基于質(zhì)量和數(shù)量性狀混合的高粱遺傳多樣性分析

加依娜·吾永巴衣 胡文明 阿迪里·托乎尼亞孜

摘要：為了解高粱種質(zhì)資源的遺傳多樣性，以56份來自不同國家和地區(qū)的高粱種質(zhì)為研究對象，分別對其葉脈色、穗型、穗形、芽鞘色、穎殼色、粒色、穎殼包被度7個質(zhì)量性狀和生育期、株高、穗長、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量5個數(shù)量性狀進行鑒定，分析各性狀的多樣性指數(shù)，并利用質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀進行混合數(shù)據(jù)系統(tǒng)聚類。結(jié)果表明，2類性狀均具有廣泛的遺傳變異，數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)高于質(zhì)量性狀，其多樣性指數(shù)的變異范圍為1.639～2.012，而質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)變異范圍為0.879～1.498。系統(tǒng)聚類結(jié)果表明，在估計節(jié)點AU=95時，所有種質(zhì)聚為28類，其中38份種質(zhì)聚為10類，平均每類包含3.8份種質(zhì)，其余18份種質(zhì)分別單獨歸類;在AU=90時，所有種質(zhì)聚為2類，分別包含13、43份種質(zhì)。說明收集的56份種質(zhì)具有豐富的遺傳多樣性，是進行性狀改良和遺傳研究理想的原始材料。

關(guān)鍵詞：高粱;質(zhì)量性狀;數(shù)量性狀;遺傳多樣性;估計節(jié)點;系統(tǒng)聚類

中圖分類號： S514.032 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）02-0073-04

一般來說，作物的表型性狀主要有質(zhì)量和數(shù)量性狀2種類型，前者受單基因或寡基因控制，其表達不易受環(huán)境的影響，作物的穗型、籽粒的顏色等屬于質(zhì)量性狀;后者主要受微效多基因控制，其表達極易受環(huán)境的影響，作物的株高、穗長、粒質(zhì)量、生物量等相關(guān)性狀屬于數(shù)量性狀。作物質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的改良均離不開優(yōu)異種質(zhì)資源的收集和利用。育種家在進行作物性狀改良時，為了解種質(zhì)資源的遺傳背景及親緣關(guān)系，須要考察種質(zhì)資源的各類性狀，分析其遺傳多樣性和材料間遺傳差異的大小;同樣，遺傳研究者為提高基因挖掘的效率在發(fā)掘重要性狀QTLs基因時，也要求群體的性狀具有較大的遺傳變異。遺傳差異的大小可利用品種或群體的表型數(shù)據(jù)和分子標記數(shù)據(jù)[1-3]進行多樣性和聚類分析加以衡量[4-6]，由于利用表型數(shù)據(jù)進行多樣性分析具有簡單、便捷等優(yōu)點而在小麥[7-9]、玉米[10]、綠豆[11]、薏苡[12]、大豆[13]、小豆[14]、旱稻[15]、甜高粱[16]等作物上得以廣泛應(yīng)用。前人的研究大多利用數(shù)量性狀進行分析，而對于聚類分析中，分類數(shù)目的確定尚無統(tǒng)一的標準，大部分研究均根據(jù)實踐經(jīng)驗來指定分類數(shù)目，這往往導(dǎo)致對遺傳多樣性分析或分類識別的結(jié)果不夠準確。高粱[Sorghum bicolor （L.） Moench]是繼水稻之后的又一禾本科模式作物，它生物產(chǎn)量高，具抗旱、耐鹽堿、耐貧瘠等特點，有“高能作物”和作物中的“駱駝”之稱[17-18]，因此對高粱種質(zhì)資源的研究和利用對于今后遺傳改良工作的開展具有重要的研究和利用價值。有研究表明，基于“P值系統(tǒng)聚類”的方法利用“自舉再抽樣”能夠無偏估計材料間聚為一類的概率，是一種有效的聚類方法[19-20]。本研究以前期收集到的56份高粱種質(zhì)為研究對象，基于質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀混合的農(nóng)藝性狀，利用Shannon-Weaver遺傳多樣性指數(shù)對其進行多樣性分析，采用R軟件進行“P值聚類”和“自助再抽樣”估計節(jié)點的近似無偏概率（approximate unbiased，AU）、自動再抽樣概率（bootstrap probability，BP）概率，采用歐式距離（euclidean distance）和Ward法進行聚類，以期為今后開展有益等位基因的發(fā)掘和品種選育提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

