基于DUS測試性狀對馬鈴薯測試品種的遺傳多樣性分析

寇淑君， 紀(jì)軍建， 付國慶， 左振興， 霍阿紅

(張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種測試張家口分中心， 河北 張家口 075000)

馬鈴薯為茄科茄屬一年生草本植物，是世界第四大糧食作物，我國馬鈴薯種植面積約占世界種植面積的1/4，是馬鈴薯第一生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國[1]。2016年由農(nóng)業(yè)部牽頭并經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，這對保障我國未來糧食安全、改善居民膳食結(jié)構(gòu)、促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等具有重要意義[2]。為保護(hù)育種者的權(quán)利，推動馬鈴薯育種創(chuàng)新，促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，1999年4月馬鈴薯列入第一批植物新品種保護(hù)名錄，2017年5月列入第一批非主要農(nóng)作物登記目錄。到目前為止，已累計(jì)接收馬鈴薯新品種權(quán)申請176件，授權(quán)103件，馬鈴薯委托測試品種248份。

《中華人民共和國種子法》明確要求申請保護(hù)和登記的植物品種應(yīng)當(dāng)具備特異性(D)、一致性(U)和穩(wěn)定性(S)[4]，DUS測試是植物新品種授權(quán)和管理的科學(xué)依據(jù)[5]。DUS測試指南是開展DUS測試工作的重要技術(shù)手冊[6]。DUS測試指南中列出的測試性狀是由特定的基因型或基因型組合決定的，在特定環(huán)境條件下是充分一致和可重復(fù)的，在品種間表現(xiàn)出足夠的差異[7]，它是用來定義和評價(jià)DUS“三性”的。因此，測試性狀的選擇對DUS測試工作起著關(guān)鍵性的作用。

目前，關(guān)于馬鈴薯遺傳多樣性的研究越來越受到人們的重視，福建[8]、貴州[9]、山西[10]以及內(nèi)蒙古赤峰[11]等地都有相關(guān)的報(bào)道，主要通過分子標(biāo)記[8-10]、表型(與塊莖商品性相關(guān)的主要農(nóng)藝性狀)[12-13]、同工酶[14]等指標(biāo)進(jìn)行多樣性分析，而利用DUS測試性狀來評價(jià)馬鈴薯品種多樣性的研究還未見報(bào)道。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種測試張家口分中心是我國馬鈴薯DUS測試的主要測試機(jī)構(gòu)之一，承擔(dān)了國內(nèi)一半以上的測試任務(wù)。本研究利用《農(nóng)業(yè)植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南馬鈴薯》(2018版)[15]中的44個(gè)基本測試性狀對馬鈴薯測試品種進(jìn)行多樣性研究，依據(jù)測試性狀相應(yīng)的表達(dá)代碼對其進(jìn)行形態(tài)多樣性分析和聚類分析，一方面為了評價(jià)和優(yōu)化測試指南中性狀的選用和應(yīng)用，另一方面為馬鈴薯新品種選育和種質(zhì)創(chuàng)新提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用38份馬鈴薯測試品種，由育種單位提供(表1，A為測試品種，B為近似品種)。

表1 馬鈴薯測試材料清單

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試的38份材料于2019年5月8日種植于張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院壩上試驗(yàn)基地，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每小區(qū)3行，行長5 m，行距90 cm，株距30 cm，2次重復(fù)，田間管理與張家口馬鈴薯大田生產(chǎn)管理方式相同。光發(fā)芽試驗(yàn)每個(gè)品種取6個(gè)塊莖在光照強(qiáng)度5～10 lx的馬鈴薯光發(fā)芽裝置中進(jìn)行。按照《植物品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南馬鈴薯》(2018版)的要求，觀測指南中列出的44個(gè)性狀(表2)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有性狀均按馬鈴薯品種DUS測試指南中的標(biāo)準(zhǔn)給出相應(yīng)的代碼，將每個(gè)品種相應(yīng)性狀表達(dá)的代碼級別記為1，未表達(dá)的其他級別記為0，構(gòu)成形態(tài)性狀的原始數(shù)據(jù)矩陣。利用PopGen 32[16]軟件分析不同性狀的等位變異數(shù)目(na)、有效等位變異數(shù)目(ne)和Shannon’s多樣性指數(shù)(H)。Shannon’s多樣性指數(shù)的計(jì)算公式為：

H’=-∑Piln(Pi)

式中,Pi為某個(gè)性狀第i個(gè)代碼出現(xiàn)的概率[17]。

采用多變量分析系統(tǒng)NTSYSpc 2.10[18]統(tǒng)計(jì)軟件中的SM法計(jì)算遺傳相似系數(shù)，然后根據(jù)相似系數(shù)用SHAN Clustering和非加權(quán)算數(shù)平均法(unweighted pair group method with arithmetic mean,UPGMA)進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯測試品種的形態(tài)多樣性分析

本研究利用馬鈴薯DUS測試指南中的44個(gè)測試性狀對38個(gè)測試品種進(jìn)行觀測，共檢測到196個(gè)等位變異，平均每個(gè)性狀可以檢測到4.477 3個(gè)，變幅介于1～8個(gè)之間，其中等位變異數(shù)目大于等于6的性狀有10個(gè)；平均有效等位變異數(shù)目為2.489 3，變幅為1.000 0～4.954 4個(gè)；Shannon’s 多樣性指數(shù)平均為1.028 7，變幅為0～1.727 1，見表2。

