谷子SSR標(biāo)記的開發(fā)與應(yīng)用研究進展

付楠　劉金榮　王素英

摘要對SSR標(biāo)記技術(shù)在谷子遺傳多樣性、遺傳連鎖圖譜構(gòu)建、基因定位和分子育種方面的研究進行綜述，以期為SSR標(biāo)記技術(shù)在谷子上的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞谷子；SSR；遺傳多樣性；遺傳連鎖圖；基因定位；分子育種

中圖分類號S515文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2018）25-0026-03

Research Progress on Development and Application of SSR Markers in Foxtail Millet

FU Nan，LIU Jinrong，WANG Suying et al

（Anyang Academy of Agricultural Sciences ，Henan Province Center of Millet Breeding Engineering and Technology Research，Anyang，Henan 455000）

AbstractThe application of SSR markers in genetic diversity，construction of genetic linkage map，gene mapping and molecular breeding on foxtail millet were reviewed in this paper，in order to provide reference for the application of SSR marker technology in foxtail millet.

Key wordsFoxtail millet；SSR；Genetic diversity；Genetic linkage map；Gene mapping；Molecular breeding

谷子（Setaria Italica）屬禾本科狗尾草屬，是起源于我國的重要糧食作物之一，是黃河中上游地區(qū)主要栽培作物。谷子具有抗旱耐瘠耐鹽、多種抗病抗蟲性、糧草兼用、營養(yǎng)豐富等優(yōu)良特質(zhì)，加之谷子基因組較小（約 490 Mb），使其成為遺傳學(xué)研究的理想模式植物。

SSR（simple sequence repeats）又稱微衛(wèi)星，是指由1～6個核苷酸組成的簡單重復(fù)序列，它廣泛分布于真核生物的整個基因組中，由于重復(fù)次數(shù)不同而造成長度多態(tài)性。微衛(wèi)星側(cè)翼序列保守，由此設(shè)計引物進行PCR擴增，并通過凝膠電泳分離產(chǎn)物檢測多態(tài)性。微衛(wèi)星標(biāo)記具有共顯性和多態(tài)性

高、重復(fù)性好、操作簡單等特點，目前已被廣泛應(yīng)用于種質(zhì)資

源遺傳多樣性分析、遺傳圖譜構(gòu)建及基因定位以及分子輔助育種等方面。

1谷子SSR標(biāo)記開發(fā)

利用不同的方法，大量谷子SSR標(biāo)記已被開發(fā)（表1）。隨著谷子基因組測序的完成，海量的序列信息結(jié)合生物信息學(xué)軟件，可以實現(xiàn)SSR標(biāo)記的大規(guī)模開發(fā)，且開發(fā)的SSR質(zhì)量更高，覆蓋更廣。Venkata等[17]構(gòu)建了一個谷子標(biāo)記數(shù)據(jù)庫FmMDb （ http：//www.nipgr.res.in/foxtail.html），包括基于基因組的SSR，基于基因的SSR和ILP （Intron Length Polymorphism） 標(biāo)記，這些都為谷子的分子研究提供了條件。

不同的研究中開發(fā)出的SSR標(biāo)記，成功擴增率都能達到較高水平，但多態(tài)率差異較大，這與不同方法開發(fā)出的SSR標(biāo)記本身的多態(tài)性有關(guān)，也與試驗所用植物材料的親緣關(guān)系和材料數(shù)量有關(guān)，有研究表明[12]谷子近緣野生種比栽培種表現(xiàn)出更高的多態(tài)性，栽培種中農(nóng)家品種比育成品種多態(tài)性高。

2遺傳多樣性分析

對品種的遺傳多樣性進行分析，能夠有效地揭示品種間的親緣關(guān)系，追溯品種的起源，了解品種的遺傳多樣性，可為遺傳研究或育種親本選擇提供參考，育種親本選擇遺傳相似度越低的材料，得到的后代材料遺傳多樣性越豐富。

