木薯核心種質的構建

韋祖生，付海天，田益農*

(1.廣西壯族自治區亞熱帶作物研究所，廣西南寧 530001；2.廣西壯族自治區木薯研究所，廣西南寧 530001)

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木薯核心種質的構建

韋祖生1，2，付海天1，2，田益農1，2*

(1.廣西壯族自治區亞熱帶作物研究所，廣西南寧 530001；2.廣西壯族自治區木薯研究所，廣西南寧 530001)

摘要[目的]構建木薯核心種質。[方法]對161份木薯種質的6個性狀參數值進行分析、評價。[結果]建立了Minkowski 遺傳距離進行質心聚類分析，優先取樣法(D2C5S3)適合木薯核心種質構建；獲得了木薯核心種質25份，占原種質的15%，能代表原有種質的遺傳多樣性和完整性；同時也反映了供試木薯種質的遺傳背景較狹窄，遺傳多樣性范圍相對較小，存在遺傳冗余現象。[結論]木薯核心種質的構建為木薯種質資源保護和利用提供理論依據。

關鍵詞木薯；核心種質；遺傳距離；聚類方法

作物種質資源是作物新品種選育、特異種質材料利用以及種質創新的物質基礎，其保護與利用是一個涉及到人力、財力和科學技術的復雜問題[1-3]。但隨著種質資源的不斷收集和積累，種質資源庫變得越來越龐大，極大地增加了管理和利用難度。因此，尋找、開發合適的種質資源評價和保存方法迫在眉睫。

Frankel等[4]最早提出核心種質(core collection)是保存種質資源的一個核心子集，以最少數量的遺傳資源最大限度地保存整個資源群體的遺傳多樣性，同時代表了整個群體的地理分布。從概念上看，核心種質應包括該物種盡可能多的生態和遺傳多樣性，而不是全部種質樣品的簡單代表和壓縮。國內外相關研究表明，已經構建了谷類[5-7]、玉米[8]、豆類[9-10]、茶樹[11-12]、花卉[13-14]、木材[15-16]類等多種作物的核心種質，并在相關研究領域獲得了廣泛應用。構建作物核心種質，無疑為解決當前巨大的資源收集、保存、評價和利用之間所存在的突出矛盾提供了一個有效的方法。

木薯(ManihotesculentaCrantz)是全球三大重要薯類作物之一，是全球糧食安全的重要保障，特別是在熱帶發展中國家和地區，也是我國傳統的糧食儲備作物。木薯不但是淀粉和變性淀粉加工的主要原材料，近年來又在生物能源的開發和利用中占有重要地位[17-18]。木薯種質資源數量大、變異多、生長周期長等因素，使得種質評價和育種利用工作面臨著巨大困難，這就迫使研究工作向多元化發展，以獲得更優化的評價體系[19]。利用分子標記技術(EST-SSR、SNP和microsatellite-AFLP等)對木薯種質資源進行評價，能很好地揭示大量木薯種質的遺傳背景，提高木薯傳統育種速度和篩選效率[20-21]。筆者研究了木薯核心種質的構建方法，旨在為木薯種質資源保護和利用提供客觀、全面的依據，避免育種工作的盲目性和減少工作量，具有重要的理論與實踐意義。

1材料與方法

1.1試驗材料選用廣西木薯種質資源圃保存的木薯材料共161份，于2014年4月在種質圃基地進行種植。

1.2試驗設計采用隨機區組排列，小區面積4.0 m×5.0 m，株行距0.8 m×1.0 m，按正常栽培模式進行田間管理。

1.3測定項目與方法參考李開綿等[22 ]研究結果，分別于2014年11月(①株高：植株地面到冠頂的高度，cm；②分枝高度：自主莖的第一分叉處至地面的高度，cm；③主莖粗：游標卡尺測量近地面10 cm處莖桿的直徑，cm；④主節密度：測定50 cm中部主莖的節數，個/50 cm)和 2014年12月(⑤產量：測取實收株數產量，折合單位面積產量，t/hm2；⑥淀粉含量：利用水比重法，雷蒙秤測定干物質含量，%)，隨機抽取10株成熟的木薯植株進行田間數據采集，計算各性狀平均值作為種質原始數據。

