寧夏外引水稻種質資源與選育品種遺傳多樣性分析

黃新玲，張振海，孫建昌*，李 華

(1.寧夏農林科學院農作物研究所,寧夏 永寧 750105；2.寧夏銀川市西夏區文萃路寧夏職業教育園區，寧夏 銀川 750021)

寧夏外引水稻種質資源與選育品種遺傳多樣性分析

黃新玲1，張振海1，孫建昌1*，李 華2

(1.寧夏農林科學院農作物研究所,寧夏 永寧 750105；2.寧夏銀川市西夏區文萃路寧夏職業教育園區，寧夏 銀川 750021)

【目的】本文探討了寧夏近幾年引進篩選的水稻種質資源及當地選育品種的遺傳多樣性和遺傳相似性，為拓展寧夏水稻遺傳基礎，豐富水稻遺傳多樣性提供參考依據。【方法】利用分布于12條染色體上的24對SSR引物對寧夏引進篩選的水稻種質資源和當地自育品種(系)進行了遺傳多樣性和遺傳相似性分析。【結果】參試170份材料中，共檢測到112條等位基因，平均每條SSR標記有4.67條等位基因，Nei′s基因多樣性指數為0.6079，變幅為0.2271～0.7986。將材料按地理來源劃分，探討其親緣關系，不同地理來源品種間的相似系數介于0.4053～0.8620，平均系數為0.7109。其中東北地區和日本的品種相似系數最大為0.8620，而江蘇和南方(以云南為主)的品種間相似系數最小為0.4053。本次所引進的材料與寧夏本區的材料遺傳相似系數均較大，尤其東北3省的最大，達到0.8344?！窘Y論】大多數引進資源與寧夏水稻品種的親緣關系較近,說明寧夏種質資源的遺傳多樣性雖然有所增加，但遺傳基礎較為狹窄。在今后水稻種質資源創制利用中，要充分利用引進資源的遺傳差異，加大親本遺傳距離，以豐富育成品種的遺傳基礎。

水稻；外引品種；自育品種；遺傳多樣性

【研究意義】種質資源(Germplasm resources)又稱遺傳資源(Genetic resources) 或基因資源(Gene resources)，一直被認為是育種的基礎與前提，是最原始的遺傳物質的載體包括了其所在物種(包含其變種)和所有的基因類型[1]。水稻種質資源是水稻育種的關鍵，有效的掌握和利用水稻種質資源，才有可能取得水稻的遺傳改良和突破性的育種成就。與其它農作物比較，水稻是寧夏的特色優勢農作物，古時曾為貢米，以高產和優質著稱[2]。建國以來，寧夏水稻品種已實現了6次更新換代，前3次以外引品種為主，后 3次以自育品種為主[3]。近年來一些優良品種被大面積推廣，為當地水稻產業做出了巨大的貢獻。同時，也不同程度出現了品種單一化的趨勢，從而造成了遺傳多樣性的降低，同時大量基因也隨之丟失，為病、蟲等自然災害提供了溫床，提高了農戶的風險點[4]。為拓寬寧夏水稻親本的遺傳基礎，擴大引種范圍并挖掘其有利基因，同時要利用分子標記技術，明確品種間的遺傳距離，可為親本的選擇提供參考依據。【前人研究進展】前人的大量研究表明，利用SSR標記，探索種質資源的遺傳多樣性，確定其遺傳距離，可為品種選育提供依據[5]。遺傳多樣性的研究對于保護生物多樣性具有重要的理論和實際意義[6]。趙勇[7]等利用16對SSR功能基因標記對23份來自5個國家的水稻種質資源的遺傳距離進行研究，證實SSR功能標記是研究水稻種質資源分類、生態類型、地理分布和系譜分析的有效工具。束愛萍等[8]探討了中國不同省份間粳稻選育品種的遺傳相似性和遺傳差異，建議在資源創新和育種中，選配親本要盡量選擇緯度相差較大、地理位置相隔較遠，生長環境不同的材料，創造出具有豐富變異類型的新種質，從而符合品種選育的目標。郝偉等[9]對東北三省參加區域試驗的35個水稻品種(系)利用SSR標記分析其遺傳多樣性和相似性，結果表明參試材料間遺傳距離狹窄，為防止遺傳多樣性進一步丟失，建議注重收集、保存地方品種資源；為擴大育種材料的遺傳基礎，還要充分利用我國豐富的水稻種質資源。孫健等[10]利用42對SSR引物對80份黑龍江省主栽水稻品種進行SSR遺傳多樣性分析，為拓寬黑龍江省水稻種質資源的遺傳基礎，建議今后要充分挖掘地方品種、雜草稻等資源的有用基因，同時加大力度引進、鑒定和利用國外資源。甘曉燕等[11]對寧夏89份粳稻種質材料進行SSR分析，以探討寧夏粳稻品種的遺傳多樣性水平, 研究表明，寧夏粳稻種質之間的相似性較高，遺傳差異較小，遺傳背景比較單一。隨著育種工作的深入，育種目標的明確化，所選育的品種趨于單一化，核心親本的反復利用，造成品種遺傳多樣性下降。為了提高寧夏水稻的育種效率，降低品種抗性喪失風險點，就必須進一步引進、開發和利用遺傳多樣性豐富的資源，如地方品種和野生稻等。近年來，寧夏也從國內外引進了很多水稻種質資源，但為了實現育種目標，適應本區生態環境，外引品種局限性較大，遺傳背景較相似?！颈狙芯壳腥朦c】本試驗通過對外引資源和寧夏本區品種(系)進行遺傳多樣性分析，確定其遺傳距離?！緮M解決的關鍵問題】為育種者提供很好的依據，在以后水稻雜交選育中采取遺傳距離較遠的種質資源相互雜交，促使在雜交后代中出現豐富多樣的重組類型，這有助于擴大雙親的遺傳基礎和豐富寧夏水稻的遺傳多樣性。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗選取170份2015年寧夏的外引粳稻資源、當地的選育品種(品系)、本區參加區域試驗的品種以及新育成的品系作為試驗材料。包括日本材料71份，江蘇材料1份，寧夏本地材料54份，新疆材料6份，吉林、黑龍江、遼寧的材料共17份，山西材料1份，北京、天津材料共7份，安徽1份，云南材料12份。2015年將全部材料種植于寧夏農林科學院農作物研究所試驗田，按順序排列，單株插秧，每個材料3行，行長1 m，田間管理與大田相同。