56份國內(nèi)外高粱種質(zhì)均由國家種質(zhì)資源庫提供，其中有9份種質(zhì)來自中國，代號分別為X1～X8、X12，其余47份種質(zhì)原產(chǎn)于美國、印度、日本、墨西哥、埃塞俄比亞、捷克和馬里共7個國家（表1）。

1.2 試驗設(shè)計與性狀調(diào)查

試驗于2015—2016年在塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院農(nóng)學(xué)試驗站進行。選擇隨機區(qū)組設(shè)計，2次重復(fù)，5月1日前后播種，行長5 m，行距0.6 m，株距0.2 m，1葉1心間苗，每穴留苗1株，未去除分蘗。于蠟熟期從小區(qū)中間行第3株后連續(xù)取樣3株，參考《高粱種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[21]進行性狀調(diào)查。調(diào)查的性狀為2類：第1類是質(zhì)量性狀，包括葉脈色、穗型、穗形、芽鞘色、穎殼色、粒色、穎殼包被度7個性狀;第2類是數(shù)量性狀，包括生育期、株高、穗長、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量5個性狀，數(shù)量性狀取2年的平均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

利用Shannon-Weaver遺傳多樣性指數(shù)（Shannon-Weaver index of genetic diversity）來衡量性狀遺傳多樣性大小，計算公式為：H′=-∑PilnPi，其中：Pi為性狀第i級別內(nèi)材料的占比。對于質(zhì)量性狀，分別統(tǒng)計各級別的Pi，計算Shannon-Weaver遺傳多樣性指數(shù)。

數(shù)量性狀級別的劃分標準：根據(jù)平均數(shù)（x）和標準差（s）將各性狀分為10級，第1級為xi ? ? 高粱種質(zhì)的各性狀的變異大小、遺傳多樣性均利用R軟件基礎(chǔ)包進行分析，并對數(shù)量性狀類間均值進行差異檢驗;利用R/pvclust[22]擴展包進行“P值聚類”，1 000次“自助再抽樣”估計節(jié)點AU、BP，采用歐式距離和Ward法進行聚類。聚類個數(shù)的選擇及類別內(nèi)包含的種質(zhì)材料由指定的AU值確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量性狀的頻率分布和遺傳多樣性指數(shù)

由表2可見，56份高粱種質(zhì)的質(zhì)量性狀具有較為廣泛的遺傳多樣性，多樣性指數(shù)的變化范圍為0.879～1.498。其中粒色的遺傳多樣性指數(shù)最大，為1.498;其次為穎殼色，為 1.420;穗形的最小，為0.879。

由供試種質(zhì)的質(zhì)量性狀頻率分布可知，葉脈色、穗型、穗形、芽鞘色、穎殼色、粒色、穎殼包被度7個質(zhì)量性狀中，葉脈色、穎殼色、粒色的種類最多，均可分成6類，穗型、穗形、芽鞘色、穎殼包被度均可分成4類。葉脈色有白、白蠟、淡黃、黃白、蠟、綠蠟之分，其中白、蠟的種質(zhì)分別有22、24份，占種質(zhì)總數(shù)的39.29%、42.86%;白蠟、淡黃、綠蠟的種質(zhì)均有3份，均占總數(shù)的5.36%;黃白的種質(zhì)僅有1份，占總數(shù)的 1.79%。穗型以中緊為主，散和緊次之，中緊也有少量分布。穗形以紡錘居多，其次為傘形，圓筒和杯形最少。芽鞘色的頻率分布比較分散，其中紅色所占比例最多，白色、綠色和紫色也有不少分布。穎殼色以紫色居多，其次為黑色和紅色，黃色、灰色和白色的種質(zhì)較少。粒色以黃色最多，其次為白色和紅色，白帶斑點、褐色及其他顏色也有較少分布。穎殼包被度以1/2居多，其次是3/4和<1/4，也有少部分種質(zhì)是全包。

2.2 數(shù)量性狀的基本統(tǒng)計描述和遺傳多樣性指數(shù)

由表3數(shù)量性狀的基本統(tǒng)計描述可以看出，供試種質(zhì)數(shù)量性狀的平均值、極值、標準差、極差、變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均存在較大的變異，變異系數(shù)范圍為0.120～0.463，其值由大到小順序為穗粒質(zhì)量>穗長>株高>千粒質(zhì)量>生育期。多樣性指數(shù)的變化范圍為1.639～2.012，其值由大到小順序為生育期>株高>穗粒質(zhì)量>千粒質(zhì)量>穗長，說明供試材料的生育期和株高具有最大的遺傳多樣性，可作為高粱品種選育和遺傳改良的主要參考指標。

