山西谷子地方品種初選核心種質構建

王海崗　溫琪汾　喬治軍　穆志新

摘要：為了構建山西谷子地方品種核心種質，提高資源利用效率，采用離差平方和法進行系統聚類后隨機取樣，構建的初選核心種質保留了原始種質11.34%的遺傳資源。分析結果顯示：核心種質與原始種質表型性狀均值差異百分率為5.9%，極差符合率為87.4%，方差差異百分率為35.3%，變異系數變化率為102.0%;經多樣性指數t檢驗，表明初選核心種質能夠代表原始種質的遺傳多樣性。

關鍵詞：山西;谷子;地方品種;核心種質;遺傳多樣性

中圖分類號：S515? 文獻標志碼：A? 論文編號：cjas18060022

0引言

山西是中華農耕文明重要發源地，是以旱作農業為主的省份，谷子在山西起源于1.7萬?2.4萬年前。山西地處華北西部的黃土高原東翼，南北橫跨6個緯度（34°34'—40°44），是中國谷子主要種植省份。谷子具有抗旱、耐瘠、生育期短的特點，作為一種糧草兼用作物，其廣泛種植于黃河流域且是中國北方干旱半干旱地區的重要雜糧作物之一。同時，谷子具有基因組比較小（大約515 Mb）、自花授粉特點，是全基因組研究和C作物光合的研究的理想模式作物。山西谷子種植區劃分為春播早熟區、春播中熟區、春播晚熟區和夏播區，復雜多樣的地理生態類型孕育了豐富多樣的谷子資源。20世紀50年代和80年代山西省進行了兩次大規模的資源征集，現保存在山西省種質庫的谷子地方品種有5627份。其中，包括抗旱豐產的‘狼尾巴’、‘朱砂紅’、‘東方亮’、‘鵝羊谷’等，高抗黑穗病的‘黃谷’、‘黑軟谷’、‘雞爪谷’等，出米率高的‘瓦屋里’谷子等，品質好、食味香的‘十里香’谷子和享譽全國的‘沁州黃’、‘東方亮’等優質谷子種質資源。

Franke認為核心資源是以最少數量的遺傳資源包含一個作物種及其近緣種的最大限度的遺傳多樣性。建立資源核心庫主要是便于對其進行優先評價和利用，從而提高整個種質庫資源的管理和利用水平。構建種質資源核心庫，對種質庫資源的有效管理、種質資源收集和繁殖具有重要意義，同時促進種質資源的深入鑒定評價，提高庫存種質資源的利用效率。目前，水稻、小麥、玉米、大豆、棉花、小豆、綠豆、豌豆、黍稷、蠶豆等作物核心種質和微核心種質已構建完成，浙江、云南、貴州、廣西、華南及太湖流域地方稻種資源和黃淮夏大豆、貴州玉米、甘肅糜子、青海蠶豆、河北小豆等地方作物核心種質也已構建，并在此基礎上開展了核心種質研究工作，推動了種質資源的精細表型和基因型鑒定，同時為優異種質資源在育種中的利用起到了積極作用。

豐富的山西谷子資源可以為育種提供大量的基礎材料，但是在實際工作中資源的利用卻很有限，數量龐大的資源不能有效的對其進行深入研究、評價和利用。為有效管理和高效利用現有谷子種質資源，深入系統挖掘山西谷子遺傳潛力，本研究進行山西谷子地方品種核心種質的構建，通過核心庫構建不僅保留了地方品種的遺傳多樣性，也減少了資源的鑒定評價數量。山西谷子地方品種核心庫的構建，對服務我省有機旱作農業，提高育種效率和推動谷子產業發展將起到積極作用。

1材料與方法

1.1材料

5627份谷子地方品種數據來源于山西省農業科學院農作物品種資源研究所谷子種質資源數據庫。包括幼苗葉色、幼苗鞘色、穗型、刺毛長度、粒色、米色、粳糯性、一株莖數、主莖長度、主莖直徑、主莖節數、主穗長、生育期、單株桿重、單株穗重、單株粒重、千粒重17個農藝性狀。