1.2 DNA提取和SSR分析

在水稻分蘗盛期，取其單株葉片，將K. Edwards等[12]的CTAB法稍做改進，進行DNA提取與純化。將分布于水稻12條染色體上的24對多態性較高，條帶相對穩定、清晰的SSR引物篩選出來，用于參試材料的遺傳分析。PCR反應體系體積10 μl：10×PCR Buffer(含Mg2+)1.0 μl，20 ng/μl DNA 1.0 μl，2.5 mmol/L dNTP 0.75 μl，2 μmol/L SSR引物1.0 μl，ddH2O 6.0 μl，5 U/μlTaq酶0.25 μl。擴增程序為94 ℃預變性5 min，94 ℃變性30 s，55～60 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，共35～45個循環，72 ℃延伸5 min。采用6 %的聚丙烯酰胺變性凝膠電泳及銀染法檢測[13]。

1.3 數據分析

等位基因數(Na)、有效等位基因數(Ne)、Nei’s基因多樣性指數(He)和Shannon信息指數(I)應用POPGENE32統計軟件計算。不同地區類群的Jaccard遺傳相似系數矩陣用NTSYSpc2.0計算，聚類分析采用UPGMA法。

2 結果與分析

2.1 引進稻種資源與自育品種SSR標記的多態性分析

對170份水稻品種資源，利用分布于12條染色體上的24對多態性較高、條帶相對清晰的SSR引物進行遺傳多樣性和遺傳相似性分析(表1)，共檢測到112條等位基因，品種間不同位點的等位基因數目不等，變幅為3～8條，平均每條SSR標記有4.67條等位基因。其中等位基因數在3～5之間的引物18對，占參試引物的75 %。RM1337檢測到的等位基因數較多，為8條，其次是RM336檢測到7條。24對引物檢測到有效等位基因數在1.29～4.97，平均2.89條，其中RM336最高，其次為RM7217(4.58)。

表1 寧夏引進水稻品種和當地選育品種的SSR遺傳多樣性

24對SSR引物中平均Nei’s基因多樣性指數為0.6079，變幅為0.2271～0.7986，其中Nei’s基因多樣性指數在0.7以上的有：RM336(0.7986)、RM7217(0.7819)、RM1337(0.7576)、RM430(0.7375)、RM8208(0.7355)、RM5473(0.7227)、RM223(0.7131)，其Shannon指數在0.4431～1.7413，平均1.1472。