1.4核心種質構建與評價參照相關研究結果[23-24 ]，采用Euclidean距離(D1)和 Minkowski 距離(D2)2種遺傳距離方法，6種聚類方法：組間聯接法(C1)、組內聯接法(C2)、最遠鄰元素法(C3)、最近鄰元素法(C4)、質心聚類法(C5)和中位聚類法(C6)，3種取樣方法：隨機取樣(S1)、偏離取樣(S2)和優先取樣(S3)，6種取樣比例：10%、15%、20%、25%、30%和35%，進行分析，構建核心種質。選用4個核心種質評價參數：均值差異百分數(Mean difference percentage，MD)、方差差異百分率(Variance difference percentage，VD)、極差符合率(Coincidence rate of range，CR)和變異系數變化率(Changeable rate of coefficient variation，VR)，分別對核心種質進行代表性評價。以上參數均使用種質的未標準化數據進行計算，在MD<20%，VD、CR和VR均>80%的情況下，認為構建的核心種質能夠代表原種質的遺傳多樣性，且VD、CR和VR值越大就越能反映出核心種質代表原種質群體的遺傳多樣性。基于最優構建方法，對核心種質和原始種質聚類樹狀圖進行比對分析，評價、確認核心種質。

1.5數據處理和分析試驗數據采用統計分析軟件SPSS 19.0、SAS 9.0(Duncan’s P<0.05)和Microsoft Excel 2016進行處理、分析。

2結果與分析

2.1木薯性狀參數分析由表1可知，各性狀間均存在較大差異，不同性狀的變異程度不同，變異系數為8.02%～73.80%，其中，分枝高度變異系數達73.80%，主要是木薯株型存在直立型和分枝型；株高、主節密度、產量、主莖粗的變異系數分別為17.72%、16.97%、16.87%和13.66%；而淀粉含量的變異系數為8.02%，淀粉含量的平均值為26.27%。從各個性狀的極差和方差分析可以看出，不同材料性狀間均有較大差異，說明所選用的木薯材料遺傳多樣性分布范圍較廣，適合對其進行構建核心種質的分析。

表1　161份木薯材料性狀參數分析

2.2構建核心種質子集分析分別用D1和D2代表2個遺傳距離，用C1、C2、C3、C4、C5和C6代表6個系統聚類方法，用S1、S2和S3代表3個取樣方法，在25%取樣比例[5，23]下抽取40份種質，分別構建了36個核心種質的子集。由表2可知，36個核心子集的MD值為0.71%～3.23%，均<20.00%；且VD為112.37%～136.66%，CR值為80.16%～81.87%，VR為105.01%～117.63%，均>80.00%，符合構建核心子集的評價標準，所構建的核心種質子集能代表原種質群體的遺傳多樣性和完整性。

表2構建核心種質方法的差異性評價

Table 2Difference evaluation of construction method for core collection

%

接下表

2.3構建核心種質方法分析由表3可知，D2的評價參數MD、VD、CR和VR均值(1.91%、122.78%、84.43%和111.29%)體現最好，說明在木薯核心種質構建中用Minkowski 遺傳距離稍優于Euclidean距離；聚類方法由優到劣依次為C5、SC、SC1、C6、C4、C3，C5的評價參數MD、VD、CR和VR均值(2.05%、130.09%、83.89%和113.90%)體現最好，說明在木薯核心種質構建中質心聚類法優于其他5種取樣法；取樣方法由優到劣依次為S3、S2、S1，S3的評價參數MD、VD、CR和VR均值(2.18%、124.81%、82.88%和111.80%)體現最好，說明在木薯核心種質構建中優先取樣法優于其他3種取樣法。由此可見，在25%的取樣比例下，應用Minkowski 遺傳距離進行質心聚類分析，應用優先取樣法進行取樣(D2C5S3)適合構建木薯核心種質。

表3　構建核心種質最優方法評價

2.4構建核心子集取樣比例分析在確定最優方法下，按10%、15%、20%、25%、30%和35%取樣比例[5，7，14-16，25 ]，構建了6個核心種質子集進行取樣比例的評價。由表4可知，10%取樣比例CR<80%，不符合構建評價標準，其他取樣比例構建核心種質均能代表原始種質的遺傳多樣性。隨著取樣比例的增加，MD、VD和CR逐漸減小，而VR逐漸增大。15%取樣比例的評價參數MD、VD、CR和VR均值(6.91%、168.44%、83.12%和121.49%)體現最好，VD和CR均最大，取樣比例由優到劣依次為15%、20%、30%、25%、35%，由此可知，15%取樣比例適合構建木薯的核心種質。在Minkowski遺傳距離下應用15%優先取樣方法結合質心聚類法，構建了25份木薯核心種質；同時也說明161份木薯種質材料中的85%(136份)具有高度的性狀相似性，遺傳冗余程度大，遺傳背景較狹窄，遺傳多樣性范圍相對較小。

2.5核心種質的評價通過對核心種質和原種質的6個性狀指標進行差異顯著性(DUNCAN'S，P<0.05)分析發現，不同種質群體的相同性狀指標間均無顯著性差異，說明核心種質和原種質的性狀具有高度相似性，能很好地代表原種質的遺傳多樣性。由圖1可知，原始種質較多地密集分布于單一組內，表明這些種質存在高度遺傳相似性，同時也反映了遺傳冗余程度大；而核心種質的聚類樹狀圖則反映了材料間的遺傳相似度較低，分類明確，2個聚類樹狀圖在相同遺傳距離分組具有極大的相似性，該研究結果與劉寧寧[23]的研究結果一致，說明能很好地保存原種質的群體結構和遺傳多樣性，同時也能體現核心種質的準確性和使用性。

