廣西地區(qū)秈型陸稻、深水稻與水稻的遺傳分化

王 磊,羅 志,周衡陵,李 靜,夏 輝

(上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心,上海 201106)

亞洲栽培稻(Oryza sativaL.)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)栽培稻)是世界上最重要的糧食作物之一,為世界一半以上的人口提供口糧。根據(jù)農(nóng)業(yè)生境的不同,栽培稻可以分為水稻(Lowland rice)、陸稻(Upland rice)和深水稻(Deep-water rice)[1]。水稻農(nóng)業(yè)生境的典型特點(diǎn)是有蓄水作用的水田,通常有灌溉條件,采取插秧的種植模式。水稻的種植面積占栽培稻種植面積的80%左右,貢獻(xiàn)超過(guò)90%的稻米產(chǎn)量[1]。陸稻適應(yīng)旱作的農(nóng)業(yè)生境,通常采取直播、旱作的耕種模式,水分來(lái)源主要依賴(lài)于降雨。陸稻的種植面積不到栽培稻總面積的15%,貢獻(xiàn)大約10%的稻米總產(chǎn)量[1]。深水稻是分布于水域(江河湖泊)附近、適應(yīng)季節(jié)性水淹(深度通常超過(guò)50 cm)的一種栽培稻生態(tài)型,其種植面積僅占栽培稻種植面積的6%,產(chǎn)量貢獻(xiàn)則更低。可見(jiàn),這3種栽培稻生態(tài)型適應(yīng)不同的農(nóng)業(yè)生境,其中水是主要的差異環(huán)境因子。這3種栽培稻生態(tài)型在現(xiàn)代育種中發(fā)揮了不同的作用:水稻是栽培稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的本底與基礎(chǔ);陸稻是節(jié)水抗旱基因資源的主要供體,利用陸稻種質(zhì)資源可以培育出節(jié)水抗旱稻[2-3];深水稻則是耐澇、耐淹的優(yōu)良種質(zhì)資源,提供耐澇、耐淹基因資源[4]。

對(duì)植物不同生態(tài)型遺傳分化的研究,一直是分子生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)[5]。前人對(duì)栽培稻不同生態(tài)型的遺傳分化研究主要集中在水稻與陸稻上[6-10]。Zhang等[6]、Lyu等[7]與Xia等[8]基于分子標(biāo)記發(fā)現(xiàn)水稻與陸稻的遺傳分化主要發(fā)生在粳亞種內(nèi)。Xia等[9]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),水稻與陸稻的遺傳分化與抗旱性相關(guān),是由于陸稻受到了抗旱性-產(chǎn)量的“雙向選擇”導(dǎo)致的。Wang等[10]基于全基因組SNP的分析認(rèn)為,秈稻中也有水稻-陸稻的分化,且與粳稻的水稻-陸稻分化共享部分位點(diǎn),因此水稻-陸稻分化在秈、粳亞種中是一種“平行進(jìn)化”的模式。在研究水稻-陸稻分化的基礎(chǔ)上,科學(xué)家們從陸稻中鑒定出許多抗旱基因[7,11]。目前,人們對(duì)于深水稻的關(guān)注點(diǎn)只在于它的耐淹性,通過(guò)構(gòu)建試驗(yàn)群體定位、發(fā)掘和研究耐淹基因,然后從耐淹基因出發(fā)去解釋深水稻耐淹的分子機(jī)制[12-14]。但關(guān)于深水稻與其他不同生態(tài)型間遺傳分化的研究,目前仍然欠缺。水稻-陸稻分化與節(jié)水抗旱性相關(guān),深水稻-水稻分化與耐淹性相關(guān),陸稻-深水稻則是適應(yīng)兩個(gè)不同方向?qū)е碌姆只?通過(guò)研究3種生態(tài)型的遺傳多樣性,比較它們兩兩間的異同,可以更深入理解抗旱性與耐淹性的遺傳機(jī)制,為今后進(jìn)一步發(fā)掘和研究抗旱、耐淹基因資源,并將其用于節(jié)水抗旱稻新品種培育奠定基礎(chǔ)。

