利用水稻抗旱種質研究馴化和育種對遺傳多樣性的影響

衛海濱，夏 輝，樓巧君，馮芳君，馬孝松，梅捍衛，羅利軍（上海市農業生物基因中心，上海　201106）

利用水稻抗旱種質研究馴化和育種對遺傳多樣性的影響

衛海濱，夏 輝，樓巧君，馮芳君，馬孝松，梅捍衛*，羅利軍*
（上海市農業生物基因中心，上海201106）

利用高通量測序獲取SNP標記技術對上海市農業生物基因中心99個水稻抗旱種質進行全基因組重測序，分析其遺傳多樣性和遺傳基礎。結果表明：在所有SNPs位點中，多態性比率為68.98%（1 927 238/2 793 702），SNPs標記密度在12條染色體上分布范圍為4.5—6.2個SNP/kb；供試品種間的遺傳距離分布具有兩個密度高峰；鄰接法構建系統發育樹將99個品種劃分為秈稻和粳稻兩個類群。綜合SNPs和進化分析結果表明：水稻在自然選擇和人工馴化過程形成復雜進化史，99個抗旱種質在DNA水平上的差異呈現兩個極端，遺傳距離分布范圍較大（0.003—0.998），具有較寬遺傳基礎和豐富的遺傳多樣性。本研究以期為水稻節水抗旱新品種選育的親本選配提供理論依據。

水稻；遺傳多樣性；抗旱性；育種；單核苷酸多態性

水稻（Oryzasativa L.）是世界上最古老的主要糧食作物之一，在全球農業生產中占有十分重要的地位。當前世界人口不斷增長，耕地面積逐年減少，水資源的競爭日益激烈，全球面臨的糧食危機凸顯［1］。然而，上世紀末至今水稻產量卻沒有大的突破。主要原因在于栽培稻馴化過程中，為了獲得一種優良性狀而使得很多優秀農藝性狀的雜合位點在人工選擇過程中丟失［2］。栽培稻的馴化和育種中，基因組的遺傳多態性發生了明顯的變化，導致水稻種質的遺傳多樣性降低，供體親本的遺傳背景變窄［3］。目前已收集的水稻抗旱種質品種包括具有抗旱或高產性能的地方種和節水抗旱稻育成種，其遺傳多樣性的豐富程度將是重要遺傳資源加以充分利用的基礎。

近年來，隨著高通量測序技術的普及，SNP分子標記被廣泛用于研究物種的遺傳多樣性與遺傳結構以及不同品種間的親緣關系［4］。例如，通過對水稻全基因組SNP數據的分析，揭示了水稻的馴化與起源，發現粳稻首先從普通野生稻中馴化出來，然后在栽培稻的傳播過程中粳稻與普通野生稻反復發生基因流最終形成了秈稻［5］。對我國水稻主產區的1495份雜交水稻品種進行基因組測序，分析揭示了基因組區段在秈稻和粳稻間的遺傳多樣性特征［6］。因此，利用SNP分子標記研究水稻群體的遺傳多樣性及其在馴化過程中發生的變化，是完全可行的。

為了有效利用淡水資源，實現從高產到節水抗旱的轉型，本世紀初我國啟動了“綠色超級稻新品種培育”的863項目，本單位承擔了水稻節水抗旱種質創新子課題。上海市農業生物基因中心初步建立了我國節水抗旱核心種質資源，通過對各種材料的評價和鑒定，并進行遺傳多樣性分析。本研究采用Illumina高通量測序SNP標記對本中心建立的抗旱種質（99個栽培稻品種）進行研究，旨在揭示這些抗旱種質在全基因組水平上的遺傳多樣性和親緣關系，快速獲取大量有益的種質評價信息，以期為水稻節水抗旱新品種選育的親本選配提供理論依據。

