模型在育种周期的早期阶段对质量进行评估，”该研究的资深作者波兰说。“在我们有足够的种子进行质量检测之前，这已经很久了。”

据研究人员称，减少繁殖周期对育种投资回报的影响最大。

“这些调整表明我们可以将质量选择提高到目前可能的两到三倍，”波兰说。

结果还表明，小麦育种计划可以利用小麦品质的基因组选择以及传统的育种渠道，更有效地利用资源，包括时间和金钱。

波兰表示，这种预测方法可以消除无法通过小麦质量最终测试的品系。准确的处理和最终使用质量预测模型，例如基因组选择，将允许育种计划在时间和资源投入不通过最终测试的品系之前剔除不可接受的品系或针对特定品系。

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