基于DUS測試性狀對馬鈴薯測試品種的遺傳多樣性分析

寇淑君， 紀軍建， 付國慶， 左振興， 霍阿紅

(張家口市農業科學院/農業農村部植物新品種測試張家口分中心， 河北 張家口 075000)

馬鈴薯為茄科茄屬一年生草本植物，是世界第四大糧食作物，我國馬鈴薯種植面積約占世界種植面積的1/4，是馬鈴薯第一生產大國和消費大國[1]。2016年由農業部牽頭并經國務院批準實施馬鈴薯主糧化戰略，這對保障我國未來糧食安全、改善居民膳食結構、促進社會經濟發展等具有重要意義[2]。為保護育種者的權利，推動馬鈴薯育種創新，促進馬鈴薯產業的發展，1999年4月馬鈴薯列入第一批植物新品種保護名錄，2017年5月列入第一批非主要農作物登記目錄。到目前為止，已累計接收馬鈴薯新品種權申請176件，授權103件，馬鈴薯委托測試品種248份。

《中華人民共和國種子法》明確要求申請保護和登記的植物品種應當具備特異性(D)、一致性(U)和穩定性(S)[4]，DUS測試是植物新品種授權和管理的科學依據[5]。DUS測試指南是開展DUS測試工作的重要技術手冊[6]。DUS測試指南中列出的測試性狀是由特定的基因型或基因型組合決定的，在特定環境條件下是充分一致和可重復的，在品種間表現出足夠的差異[7]，它是用來定義和評價DUS“三性”的。因此，測試性狀的選擇對DUS測試工作起著關鍵性的作用。

目前，關于馬鈴薯遺傳多樣性的研究越來越受到人們的重視，福建[8]、貴州[9]、山西[10]以及內蒙古赤峰[11]等地都有相關的報道，主要通過分子標記[8-10]、表型(與塊莖商品性相關的主要農藝性狀)[12-13]、同工酶[14]等指標進行多樣性分析，而利用DUS測試性狀來評價馬鈴薯品種多樣性的研究還未見報道。

農業農村部植物新品種測試張家口分中心是我國馬鈴薯DUS測試的主要測試機構之一，承擔了國內一半以上的測試任務。本研究利用《農業植物新品種特異性、一致性和穩定性測試指南馬鈴薯》(2018版)[15]中的44個基本測試性狀對馬鈴薯測試品種進行多樣性研究，依據測試性狀相應的表達代碼對其進行形態多樣性分析和聚類分析，一方面為了評價和優化測試指南中性狀的選用和應用，另一方面為馬鈴薯新品種選育和種質創新提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用38份馬鈴薯測試品種，由育種單位提供(表1，A為測試品種，B為近似品種)。

表1 馬鈴薯測試材料清單

1.2 試驗設計

供試的38份材料于2019年5月8日種植于張家口市農業科學院壩上試驗基地，隨機區組設計，每小區3行，行長5 m，行距90 cm，株距30 cm，2次重復，田間管理與張家口馬鈴薯大田生產管理方式相同。光發芽試驗每個品種取6個塊莖在光照強度5～10 lx的馬鈴薯光發芽裝置中進行。按照《植物品種特異性、一致性和穩定性測試指南馬鈴薯》(2018版)的要求，觀測指南中列出的44個性狀(表2)。

1.3 數據分析

所有性狀均按馬鈴薯品種DUS測試指南中的標準給出相應的代碼，將每個品種相應性狀表達的代碼級別記為1，未表達的其他級別記為0，構成形態性狀的原始數據矩陣。利用PopGen 32[16]軟件分析不同性狀的等位變異數目(na)、有效等位變異數目(ne)和Shannon’s多樣性指數(H)。Shannon’s多樣性指數的計算公式為：

H’=-∑Piln(Pi)

式中,Pi為某個性狀第i個代碼出現的概率[17]。

采用多變量分析系統NTSYSpc 2.10[18]統計軟件中的SM法計算遺傳相似系數，然后根據相似系數用SHAN Clustering和非加權算數平均法(unweighted pair group method with arithmetic mean,UPGMA)進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯測試品種的形態多樣性分析

本研究利用馬鈴薯DUS測試指南中的44個測試性狀對38個測試品種進行觀測，共檢測到196個等位變異，平均每個性狀可以檢測到4.477 3個，變幅介于1～8個之間，其中等位變異數目大于等于6的性狀有10個；平均有效等位變異數目為2.489 3，變幅為1.000 0～4.954 4個；Shannon’s 多樣性指數平均為1.028 7，變幅為0～1.727 1，見表2。

