云南粳稻遺傳多樣性及群體結構分析

管俊嬌 楊曉洪 張建華 王江民 張鵬 李彥剛

（云南省農業科學院質量標準與檢測技術研究所，昆明 650205）

我國水稻種植以秈稻為主，粳稻種植面積較小［1］。但隨著生活水平的提高，市場對粳米的需求量日益增長，需要培育出更多優秀品種來滿足需求［2-3］。把優異遺傳資源應用到育種中，保持粳稻品種的多樣性是培育優秀新品種的關鍵［4］。張立娜等［5］研究表明云南的粳稻地方品種遺傳多樣性最為豐富，也育成了大量的粳稻系列品種，其中具有優異特性的品種、品系等作為親本材料常用于育種中。因此，通過對各單位創新的粳稻選育品種的遺傳多樣性研究，闡明云南不同來源粳稻品種的親緣關系和遺傳結構，了解粳稻品種的生態類型及地理分布，能有效的指導粳稻雜交育種中親本材料選配，加強育種家間資源共享和種質資源交流，拓寬育種的遺傳基礎，推動云南粳稻育種發展。

分子標記技術已廣泛應用于作物種質資源的遺傳多樣性研究。其中應用最多的是簡單重復序列（Simple sequence repeat，SSR）標記，其具有重復性好、多態性高、數量豐富、呈共顯性且廣泛分布于基因組等優點［6-7］。本研究精選云南粳稻品種163份，利用SSR分子標記技術研究其遺傳多樣性，并闡明其遺傳結構和親緣關系，以期為粳稻優質高產育種提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

選取云南省7個育種單位的163份粳稻品種、品系等作為實驗材料（表1）。包括麗江市農業科學院17份，楚雄州農業科學院27份，大理州農業科學院13份，保山市農業科學院25份，曲靖市農業科學院19份，云南省農業科學院56份，其他親本材料的6份。

1.2 方法

1.2.1 DNA的提取 參照農業行業標準《水稻品種鑒定技術規程SSR標記法》（NY/T 1433-2014）的方法，試驗材料經催芽播種于秧床上，薄膜覆蓋進行育苗。當幼苗長到四葉一心時，混合取20個單株的葉片，用改良的CTAB法提取DNA。

1.2.2 SSR標記檢測 依據Temnykh 等［8］公布的水稻SSR遺傳標記連鎖圖，經過初篩選，在每條染色體上均勻選擇1-3對，共30對SSR熒光標記引物用于遺傳多樣性檢測。PCR總反應體系為10 μL，采用2×mix混合液，10 μL的反應體積包括5 mL 2×mix混合液、0.3 mL 10 mmol/L正向引物、0.3 mL 10 mmol/L反向引物，1 mL樣品DNA，3.4 mL超純水。擴增程序為94℃預變性5 min；94℃變性45 s，55℃退火45 s，72℃延伸1 min，循環30次；72℃下延伸10 min，4℃保存。PCR產物在毛細管熒光電泳系統AB 3730XL DNA 分析儀上檢測。

1.2.3 統計分析 用 Powermarker Version3.25［9］軟件計算群體的等位基因數、基因多樣性指數和多態信息含量（PIC），并按非加權配對法（UPGMA）采用Nei’s遺傳距離進行聚類。用MEGA Version 3.1［10］軟件對生成的聚類圖進行編輯修飾。用STRUCTURE Version2.2 軟件完成參試材料的遺傳結構分析［5］。參照Evanno 等［11］的K 值變化下△K的折線圖模型（△ K=m（|L（K+1）-2L（k）+L（K-1）|）/s［L（k）］，其中 m 代表 K 值的平均值，s 表示 K 值的標準差），K 值預設為1-10，估計最佳群體組群數K，每個K值都獨立運算10次。