關(guān)于谷子的起源，Kim 等[18]利用28個SSR引物對37個來自中國、韓國和巴基斯坦的谷子品種進行分析，結(jié)果表明來自中國的谷子品種遺傳多態(tài)性最高，認(rèn)為谷子的起源地為中國；Wang等[19]利用77個SSR標(biāo)記，將250份品種分為與其生態(tài)型完全一致的3個亞群，黃河流域及其下游地區(qū)的遺傳多樣性最高，暗示谷子是從黃河流域起源的。

朱學(xué)海等[20]用21對SSR標(biāo)記，將涉及6個生態(tài)區(qū)的120份核心谷子材料劃分為4個類群，所分類群與其地理來源及生態(tài)類型之間存在明顯的一致性。沈琰等[21]對10個黑龍江省和10個吉林省谷子品種進行遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)吉林省谷子品種基因多樣性略比黑龍江省豐富，但親緣關(guān)系較黑龍江省更近，遺傳多樣性不高且多源于本省內(nèi)，應(yīng)加強兩省間種質(zhì)資源的交流。

農(nóng)家品種與育成品種間存在較大的遺傳差異。賈小平等[22]用37對SSR標(biāo)記對40個谷子品種進行遺傳多樣性分析，聚類結(jié)果顯示，代表不同生態(tài)區(qū)域的農(nóng)家品種聚類群與生態(tài)類型比較一致，而幾乎所有來自不同地區(qū)的谷子育成品種都被聚成一組，反映不出區(qū)域性。王姍姍等[23]、楊天育等[24]、孫加梅等[25]對谷子種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究均表明農(nóng)家品種與育成品種間存在較大的遺傳差異，而育成品種間多態(tài)性不高，這可能與當(dāng)前谷子育種手段單一，特別是與重點骨干親本的集中利用有關(guān)，造成區(qū)域性谷子育成品種遺傳背景較相似，遺傳多樣性降低，而農(nóng)家品種因?qū)Σ煌鷳B(tài)區(qū)的長期適應(yīng)與進化，具有豐富的遺傳多樣性。

不同生態(tài)區(qū)的種質(zhì)遺傳差異大小不一。李國營[26]利用20對SSR引物對400份谷子初級核心種質(zhì)進行遺傳多樣性分析，結(jié)果表明西北內(nèi)陸、黃土高原、內(nèi)蒙高原的種質(zhì)遺傳差異較大，東北平原和華北平原次之，淮河以南的種質(zhì)遺傳差異最小。朱學(xué)海[27]利用21對SSR引物對來自不同生態(tài)區(qū)的100份較抗旱的種質(zhì)和20份不抗旱的種質(zhì)進行SSR遺傳多樣性分析，得到類似結(jié)論。

3遺傳圖譜構(gòu)建

遺傳圖譜的構(gòu)建在遺傳學(xué)研究中占有重要地位，是基因定位克隆、分子標(biāo)記輔助選擇育種等研究的基礎(chǔ)工具。應(yīng)用DNA多態(tài)性標(biāo)記構(gòu)建的遺傳圖譜具有標(biāo)記數(shù)量大、遺傳穩(wěn)定、飽和度大等優(yōu)點，具有較高的應(yīng)用價值。

Jia等[2]以（B100×A10）F2 作圖群體構(gòu)建了一張包含9個連鎖群81個SSR標(biāo)記的遺傳圖譜，這是世界上第1張谷子 SSR 標(biāo)記遺傳連鎖圖譜。該圖譜與Wang等[28]利用RFLP 標(biāo)記構(gòu)建的圖譜進行整合，共有 101 個標(biāo)記定位到圖譜上，整合后的圖譜長1654 cM，標(biāo)記間平均距離為 16.4 cM。

楊坤[29]以（N10×大青秸）F2 作圖群體，構(gòu)建了一張包含10 個連鎖群46個SSR標(biāo)記的谷子遺傳圖譜，總長度為 916 cM，標(biāo)記間的平均距離為 19.91 cM。

王智蘭等[30]利用（高146A×K103）的F2 群體，采用來自谷子、水稻、珍珠粟和高羊茅的多種分子標(biāo)記，構(gòu)建了一張谷子遺傳連鎖圖譜，該遺傳圖譜包含9個連鎖群192個標(biāo)記，覆蓋基因組長度2082.5 cM，標(biāo)記間的平均間隔10.85 cM。

