太湖地區水稻地方品種資源品質基因及性狀的遺傳評價

敖雁　王安　崔小芬

摘要：研究水稻地方品種基因多樣性可為優質種質資源的保護和選育新的品種提供理論依據。以太湖地區511份水稻地方品種為供試材料，選用19個與淀粉合成相關的基因內分子標記對其淀粉品質基因進行檢測，并與86份育成品種作比較。結果發現：地方品種粳稻的平均多態信息含量（PIC）為0.172 6，稍高于育成品種粳稻的平均PIC值0.110 1。基于各材料間的Nei氏遺傳距離，按照UPGMA方法進行聚類，所有研究材料被分為6個類群。第Ⅰ類群主要是秈稻，育成品種粳稻主要集中在第Ⅱ類群和第Ⅲ類群的上半段，地方品種粳稻主要集中在第Ⅲ類群下半段、第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ類群，二者分布在不同的區域，已出現遺傳分化。分別依據國家優質米的標準，有眾多太湖地區水稻地方品種屬于品質性狀比較優良的優質稻谷，這些品種可用于今后的品質育種。

關鍵詞：太湖稻區；基因內分子標記；淀粉合成相關基因；多樣性

中圖分類號： S511.03 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0098-06

我國水稻選育品種的遺傳基礎狹窄問題已經比較嚴重，育成品種遺傳多樣性逐漸降低，育成親本之間遺傳差異非常接近[1-5]。大量推廣遺傳基礎狹窄的品種，會對作物生產帶來潛在風險。隨著育種水平的不斷提高，農作物品種推廣的單一化趨勢日益明顯，造成大量基因的遺失和遺傳多樣性的降低[6-8]。金偉棟等利用60對SSR引物研究了太湖地區目前推廣品種的遺傳差異，品種間平均相似系數達0.902，其中武運粳7號和武運粳8號都無法分辨[9]。太湖流域早在 8 000年前就已開始稻作生產[10]，主要栽培粳稻。長期的自然演化和人工選擇，形成該地區類型豐富的稻種資源[11-12]，它們在表型、抗（耐）特性及品質等方面各具特色，但是迄今在育種上利用的僅限于黃殼早廿日、矮寧黃和老虎稻等幾個地方品種，絕大部分資源的利用潛力沒有得到挖掘。

隨著分子生物學技術的發展，目前已定位了一些與淀粉形成或與稻米品質形成有關的基因，這些基因主要包括顆粒淀粉合成酶基因（Wx）、分支酶基因（Sbe1、Sbe3）、可溶性淀粉合成酶基因（Sss1）、異淀粉酶基因（Isa）和極限糊精酶或R酶基因（Pull）等。吳洪愷等利用Wx基因對RVA譜進行研究，發現RVA的8個特征值的表現均起主要作用，對支鏈淀粉合成相關基因Sbe1、Sss1均表現明顯的上位效應[13]。嚴長杰等以53個秈粳品種和近年育成的高產水稻品種為材料，設計Wx、Sbe1、Sbe3基因的分子標記，分析3個基因位點的遺傳學效應。3個基因位點不同的等位基因對稻米淀粉的合成具有不同的遺傳效應，其中Wx基因的影響最重要[14]。陳峰等利用Wx、Sbe1、Sbe3標記分析3個基因對稻米理化品質和RVA譜特征的效應，不同基因型品種間淀粉的理化特性（AC、GC、RVA）存在顯著或極顯著差異，而3個基因的聯合效應在不同基因型組合間也存在顯著的差異[15]。

金偉棟等利用微衛星標記（simple sequence repeat，SSR），對129個太湖流域粳稻地方品種資源核心種質進行了DNA分子水平的多態性分析，結果表明，太湖流域粳稻地方品種種質不僅具有豐富的遺傳變異，同時保留了大量的稀有等位變異[9]。于萍等采用45對SSR引物對224份太湖流域粳稻地方品種進行遺傳多樣性分析，得出太湖流域粳稻地方品種SSR多樣性較低、稀有類型等位基因較多的結論[16]。羅兵等利用SSR引物對太湖地區的42份粳稻品種進行遺傳多樣性分析，42份粳稻品種間的遺傳相似系數平均為0.610 0，供試材料相似度高，每個多態位點的PIC值平均為0.496 6[17]。Debjani等利用36對SNP標記12條水稻染色體，對印度東北部地區的6 984份水稻品種進行遺傳多樣性分析，發現多態信息含量（PIC）的變幅為0.004～0.375，基因多樣性的變幅為0.006～0.500[18]。Mehrzad等利用地方品種、純系品種、育成品種和適應于Giulan省氣候環境的外國品種為供試材料，采用分布在12對染色體上的52個引物來檢測94份水稻基因型的遺傳多樣性，發現最高的和最低的PIC值分別為0892和0.423[19]。然而這些研究工作，所選的分子標記都是隨機的，與性狀的表現或相應的基因沒有發生聯系。因此，本研究選用與水稻品質關系密切的淀粉合成基因的內部標記，檢測太湖流域水稻地方品種的標記基因型，并結合品質性狀的表型，進行遺傳多樣性分析和評價。其次，基于各材料間的Nei氏遺傳距離，按照UPGMA方法對511份水稻材料和86份水稻育成品種進行聚類，揭示太湖流域水稻地方品種資源的品質基因的遺傳差異。研究結果可為保護稻種基因資源的多樣性，充分利用優質基因，培育品質更為優良的水稻品種提供參考。