廣西地區(qū)是我國(guó)栽培稻遺傳多樣性中心之一,具有豐富的稻種資源[15-17]。廣西地區(qū)同時(shí)具有陸稻、深水稻與水稻3種生態(tài)型,給科研工作提供一個(gè)很好的條件去研究栽培稻是如何適應(yīng)不同水分環(huán)境,以及相關(guān)基因資源是如何在不同的生態(tài)型中形成與演化的。本試驗(yàn)以廣西來(lái)源的秈亞種的陸稻、深水稻與水稻為對(duì)象,研究其表型性狀的差異與基于全基因組SNP的遺傳多樣性及兩兩間的遺傳分化,以期揭示3種栽培稻生態(tài)型適應(yīng)性分化的遺傳機(jī)制,為進(jìn)一步保護(hù)、研究和應(yīng)用廣西栽培稻種質(zhì)資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選取來(lái)自廣西地區(qū)的20份水稻地方種、22份陸稻地方種與14份深水稻地方種(表1)。上述材料均為秈亞種,由廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所提供。

表1 試驗(yàn)所用栽培稻材料及相關(guān)信息Table 1 Cultivated rice materials used in the experimen and relevant information

1.2 表型性狀測(cè)量

首先,測(cè)量栽培稻的3個(gè)適應(yīng)性性狀,其中中胚軸是一種適應(yīng)直播的特性,深根比是一種避旱表型,2 h離體葉片失水速率可以反映氣孔調(diào)節(jié)能力。中胚軸的測(cè)量參照Wu等[18]的方法,即將浸種2 d的種子置于25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)10 d,然后測(cè)量幼苗的中胚軸長(zhǎng)度。深根比采用改良的“籃子法”測(cè)量[19]。2 h葉片離體失水速率的測(cè)量方法:稱(chēng)量剛采下的分蘗期主分蘗頂葉質(zhì)量W0,將葉片放置在25℃房間內(nèi)2 h后稱(chēng)取質(zhì)量W1,然后將葉片置于55℃烘箱烘烤過(guò)夜直至恒重時(shí)稱(chēng)取質(zhì)量W2,則2 h離體葉片失水速率=(W0-W1)∕(W0-W2)。測(cè)量上述3個(gè)表型時(shí),每份材料均設(shè)置3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。

其次,測(cè)量栽培稻的8個(gè)重要農(nóng)藝性狀,包括株高、分蘗數(shù)、單株產(chǎn)量、生物量、收獲指數(shù)、谷粒粒長(zhǎng)、粒寬與長(zhǎng)寬比。田間試驗(yàn)于2014—2015年在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院海南陵水實(shí)驗(yàn)基地開(kāi)展。每份材料種植7行×8列的小區(qū),株間距為20 cm。栽培稻成熟后,每份材料在小區(qū)中央選取生長(zhǎng)情況較為均勻一致的8個(gè)單株測(cè)量株高、分蘗數(shù)、單株產(chǎn)量、生物量、收獲指數(shù),挑選20粒飽滿(mǎn)的種子測(cè)量粒長(zhǎng)、粒寬并計(jì)算長(zhǎng)寬比。采用多重比較(Student-Newman-Keuls浮標(biāo)方法)檢測(cè)各表型參數(shù)在不同生態(tài)型之間是否存在差異。

1.3 基因組重測(cè)序與數(shù)據(jù)分析

將每份栽培稻材料的種子萌發(fā)并培養(yǎng)至3葉期,取3株幼苗混樣凍存于-20℃,用于DNA提取與基因組重測(cè)序。委托上海歐易生物醫(yī)學(xué)科技有限公司進(jìn)行測(cè)序服務(wù),測(cè)序平臺(tái)為Illumina Hiseq2500。下機(jī)的原始數(shù)據(jù)首先用Fastp v0.6.0(https:∕∕github.com∕OpenGene∕fastp)進(jìn)行過(guò)濾[20];然后利用bwa mem(v0.7.16)將Reads比對(duì)到‘日本晴’參考基因組上[21],比對(duì)結(jié)果經(jīng)SAMtools(v1.9)轉(zhuǎn)換格式后,利用Picard標(biāo)記PCR重復(fù);接著,利用GATK version 3.8.1中的HaplotypeCaller得到每個(gè)樣本的gVCF,通過(guò)GenotypeGVCFs得到群體SNP的VCF[22]。這一步驟按照以下指標(biāo)進(jìn)行硬過(guò)濾:QUAL＜30||QD＜2.0||MQ＜40.0||FS＞60.0||SOR＞3.0||MQRankSum＜-12.5||ReadPosRankSum＜-8.0。最后,利用vcftools v0.1.16軟件以最小等位基因頻率(MAF)＞0.05條件對(duì)上一步獲得的SNP進(jìn)行二次過(guò)濾,獲得群體的有效SNP位點(diǎn)。后續(xù)所有分析均基于MAF＞0.05過(guò)濾后的SNP。

