云南省小麥育成品種(系)遺傳多樣性分析

丁明亮，周國(guó)雁，方藝瑾，李曉華，喬 玲，劉 琨，伍少云，李紹祥，鄭 軍*，楊木軍

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，云南 昆明 650205；2.國(guó)家小麥改良中心云南分中心，云南 昆明 650205；3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所，云南 昆明 650205；4.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，山西 臨汾 041000)

【研究意義】云南高原與青藏高原相毗連，屬低緯高海拔地區(qū)，境內(nèi)地形十分復(fù)雜，從南到北共有7個(gè)氣候類型，從低海拔熱區(qū)河谷、溫涼壩區(qū)到丘陵及高寒山區(qū)海拔300～3600 m內(nèi)均有普通小麥種植，劃分為滇北晚熟麥區(qū)、滇中中熟麥區(qū)和滇南早熟麥區(qū)，分屬于中國(guó)西南冬麥區(qū)和華南冬麥區(qū)[1-2]。小麥傳入云南后，在這種復(fù)雜的地理與生態(tài)條件下，通過長(zhǎng)期的自然和人工選擇，形成了多樣的小麥地方種質(zhì)資源，成為中國(guó)小麥種質(zhì)資源最豐富的地區(qū)之一，這些豐富的小麥種質(zhì)資源在云南小麥生產(chǎn)、育種和相關(guān)研究中發(fā)揮了重要作用[1-2]。云南小麥育成品種(系)內(nèi)含有十分豐富的云南地方品種與國(guó)內(nèi)外的種質(zhì)資源，雖然已有一些育成品種的資源得到挖掘和利用(如育成品種云麥52號(hào)含有普通小麥—簇毛麥6AL /6VS易位系92R149抗白粉病基因Pm21和抗條銹病基因Yr26[3])，必然還有很多未知的優(yōu)異資源尚待鑒定和開發(fā)。因此，分析云南省不同時(shí)期選育的小麥品種(系)的遺傳及其多樣性將有利于優(yōu)異小麥種質(zhì)資源的發(fā)掘與創(chuàng)新，對(duì)云南省的小麥育種實(shí)踐具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】當(dāng)前我國(guó)小麥主要種植區(qū)均對(duì)當(dāng)?shù)氐男←湻N質(zhì)資源的遺傳及其多樣性進(jìn)行了深入研究，相關(guān)研究結(jié)果已為當(dāng)?shù)匮芯空哌M(jìn)行基礎(chǔ)研究和育種工作提供了眾多有價(jià)值的參考信息，如鄭軍等[4]、彭芹等[5]、曹廷杰等[5]、李瑞奇等[7]、李學(xué)軍等[8]、喻俊杰等[9]分別對(duì)山西、山東、河南、河北、陜西和江蘇的小麥育成品種的遺傳多樣性進(jìn)行解析，但是各省小麥育成品種遺傳多樣性存在一定的差異。劉麗等[10]、勾宇宏等[11]和楊金華等[12]分別利用SSR標(biāo)記研究云南省鐵殼麥、云南歷史小麥品種和云南地方小麥品種的遺傳多樣性，分析表明云南鐵殼麥、云南歷史品種和云南地方品種均具有較好的遺傳多樣性，但是類型間其遺傳多樣性存在較大差異。【本研究切入點(diǎn)】云南省小麥地方品種、育成品種等種質(zhì)資源較多，然而目前僅僅有少數(shù)針對(duì)云南歷史品種及地方品種種質(zhì)資源的遺傳研究，缺乏針對(duì)小麥育成品種(系)種質(zhì)資源的系統(tǒng)性研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】為了進(jìn)一步挖掘云南省小麥育成品種(系)中的優(yōu)異資源，利用用簡(jiǎn)單重復(fù)序列標(biāo)記系統(tǒng)分析了云南省小麥育成品種(系)的遺傳多樣性水平，并從分子水平上解析了云南省小麥育成品種(系)穗粒數(shù)和千粒重等重要產(chǎn)量性狀的遺傳規(guī)律和特點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為云南省小麥育成品種(系)159個(gè)(表1)，其中育成品種80個(gè)(正式審定品種，V)，育成品系79個(gè)(非正審定品系，L)，這些材料絕大多數(shù)來自于設(shè)在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所的云南省作物種質(zhì)庫，其余來自于云南省各育種單位。