王曉宇等[31]以表型差異較大的“沈3”和“晉谷20”構(gòu)建的F2作圖群體為材料，構(gòu)建了一張包含10 個連鎖群54 個SSR 標(biāo)記的遺傳連鎖圖，覆蓋總長度421.6 cM。

王小勤[16]利用（豫谷1號×隴谷7號）的F2群體，構(gòu)建了一張包含 9 個連鎖群1035個多態(tài)性標(biāo)記位點的谷子遺傳圖譜，覆蓋1318.8 cM，相鄰標(biāo)記間平均間隔1.27 cM。

4基因定位

4.1質(zhì)量性狀基因定位張浩等[32]利用 EMS 誘變豫谷1號，獲得一個可以穩(wěn)定遺傳的窄穎花突變體sins1。突變體sins1與正常野生型SSR41雜交構(gòu)建F2群體，遺傳分析表明，該突變性狀由隱性單基因控制。利用 F2群體隱性單株，最終將突變基因定位在3號染色體上SSR標(biāo)記3-2658與CAAS3031間約7.709 Mb的距離內(nèi)，并在定位區(qū)間發(fā)現(xiàn)8個在穗部高表達的基因，為谷子穎花相關(guān)基因的鑒定和功能分析提供基礎(chǔ)。李雯等[33]同樣用EMS誘變豫谷1號，獲得谷子小穗突變體si-sp1，并利用突變體與“遼谷1號”構(gòu)建的F2群體中的隱性單株，將突變基因定位在8號染色體上標(biāo)記CAAS8003與SSR1038間約11.02 M的距離內(nèi)。

Sato等[34]對2個F2群體的遺傳分析表明，谷子小穗頂刺毛是由單隱性基因控制的，利用TD（Transposon display）標(biāo)記和Jia等[2]開發(fā)的SSR標(biāo)記，將該基因stb1定位到2號染色體上，之后又根據(jù)基因組序列信息在stb1的SSR位點附近開發(fā)35個新的SSR標(biāo)記，利用其中1個群體構(gòu)建了包含9個連鎖群的遺傳圖譜，覆蓋長度1287.5 cM，并將該基因進一步定位到2號染色體5.7 cM 的區(qū)間內(nèi)（Si SSRII-26～p80），對應(yīng)谷子物理圖譜 800 kb。

4.2數(shù)量性狀基因定位王曉宇等[31]利用（沈 3×?xí)x谷 20）F2 群體對谷子株高等主要農(nóng)藝性狀進行數(shù)量性狀位點QTL分析，檢測到與株高相關(guān)的主效QTL 2 個和穗長主效 QTL 1 個，與穗重、粒重相關(guān)的主效 QTL 為同一位點，不同連鎖群QTL 間互作明顯。楊坤[29]利用（N10×大青秸）F2 作圖群體和SSR標(biāo)記，鑒定出與株高、穗頸長、主莖節(jié)數(shù)、穗長和落粒性 5個性狀相關(guān)的 12 個 QTL。

王小勤[16]利用SSR標(biāo)記構(gòu)建的高密度谷子遺傳圖譜，結(jié)合2年 11 個主要農(nóng)藝性狀表型數(shù)據(jù)，檢測到29個與谷子產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀相關(guān)的QTL，解釋變異率為 7.0%～14.3%。其中22 個 QTL 增加性狀表型值的等位基因來源于“豫谷 1 號”，6 個來源于“隴谷 7號”，另外一個千粒重 QTL（qTGW5.1）增加性狀表型值的等位基因在單環(huán)境和聯(lián)合分析檢測中分別來源于不同的親本。

Gupta等[35]利用覆蓋谷子9條染色體的50個SSR標(biāo)記對184個來自不同生態(tài)區(qū)的谷子品種基因分型，首次應(yīng)用關(guān)聯(lián)分析法，對谷子 20 個產(chǎn)量及其相關(guān)農(nóng)藝性狀進行 QTL 定位分析，共檢測到 8 個顯著 QTL。