表4不同取樣比例構建核心種質的差異性評價

Table 4Difference evaluation of sampling percentage for core collection

取樣比例Samplingpercentage%平均值差異百分率MDPercentageofmeandifference方差差異百分率VDPercentageofvariancedifferences極差符合率CRCoincidencerateofrange變異系數變化率VRChangerateofvariablecoefficient108.90204.8979.62130.64156.91168.4483.12121.49205.82144.7483.12113.33255.12139.6085.73111.76302.64136.5191.64112.72352.69124.2791.64107.91

3結論與討論

木薯是高度雜合、多樣性豐富、遺傳背景復雜的作物群體，構建核心種質也就需多性狀綜合評價。該研究采用SPSS 19.0系統對161份木薯種質資源的6個性狀數據進行分析，首次構建了木薯核心種質25份，占原種質的15%，能代表原有種質的遺傳多樣性和完整性；同時也反映了供試木薯種質的遺傳背景較狹窄，遺傳多樣性范圍相對較小。這就需要進一步增加原始種質群體的數量，擴大遺傳背景，通過增加性狀數量和結合分子標記數據進行深入研究，提高建核心種質構建的準確性和完整性。

對于核心種質的數量性狀代表性如何評估，國內外尚缺乏統一判斷標準，主成分分析在核心種質的構建、評價和結果分析方面均有應用；但某些數量性狀是單獨的衡量指標，與其他性狀之間的相關性較低，不適合進行主成分分析，或者應用主成分值丟失的信息較多，結果不夠準確[26]。該研究認為，種質一般都是數量較大的有限總體，核心種質為某種抽樣群體，不管該性狀是否服從正態分布，皆具有一定的分布特征，平均數為數據的代表值，表示核心種質中觀察值的中心位置，并可作為核心種質的代表而與原有資源群體相比較，以明確兩者之間的相差情況。

在作物種質資源收集、評價、保護與應用研究中，構建核心種質是一個長期的動態過程[27-28]。首先，核心種質的構建有助于了解現有種質資源遺傳多樣性的組成特點和分布狀況，及其潛在的利用價值，進而對于今后種質資源的引種、收集工作，包括引種方向、類型、數量等的確定具有重要的指導作用。其次，核心種質的構建可以有效地加強和實現對重點材料的保護和管理，避免了優異種質和基因的丟失。第三，能夠采用一系列先進手段和方法針對核心種質進行重要性狀遺傳規律的研究，以及優異種質、基因的篩選與克隆，增強育種工作的導向性和預見性，避免盲目性。

圖1　木薯核心種質(25份)聚類樹狀圖(a)和原種質(161份)聚類樹狀圖(b)比較Fig.1　Comparison of clustering tree diagram of 25 core collections(left)with the161 original germplasms(right)of M.esculenta

作物種質資源的多樣性和育種目標的多樣化決定了核心種質研究的重點和目的不同。重要農藝性狀狀核心種質構建，對挖掘優異基因、提高育種效率和種質資源利用率具有重要意義。

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Construction of the Core Collection ofManihotesculentaCrantz

WEI Zu-sheng1,2, FU Hai-tian1,2, TIAN Yi-nong1,2*

(1. Guangxi Sub-tropical Crops Research Institute, Nanning, Guangxi 530001; 2. Guangxi Cassava Research Institute Nanning, Guangxi 530001)

Abstract[Objective] To construct the core collection of Manihot esculenta Crantz. [Method] The six trait parameters of 161 germplasms of M. esculenta were analyzed and evaluated. [Result] Core collection cluster analysis of Minkowski genetic distance was established. Preferred sampling method (D2C5S3) was suitable for the construction of the core collection of M. esculenta. 25 core collections were obtained, which accounted for 15% of the original core collection and represented the genetic diversity and integrity of original germplasms. At the same time, it was found out that the genetic background was narrow, with the phenomenon of genetic redundancy. [Conclusion] Construction of the core collection of M. esculenta provides theoretical foundation for the protection and utilization of M. esculenta germplasms.

Key wordsCassava; Core collection; Genetic distance; Clustering method

基金項目廣西科技開發計劃項目(14123006-33)；國家木薯產業技術體系(CARS-15-gxtyn)；農業部南亞辦種質資源保護專項(15RZZY-33)。

作者簡介韋祖生(1981- )，男，廣西貴港人，助理研究員，碩士，從事作物種質評價和遺傳育種研究。*通訊作者，高級農藝師，從事木薯育種與栽培技術研究。

收稿日期2016-03-14

中圖分類號S 533

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-022-04