1 材料與方法

在江蘇省蘇州市農業科學院種植511個太湖地區水稻地方品種，其中粳稻423個、糯稻15個、粳糯39個、秈稻29個、秈糯5個以及86個來源廣泛的育成品種（來自日本、美國和中國各地）。其中有個別品種名字相同但來源或者材料本身有差異，所以仍以相同的名字表示，但在相同的名字后面加了1，2……，以示區分。在幼苗期進行了取樣和DNA提取，并在實驗室進行基因內部標記（表1）的檢測，這些標記位點共與19個淀粉合成基因有關。秋季，將這些材料分批收獲，開展表觀直鏈淀粉含量、膠稠度和糊化溫度等品質性狀的測定工作[20-21]。

1.1 標記基因型的檢測

采用SDS方法提取DNA，再利用各標記相應的引物在各樣本內進行PCR擴增，如果是CAPS分子標記，還需對PCR產物進行相應的酶切。PCR產物或酶切后產物經1%的瓊脂糖凝膠或6%的聚丙烯酰胺凝膠電泳，分離不同大小的DNA片段。電泳條件選擇的依據是多態性條帶的差異大小，如大于50 bp，則選用瓊脂糖凝膠，電泳后EB染色顯帶；小于 10 bp，則選用聚丙烯酰胺凝膠。電泳結束后用銀染方法來顯示DNA條帶，結果用ScanMaker 3830掃描儀（Microtek，上海，中國）掃描。

1.2 統計分析

每1對引物檢測1個位點，每1條多態性帶為1個等位基因，對所有供試材料的等位基因進行記錄。應用PowerMarker 3.25統計軟件[22]進行一般統計量分析，獲得等位變異數目、主效等位變異頻率、基因多樣性以及多態性信息含量（polymorphism information content，PIC）[23]等參數值。進一步計算得到個體以及亞群間的Nei氏遺傳距離矩陣，通過 UPGMA（unweighted pair group method with average）算法進行遺傳聚類分析，并使用MEGA 4.0觀察聚類圖。

2 結果與分析

2.1 與淀粉合成相關基因多樣性分析

對地方品種粳稻和育成品種粳稻進行對比分析，結果（表2）表明，地方品種粳稻的基因多樣性平均為0.198 8，變幅為0.009 4～0.652 0，多態信息含量平均為0.172 6，變幅為0.009 4～0.588 7，其中（CT）n基因位點的多態性最高，Pull基因位點的多態性最低；而育成品種粳稻基因的多樣性平均為0.128 2，變幅為0.000 0～0.511 6，多態信息含量平均為0.110 1，變幅為0.000 0～0.392 9，其中SSSⅢ-2基因位點的多態性最高，Wx、AATT、SSSⅥ-2基因位點的多態性最低。通過綜合比較，地方品種粳稻比育成品種粳稻有較高的基因多樣性和多態信息含量。

2.2 基于遺傳距離聚類

基于各材料間的Nei氏遺傳距離，按照UPGMA方法對511份水稻材料和86份水稻育成品種同時進行聚類分析，整個群體可以被分為6類（圖1）。從聚類圖來看，育成品種粳稻主要集中在第Ⅱ類群和第Ⅲ類群右上半段，地方品種粳稻主要集中在第Ⅲ類群下半段、第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ類群，二者位于不同的區域，已發生明顯的遺傳分化。第Ⅰ類群主要是秈稻地方品種。從聚類圖中也發現，少數育成品種仍然夾雜在地方品種中，在等位基因組合上表現一致。如在樹形圖中，育成品種揚稻6號、水晶3號與地方品種水晶白稻、西石黃等在遺傳距離上靠近；同樣，育成品種武粳15與地方品種麻金糯、落霜青、田雞青等在遺傳距離上靠近。相反，少數地方品種也夾雜在育成品種中。如在樹形圖中，地方品種蘆粳青、蘇粳5號與育成品種淮稻11號、南粳44在遺傳距離上靠近。這些結果表明，太湖地區的水稻種質資源中，少數地方品種與少數育成品種的相似系數較大，遺傳差異較小，而大多地方品種資源與育成品種相似系數較小，位于不同的分支或群，遺傳差異大。