5分子標(biāo)記輔助育種

5.1連鎖標(biāo)記輔助選擇

傳統(tǒng)育種是通過表型間接對基因型進行選擇，所需時間長，表型差異不明顯也會造成選擇的困難。分子標(biāo)記輔助選擇將分子生物學(xué)與常規(guī)育種有機結(jié)合起來，通過檢測與目標(biāo)基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，就能獲得目的基因的基因型，可大大縮短育種年限，提高育種效率。

郝曉芬等[36]利用166對SSR引物在谷子光敏不育系GM與恢復(fù)系“恢東 1 號”兩親本間篩選出61對具有多態(tài)性，經(jīng)F2群體單株驗證，發(fā)現(xiàn)位于6號染色體的引物b159與雄性不育基因連鎖，相距13.5 cM，為谷子光敏雄性不育系及谷子雜種優(yōu)勢的研究提供參考。

Wang等[37]通過遺傳分析表明谷子不育材料“高146A”的不育性是由一個單隱性基因控制，利用SSR標(biāo)記和（高 146A×K103）構(gòu)建的F2群體，將該不育基因ms1定位在 6 號染色體上，與SSR標(biāo)記b234緊密連鎖，遺傳距離16.7 cM。

李志江等[38]利用抗“拿捕凈”基因的已知序列與谷子基因組進行比對，發(fā)現(xiàn)第7和9條染色體上均存在同源序列，開發(fā)SSR標(biāo)記在谷子F2群體中進行共分離分析，結(jié)果表明位于第7染色體上的標(biāo)記SIMS13569和SIMS13512與谷子抗“拿捕凈”基因連鎖，該標(biāo)記可用于分子標(biāo)記輔助選擇。

5.2品種鑒定和區(qū)分

利用形態(tài)學(xué)性狀區(qū)分鑒定品種比較耗時，且親本表型相似的類型很難通過觀察進行分辨，利用分子標(biāo)記技術(shù)，可準(zhǔn)確快速地區(qū)分鑒定品種、進行品種純度和真實性鑒定。

王永芳等[39]利用193個谷子 SSR 標(biāo)記對谷子生產(chǎn)中常用的6 個育種親本所組配的 15 個雜交組合進行檢測，篩選出一批可用于各組合后代材料鑒定的分子標(biāo)記，為育種材料的應(yīng)用提供指導(dǎo)，也為分子標(biāo)記輔助選擇育種奠定基礎(chǔ)。

王姍姍等[23]構(gòu)建了一張包含4對SSR引物的谷子指紋圖譜，利用這4對引物可將8 份地方谷子品種成功區(qū)分開，這也是首次利用SSR指紋圖譜對谷子進行品種鑒定的實踐。

秦冰清等[40]從EMS誘變的“晉谷21號”突變體庫中篩選獲得葉色突變體，其中突變體28和29從苗期開始葉片就明顯比對照“晉谷21號”寬，為排除其他品種混雜的可能性，利用SSR標(biāo)記進行驗證，結(jié)果表明突變體28和29的條帶與對照品種條帶在凝膠上的位置相同，片段大小也相同，而其余3個狗尾草品種的條帶與對照和突變體28、29的條帶在凝膠上的相對位置均不一致，DNA片段大小也不同，說明突變體28和29的品種是“晉谷21號”，而不是其他品種混雜。

李濤等[41]利用形態(tài)學(xué)和 SSR 分子標(biāo)記對谷子 F1代當(dāng)選單株的真實性進行鑒定，SSR標(biāo)記共同具有父母本條帶的為真雜種，為 F2∶3代群體種植及其單株選擇提供試驗依據(jù)。

6展望

谷子分子研究起步較晚，但隨著谷子基因組測序的完成，海量數(shù)據(jù)可用于分子標(biāo)記的開發(fā)，除了SSR標(biāo)記，還可以開發(fā)豐度更高、覆蓋更全面、多態(tài)性更好的SNP標(biāo)記，為谷子分子研究的開展提供條件。同時，谷子基因組較小，且與小稻、玉米等禾本科作物有很高的共線性，標(biāo)記間通用性強，利于比較基因組學(xué)研究。谷子有許多優(yōu)良基因，隨著功能基因研究的深入，必將有助于加快谷子種質(zhì)資源的保護、品種改良創(chuàng)新和新品種選育進程。

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