1.2方法

1.2.1數據整理? 17個農藝性狀中包括幼苗葉色、幼苗鞘色、穗型、刺毛長度、粒色、米色、粳糯性7個非數值性狀;對非數值型性狀予以賦值（表1），將代碼數除以代碼總數，轉換成0?1之間的數值。10個數值性狀包括一株莖數、主莖長度、主莖直徑、主莖節數、主穗長、生育期、單株稈重、單株穗重、單株粒重、千粒重。

1.2.2多樣性指數? 采用Shannon-Wiener’s多樣性指數（H'）進行遺傳多樣性評價。計算各性狀Shannon-Weaver遺傳多樣性指數：。其中，H'：某性狀的遺傳多樣性指數;p：某一性狀第i個代碼出現的頻率;：用所有性狀多樣性指數平均值來表示某一類種質的遺傳多樣性。

1.2.3聚類分析? 按照山西省11個地市行政區劃，將5627份山西谷子地方品種劃分為11組（表2）。對數據進行標準化處理，使用Statistic6.0軟件以組為單位計算歐氏距離，對11個組采用離差平方和法進行聚類分析。

采用平方根法取樣策略即組內取樣比例由整個組內資源份數的平方根值占各組平方根之和的比例來決定。根據每組確定的取樣比例大小確定每組取樣數目，在聚類等量取樣類群中隨機抽取一份資源作為初選核心種質。

1.2.4多樣性指數t測驗? 通過Var（H'）計算多樣性指數變異方差，來檢驗初選核心種質的代表性。式中，H'、H'分別表示原始種質、初選核心種質某一性狀的多樣性指數，n表示性狀的代碼數，N、N表示樣本數，m為自由度，Var（H'）、Var（H'）為方差，t為實測t值。

2結果與分析

2.1初選核心種質取樣及多樣性分析

對來源于山西119個縣（區、市）的5627份谷子資源，以行政市為單位分為11組。每組材料采用歐式距離對表型數據進行離差平方和法聚類。每組取樣份數采用平方根策略確定，每組按照取樣數量確定聚類閾值，分成與取樣數量相等的小組，從每小組中隨機抽取1份資源，取出后的638份資源構成山西谷子地方品種初選核心種質。初選核心種質占原始種質的11.34%，其中，晉中市取樣比例最高達15.06%，取樣份數為184份;晉城市取樣比例最小為4.93%，取樣份數為8份。原始種質中11個地市間表型多樣性指數變化范圍為1.8110?1.9686，而初選核心種質多樣性指數變幅在1.4481?1.9249，變幅高于原始種質，這可能與原始種質中不同地市來源的種質數目差異較大，造成取樣后遺傳多樣性指數降低。

2.2初選核心種質代表性檢驗

原始種質中表型性狀變異系數變化較大，僅有生育期變異系數小于10%，穗型和粒色的變異系數超過40%，說明山西谷子地方品種的遺傳變異豐富，適于構建核心種質。17個表型性狀平均值t檢驗顯示，原始種質與核心種質除生育期外其他性狀差異均不顯著;幼苗葉色、剌毛長度、生育期3個性狀方差F檢驗顯著，米色、主莖長度和單株穗重3個性狀F檢驗差異極顯著，其他11個性狀的方差為齊性，表明核心種質保留了更多的遺傳變異。核心種質與原始種質間均值差異百分率為5.9%，方差差異百分率為35.3%，極差符合率為87.4%，變異系數變化率為102.0%，表明選擇的初選核心種質能較好地代表原始種質。

2.3多樣性指數t檢驗

由表4可知，原始種質中表型遺傳多樣性指數變幅為0.320?2.0714，核心種質在0.3153?2.0694之間，可見初選核心種質與原始種質間多樣性指數的變幅一致。原始種質與初選核心種質表型性狀中的粒色和單株稈重差異達到顯著水平，主莖長度差異達到極顯著水平;其余14個性狀均未達到顯著水平，說明初選核心種質具有相對較好的代表

