貴州地方高粱種質資源遺傳多樣性分析

胡小蘭, 任明見,2, 曾慶鴻, 申 濤, 邱紅波

(1.貴州大學農學院， 貴陽 550025； 2.國家小麥改良中心貴州分中心, 貴陽 550025;3.貴州省農業科技發展中心， 貴陽 550001)

高粱(Sorghumbicolor(L.) Moench)屬于禾本科高粱屬，為一年生草本植物。是我國重要的糧食作物，因其水分利用率高、抗旱性強，具有很強的抗逆性和適應性，在我國東北、華北、西北等干旱地區廣泛種植[1]。高粱種類豐富，用途廣泛，是重要的糧食、飼料和生物能源原料。據統計，中國高粱種植面積有70萬～80萬hm2[2]。在貴州，高粱具有很高的經濟價值，主要用于釀造高檔醬香白酒[3]。目前，貴州高粱育種主要面臨種質資源貧乏、遺傳基礎狹窄、品種退化、抗性差、育種技術相對落后等問題[4]，因此，對地方種質資源進行遺傳多樣性分析及聚類十分必要，明確不同種質資源間的親緣關系可以為優良品種的篩選和針對性引進優良品種提供基礎參考。

隨著分子生物技術的發展，SSR分子標記技術由于具備多態性高、重復性好、穩定可靠等特點，廣泛應用于多種作物的研究中[5]。邵健豐等[6]利用SSR分子標記構建了包含12個連鎖群的帚高粱遺傳連鎖圖譜；Atta Ullah等[7]通過SSR分子標記對56個大豆品種間的分子多樣性進行分析，結果顯示存在顯著差異；倪先林等[8]利用26對SSR引物對29份糯高粱種質資源的遺傳多樣性進行了分析，將29份糯高粱品種聚為兩大類。在作物的遺傳差異研究中，聚類分析是一種將研究對象分為相對同質的群組的統計分析技術，主要應用于探索性的研究[9]，具有簡單、直觀的優點，在作物研究中常被用來對表型或基因進行分類，獲取對種群固有結構的認識。趙慶勇等[10]采用SSR分子標記和表型性狀2種聚類方法對30個雜交粳稻親本的遺傳多樣性進行比較研究，并分析了這些親本的遺傳差異；田承華等[1]利用SSR分子標記與表型性狀進行關聯分析找出了高粱中與5個表型性狀相關聯的4個標記。胡齊贊等[11]基于表型和分子標記對85份芥菜地方種質資源進行聚類分析，豐富了芥菜的遺傳基礎。

本研究通過對26份貴州地方高粱種質材料進行SSR分子標記和表型性狀的遺傳多樣性分析，為貴州地方高粱雜交親本選配和分子標記輔助育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的26份貴州地方高粱種質材料由國家小麥改良中心貴州分中心等單位提供，材料編號、名稱及來源詳見表1。

表1 26份貴州高粱地方種質資源及來源

1.2 試驗方法

1.2.1田間設計

2020年6月將供試材料種植于貴陽市花溪區，國家小麥改良中心貴州分中心試驗田，試驗田選址環境、水肥管理一致。采用隨機區組設計，每區3行，設3次重復，株距18 cm,行距12 cm。

1.2.2田間表型性狀調查

成熟后進行表型性狀調查，每份材料中間隨機取10株，記錄樣株株高、穗長、穗寬、葉片數、旗葉寬。收獲后對調查樣株進行試驗室考種并記錄單穗粒重和千粒重。

1.2.3DNA提取

采用CTAB法[12]提取DNA，經1%瓊脂糖凝膠電泳檢測其質量和濃度合格后-20 ℃保存備用。從60對SSR引物中篩選出13對多態性引物，標記序列信息來源于文獻[1]、文獻[12]、文獻[13]。PCR反應體系20.0 μL：模板DNA 4 μL、10×PCR buffer(mg2+Plus)2 μL、dNTPs 0.4 μL、5 UTaqDNA聚合酶0.5 μL、上下引物各1 μL, 加ddH2O補足20 μL。引物名稱及序列詳見表2。PCR擴增產物采用10%非變性聚丙烯酰胺電泳進行檢測，銀染并拍照[14]。

表2 13對引物名稱及序列

1.3 統計分析

采用Excel 2003軟件、SPSS 21.0軟件對各表型性狀進行變異性分析和相關性分析，用系統聚類組內聯接法進行聚類分析, 聚類結果樹狀圖采用歐式距離繪制。根據PCR擴增產物在10%非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳的結果，對條帶進行統計，相同遷移位置上，有條帶記為1，無條帶記為0，建立0/1矩陣，應用NTSYS 2.10 e軟件中UPGM法進行聚類分析。根據軟件需要將初始數據進行轉換，利用POPGENE軟件、PIC Cale 0.6軟件計算SSR分子標記引物的Shannon信息指數(I)、等位基因數(Na)、有效等位基因數(Ne)、及平均多態性信息量 (PIC)。