1　材料與方法

1.1水稻品種及其DNA提取

供試品種來自上海市農業生物基因中心種質資源，包括通過節水抗旱性能的評價和鑒定的地方品種和節水抗旱稻育成種，共計99個（表1）。各品種的系譜資料源自品種參試時育種單位提供的信息，可以參考國家水稻數據中心的資料（www.ricedata.com）。上海市農業生物基因中心水稻遺傳育種溫室種植，取水稻苗期幼嫩葉片，采用天根生化科技（北京）有限公司植物基因組抽提試劑盒抽提基因組DNA。

表1　用于SNP分析的水稻品種Table 1　Rice varieties used forsNP analysis

（續表1）

1.2高通量測序及SNP分析

利用Illumina HiSeq-2000對水稻抗旱種質的99個品種進行全基因組重測序，由蘇州眾信生物技術有限公司完成，測序深度為5×，序列比對的參考基因組為日本晴msu7.0（http://rice.plantbiology.msu.edu/）。獲取基因組SNP信息后，將SNP分型數據用Clustalw 2軟件進行完全比對，應用Phylip 3.6.5軟件的Dnadist程序計算品種間的遺傳距離，最后采用鄰接法構建遺傳關系樹狀圖。

2　結果與分析

2.1多態性SNP位點的分布

99個水稻抗旱種質的重測序基因組序列與日本晴Nipponbare參考基因組進行比對，檢測出群體SNPs。在分布于12條染色體的2793702個SNP位點中，1 927 238個被檢測到多態性，多態性比率為68.98%。不同染色體上分布的多態性位點數量范圍為124070—214941個，分布差異較大，且在1號染色體上分布最多（圖1）。但每條染色體的SNPs標記密度差異較小，分布區間為4.5—6.2個SNP/kb，平均標記密度為5.16個SNP/kb。

2.2水稻品種間的遺傳變異

基于SNP標記的品種兩兩之間遺傳距離分析，其變異范圍為0.003—0.998，平均值為0.527，其中‘MILT_1444’（R11）和‘IRAT_13’（R16）間的遺傳距離最小（0.003），而‘LIANGGUOZAO’（R85）與‘TODOROKIWASE’（R102）間的遺傳距離最大（0.998）。99個供試品種兩兩計算，共獲得4 851個遺傳距離數字，以0.05為組距進行次數分布分析，可見99個品種間的遺傳距離具有兩個分布密度高峰（圖2）。在0.2與0.9處分布密度最大，兩側不對稱。大于0.7的遺傳距離數字有1 922個（39.62%），小于0.3的有1 323個（27.27%），分布呈現兩個極端的趨勢。

圖1　多態性位點在水稻12條染色體上的分布Fig.1　Distribution of polymorphicsites in 12 chromosomes of rice

圖2　品種間遺傳距離的次數分布Fig.2　Frequencydistribution ofgeneticdistances between varieties

2.3聚類分析

根據水稻SNP遺傳距離矩陣進行聚類分析，99個品種被劃分為秈稻（黑色）和粳稻（灰色）兩大類群。其中育種常用到的兩個代表性品種：秈稻‘珍汕97B’（R158）和粳稻‘IRAT 109’（R109），分別位于秈粳群體中部，圖3中分別以紅色和綠色表示；兩個AUS類型的品種‘LAMBAYEQUE 1’（R25）和‘AUS 454’（R35）被分類至為粳稻，圖中以藍色表示，與‘IRAT 109’的遺傳距離分別為：0.182和0.387，表明在遺傳基礎上具有很高的親緣性，且‘IRAT 109’（R109）與‘LAMBAYEQUE 1’（R25）具有更近的親緣關系。

圖3　水稻抗旱種質99個品種的聚類圖Fig.3　Cluster analysis of 99drought-resistant rice varieties

3　討論

水稻基因組精細圖的完成和高通量測序技術的迅猛發展，為DNA水平上利用SNP標記研究水稻的遺傳多樣性創造了良好基礎［5-8］。本研究選用的水稻抗旱種質99個品種，是來源于國內外的優良品種，具備一定的代表性。雖然群體材料數量較少，卻具備較高的遺傳多樣性水平，例如每200個堿基就有一個SNP（圖1），并與已有研究報道相吻合［9］。同時，經過群體多態性篩選（MAF＞0.05），發現了較高的SNP多態性比率，SNP密度較大。以上結果表明該抗旱種質群體具有遺傳多樣性變異豐富的特點，因此在抗旱性以外，還可能具有較豐富的優異農藝性狀。