2.4原始種質和核心種質主成分分析

對原始種質和核心種質群體進行主成分分析（表5），二者特征值、貢獻率和累計貢獻率極為相近。當特征值大于1時，原始種質中可劃分成6個主成分，初選核心種質有7個，第一個主成分的特征值分別為3.1476和3.0578，貢獻率分別為18.5151%和17.9868%，前7個主成分的累計貢獻率分別是64.0033%和64.2958%，因此構建核心種質能有效減少性狀間相關造成的遺傳冗余，提高原種質資源群體的累計貢獻率。

3討論與結論

3.1山西谷子核心種質構建的必要性

山西是中國谷子栽培的主要省份，年種植面積在22.67x104hm左右，占全國種植面積的25%。山西谷子資源豐富，占全國谷子資源的1/5，高效管理和有效利用這些種質是谷子資源工作的重點。山西谷子核心種質的構建可以為谷子特殊基因資源鑒定提供優先資源樣本，也可進行谷子表現型和基因型變異的結構研究，還可以滿足山西省谷子遺傳改良的需要。浙江、貴州、廣西地方稻種資源的核心種質構建為水稻地方品種中優異基因的發掘、水稻生產和新品種的選育提供基礎資料;構建的華南、太湖等地水稻地方品種核心種質有更強的地域針對性，包含了更多的地方性特異稻種資源，同時也有利于方稻種資源的有效保存、深入評價鑒定、基因發掘及其水稻新品種選育。黃淮夏大豆、貴州玉米、甘肅糜子、青海蠶豆、河北小豆等業構建了地方作物的核心種質。圍繞不同作物進行的行政區、主產區核心資源的構建已成為各省種質資源精細化研究管理的基礎，高效挖掘地方品種中蘊含的特色基因資源是種質資源工作新的研究熱點。通過構建主栽區和生態區的核心種質，為本地區的作物育種和基因挖掘奠定基礎。

本研究利用17個農藝性狀對山西谷子地方種質進行核心庫構建，取樣比例為11.34%，進行歐氏距離聚類后根據每組取樣份數確定分組閾值，在每組中隨機取樣，構建的核心種質基本上能夠代表山西谷子地方品種的遺傳多樣性。由于表型性狀與生產實際關聯性較強，種質資源保存的目的就是充分利用表型性狀的多樣性，所以在構建山西谷子地方品種核心種質中應充分利用表型數據。但是表型數據采集過程易受環境條件和采集標準及系統誤差等因素的影響，原始種質的遺傳本質不能準確反映，因此在核心種質構建中要選擇一些遺傳穩定的性狀。核心種質的構建方法還需要利用基因型數據來進行，通過在表型數據建立初選核心種質，進一步利用分子標記對核心樣品進行補充和完善。

3.2初選核心種質的代表性

前人對核心種質的代表性評價指標做了大量研究，認為核心種質與原始種質的均值差異小于20%（a=0.05），極差符合率大于80%，說明構建的核心種質能夠代表原種質的遺傳多樣性。筆者對構建的核心種質與全部種質各性狀的均值、方差、多樣性指數進行了顯著性檢驗，利用均值差異百分率、方差差異百分率、極差符合率、變異系數變化率等參數進行核心種質代表性評價，表明構建的山西谷子地方品種初選核心種質能夠較好地代表原始種質的遺傳變異。同時，主成分分析的空間分布能夠反映群體之間的相似程度，利用主成分分析對所構建核心種質進行確認，減少了性狀間相關造成的遺傳冗余。

本研究利用表型數據構建了山西谷子地方品種核心種質，核心種質與原始種質表型性狀均值差異百分率為5.9%，極差符合率為87.4%，說明初選核心種質能較好地代表原始種質的遺傳多樣性。山西谷子種質資源編目性狀資料比較完整，下一步研究將對638份山西初選谷子地方品種進行統一的表型、特性全面評價并結合分子標記技術繼續進行分子水平的多樣性分析，進而進一步縮小種質數量，建立規模適宜、易于管理的應用核心種質，解決資源數量大、深入研究難的問題，也為種質資源重測序、新基因發掘及資源創新和利用奠定基礎。

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