首先,比較SNP位點(diǎn)在3種不同生態(tài)型間的異同,獲得每個(gè)生態(tài)型特有的SNP位點(diǎn),并分析每種生態(tài)型特有SNP在各自群體內(nèi)的頻率分布。利用plink v1.90軟件進(jìn)行主成分分析[23];利用fastStructure軟件以默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析[24];基于Nei的定義[25],計(jì)算3種生態(tài)型兩兩間的遺傳距離。接著,采用步移滑窗法(窗口100 kb,步移50 kb),通過(guò)vcftools軟件計(jì)算3種生態(tài)型兩兩間的遺傳分化指數(shù)(FST)及3個(gè)群體各自的遺傳多樣性(π)[26]。將FST值超過(guò)95%置信區(qū)間的窗口定義為高分化窗口,并根據(jù)‘日本晴’IRGSP-1.0參考基因組注釋信息(http:∕∕rice.uga.edu∕pub∕data∕Eukaryotic_Projects∕o_sativa∕annotation_dbs∕pseudomolecules∕version_7.0∕all.dir∕)篩選出位于這些窗口內(nèi)的基因。最后,利用R語(yǔ)言的clusterProfiler包,以粳稻群體(Oryza sativa JaponicaGroup)作為參考(因?yàn)橹挥芯镜淖⑨寯?shù)據(jù)庫(kù))對(duì)這些群體間高分化窗口內(nèi)的基因集進(jìn)行GO(Gene Ontology)與KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)Pathway的富集分析[27]。

為探索高分化區(qū)間與已知抗旱和耐淹相關(guān)基因之間的關(guān)聯(lián),首先篩選出315個(gè)已知抗旱和耐淹相關(guān)基因,包括302個(gè)抗旱相關(guān)基因和18個(gè)耐淹相關(guān)基因(有5個(gè)基因與抗旱和耐淹均相關(guān))。按100 kb窗口50 kb步移進(jìn)行滑窗分割,則每個(gè)基因會(huì)分布在1—3個(gè)窗口中,再對(duì)不同基因所分布的相同窗口進(jìn)行合并統(tǒng)計(jì),可知302個(gè)抗旱基因和18個(gè)耐淹基因分別分布于590個(gè)和37個(gè)窗口中。由于以遺傳分化指數(shù)最高的5%窗口作為高分化區(qū)間,如果抗旱基因或耐淹基因與高分化區(qū)間沒(méi)有顯著關(guān)聯(lián),則含有抗旱基因或耐淹基因的高分化區(qū)間的預(yù)期數(shù)量應(yīng)為590×0.05=29.5個(gè)或37×0.05=1.85個(gè)。以此預(yù)期數(shù)量與實(shí)際觀測(cè)到的含有抗旱基因或耐淹基因的高分化區(qū)間數(shù)量進(jìn)行比較,即可反映高分化區(qū)間與抗旱或耐淹基因的潛在聯(lián)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 陸稻、深水稻與水稻的農(nóng)藝性狀差異

由表2可見(jiàn),在栽培稻3個(gè)重要的適應(yīng)性性狀中,陸稻具有最長(zhǎng)的中胚軸長(zhǎng)度;深水稻具有最大的深根比;在2 h離體葉片失水速率上,3種生態(tài)型間沒(méi)有顯著差異。在測(cè)得的重要農(nóng)藝性狀中,深水稻具有最多的分蘗,陸稻的分蘗最少;深水稻的株高最小,水稻、陸稻間則沒(méi)有顯著差異;在單株產(chǎn)量、生物量、收獲指數(shù)與粒長(zhǎng)上,3種生態(tài)型間均沒(méi)有顯著差異;在粒寬與長(zhǎng)寬比上,深水稻的谷粒更寬、長(zhǎng)寬比更低。進(jìn)一步針對(duì)11個(gè)表型性狀進(jìn)行主成分分析,3種生態(tài)型的個(gè)體無(wú)法通過(guò)第一與第二主成分進(jìn)行區(qū)分,提示3種生態(tài)型間沒(méi)有顯著的表型分化(圖1)。