2.2 不同地理來源粳稻品種的親緣關系分析

2.2.1 遺傳相似性分析 將所有材料按地理來源劃分為日本、寧夏、東北、華北、南方(以云南為主)、新疆、江蘇，各地區品種間的相似系數介于0.4053～0.8620，平均系數為0.7109。其中東北地區和日本的品種相似系數最大為0.8620，而江蘇和南方(以云南為主)的品種間相似系數最小為0.4053。寧夏稻與日本、東北3省、華北地區、云南、新疆以及江蘇地區的品種間遺傳相似系數均較大，變異范圍為0.6014～0.8344，平均為0.7681。尤其與東北3省的遺傳相似系數最大為0.8344，其次是新疆為0.8144(表2)。

表2 以SSR標記為依據的不同地區水稻品種資源的遺傳相似系數

2.2.2 聚類分析 根據試驗數據的矩陣情況，按UPGMA進行聚類分析，獲得了170份供試材料的聚類圖(圖1)，共分為5大類，其中日本的2個品種Snow parl和早豐各自形成一個獨立類，其他品系聚成3大類群，類群I有20個品種(系)，根據遺傳相似性又可分為3個亞類群。來自寧夏的XM-307、SD-8和2012X-8聚為第1個亞類群。第2個亞類群包括15個品種(系)，其中除一個天津品種隆優619和一個吉林品系2012C76外，其余均為寧夏品種(系)。第3個亞類群是日本品種奇豐和黑龍江品系1335。類群Ⅱ包括9個品種(系)，黑龍江的龍洋0957、云南的JD330和寧夏的14Q-100聚為一個亞類群，引自日本的梁分和關東15，寧夏自育品系JK308和2013LJ-17，引自新疆的伊粳13號和新核1號6個品種(系)聚為另一個亞類群。其余的139個品種(系)均屬于類群Ⅲ，根據遺傳相似性又可聚為2個亞類群，第1個亞類群包括47個品種(系)，其中大部分(25份)是寧夏的品種(系)，從云南引進的12份品種(系)中有11份都歸于此類群，還有第2個亞類群包括92個品種(系)，大部分(59份)都是日本品種(系)，另有12份東北品種(系)和5份寧夏的品種(系)。

聚類結果顯示，同一地區的大部分品種(系)往往聚為一類，如類群I的第2個亞類群和類群Ⅲ的第1個亞類群大部分都是寧夏品種(系)，類群Ⅲ的第2個亞類群大部分都是日本品種(系)。栽培環境相似，也會導致遺傳距離較近，如類群Ⅲ的第1個亞類群中，寧夏和云南的品種(系)聚為一類，這兩個地方均為高海拔地區，其氣候環境與維度較高的東北3省較相似，因此，黑龍江的龍洋0957、云南的JD330和寧夏的14Q-100聚為一個亞類群。這都是由于在長期的自然選擇和人為選育過程中形成了具有相似特征特性的水稻品種。

3 結論與討論

寧夏優越的自然條件，使得水稻成為寧夏具有特色的區域性優勢糧食作物，而且在西北地區糧食生產中寧夏水稻的品種、品質及產量水平都具有舉足輕重的地位和作用[14]。20世紀80年代中期，寧夏的水稻主栽品種實現以自育品種取代了外引品種，但由于條件的限制，寧夏地方品種的有利基因挖掘、利用不夠，水稻育種的親本材料類型單一，造成目前寧夏選育的新品種不能有突破性的進展。楊玉蓉等[15]對76份寧夏不同年代水稻品種(系)利用48對SSR引物進行遺傳多樣性分析，遺傳多樣性指數變幅0.1492～0.8945，平均為0.6032，大多數寧夏水稻品種的親緣關系較近，2005年后寧夏水稻品種的遺傳多樣性趨于變小。馬靜等[16]選擇31份寧夏近年來育成或審定的水稻品種(系)，利用分布于12條染色體的36對SSR引物進行遺傳距離和遺傳多樣性分析，共檢測到了159個等位基因，Nei基因指數的變幅為0.0317～0.8444，平均為0.5088。SSR標記顯示大多數品種的遺傳相似系數在0.5以上，最高達到0.94，這反映了寧夏水稻的遺傳基礎比較狹窄。因此，在今后選育水稻新品種時，為拓寬寧夏水稻的遺傳基礎，不僅要考慮親本的親緣關系，還要繼續加大力度引進和創新親本材料。另外，還有大量研究如劉煒等[17]、甘曉燕等[11]、陳小龍等[18]都表明寧夏粳稻品種間的遺傳相似性較高，遺傳差異較小，親緣關系較近，遺傳基礎相對狹窄。