2 結果

2.1 SSR標記多態性分析

用30對SSR 引物，對163 份粳稻品種進行遺傳多樣性分析，其結果見表2。30個多態性位點共檢測到等位基因207個，每個位點等位基因變幅為2-17，平均等位基因數為6.6?；蚨鄻有灾笖底儺惙秶鸀?.024 4-0.823 9，平均為0.479 8；多態信息含量（PIC）的變異范圍為0.024 1-0.802 5，平均為0.440 7。其中，RM297、RM336、RM1306、RM72、RM551的等位基因數較多，依次為17、14、13、12、10。等位基因數最少的為RM274，有2個等位基因。基因多樣性指數較高的引物依次為RM336、RM8277、RM297、RM72、RM219、RM551、RM1306、RM254、RM1，分別是 0.823 9、0.804 1、0.759 3、0.748 3、0.739 4、0.726 1、0.710 7、0.704 8和0.702 0。結果表明，不同的粳稻品種存在著豐富的SSR多態性，SSR標記適合應用于粳稻選育品種的遺傳多樣性分析及品種鑒定。

2.2 不同育種單位的粳稻選育品種遺傳多樣性分析

7個育種單位選育粳稻品種的遺傳多樣性參數

分析結果見表3。7個育種單位粳稻品種的等位基因數變異在3.1-4.5，基因多樣性指數變異范圍為0.392-0.466，其他分類中的基因多樣性水平最高。PIC 變異范圍為0.347-0.417，其他分類中的PIC值最大，為0.417。等位變異數最多的是云南省農業科學院選育的品種，但遺傳多樣性并不與群體大小完全正相關，群體最小的其他分類中的基因多樣性指數和PIC均表現為最高。此外，保山市農科院和麗江市農科院的基因多樣性指數和PIC稍高于其他單位。

表1 粳稻品種及其來源

續表

2.3 粳稻品種基于Nei s遺傳距離的系統聚類分析

來自不同育種單位的163份粳稻品種系統聚類分析結果見圖1。利用30對SSR標記將163份粳稻材料分為4大類群。第I類群為來自國際水稻所的一個粳稻親本TRAT104，第 II、Ⅲ類群主要包括了麗江市農業科學院選育的9個品種，云南省農業科學院的4個及兩個親本。第Ⅳ大類群包含了其他單位選育的品種，其中又分為不同的小類群。從每個小類群品種的組成可見相同單位的材料雖然并未完全聚類于同一小類群，而是分散于不同小類群中，但大部分品種遺傳相似度較高。表明不同育種單位間的育種材料有交叉但交叉不多。

表2 云南粳稻品種SSR標記遺傳多樣性參數

2.4 粳稻品種的遺傳結構分析

采用基于數學模型的聚類方法分析了163份粳稻品種的群體遺傳結構。圖2 顯示K值變化下△K值的折線圖。當K=2時出現拐點，圖3顯示K=2 時參試材料類群的遺傳結構和群體組成。圖中所示縱坐標數值表示每份材料劃分到相應類群的幾率，橫坐標表示個體所在群體，163個品種劃分為兩個類群。某材料屬于某類群的概率＞0.6，被歸入此類群，各亞群材料來源列于表3。在163份材料中，有70份材料被分到紅色部分表示的第1 亞群，其余93份被分到綠色部分表示的第2 亞群。

表3 七個育種單位或地區的粳稻品種遺傳多樣性參數

表4中來自大理州農業科學院和保山市農業科學院的品種全部分在第1亞群中，楚雄州農業科學院和云南省農業科學院的品種主要集中在第2亞群中。麗江市農業科學院、曲靖市農業科學院的品種平均分布在兩個亞群中。大理州農業科學院、保山市農業科學院與其他院所的資源遺傳差異較大，它們之間的雜交有利于拓寬后代材料的遺傳基礎。

3 討論

3.1 SSR標記遺傳多樣性

趙慶勇［12］、束愛萍［4］、楊文毅［13］、張立娜［5］等分別對粳稻育成品種和地方品種進行了遺傳多樣性分析，篩選出了相應的適合用于粳稻品種遺傳多樣性檢測的標記。本研究中，通過等位基因數與基因多樣性指數和PIC值的比較，一個引物上的等位基因數與基因多樣性指數和多態性信息值不成直接的線性關系。在遺傳多樣性分析及品種鑒別中，引物的選擇需要綜合考慮等位基因的數量及多態性信息值，還要考慮位點與農藝性狀的連鎖情況，保證所用的分子標記可以有效的評價種質資源。

