甘薯引進種SSR遺傳多樣性分析

蘇一鈞 王嬌 霍愷森 趙路寬 趙冬蘭 唐君 陳艷麗 曹清河

摘要：通過SSR分子標記，對112份甘薯引進種進行了遺傳多樣性和群體結構分析，并與中國地方種進行了聚類比較分析。研究了中國目前保存最多的甘薯引進種間的遺傳多樣性和親緣關系，以及與地方種間的遺傳多樣性關系。用SSR建立研究材料的0，1數據庫，用ntsys-pe2.10軟件計算遺傳距離矩陣并導人MEGA 6.06聚類，利用STRUCTURE 2.3.4軟件對112份引進種進行群體結構分析，并將112份引進種與58份中國地方種共170份進行聚類分析。結果表明：112份材料的平均遺傳距離為0.552，遺傳距離分布在0.031到0.949范圍之內。使用Neighbor-Joining（NJ）聚類法，在遺傳距離為0.442處將112份材料分成9個類群，其中類群9又在遺傳距離為0.428處，分為3個亞群。亞群ⅨC含有39份材料，該亞群主要來自南美洲，聚類集中，血緣較為單一。通過群體結構分析將112份材料劃分成了2個群體，通過對引進種的來源地比較分析，發現來自南美洲與其他地區種質材料分屬于2個群體。通過對引進種和地方種共計170份甘薯資源聚類比較分析，發現中國大陸地方種與中國臺灣品種間親緣關系最近，與東南亞、東北亞、南美洲甘薯引進種間親緣關系較近，與國際馬鈴薯中心、國際熱帶農業研究所的材料和世界蔬菜中心的材料親緣關系較遠。

關鍵詞：甘薯引進種;SSR;遺傳多樣性;群體結構

中圖分類號：S531.024

文獻標識碼：A

文章編號： 1000-4440（ 2018） 05-0984-14

甘薯[Ipomoea batatas （L.） Lam]是世界上第7大作物，中國甘薯產量占世界總產量的67.3%…。甘薯在中國不但可作為鮮食、保健、菜用、觀賞和加工原料用而且也是糧食安全保障與應急的理想作物。甘薯及其近緣野生種起源于中南美洲的廣大地區，所屬的旋花科番薯屬（Ipomoea）大約有600～700個種。由于國內甘薯育成種的遺傳背景狹窄，引入國外優異種質資源改良現有品種非常必要。因此研究中國目前保存的甘薯引進種遺傳多樣性成為當務之急。關于甘薯的遺傳多樣性，前人已經做過很多研究，但利用SSR標記分析甘薯引進種遺傳多樣性和群體結構的研究尚未見報道。遺傳多樣性分析，不僅有利于親本的選擇，也有助于作物保護和品種改良。本研究以國家種質徐州甘薯試管苗庫保存的112份甘薯引進種（截至2017年底）為材料，運用SSR分子標記對其進行遺傳多樣性和群體結構分析，為了解甘薯引進種之間親緣關系及群體結構現狀提供最新信息，并利用58份甘薯地方種與甘薯引進種進行聚類分析，解析引進種與地方種間的親緣關系，為甘薯育種過程中親本選配提供參考

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料取自國家種質徐州試管苗庫（圃）。甘薯引進種共計112份，編號為1—112（表1）。包括北美洲的美國21份、多米尼加共和國l份、牙買加1份，南美洲的國際馬鈴薯中心（CIP） 12份、秘魯22份、阿根廷4份、委內瑞拉l份、巴西l份，非洲的國際熱帶農業研究所（IITA）7份、摩洛哥l份、馬里l份，亞洲的日本23份、菲律賓7份、世界蔬菜中心（WVC，以前為亞洲蔬菜研究與發展中心AVRDC）6份、中國臺灣2份、馬來西亞1份、朝鮮l份。甘薯地方種58份，編號為113—170，分別來自中國廣東20份、中國浙江20份、中國福建18份。

1.2 甘薯基因組DNA提取和擴增

甘薯引進種基因組DNA提取、擴增、電泳、銀染檢測采用蘇一鈞等方法。30對SSR引物序列信息引自文獻，由上海生工有限公司合成。

1.3 數據統計與分析

112份甘薯引進種數據統計聚類采用蘇一鈞等方法，用iTOL（Interactive tree of life）美化聚類圖。用STRUCTURE2.3.4[13]軟件對112份材料進行群體結構分析，設置群體數K值為2—10，每個參數運行10次，每次運行的Bum-in time設置為200 000，重復次數為120000。將170份甘薯混合材料進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 甘薯引進種SSR遺傳多樣性分析

用30對引物對112份甘薯引進種進行SSR分析，共擴增出199條多態性條帶，每對引物擴增l～13條譜帶，平均每對引物獲得6.63條多態性條帶。其中引物225獲得的多態性條帶最多，為13條：C24獲得的多態性條帶最少，為l條。112份材料的平均遺傳距離為0.552，遺傳距離分布在0.031到0.949范圍之內。