表1 159份云南省小麥育成品種(系)Table 1 159 wheat varieties (lines) bred in Yunnan Province

續(xù)表1 Continued table 1

續(xù)表1 Continued table 1

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)使用91對(duì)SSR引物分別來源于中國(guó)小麥微核心種質(zhì)構(gòu)建的引物目錄(75對(duì))[13]以及和相關(guān)重要性狀穗粒數(shù)與千粒重緊密連鎖的分子標(biāo)記(16對(duì))[14-16]。試驗(yàn)材料的基因組DNA提取、PCR擴(kuò)增及SSR數(shù)據(jù)處理均參考文獻(xiàn)[4]進(jìn)行。參考文獻(xiàn)[17-18]統(tǒng)計(jì)和計(jì)算等位變異數(shù)、遺傳距離及遺傳多樣性指數(shù)等。

表2 91對(duì)SSR標(biāo)記檢測(cè)到的等位變異數(shù)及多態(tài)性信息指數(shù)Table 2 No. of alleles and PIC values detected by 91 SSR makers

續(xù)表2 Continued table 2

2 結(jié)果與分析

2.1 云南省小麥育成品種(系)SSR分析

91對(duì)SSR引物掃描159個(gè)云南省小麥育成品種(系)，共有360個(gè)等位變異被檢測(cè)到，單個(gè)SSR標(biāo)記檢測(cè)到1～9個(gè)等位變異，平均每個(gè)SSR標(biāo)記檢測(cè)到3.96個(gè)等位變異，其中SSR引物wmc262可檢測(cè)到等位變異數(shù)為9個(gè)，SSR引物gwm413、gwm174、psp3071和gdm674個(gè)標(biāo)記可檢測(cè)到等位變異數(shù)為8個(gè)，cfd72、gwm95和gwm1483個(gè)標(biāo)記可檢測(cè)到等位變異數(shù)為7個(gè)，有50個(gè)標(biāo)記檢測(cè)到的等位變異數(shù)超過平均等位變異數(shù)(占54.95 %)。各位點(diǎn)的多態(tài)性信息指數(shù)最低為0，最高為0.8408，所有位點(diǎn)多態(tài)性信息指數(shù)平均值為0.4677，位點(diǎn)gwm174的多態(tài)性信息指數(shù)最高為0.8408，其中多態(tài)性信息指數(shù)在0.25以下的位點(diǎn)有14個(gè)(占位點(diǎn)總數(shù)的15.38 %)，多態(tài)性信息指數(shù)大于0.5標(biāo)記有48個(gè)(占位點(diǎn)總數(shù)的52.75 %)，可見這些標(biāo)記在云南省小麥育成品種(系)中的多態(tài)性比較豐富。

表3 不同時(shí)期云南小麥育成品種(系)的遺傳多樣性Table 3 Genetic diversity of wheat bred varieties(lines) from Yunnan in different periods

2.2 云南省小麥育成品種(系)A、B、D染色體組的遺傳多樣性比較

采用的91對(duì)SSR分子標(biāo)記平均分布于在小麥A、B和D 染色體組的數(shù)量分別是31、31和29個(gè)，在A染色體組、B染色體組與D染色體組被檢測(cè)到的等位變異數(shù)分別為有128、123和109個(gè)；在A染色體組上被檢測(cè)到的平均等位變異數(shù)為0.4784，在B染色體組上被檢測(cè)到的平均等位變異數(shù)為0.4664，而在D染色體組上被檢測(cè)到的平均等位變異數(shù)為0.4575；A染色體組的遺傳多樣性指數(shù)為0.5217，B染色體組的遺傳多樣性指數(shù)為0.5043，而D染色體組的遺傳多樣性指數(shù)為0.5102。說明云南省小麥育成品種(系)在A染色體組相比D染色體組與B染色體組其等位變異最為豐富，PIC值也較高，多樣性最好。