圖1 粳稻品種基于Nei’s遺傳距離的系統聚類圖

圖2 每個K值所對應的△K

圖3 163個粳稻品種的群體結構

3.2 云南省粳稻品種的遺傳多樣性

云南特殊的區域條件和眾多少數民族聚居，豐富的生態地理和人文習慣及多樣栽培等環境孕育了云南粳稻地方品種的遺傳多樣性［14］。張麗娜等［5］對云南省粳稻地方品種的分析表明，等位基因數、基因多樣性指數、多態信息指數分別為4.9、0.622、0.569。在本研究中，育成粳稻品種的等位基因數、基因多樣性指數、多態信息指數分別為3.7、0.434、0.392，均低于地方品種?？梢?，目前育成的粳稻品種在選育過程中丟失了一部分等位基因，云南豐富的種質資源還未充分開發利用。

表4 亞群組成及材料來源

結合云南省水稻種植區劃，分為5個稻作區，分別為滇中一季粳稻、秈稻區，滇南單、雙季秈稻區，南部邊緣水、陸稻區，滇東北高原粳稻區，滇西北高寒粳稻區。根據楊忠義等［14］的研究，云南粳稻資源在全省各地均有分布，但以滇西南和滇南地區較為豐富多樣，從氣候類型上看多樣性中心主要集中在亞熱帶地區。但是近年來云南粳稻品種的選育和推廣種植主要分布在滇中一季粳稻、秈稻區、滇東北高原粳稻區，滇西北高寒粳稻區，對分布于亞熱帶地區的熱帶粳等種質資源開發利用較少，造成了粳稻選育品種遺傳多樣性遠低于地方品種。今后在粳稻育種中應重視熱帶粳等地方品種的有效利用。

3.3 不同育種單位選育品種的親緣關系

束愛萍等［4］認為在水稻育種中被選育的基因型首先取決于親本材料的遺傳基礎，而親本材料往往根據當地的生態氣候環境條件和育種目標而被選擇。由此可能導致選育品種間較高的遺傳相似性。魏興華等［15］認為，秈粳稻品種尤其是粳稻的聚類結果顯示出較強的季節型和地域特性。張立娜［5］等研究表明，粳稻地方品種間的親緣關系與地域性存在一定的相關性。

本研究聚類結果顯示，相同單位的材料雖然并未完全聚類于同一小類群，而是分散于不同小類群中，但大部分品種遺傳相似度較高。說明各育種單位在品種選育時所采用的親本材料遺傳基礎較狹窄。育種單位之間有種質資源的交流但交流不多。遺傳結構分析表明，處于滇中一季粳稻、秈稻區的楚雄州農業科學院及云南省農業科學院（昆明）選育的大部分品種聚在了第2亞群中。而同樣處于滇中一季粳稻、秈稻區的來自大理州農業科學院和保山市農業科學院的品種全部分在第1亞群中，這可能由于這兩個育種單位所處的地區具有相同的氣候類型，較之楚雄及昆明具有更加豐富的氣候類型，以致大理州農業科學院，保山市農業科學院的品種多樣性也較高。位于滇西北高寒粳稻區和滇東北高原粳稻區的麗江市農業科學院、曲靖市農業科學院的品種平均分布在兩個亞群中?？梢?，粳稻品種間的親緣關系與地域性存在一定的相關性。

4 結論

各育種單位擁有的粳稻種質資源較單一，加上在環境壓力和人為選擇導致同一單位選育的品種遺傳相似度較高，品種遺傳多樣性不夠豐富，云南省豐富的粳稻資源還沒有被完全挖掘利用。因而還需要在資源的高效利用、優異資源評價、資源共享和交流等方面開展工作。不同的粳稻品種存在著豐富的SSR多態性，SSR標記適合應用于粳稻選育品種的遺傳多樣性分析及品種鑒定。

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