水稻的馴化會使遺傳多樣性降低，尤其是一些地方品種及育成種遺傳多態性下降水平更加嚴重［10］。本研究通過遺傳距離推斷遺傳變異程度，發現水稻抗旱種質群體遺傳距離分布具有雙峰特征（圖2）。其中遺傳距離位于0.2—0.3出現的峰，表明馴化獲得優良農藝性狀的同時，當代栽培稻在馴化過程中經歷了馴化瓶頸，導致栽培群體相對于祖先野生稻整體遺傳多態性有所降低。另一個遺傳距離峰位于0.9附近，表明部分種質資源具有相對較為豐富的遺傳多樣性。親緣關系結果表明（圖3），來源于秈稻和粳稻兩大類群的品種具有各自的種質抗性優勢，育種分別從秈稻和粳稻中選擇一個親本，更有利于節水抗旱稻新品種的培育［11］。利用這批核心種質，上海市農業生物基因中心已培育出一大批節水抗旱稻，包括常規節水抗旱稻品種：‘中旱2號’‘滬旱3號’‘滬旱15號’‘滬旱7號’，及三系雜交節水抗旱稻不育系與恢復系：‘滬旱1A’‘滬旱2A’‘旱恢2號’‘旱恢3號’等［12-13］。因此這批抗旱種質確實能夠成為培育節水抗旱稻的資源寶庫。

目前，在節水抗旱稻育種中被廣泛深入應用的材料依舊不多，而這些抗旱種質資源卻具備較高程度的遺傳差異與多樣性，提示我們應該進一步挖掘該種質資源群體的育種潛力。在這個過程中，本研究中應用的SNP可以成為很好的分子標記進行分子標記輔助選育與育種，為選育節水抗旱稻新品種提供重點關注的親本資源。另一方面，發掘與SNP相關的潛在抗旱等優良農藝性狀基因，將會成為下一步的研究方向，并將為闡明節水抗旱的分子遺傳基礎提供有利的參考。

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（責任編輯：程智強）

Impacts ofdomestication and breeding ongeneticdiversity in utilizingdrought-resistant ricegermplasms

WEI Hai-bin，XIA Hui，LOU Qiao-jun，FENG Fang-jun，MA Xiao-song，MEI Han-wei*，LUO Li-jun*
（Shanghai Agrobiologicalgene Center，Shanghai 201106，China）

Thegenome-widesequencing of the 99drought-resistant rice varieties collected by this center was conducted by using high throughoutgenomesequence togetsNP markers and thegeneticdiversity was analyzed.The resultsshowed that the percentage of polymorphicsites was 68.98%（1 927 238/2 793 702）among all the identifiedsNPs，and thedensity ofsNP markers in 12 chromosomes was 4.5—6.2sNP/kb；Thedistribution ofgeneticdistances between the tested varieties had twodensity peaks；The 99 rice varieties could be classified into indica and japonica types in the phylogenetic tree established by the neighbor-joining method. ThesNP and phylogenetic analyses indicated that a complicated history of rice evolution formedduring naturalselection and artificialdomestication，thedifferences of 99drought-resistant rice varieties atdNA level presented two extremes，thedistribution ofgeneticdistances was relatively wide in range（0.003—0.998），and thus rice had abundantgeneticdiversity.The findings could provide a theoretical basis for parentalselection in breeding newdrought-resistant rice cultivars.

Rice；Geneticdiversity；Drought resistance；Breeding；SNP

S511

A

1000-3924（2016）04-001-05

2016-03-30

上海市自然科學基金項目（14ZR1437000）；上海市種業發展項目［滬農科種字（2014）第1號，滬農科種字（2016）第1-6號］

衛海濱（1977—），男，博士，助理研究員，主要從事節水抗旱稻遺傳研究。E-mail：whb@sagc.org.cn

，E-mail：hmei@sagc.org.cn，lijun@sagc.org.cn