2.3 云南省不同時(shí)期的小麥育成品種(系)的遺傳多樣性比較

圖1 似然對(duì)數(shù)的變化率(△K)Fig.1 Rate of change in the log probability of data between successive K values(△K)

云南省不同時(shí)期的小麥育成品種的遺傳多樣性研究結(jié)果見表3，可見20世紀(jì)80年代以前小麥育成品種(系)的遺傳多樣性指數(shù)和PIC值最低，而80年代小麥育成品種(系)的遺傳多樣性指數(shù)和多態(tài)性信息指最高。90年代開始，云南省小麥育成品種的平均等位變異數(shù)、遺傳多樣性指數(shù)和多態(tài)性信息指隨著小麥品種(系)選育的時(shí)期總體上有下降的趨勢(shì)，說明在90年代以來云南省小麥育成品種(系)的親本資源日益狹窄。

2.4 云南省小麥育成品種群體結(jié)構(gòu)分組分析

參考Evanno等[13]的方法及91對(duì)SSR引物標(biāo)記結(jié)果，對(duì)159個(gè)云南省的小麥育成品種(系)進(jìn)行10個(gè)重復(fù)的劃分結(jié)果測(cè)試，將lnP(D)值與△K值繪制成折線圖，見圖1，可見當(dāng)K=7時(shí)，10個(gè)運(yùn)行重復(fù)間標(biāo)準(zhǔn)差最小，重復(fù)性最好，且△K值最大，說明159個(gè)云南省小麥育成品種(系)可劃分為7個(gè)類群的種質(zhì)資源，結(jié)果見圖2；各類群的分布與栽培類型、種植區(qū)域及其育成年代相關(guān)。由圖2可見，云南省血緣單一的品種較少，說明利用Structure分群和利用非加權(quán)平均法UPGMA聚類方法分析在一定程度上能夠?qū)?yīng)。然而，圖中也顯示了一些來源較為復(fù)雜的品種(系)，這些品種(系)可能具有國(guó)內(nèi)外引進(jìn)的小麥資源和地方品種資源的混合血緣，這種復(fù)雜的組合來源充分說明云南省一些小麥品種(系)選育過程的復(fù)雜性，也證實(shí)云南省的小麥育成品種(系)具有一定的遺傳多樣性。

2.5 云南省小麥育成品種聚類分析

基于Nei's遺傳距離的UPGMA聚類圖見圖3，試驗(yàn)采用的91對(duì)SSR分子標(biāo)記按其遺傳距離將159個(gè)品種分為14大類群，與Structure分群相比分類更細(xì)，主要與育成年代、田地麥類型及所屬麥區(qū)有關(guān)。第Ⅰ類群有 2個(gè)材料，其中云麥60是從CIMMYT引入的F4代材料中系統(tǒng)選育的田麥品種；第Ⅱ類群有7個(gè)材料，主要是80年代選育的小麥材料；第Ⅲ類群有4個(gè)材料，主要是90年代選育的小麥材料；第Ⅳ類群有3個(gè)材料，分別是2000s選育的鳳麥34和80年代選育的2個(gè)小麥材料；第Ⅴ類群有7個(gè)材料，主要是80年代與90年代選育的小麥品系和滇南早熟麥區(qū)品種如德麥8號(hào)等；第Ⅵ類群有2個(gè)材料，主要是80年代選育的小麥品系；第Ⅶ類群有7個(gè)材料，主要是不同年代選育的適合云南不同麥區(qū)的小麥材料，如滇北晚熟麥區(qū)的靖麥19號(hào)、滇中中熟麥區(qū)的昆麥3號(hào)及滇南早熟麥區(qū)的文麥8號(hào)；第Ⅷ類群有1個(gè)材料，即云植803為80年代選育的小麥品系；第Ⅸ類群有15個(gè)材料，主要是不同年代選育的適合滇北晚熟麥區(qū)的品種，如靖麥8號(hào)與靖麥18號(hào)等；第Ⅹ類群有13個(gè)材料，主要是2000年以來選育的適合不同麥區(qū)的地麥品種，如云麥56、云麥68等，值得注意的是云麥53作為田麥品種也聚在此類；第Ⅺ類群有10個(gè)材料，主要是80年代選育的適合滇中中熟麥區(qū)的品系和2000年以來選育的適合滇中中熟麥區(qū)和滇南早熟麥區(qū)的材料如鳳麥38、臨麥15號(hào)、德麥3號(hào)等；第Ⅻ類群有32個(gè)材料，材料類型較為豐富，主要是不同年代選育的適合云南不同麥區(qū)的材料，值得注意的是由云南省農(nóng)科院糧作所選育的K78S、K456S作為不育系和選育的雜交小麥品種云雜5號(hào)的恢復(fù)系云麥52號(hào)均在這一類；第XIII類群有材料最多共44個(gè)材料，主要是80年代以來適合云南滇中中熟麥區(qū)的材料，如鳳麥32、鳳麥36、鳳麥39等；第XIV類群有12個(gè)材料，主要是70年代、80年代和90年代選育的適合云南滇中中熟麥區(qū)的材料，如云麥27、云麥33與云麥38等。