2.3 品質性狀的分類

表3、表4和表5是根據優質稻谷的國家標準[24]對地方品種進行的等級劃分，對膠稠度性狀，秈稻谷≥70 mm、粳稻谷≥80 mm、秈糯稻谷≥100 mm、粳糯稻谷≥100 mm為一級，從表4可以看出：從秈稻谷在膠稠度水平達到一級的有5個地方品種（桂圓黃、無錫稻等），占太湖地區地方品種總數的0.978%；粳稻谷達到一級的有109個地方品種（上海青、蘇州青等），占地方品種總數的21.33%；粳糯稻谷達到一級的有21個地方品種（五石糯、葡萄糯等），占地方品種總數的 4.11%；秈糯稻谷達到一級的只有麻金糯1個地方品種。

依據直鏈淀粉含量的國家標準，秈稻谷干基含量在17%～22%、粳稻谷干基含量在15%～18%、秈糯稻谷干基含量≤2.0%、粳糯稻谷干基含量≤2.0%為一級。表4中秈稻谷在直鏈淀粉水平達到一級的有18個地方品種（大稻頭、晚秈等），占太湖地區地方品種總數的3.52%；粳稻谷達到一級的有156個地方品種（太湖青、上海青等），占地方品種總數的 30.53%；粳糯稻谷達到一級的有10個地方品種，占地方品種總數的1.96%。

依據糊化溫度（堿消值）的國家標準[25]，秈稻谷>4、粳稻谷>6、糯稻谷>6為一級。表3中秈稻谷在糊化溫度水平達到一級的有6個地方品種（八十日早、晚杜子秈等），占太湖地區地方品種總數的1.17%；粳稻谷達到一級的有137個地方品種（抱芯太湖青、矮腳太湖青等），占太湖地區地方品種總數的26.81%；糯稻谷一級的有3個地方品種[雪里青糯稻、慣殺糯（煞）、勿糯稻]，占太湖地區地方品種總數的 0.59%。綜上所述，太湖地區水稻地方品種中絕大多數粳稻谷在膠稠度、糊化溫度或直鏈淀粉含量水平上能達到一級水平。

3 討論

針對水稻群體的遺傳多樣性研究較多，然而這些研究工作所選的分子標記都是隨機的，與性狀的表現或相應的基因沒有發生聯系。鑒于此，本研究選用與水稻品質關系密切的淀粉合成基因的內部標記，檢測太湖流域水稻地方品種的標記基因型，并結合品質性狀的表型，進行遺傳多樣性分析和評價。選擇內部標記的優勢，一是標記即代表基因；二是標記可與性狀對應，增加研究結果的實用性。

遺傳多樣性的研究對于作物新品種的選育具有重要意義，提高品種的遺傳多樣性能夠提高品種對外界環境的適應性[26-27]。太湖流域水稻地方品種基因多樣性雖然在6個基因位點上（AGPsma、AGPiso、Pull、SSSⅢ-2、SSSⅡ-3、Sbe3）略低于育成品種，但地方品種的平均基因多樣性和PIC值均略高于育成品種。其中育成品種是選擇了來源廣泛的一些品種，比如美國稻、日本稻還有一些國內從南到北的一些品種，而地方品種均是太湖流域的水稻品種。從聚類分析的結果看，整個群體可以被分為6類，其中第Ⅰ類群為目前生產上常用的秈稻地方品種，育成品種粳稻和地方品種粳稻分別集中在不同的區域，已經出現了遺傳分化。因此，有必要研究和利用地方品種群體中豐富的品質基因多樣性，以拓寬未來選育優質水稻新品種的遺傳基礎。

本研究所選材料是從近千份太湖地區的地方品種中根據品質性狀的差異選擇的。這些地方品種在直鏈淀粉含量、糊化溫度和膠稠度等性狀上，有67個品種在一個性狀上達到一級標準；95個品種在2個性狀上達到了一級標準，有4個品種在3個性狀上都達到了一級標準。盡管這些老的地方品種資源植株較高、易倒伏，但在淀粉品質性狀上仍然具有很好的表現，這些品種可用于今后拓寬淀粉合成基因的遺傳基礎和品質育種等方面的研究。

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