表2 39份馬鈴薯測試品種44個形態性狀的多樣性分析

性狀光發芽基部花青甙顯色強度(Chr.3)和塊莖薯肉顏色(Chr.43)的多樣性最高，達到8個等位變異，多樣性指數分別為1.727 1和1.719 2，這2個性狀都是假質量性狀。其次是莖花青甙顯色強度(Chr.14)和復葉主脈上表面花青甙顯色強度(Chr.20)，達到了7個等位變異，多樣性指數分別為1.524 4和1.253 4。這4個性狀在DUS測試區分不同品種的過程中可以充分加以利用。葉蓮座狀頂部茸毛(Chr.25)只有1個表達狀態，未出現等位變異，見表3。

表3 性狀調查表及類型

2.2 聚類分析

利用UPGMA法對38個馬鈴薯測試品種進行了聚類分析(圖1)。結果表明，形態性狀的相似系數分布在0.70～0.93。當相似系數為0.75時，38個馬鈴薯品種可分為以下幾類：第 Ⅰ 類有3個品種，都是“塊莖：表皮顏色”(Chr.41)為6的品種。第Ⅱ類有4個品種，都是“塊莖：表皮顏色”(Chr.41)為4的品種；第Ⅲ類有31個品種，其中2018-3570 A和ZJK 20192011 A的相似系數為0.93，并且與ZJK 20192012 A聚在1個分枝，這3個品種來源于同一個育種單位，可能遺傳背景比較相似。2018-1121 A與2018-1121 B的遺傳相似系數約為0.91，2018-1121 B作為2018-1121 A的近似品種比較合適。

圖1 基于形態性狀的38份馬鈴薯測試品種的聚類結果

3 討 論

3.1 馬鈴薯DUS測試性狀的評價

DUS測試性狀必須在品種間表現出足夠的差異，能夠用于確定特異性[7]，本研究中葉蓮座狀葉頂部茸毛(Chr.25)只有1個表達狀態，多樣性指數為0，不宜用于區分品種，建議在測試指南中刪除該性狀。性狀光發芽基部花青甙顯色強度(Chr.3)和塊莖薯肉顏色(Chr.43)的多樣性指數分別為1.727 1和1.719 2，遺傳多樣性比較豐富，且均為假質量性狀，相對于數量性狀而言，受環境影響較小，可以作為DUS測試三性判定的依據。在數量性狀中，莖花青甙顯色強度(Chr.14)和復葉主脈上表面花青甙顯色強度(Chr.20)多樣性指數分別為1.524 4和1.253 4。這4個性狀是比較理想的DUS測試性狀，在DUS三性判定中具有明顯的區分效果。

通過聚類分析發現，第Ⅰ類中的3個品種塊莖表皮顏色(Chr.41)為代碼6，光發芽基部花青甙顯色藍色素比重(Chr.4)為代碼3；第Ⅱ類中的4個品種塊莖表皮顏色(Chr.41)為代碼4，光發芽基部花青甙顯色藍色素比重(Chr.4)為2，說明將塊莖表皮顏色(Chr.41)和光發芽基部花青甙顯色藍色素比重(Chr.4)作為分組性狀是非常合理的。

3.2 馬鈴薯測試品種的親緣關系

本研究的參試品種中，2018-1121 B是2018-1121 A的近似品種，兩者相似系數大于0.90，說明2018-1121 B作為2018-1121 A的近似品種還是非常合適的。而從聚類結果來看，ZJK 20192025 A和ZJK 20192025 B分布在不同的類群中，選擇ZJK 20192025 B作為ZJK 20192025 A的近似品種明顯不合適。因此，在測試第一生長周期，育種者提供的近似品種并不一定合適，可在第一生長周期結束后，利用品種描述數據進行形態性狀聚類分析，并根據形態性狀聚類分析結果，篩選出最相近的近似品種。

2018-3570 A、ZJK 20192011 A、ZJK 20192012 A三個品種(同一育種單位)聚在1個分枝，2018-1121 A和2018-1121 B(同一育種單位)聚在1個分枝，同一個地區尤其是同一育種單位育成的品種相似系數大，形態性狀差異小，親緣關系較近，這與段艷鳳[19]的研究結果一致。同一個地區的馬鈴薯遺傳基礎比較狹窄，建議收集我國不同生態區的馬鈴薯已知品種，并以馬鈴薯DUS測試性狀為基礎開展品種描述工作，完善已知品種庫內容，一方面有助于篩選出更為準確的近似品種，另一方面可以為育種研究提供更加豐富的品種資源，推動馬鈴薯育種創新。