2.3 聚類分析

對56份高粱種質(zhì)進行聚類分析，結(jié)果表明大部分供試種質(zhì)具有較遠的遺傳距離（圖1），說明供試材料具有較為豐富的遺傳多樣性。按照無偏估計節(jié)點AU=95的概率（表4），其中有38份種質(zhì)可聚為10類，占種質(zhì)總數(shù)的 67.86%，大多分類中包含的種質(zhì)數(shù)為2～5份，最多的一類中包含的種質(zhì)數(shù)為12份。剩余18份種質(zhì)未能歸為以上任何一類，均可單獨一類， 占種質(zhì)總數(shù)的32.14%。以AU=90概率（表5），56份種質(zhì)可聚成2類：Ⅰ類和Ⅱ類。第Ⅰ類包含13份高粱種質(zhì)，占種質(zhì)總數(shù)的23.21%;第Ⅱ類包括43份種質(zhì)，占種質(zhì)總數(shù)的76.79%。值得注意的是，供試材料包括的9份國內(nèi)種質(zhì)中有8份（X1～X7、X12）歸到第Ⅱ類，1份雜交選育種質(zhì)（X8）歸到第Ⅰ類中。

2.4 AU=90類間數(shù)量性狀均值差異檢驗

對AU=90時2類種質(zhì)間的數(shù)量性狀均值進行差異檢驗，結(jié)果表明，除株高差異不顯著外，2類種質(zhì)間的穗長、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量和生育期4個數(shù)量性狀均存在極顯著差異（表6）。Ⅰ類種質(zhì)具有較短的穗長，較大的穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量，較長的生育期，是選育晚熟、糧飼兼用高粱的寶貴資源;Ⅱ類種質(zhì)具有較長的穗長，較小的穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量，較短的生育期，是選育早熟抗倒伏品種的寶貴資源。

3 討論與結(jié)論

種質(zhì)資源的遺傳多樣性是進行品種改良和遺傳研究的基礎(chǔ)，通過遺傳多樣性分析可以從整體上把握種質(zhì)的利用價值。同時，遺傳多樣性也是作物長期進化適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果：遺傳多樣性越高，作物對環(huán)境適應(yīng)力越強。對生物遺傳多樣性的研究方法經(jīng)歷了形態(tài)水平、細胞水平、生化水平、分子水平等不同的階段，但形態(tài)學(xué)遺傳多樣性研究因其直接、簡便等特點仍然得到廣泛應(yīng)用[12]。本試驗對收集的56份國內(nèi)外高粱種質(zhì)的形態(tài)學(xué)遺傳多樣性進行初步研究，結(jié)果表明，這些種質(zhì)資源的質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀均具有較為廣泛的遺傳變異，質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)的變化范圍為0.879～1.498，大小順序為粒色>穎殼色>芽鞘色>穗型>穎殼包被度>葉脈色>穗形。

數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)的變化范圍為1.639～2.012，大小順序為生育期>株高>穗粒質(zhì)量>千粒質(zhì)量>穗長。顯然，數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)高于質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)，說明本研究所掌握的高粱種質(zhì)資源的遺傳多樣性較為豐富，其中生育期和株高是決定高粱利用價值的重要指標性狀，具有較大的遺傳多樣性，是進行高粱品種改良和遺傳研究的重要參考性狀。

在聚類分析過程中確定分類數(shù)目始終是研究的難點和主要關(guān)切點。目前大部分的聚類研究對分類數(shù)的劃分往往是隨意的或根據(jù)經(jīng)驗指定，這往往不能精確反映種質(zhì)資源真實的遺傳多樣性。本研究利用R軟件的pvclust包，對種質(zhì)資源進行P值系統(tǒng)聚類，根據(jù)“自舉再抽樣方法”計算種質(zhì)間聚為一類的近似無偏概率AU，進而根據(jù)選定的AU水平確定類別數(shù)目，是進行種質(zhì)資源遺傳多樣性和分類數(shù)目劃分的有益嘗試。對56份高粱種質(zhì)進行聚類分析，結(jié)果表明，大部分種質(zhì)具有較遠的遺傳距離。按照無偏估計節(jié)點AU=90概率，所有種質(zhì)可聚成2類，分別有13、43份種質(zhì)。對AU=90時2類種質(zhì)間的數(shù)量性狀均值進行差異檢驗，結(jié)果表明，除株高差異不顯著外，2類種質(zhì)間的穗長、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量和生育期4個數(shù)量性狀均存在極顯著差異，表明其pvclust聚類是有效的，其分類的數(shù)目是較為合理的。

致謝：感謝國家種質(zhì)資源庫為本研究提供種質(zhì)材料，感謝國家自然科學(xué)基金委對本研究提供資助。

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