圖2 159個(gè)云南省小麥育成品種(系)的類群劃分Fig.2 Population distribution of 159 wheat bred varieties(lines) in Yunnan province

圖3 云南小麥育成品種(系)聚類圖Fig.3 Dendrogram of wheat bred varieties(lines) in Yunnan province

2.6 云南省不同年代小麥育成品種(系)的穗粒數(shù)和千粒重優(yōu)異等位變異分析

云南省不同年代小麥育成品種(系)的穗粒數(shù)和千粒重相關(guān)標(biāo)記的優(yōu)異等位變異分析結(jié)果表明：自20世紀(jì)70年代以來，穗粒數(shù)和千粒重相關(guān)標(biāo)記的優(yōu)異等位變異的頻率隨著云南省小麥育成品種(系)育成年代的推移而逐漸增長(zhǎng)，但穗粒數(shù)性狀相比千粒重性狀改良效果更明顯，如穗粒數(shù)緊密連鎖標(biāo)記gwm259的優(yōu)異等位變異頻率增幅分別為47 %。Roberto研究認(rèn)為與穗粒數(shù)緊密連鎖的SSR標(biāo)記cfe273在歐美的小麥品種育種進(jìn)程中其優(yōu)異等位變異頻率隨育種年代的推移而快速上升[19]，然而在云南省小麥育種進(jìn)程中優(yōu)異等位變異頻率變化不大(圖4)，說明該位點(diǎn)在云南省的小麥育種進(jìn)程中人工選擇效果不顯著。千粒重性狀的優(yōu)異等位變異的增幅雖然不如穗粒數(shù)性狀的優(yōu)異等位變異的增幅那么明顯，但是有的位點(diǎn)優(yōu)異等位變異隨著育種年代的推移增幅也較大，如wmc415，優(yōu)異等位變異增幅分別為42 %；千粒重性狀相關(guān)的一些位點(diǎn)的優(yōu)異等位變異在云南省的小麥育種進(jìn)程中一直保留，如gwm156與gwm268；千粒重性狀也存在較高頻率的非優(yōu)異等位變異位點(diǎn)，其優(yōu)異等位變異一直未超過15 %，如cfd266和wmc17。說明在云南省小麥育種進(jìn)程中針對(duì)千粒重性狀的改良有較大的潛力，而改良的主要目標(biāo)即是這些非優(yōu)異等位變異位點(diǎn)。

圖4 穗粒數(shù)相關(guān)標(biāo)記gwm259和cfe273優(yōu)異等位變異頻率變化Fig.4 The variation between the mark gwm337 and cfe273 related to the number of grains per ear