表2 陸稻、深水稻與水稻群體在11個(gè)表型性狀上的差異Table 2 Differences in 11 phenotypic traits of upland rice,deep-water rice and lowland rice groups

圖1 基于11個(gè)表型性狀的主成分分析Fig.1 Principle component analysis based on 11 phenotypic traits

2.2 陸稻、深水稻與水稻的遺傳多樣性

基于全基因組重測(cè)序,共鑒定出6 007 073個(gè)單核苷酸多態(tài)性(SNP)位點(diǎn)。經(jīng)MAF＞0.05條件過(guò)濾后,共有3 118 328個(gè)有效SNP位點(diǎn)。其中,陸稻有11 721個(gè)私有SNP位點(diǎn),深水稻有29 237個(gè)私有SNP位點(diǎn),水稻有35 640個(gè)私有SNP位點(diǎn)(圖2a)。進(jìn)一步分析這些私有SNP位點(diǎn)的等位基因頻率分布,發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)陸稻與水稻的私有SNP位點(diǎn)的參考等位基因類(lèi)型在各自群體內(nèi)都處于較低的頻率(＜0.25);而在深水稻中有相當(dāng)一部分私有SNP位點(diǎn)的參考等位基因類(lèi)型具有中等水平的頻率(0.30＜F＜0.60)(圖2b),提示深水稻的私有SNP位點(diǎn)受到不同于水稻與陸稻生態(tài)型的選擇。進(jìn)一步利用滑窗法分析這3個(gè)群體的遺傳多樣性(π),發(fā)現(xiàn)三者的遺傳多樣性總體上相似,其中陸稻的遺傳多樣性為0.002 17,深水稻的遺傳多樣性為0.002 35,水稻的遺傳多樣性為0.002 35。

圖2 陸稻、深水稻與水稻群體的SNP位點(diǎn)韋恩圖(a)及其私有SNP位點(diǎn)參考等位基因型的頻率分布(b)Fig.2 Venn diagram for SNP loci(a)and frequency distribution of reference alleles frequency for private SNP loci(b)of upland rice,deep-water rice and lowland rice groups

2.3 陸稻、深水稻與水稻間的遺傳分化

基于有效SNP位點(diǎn)的主成分分析顯示,陸稻、深水稻與水稻能夠在第一主成分上被區(qū)分出來(lái),其中陸稻與深水稻在遺傳上更為接近,水稻單獨(dú)聚集在另一側(cè)(圖3a)。這一點(diǎn)也能夠在Structure的結(jié)果中體現(xiàn)出來(lái):在K=3、4與5的情況下,陸稻與深水稻都具有相似的遺傳組分;而水稻的遺傳組成比較復(fù)雜,幾乎具有陸稻與深水稻的全部遺傳組分(圖3b)。

圖3 基于SNP的主成分分析(a)與Structure分析(b)的陸稻、深水稻與水稻的群體遺傳結(jié)構(gòu)Fig.3 Population genetic structure of upland rice,deep-water rice,and lowland rice groups revealed by principle component analysis(a)and Structure analysis(b)based on SNP

其次,計(jì)算了兩兩生態(tài)型間的遺傳距離與遺傳分化指數(shù)。結(jié)果顯示:3種生態(tài)型間在基因組水平上的遺傳分化程度均不高,其中深水稻與水稻間的遺傳分化程度最高,其遺傳分化指數(shù)與遺傳距離分別為0.049與0.058;而水稻與陸稻間的遺傳分化程度最低,其遺傳分化指數(shù)與遺傳距離分別為0.027與0.035(表3)。

表3 陸稻、深水稻與水稻群體間的遺傳距離(下部對(duì)角數(shù)據(jù))與遺傳分化指數(shù)(FST,上部對(duì)角數(shù)據(jù))Table 3 Genetic distances(lower triangle data)and genetic differentiation index(FST,upper triangle data)among upland rice,deep-water rice and lowland rice groups