表2 39份馬鈴薯測試品種44個(gè)形態(tài)性狀的多樣性分析

性狀光發(fā)芽基部花青甙顯色強(qiáng)度(Chr.3)和塊莖薯肉顏色(Chr.43)的多樣性最高，達(dá)到8個(gè)等位變異，多樣性指數(shù)分別為1.727 1和1.719 2，這2個(gè)性狀都是假質(zhì)量性狀。其次是莖花青甙顯色強(qiáng)度(Chr.14)和復(fù)葉主脈上表面花青甙顯色強(qiáng)度(Chr.20)，達(dá)到了7個(gè)等位變異，多樣性指數(shù)分別為1.524 4和1.253 4。這4個(gè)性狀在DUS測試區(qū)分不同品種的過程中可以充分加以利用。葉蓮座狀頂部茸毛(Chr.25)只有1個(gè)表達(dá)狀態(tài)，未出現(xiàn)等位變異，見表3。

表3 性狀調(diào)查表及類型

2.2 聚類分析

利用UPGMA法對38個(gè)馬鈴薯測試品種進(jìn)行了聚類分析(圖1)。結(jié)果表明，形態(tài)性狀的相似系數(shù)分布在0.70～0.93。當(dāng)相似系數(shù)為0.75時(shí)，38個(gè)馬鈴薯品種可分為以下幾類：第 Ⅰ 類有3個(gè)品種，都是“塊莖：表皮顏色”(Chr.41)為6的品種。第Ⅱ類有4個(gè)品種，都是“塊莖：表皮顏色”(Chr.41)為4的品種；第Ⅲ類有31個(gè)品種，其中2018-3570 A和ZJK 20192011 A的相似系數(shù)為0.93，并且與ZJK 20192012 A聚在1個(gè)分枝，這3個(gè)品種來源于同一個(gè)育種單位，可能遺傳背景比較相似。2018-1121 A與2018-1121 B的遺傳相似系數(shù)約為0.91，2018-1121 B作為2018-1121 A的近似品種比較合適。

圖1 基于形態(tài)性狀的38份馬鈴薯測試品種的聚類結(jié)果

3 討 論

3.1 馬鈴薯DUS測試性狀的評價(jià)

DUS測試性狀必須在品種間表現(xiàn)出足夠的差異，能夠用于確定特異性[7]，本研究中葉蓮座狀葉頂部茸毛(Chr.25)只有1個(gè)表達(dá)狀態(tài)，多樣性指數(shù)為0，不宜用于區(qū)分品種，建議在測試指南中刪除該性狀。性狀光發(fā)芽基部花青甙顯色強(qiáng)度(Chr.3)和塊莖薯肉顏色(Chr.43)的多樣性指數(shù)分別為1.727 1和1.719 2，遺傳多樣性比較豐富，且均為假質(zhì)量性狀，相對于數(shù)量性狀而言，受環(huán)境影響較小，可以作為DUS測試三性判定的依據(jù)。在數(shù)量性狀中，莖花青甙顯色強(qiáng)度(Chr.14)和復(fù)葉主脈上表面花青甙顯色強(qiáng)度(Chr.20)多樣性指數(shù)分別為1.524 4和1.253 4。這4個(gè)性狀是比較理想的DUS測試性狀，在DUS三性判定中具有明顯的區(qū)分效果。

通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，第Ⅰ類中的3個(gè)品種塊莖表皮顏色(Chr.41)為代碼6，光發(fā)芽基部花青甙顯色藍(lán)色素比重(Chr.4)為代碼3；第Ⅱ類中的4個(gè)品種塊莖表皮顏色(Chr.41)為代碼4，光發(fā)芽基部花青甙顯色藍(lán)色素比重(Chr.4)為2，說明將塊莖表皮顏色(Chr.41)和光發(fā)芽基部花青甙顯色藍(lán)色素比重(Chr.4)作為分組性狀是非常合理的。

3.2 馬鈴薯測試品種的親緣關(guān)系

本研究的參試品種中，2018-1121 B是2018-1121 A的近似品種，兩者相似系數(shù)大于0.90，說明2018-1121 B作為2018-1121 A的近似品種還是非常合適的。而從聚類結(jié)果來看，ZJK 20192025 A和ZJK 20192025 B分布在不同的類群中，選擇ZJK 20192025 B作為ZJK 20192025 A的近似品種明顯不合適。因此，在測試第一生長周期，育種者提供的近似品種并不一定合適，可在第一生長周期結(jié)束后，利用品種描述數(shù)據(jù)進(jìn)行形態(tài)性狀聚類分析，并根據(jù)形態(tài)性狀聚類分析結(jié)果，篩選出最相近的近似品種。

2018-3570 A、ZJK 20192011 A、ZJK 20192012 A三個(gè)品種(同一育種單位)聚在1個(gè)分枝，2018-1121 A和2018-1121 B(同一育種單位)聚在1個(gè)分枝，同一個(gè)地區(qū)尤其是同一育種單位育成的品種相似系數(shù)大，形態(tài)性狀差異小，親緣關(guān)系較近，這與段艷鳳[19]的研究結(jié)果一致。同一個(gè)地區(qū)的馬鈴薯遺傳基礎(chǔ)比較狹窄，建議收集我國不同生態(tài)區(qū)的馬鈴薯已知品種，并以馬鈴薯DUS測試性狀為基礎(chǔ)開展品種描述工作，完善已知品種庫內(nèi)容，一方面有助于篩選出更為準(zhǔn)確的近似品種，另一方面可以為育種研究提供更加豐富的品種資源，推動馬鈴薯育種創(chuàng)新。