2.2 甘薯引進種來源地遺傳距離分析

通過計算美國、日本、菲律賓、CIP、WVC、IITA、秘魯和其他地區的引進種遺傳距離矩陣見表2，聚類結果見圖l。從表2可知國際馬鈴薯中心與熱帶農業研究所引進種間遺傳距離最?。?.501），原因可能是這2個國際機構間種質交流頻繁，導致了這2個機構引進種間遺傳距離較小。菲律賓與秘魯甘薯種質間遺傳距離最大（0.638），同時菲律賓與其他地區甘薯材料遺傳距離均較遠，可能由于菲律賓是島國，與外界種質資源交流較少的原因。從圖l可知在遺傳距離為0.28處，CIP、IITA、美國、日本聚在了一起，說明這些地區間甘薯種植資源交流頻繁，親緣關系較近。

2.3 甘薯引進種聚類分析

112份甘薯引進種在遺傳距離為0.442處可劃為9個類群，第9類群在遺傳距離為0.428處劃分為3個亞群（圖2）。其中類群I、Ⅳ、V、Ⅵ均只含l份甘薯引進種，類群Ⅱ含有2份材料，類群Ⅲ包含3份材料，說明這幾個類群與其他類群間親緣關系較遠。類群Ⅸ包含了80份甘薯引進種，說明該類群內種質資源間遺傳距離較近，親緣關系也較近。類群I—Ⅷ、ⅨA主要集中了亞洲、非洲的引進種，類群ⅨA、ⅨB引進種來源地最為豐富，類群ⅨC主要是南美洲的引進種。美國甘薯引進種在類群Ⅲ、Ⅷ、Ⅸ均有分布，聚類最為分散。各類群組成及種質資源來源地信息見表3。

2.4 甘薯引進種的群體結構分析

隨著K值（最優分群數）增加，InP（D）沒有明顯拐點（圖3）。在K=2處，△K取最大值，因此將112份甘薯引進種劃分為2個群體（圖4）。圖5中紅色群體的材料來源地較為廣泛;綠色群體較為單一，共有30份，分別是20份秘魯、4份美國、2份CIP、1份熱帶農業研究所、2份阿根廷和l份牙買加甘薯引進種。當p值>0.6時，105份甘薯引進種血緣較為單一，當Q值<0.6時，7份材料劃入混合群體，分別是農林3號、農林31號、400039、106984.1、CIP94-13、106212.1和401396。其中來自委內瑞拉的401396種質所含紅色血緣較多，其余6份引進種與綠色群體親緣關系更近。南美洲是甘薯的起源中心，但在傳播過程中亞太地區的甘薯種質已經具有了新的種質特征。將112份資源聚類結果與群體結構劃分結果比較，發現二者基本吻合，即類群ⅨC包含的甘薯引進種與綠色群體基本重合。

2.5 甘薯引進種與地方種聚類分析

170份甘薯材料在遺傳距離為0. 488處分為11個類群，其中第Ⅺ類群主要包含中國大陸地方種、中國臺灣品種、非洲引進種、南美洲引進種（圖6）。由表4可知每個類群組成的甘薯引進種和地方種及其來源地信息。中國大陸地方種主要聚類在類群Ⅺ中。該類群來源地較為豐富，說明中國大陸地方種具有豐富的遺傳多樣性。來自中國臺灣的甘薯材料和非洲甘薯引進種全部聚類于第Ⅺ類群中。中國臺灣品種與中國大陸地方種遺傳距離最近，說明兩者間親緣關系最近。大部分南美洲引進種與中國甘薯地方種處于同一類群，說明中國地方種與主要南美洲引進種間親緣關系較近。部分東北亞甘薯材料與中國甘薯地方種處于同一類群，說明這些東北亞甘薯材料與中國地方種有一定的親緣關系。有4份東南亞材料聚在類群Ⅺ中，有4份分散于類群Ⅳ和類群X中。說明中國地方種與東南亞甘薯引進種親緣關系較近。中國地方種與CIP、IITA、WVC甘薯引進種間遺傳距離較遠，親緣關系較遠。

3 討論

通過對甘薯引進種與地方種聚類分析發現。中國臺灣地區的甘薯材料與中國大陸地方種間親緣關系最近。而來源于東南亞菲律賓的材料與中國地方種間親緣關系較近。進一步證實了Roullier等的研究結果。即中國大陸甘薯是經由菲律賓傳人中國臺灣地區而后傳人中國大陸東南沿海地區的。由聚類結果可進一步推測，甘薯傳人中國大陸后。在華南地區形成以廣東省為中心的次級分化中心。這可能是由于華南地區緯度和生態環境與甘薯的起源地較為相似，而且多數品種能夠開花結實，使甘薯的遺傳多樣性更為豐富，這也與前期研究結果一致。

本研究對112份現有甘薯引進種進行了遺傳多樣性分析，結果表明南美洲的甘薯材料遺傳背景較為單一。原因可能是該地區種質被引出的多，引進的少，栽培種多樣性較低，造成內部同質性較高。聚類結果顯示。來自美國和日本的引進種遺傳多樣性最為豐富。推測原因是這2個國家甘薯種質資源交流制度較為健全，國際種質交流合作較多。值得注意的是，國際熱帶農業研究所與國際馬鈴薯中心的甘薯種質資源遺傳距離較近，說明國際農業組織間種質資源交流合作較為緊密。從甘薯種質資源群體結構K值曲線中可以看出，類群I到類群X來源地較為廣泛，引進種間聚類較為分散，推測原因可能是甘薯在傳人這些地區后，為適應當地氣候環境，產生了相應的分化。建議在未來國外引種項目中，應優先考慮引入國際組織及美國、日本等甘薯種質資源，以改善中國甘薯遺傳背景狹窄的現狀，進一步應用于種質創新和品種改良。