通過(guò)滑窗(100 kb窗口,50 kb步移)法,計(jì)算了3種生態(tài)型兩兩間的遺傳分化程度(FST)與相對(duì)遺傳多樣性(圖4a—c),并將具有最高5%FST值的窗口定義為兩種生態(tài)型間的高分化區(qū)間(Highly differentiated region,HDR)。陸稻與深水稻、陸稻與水稻、深水稻與水稻間全基因滑窗相對(duì)多態(tài)性均值分別為-0.151、-0.137和0.015,但對(duì)應(yīng)的高分化區(qū)間滑窗相對(duì)多態(tài)性均值則分別為-1.027、-0.723和0.257,三組兩兩比較間均存在顯著差異(圖4d—f)。這表明高分化區(qū)間中群體間遺傳多樣性差異高于全基因組平均水平。

圖4 陸稻、深水稻與水稻群體的滑窗遺傳多樣性及遺傳分化指數(shù)(FST)Fig.4 Sliding window genetic diversity(π)and genetic differentiation index(FST)for upland rice,deep-water rice and lowland rice groups

進(jìn)一步比較3個(gè)群體間高分化區(qū)間的異同(圖5a)發(fā)現(xiàn):陸稻-深水稻間分化與深水稻-水稻間分化共享123個(gè)高分化區(qū)間,占比19.7%;陸稻-深水稻間分化與陸稻-水稻間分化共享41個(gè)的高分化區(qū)間,占比僅5.80%;陸稻-水稻間分化與深水稻-水稻間分化共享77個(gè)高分化區(qū)間,占比11.5%。只有3個(gè)區(qū)間在3種生態(tài)型的兩兩比較中均為高分化區(qū)間。

圖5 陸稻、深水稻與水稻高分化區(qū)間和耐淹抗旱相關(guān)基因的韋恩圖Fig.5 Venn diagram of highly differentiated regions among upland,deep-water and lowland rice groups and submergence tolerance and drought resistance related genes

接著,對(duì)兩兩生態(tài)型間高分化區(qū)間的基因進(jìn)行GO與KEGG pathway的富集分析。結(jié)果表明:3種生態(tài)型兩兩間的遺傳分化涉及的生物學(xué)過(guò)程與代謝通路也有較大的差異(圖6)。其中,陸稻-深水稻及深水稻-水稻間的遺傳分化共享較多相同的生物學(xué)過(guò)程,如細(xì)胞通訊(Cell communication)、信號(hào)(Signal)與信號(hào)傳導(dǎo)(Signal transduction)(圖6a,c);但它們也包含了許多特有生物學(xué)過(guò)程,如陸稻-深水稻分化涉及的定位(Localization)與大分子定位(Macromolecule localization)等(圖6a),以及深水稻-水稻分化涉及的陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)(Cation transport)與含氧酸代謝過(guò)程(Oxoacid metabolic process)等(圖6c)。陸稻-水稻間的遺傳分化涉及的生物學(xué)過(guò)程主要包括初生代謝過(guò)程(Primary metabolic process)、有機(jī)酸生物合成過(guò)程(Organic acid biosynthetic process)、小分子代謝過(guò)程(Small molecule biosynthetic process)等與合成、代謝相關(guān)的生物學(xué)過(guò)程(圖6b)。KEGG pathway的富集分析表明,陸稻-深水稻間的遺傳分化涉及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工(Protein processing in endoplasmic reticulum)、內(nèi)吞作用(Endocytosis)等代謝通路(圖6d);深水稻-水稻間的遺傳分化涉及碳代謝(Carbon metabolism)、精氨酸和脯氨酸代謝(Arginine and proline metabolism)與氧化磷酸化(Oxidative phosphorylation)等代謝通路(圖6f);陸稻-水稻間的遺傳分化涉及植物MAPK信號(hào)途徑(MAPK signaling pathway)、氰基氨基酸代謝(Cyano-amino acid metabolism)、果糖和甘露糖代謝(Fructose and mannose metabolism)等代謝通路(圖6e)。

圖6 陸稻、深水稻與水稻高分化區(qū)間基因的GO和KEGG分析Fig.6 GO and KEGG analysis for genes located in highly differentiated regions among upland rice,deep-water rice and lowland rice groups