3 討 論

簡(jiǎn)單重復(fù)序列標(biāo)記(Simple Sequence Repeat，SSR)與其它分子標(biāo)記相比具有數(shù)量豐富、多態(tài)性高、檢測(cè)快速、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[16]，廣泛應(yīng)用于小麥遺傳圖譜構(gòu)建和遺傳多樣性分析[20]。Hao等[21]利用78個(gè)微衛(wèi)星序列標(biāo)記構(gòu)建了西北春小麥區(qū)含340份小麥種質(zhì)資源的小麥核心種質(zhì)和微核心種質(zhì)，共檢測(cè)到967個(gè)等位基因，平均每個(gè)位點(diǎn)13.6個(gè)等位基因(5～32)，平均PIC為0.64，范圍為0.05～0.91。山西省[4]、山東省[5]、河南省[6]、河北省[7]、陜西省[8]和江蘇省[9]分別對(duì)本地區(qū)的小麥育成品種(系)資源的遺傳多樣性進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，分別為：山西省小麥育成品種平均等位變異數(shù)是3.940，平均多態(tài)性信息指數(shù)為0.446；山東省主推小麥品種的平均等位變異數(shù)是4.167，平均多態(tài)性信息指數(shù)為0.527；河南省近年審定小麥品種的平均等位變異數(shù)是6.000，平均多態(tài)性信息指數(shù)為0.404；河北省冬小麥品種的平均等位變異數(shù)是3.930，平均多態(tài)性信息指數(shù)為0.415；陜西小麥育成品種的平均等位變異數(shù)是4.180，平均多態(tài)性信息指數(shù)為0.481；江蘇主栽小麥品種平均等位變異數(shù)是3.560，平均多態(tài)性信息指數(shù)為0.456。利用91個(gè)微衛(wèi)星序列標(biāo)記發(fā)現(xiàn)159份云南小麥育成品種(系)的平均等位變異數(shù)為3.960，平均PIC值為0.4677，PIC值高于河南省、河北省、江蘇省和山西省，低于山東省和陜西省，說明云南育成品種遺傳多樣性較為豐富。

單位面積穗數(shù)、千粒重和穗粒數(shù)是小麥產(chǎn)量構(gòu)成的三大要素[22]，而大穗大粒又是云南小麥的典型特征，因此對(duì)云南小麥產(chǎn)量三大構(gòu)成要素中最為重要的兩個(gè)性狀穗粒數(shù)和千粒重采用與之相關(guān)聯(lián)的SSR標(biāo)記分析云南省不同時(shí)期小麥育成品種(系)中優(yōu)異等位變異頻率具有重要意義。結(jié)果表明自20世紀(jì)70年代以來穗粒數(shù)和千粒重兩個(gè)重要的產(chǎn)量性狀的連鎖標(biāo)記的優(yōu)異等位變異頻率隨著云南省小麥育成品種(系)選育年代的推移而逐漸增長(zhǎng)，但整體而言增幅仍然不大。說明云南省不同時(shí)期小麥育成品種(系)的穗粒數(shù)和千粒重的遺傳背景具有不同程度的改良，且穗粒數(shù)性狀相比千粒重性狀改良效果更強(qiáng)。云南省在今后小麥育種實(shí)踐中應(yīng)重視優(yōu)異資源的引進(jìn)，并對(duì)本地材料進(jìn)一步改良。

4 結(jié) 論

本文采用91對(duì)SSR標(biāo)記對(duì)云南省20世紀(jì)50年代以來育成的159個(gè)小麥品種(系)進(jìn)行遺傳多樣性研究，結(jié)果表明云南省小麥育成品種(系)遺傳多樣性較好，特別是80年代的小麥育成品種(系)具有較高的遺傳多樣性，且不同年代小麥育成品種(系)的穗粒數(shù)和千粒重的遺傳背景具有不同程度的改良，今后云南省在小麥育種實(shí)踐中還應(yīng)加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外優(yōu)異小麥資源的引進(jìn)和利用。