本試驗通過24對引物對170份外引水稻資源與寧夏本區的區域試驗材料進行遺傳多樣性分析，共檢測到112條等位基因，平均每條SSR標記有4.67條等位基因。Nei’s基因多樣性指數為0.6079，變幅為0.2271～0.7986，高于馬靜等[19]的研究結果，即寧夏的59份水稻品種的平均Nei's基因多樣性指數為0.4394，變幅為0.0333～0.9164，說明本次引進的水稻種質資源有效的擴寬了寧夏水稻的遺傳基礎。不同地理來源品種間的相似系數介于0.4053～0.8620，平均系數為0.7109。其中東北地區和日本的品種相似系數最大為0.8620，而江蘇和南方(以云南為主)的品種間相似系數最小為0.4053。本次所引進的材料與寧夏本區的材料遺傳相似系數均較大，尤其東北三省的最大，達到0.8344，這和孫劉臣[20]的研究結果一致，即寧夏水稻種質資源與東北水稻種質資源材料的親緣關系較近。馬靜等[19]也表明可能造成寧夏水稻遺傳背景單一的主要原因之一是寧夏能夠直接或間接利用的資源比較匱乏，多數資源都來自于日本和東北。按UPGMA進行聚類分析，170份材料中除了2個日本材料各聚一類，其余3大類群中均分布有寧夏品種(系)，也進一步證實通過近些年資源引進力度的加大，寧夏的水稻種質資源更加豐富了。另外，聚類結果也表明，不同地區的品種遺傳相似性不僅和親本的基因類型密切相關，還和選育品種時的地理位置、環境條件有關，這與束愛萍等[8]的研究結論一致。

圖1 基于SSR標記的170份水稻品種資源的聚類圖Fig.1 Dendrogram of 170 cultivars based on SSR markers

雖然近年來，寧夏水稻遺傳多樣性有增加的趨勢，但寧夏選育水稻品種的遺傳基礎狹窄[16]，究其原因主要是寧夏的資源類型比較單一，相似的品種間進行過多的雜交，或者反復利用一些優良的親本材料，另外寧夏特定的水稻種植區的氣候類型，導致選育出具備共同特征特性的品種，以此來適應寧夏特殊的生態環境[15]。為了改變這一現狀，近些年也加大了對水稻種質資源的引進，但引進材料還比較單一，所引材料國外主要來自日本、韓國等，國內主要以東北、新疆為主，導致許多引進的材料和寧夏的選育材料遺傳相似性較高；而且由于氣候條件所致，生育期稍長的材料和秈稻在寧夏無法正常成熟，所引材料主要以生育期相對較短的粳稻為主，與秈稻的雜交較少，主要是通過室內或南繁進行，這就大大限制了寧夏水稻遺傳基礎的拓展。在今后寧夏水稻資源的引進中，一方面要豐富引進的材料，提高品質性狀的多樣性；另一方面就要通過分子生物學方法挖掘有利基因加以利用。

本試驗通過對外引資源和寧夏本區品種(系)進行遺傳多樣性分析，確定其遺傳距離，充分利用引進資源間的遺傳差異，在雜交選育中采取遺傳距離較遠的種質資源相互雜交，促使在雜交后代中出現豐富多樣的重組類型，這有助于擴大雙親的遺傳基礎和豐富寧夏水稻的遺傳基礎，從而保障水稻育種的持續發展。

[1]李振姣.寧夏外引水稻種質資源的遺傳多樣性研究及核心種質構建[D]. 寧夏大學農學院碩士學位論文，2016：1-5.

[2]馬洪文，殷延勃. 寧夏水稻優質高產栽培技術答疑[M]. 銀川：寧夏人民出版社，2009.

[3]王興盛. 寧夏水稻[J]. 北方水稻，2007(1)：19-22.

[4]Normile D. Variety spices up Chinese rice yield[J]. Science, 2000, 289: 1119-1120.

[5]羅 兵，孫海燕，楊志剛，等.基于SSR標記的太湖稻區常規粳稻DNA指紋圖譜構建及遺傳相似性分析 [J].南方農業學報,2015,46(1):9-14.

[6]馬 靜，安永平，王彩芬，等.遺傳多樣性研究進展[J]. 陜西農業科學，2010(1)：126-130.

[7]趙 勇，楊 凱，Akbar Ali Cheema，等.利用水稻功能基因SSR標記鑒定水稻種質資源[J]. 中國農業科學，2002，35(4)：349-353.

[8]束愛萍，張媛媛，曹桂蘭，等. 中國不同省份粳稻選育品種的遺傳相似性[J]. 中國農業科學，2009，42(10)：3381-3387.

[9]郝 偉，張 旭，徐正進，等. 東北三省水稻遺傳多樣性和親緣關系的SSR分析[J]. 河南農業科學，2008(4)：18-24.