2.4 陸稻、深水稻與水稻間的遺傳分化與其生境適應(yīng)性相關(guān)

陸稻需要適應(yīng)依賴(lài)降雨的旱作生境,因此具有較好的節(jié)水抗旱性;深水稻需要適應(yīng)季節(jié)性水澇,因此具有較好的耐淹性。首先計(jì)算了包含耐淹基因或抗旱基因的窗口在兩兩生態(tài)型間的FST,并將其與基因組均值比較,發(fā)現(xiàn)耐淹基因所在窗口的深水稻-水稻間FST顯著高于基因組均值(圖7a),表明耐淹基因在深水稻與水稻間的分化中受到選擇。而抗旱基因所在窗口任意兩兩生態(tài)型間FST的均值都與其對(duì)應(yīng)的基因組均值沒(méi)有顯著差異(圖7b)。這可能是由于抗旱是一個(gè)微效多基因調(diào)控的復(fù)雜性狀,單一基因的效應(yīng)較低,因此不易受到選擇。

圖7 陸稻、深水稻與水稻間包含耐淹和抗旱基因區(qū)間FST與全基因組FST的比較Fig.7 Comparisons between genome-wide FST and FST of regions containing submergence tolerance and drought resistance related genes of upland rice,deep-water rice,and lowland rice groups

其次,分析了已知抗旱基因與耐淹基因在陸稻、水稻與深水稻3種生態(tài)型兩兩間高分化區(qū)域的分布,用于研究?jī)蓛缮鷳B(tài)型間的分化與抗旱性或耐淹性之間的關(guān)聯(lián)。在共18個(gè)已知耐淹基因中,有4個(gè)基因(包括OsCBL10、sd1、Sub1B、Sub1C)分布在深水稻-水稻間的6個(gè)高分化區(qū)域(圖5b),超過(guò)隨機(jī)預(yù)期(隨機(jī)預(yù)期為1.85個(gè)高分化區(qū)域)。另外,在共302個(gè)已知抗旱基因中,有24個(gè)基因分布在陸稻-水稻間的41個(gè)高分化區(qū)間(圖5c),超過(guò)隨機(jī)預(yù)期(隨機(jī)預(yù)期為29.5個(gè)高分化區(qū)域)。有意思的是,已知抗旱基因在深水稻-水稻間高分化區(qū)域的分布也是超過(guò)隨機(jī)預(yù)期的:有32個(gè)基因分布在46個(gè)高分化區(qū)域(圖5c)。

3 討論

栽培稻不同生態(tài)型間的適應(yīng)性分化是一個(gè)受到頗多關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題,因?yàn)椴煌鷳B(tài)型間的適應(yīng)性分化往往涉及許多重要適應(yīng)性性狀及其相關(guān)的遺傳基礎(chǔ)。廣西是我國(guó)栽培稻資源多樣性中心之一,具有豐富的稻種資源,包含了陸稻、深水稻與水稻3種生態(tài)型。這3種生態(tài)型分別適應(yīng)不同的農(nóng)業(yè)生境,各自具備相應(yīng)的適應(yīng)性性狀,如陸稻適應(yīng)旱作,具有較好的節(jié)水抗旱性;深水稻需要應(yīng)對(duì)水澇浮水生長(zhǎng),具有較好的耐淹性。通過(guò)研究廣西地區(qū)秈亞種內(nèi)陸稻、深水稻與水稻間的遺傳多樣性與遺傳分化,有助于理解這3種生態(tài)型適應(yīng)各自農(nóng)業(yè)生境的遺傳機(jī)制,為后續(xù)保護(hù)、研究和利用這3種生態(tài)型種質(zhì)資源及其包含的遺傳資源提供理論指導(dǎo)。

本研究發(fā)現(xiàn),無(wú)論是基于表型數(shù)據(jù)還是基于全基因組SNP,秈亞種內(nèi)的陸稻、深水稻與水稻間的總體分化程度較低。這3種生態(tài)型兩兩之間的遺傳分化指數(shù)僅為0.027—0.049,與前人報(bào)道的結(jié)果相似[6,8,28]。但在基于SNP的主成分分析中,卻能在第一主成分上將這3種生態(tài)型大致區(qū)分開(kāi)來(lái),提示這3種生態(tài)型間存在一定程度的遺傳分化。另外,無(wú)論是主成分分析還是群體結(jié)構(gòu)分析,結(jié)果都表明陸稻與深水稻總體上具有更相似的遺傳組成,而水稻群體則具有一定的混雜性。

進(jìn)一步分析表明,雖然3種生態(tài)型間總體的遺傳分化程度不高,但依然可以鑒定出許多高分化位點(diǎn),部分位點(diǎn)的遺傳分化指數(shù)可以超過(guò)0.30。這3種生態(tài)型兩兩間的遺傳分化涉及不同的位點(diǎn),表明栽培稻適應(yīng)不同農(nóng)業(yè)生境需要不同的遺傳機(jī)制,這在GO與KEGG富集結(jié)果中也有所體現(xiàn)。當(dāng)然,也應(yīng)當(dāng)注意到,不同兩兩生態(tài)型間也會(huì)共享比例不同的高分化區(qū)間,這也給發(fā)掘、研究和應(yīng)用不同生態(tài)型基因資源提供了一些重要啟示:(1)陸稻-深水稻間分化與深水稻-水稻間分化共享最高比例的高分化區(qū)間,反映出深水稻在適應(yīng)自身農(nóng)業(yè)生境過(guò)程中獲得的遺傳特性與水稻、陸稻間均存在較大差異。(2)陸稻-深水稻間分化與陸稻-水稻間分化共享最少的高分化區(qū)間,表明陸稻-水稻及陸稻-深水稻間的差異不僅僅只涉及旱作與水種的差異,否則兩組群體分化應(yīng)當(dāng)共享更高比例的位點(diǎn);反之,共享的41個(gè)高分化區(qū)間,應(yīng)是陸稻適應(yīng)旱作而有別于另外兩種生態(tài)型的關(guān)鍵區(qū)域。(3)陸稻-水稻間分化與深水稻-水稻間分化共享了多達(dá)77個(gè)高分化位點(diǎn),提示陸稻相對(duì)于水稻的旱作適應(yīng)與深水稻相對(duì)于水稻的耐淹適應(yīng),在遺傳機(jī)制上有一定的共通性。抗旱與耐淹在機(jī)制上有一定相通性的典型例子就是水稻sd1與Sub1A基因,它們?cè)谒究购蹬c耐淹中均發(fā)揮了重要作用[14,29]。另外,sd1(LOC_Os01g66100)也在本研究中同屬于水稻-陸稻分化與水稻-深水稻高分區(qū)間。有意思的是,在節(jié)水抗旱稻育種實(shí)踐中,同樣觀察到類(lèi)似的現(xiàn)象,如節(jié)水抗旱稻品種‘旱優(yōu)73’既節(jié)水抗旱,有很好的旱作適應(yīng)性[30],又具備良好的耐淹性,在水淹十幾天后仍能正常生長(zhǎng)并維持一定產(chǎn)量(https:∕∕export.shobserver.com∕baijiahao∕html∕301336.html)。

最后,與預(yù)期的一樣,在深水稻-水稻高分化區(qū)間內(nèi)找到了一些已知耐淹基因,且耐淹性基因所在區(qū)間的遺傳分化指數(shù)也顯著高于基因組均值,因此深水稻-水稻的遺傳分化可能與深水稻浮水生長(zhǎng)適應(yīng)季節(jié)性水澇相關(guān)。與之相似的,在陸稻-水稻高分化區(qū)間內(nèi)也鑒定出超過(guò)預(yù)期數(shù)量的耐旱基因,提示與粳稻的水稻-陸稻分化一樣,秈稻的水稻-陸稻分化可能同樣與陸稻適應(yīng)旱作從而使其與水稻形成抗旱性差異相關(guān)[8-9]。這與Wang等[10]所揭示的秈稻與粳稻的水稻-陸稻分化屬于平行進(jìn)化的結(jié)論相仿。本研究表明:廣西秈型陸稻與深水稻資源蘊(yùn)藏有豐富的抗旱基因與耐淹基因,特別是在相應(yīng)的高分化區(qū)間內(nèi),對(duì)這些高分化區(qū)間的進(jìn)一步深入研究將有助于節(jié)水抗旱稻的改良,以獲得具有更強(qiáng)抗逆性狀的節(jié)水抗旱稻新品種。