[10]孫 健，王敬國，劉化龍，等. 黑龍江省主栽水稻品種的遺傳多樣性分析[J]. 作物雜志，2011(1)：63-67.

[11]甘曉燕，李 苗，關雅靜，等. 寧夏89份粳稻種質遺傳多樣性的SSR分析[J]. 西北植物學報，2009，29(9)：1772-1778.

[12]Edwards K, Johnstone C, Thompson C.A simple and rapid method for the preparation of plant genomic DNA for PCR analysis[J].Nucleic Acids Res,1991,19(6): 1349.

[13]Panaud O, Chen X, Mc Couch S R. Development of a microsatellite markers and characterization of simple sequence length polymorphism (SSLP) in rice (O.sativaL.)[J]. Mol Gen Genet,1996, 252(5)：597-607.

[14]殷延勃，馬洪文. 寧夏水稻遺傳育種回顧與展望[J]. 寧夏農林科技，2008(3)：65-67.

[15]楊玉蓉，孫建昌，王興盛，等. 寧夏不同年代水稻品種的遺傳多樣性比較[J]. 植物遺傳資源學報，2014，15(3)：457-464.

[16]馬 靜，孫建昌，王興盛，等. 寧夏水稻選育品種遺傳多樣性和親緣關系分析[J]. 西北植物學報，2011，31(5)：929-934.

[17]劉 煒，李子超，史延麗，等. 利用SSR標記進行粳稻品種的遺傳多樣性研究[J]. 西南農業學報，2005，18(5)：509-513.

[18]陳小龍，馬利奮，王 鵬，等. 寧夏 60 份粳稻種質資源遺傳多樣性分析[J]. 植物遺傳資源學報，2013，14(2)：226-231.

[19]馬 靜，孫建昌，安永平，等. 基于 SSR 標記的寧夏水稻遺傳多樣性分析[J]. 植物遺傳資源學報，2013，14(5)：826-832.

[20]孫劉臣. 寧夏和東北早稷稻種質資源遺傳多樣性分祈[D]. 寧夏大學農學院碩士學位論文，2016：8-26.

(責任編輯 陳 虹)

GeneticDiversityAnalysisofRiceGermplasmIntroducedfromElsewhereandLocalSelf-bredinNingxia

HUANG Xin-ling1, ZHANG Zhen-hai1, SUN Jian-chang1*, LI Hua2

(1.Institute of Crop Science, Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Ningxia Yongning 750105, China;2.Ningxia Vocational Education Park, Ningxia Yinchuan 750021,China)

【Objective】In this paper, the genetic diversity and similarity of rice germplasm introduced from elsewhere in recent years and self-bred in Ningxia were studied to provide some references for the abundant genetic diversity of rice and expand its genetic basis.【Method】A total of 24 SSR markers distributed in 12 chromosomes were used to analyze the genetic diversity and their genetic relationship of rice germplasm which were introduced from elsewhere and self-bred rice varieties of Ningxia.【Result】Of the 170 materials involved in trials, 112 alleles were revealed, the mean number of alleles per locus was 4.67, and total genetic diversity index of Nei varied greatly among loci from 0.2271 to 0.7986, with an average of 0.6079. To investigate the genetic relationship of different geographical rice germplasm, the similarity coefficient of different varieties of geographical source was between 0.4053 and 0.8620, with the average coefficient of 0.7109. The maximum similarity coefficient between The northeast China and Japan varieties was 0.8620, and the minimum between the Jiangsu and the south (mainly in Yunnan) varieties was 0.4053. There was a high genetic similarity among the rice germplasm of introduction and self-bred, especially in the three provinces of northeast's largest, reaching at 0.8344.【Conclusion】Most of the introduced rice variety resources and Ningxia were close relatives, indicating that the genetic diversity of germplasm resources in Ningxia although had a tendency to increase but the narrow genetic basis. In rice creating and utilizing in the future, we should make full use of the introduction of the genetic differences of resources, increase the genetic distance of the parents and enrich the genetic basis of bred varieties.

Rice; Introduced varieties; Self-bred varieties; Genetic diversity

S511

A

1001-4829(2017)11-2406-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.11.003

2017-03-20

寧夏農業育種專項“水稻新品種選育-資源的引進、鑒定與評價研究”(2013NYYZ0301)

黃新玲(1982-)，女，寧夏中衛人，碩士，助理研究員，主要從事水稻品種資源的研究，E-mail:smallbell_512@126.com，Tel:13995193856；*為通訊作者，孫建昌(1975-)，男，博士，研究員，主要從事水稻遺傳育種的研究，E-mail: nxsjch@163.com。