2 結果與分析

2.1 SSR分子標記結果

對SSR分子標記結果進行統計分析(表3)，數據顯示：13對SSR引物共檢測出26個等位基因，平均等位基因為2個；有效等位基因數變幅為2.00～1.35，均值為1.68，表明等位基因在群體中分布較均勻；Shannon信息指數變幅為0.43～0.67，均值為0.58；多態性信息含量變幅為0.23～0.37，均值為0.31；觀測雜合度變幅為0.49～0.73，均值為0.60，表明雜合位點比例較高；期望雜合度變幅為0.27～0.51，均值為0.40，表明參試材料存在雜合。

表3 13對引物的多態性

2.2 基于SSR分子標記的高粱種質聚類分析

利用UPGM法對26份供試材料進行聚類分析(圖1)，結果顯示，26份高粱種質的遺傳相似系數范圍在0.31～0.93之間，在遺傳相似系數為0.457時將高粱材料分為四個類群，第Ⅰ類群包含19份材料，遺傳相似系數范圍在0.53～0.92之間；8、15、16號材料聚為第Ⅱ類群，遺傳相似系數范圍在0.46～0.54之間；20號材料單獨劃分為第Ⅲ類群；第Ⅳ類群包含3份材料，遺傳相似系數范圍在0.54～0.62之間。數據表明，第Ⅳ類群與其他三個類群間的遺傳相似性較低，表明類群中種質資源的親緣關系較遠，可以為雜交親本的選擇提供參考；19號茅粱糯2號是通過貴州省農作物品種審定委員會審定的品種(編號：黔審粱2016001)，與21號茅臺紅1號是近似品種(系)材料，遺傳相似系數為0.92，二者的聚類結果與其親緣關系相符。

2.3 表型性狀變異性及相關性分析

對供試高粱材料的株高、穗長、穗寬、葉片數、旗葉長、旗葉寬、單穗粒重和千粒重8個表型性狀進行變異性分析(表4)。結果顯示，株高、穗長和千粒重的偏度小于0，說明這三個表型性狀調查結果分布呈負偏態，而其余表型性狀偏度均大于0，說明分布呈正偏態。供試材料表型性狀變異系數均在10%以上，變異系數范圍在13.09%～44.46%之間，均值為22.70%，其中穗粒重變異系數最大，高達44.46%。數據表明供試高粱材料存在遺傳變異，且穗粒重存在較大程度的遺傳變異，性狀選擇潛力最大，在選育品種籽粒大小方面有更多的選擇，在今后的遺傳育種中具有較高的應用價值。

表4 26份高粱種質資源的表型性狀表現與分布

對各表型性狀進行相關性分析(表5)，結果顯示：株高、穗長、葉片數、旗葉長和旗葉寬都與穗粒重呈極顯著正相關，相關系數分別為0.311、0.324、0.353、0.302、0.277；千粒重與穗寬呈負相關，相關系數為-0.111，與株高呈顯著正相關，相關系數為0.128，與穗粒重呈極顯著正相關，相關系數為0.291。以上說明供試高粱的株高、穗長、葉片數、旗葉長和旗葉寬對穗粒重的增加有重要影響，穗粒重隨著株高、穗長、葉片數、旗葉長和旗葉寬的增加而增加，千粒重隨著株高和穗粒重的增加而增加。

表5 高粱8個表型性狀間的 Pearson 相關系數

2.4 基于表型性狀的高粱種質聚類分析

基于表型性狀進行聚類分析, 用歐式距離繪制聚類結果樹狀圖(圖2)，結果顯示，26份高粱材料在歐式距離為13.5處被分為五大類群，由圖2可看出，8、15、16號聚為第Ⅰ類群，這3份材料均屬于矮桿、短穗、穗粒重和千粒重中等的種質；第Ⅱ類群有14份材料，均為高桿、長穗、穗粒重和千粒重中等的種質；第Ⅲ類群有7份材料，均為高桿、長穗、穗粒重和千粒重較高的種質；23號材料單獨聚為第Ⅳ類群，為高桿、長穗、穗粒重和千粒重高的種質；6號材料也單獨聚為第Ⅴ類群，為中高桿、短穗、單粒重和千粒重較低的種質。

3 討 論

種質資源遺傳多樣性是進行品種遺傳改良的重要前提，目前研究植物遺傳多樣性多以單獨表型性狀或分子標記為切入點。前人研究表明，在遺傳多樣性分析過程中，將表型性狀與分子標記相結合進行遺傳多樣性分析的結果更具有客觀性及準確性[15]。本研究通過SSR分子標記和表型性狀分析2種方法對貴州地方26份高粱種質資源的遺傳多樣性進行研究。對兩種聚類結果進行比較發現，聚類結果相似，分子標記聚類方法將26份參試高粱材料分為四個類群，第Ⅰ類群的材料包含在表型性狀聚類的第Ⅱ類群和第Ⅲ類群中，第Ⅱ類群的材料與表型性狀聚類的第Ⅰ類群完全相同，第Ⅳ類群的材料包含了表型性狀聚類的第Ⅳ類群和第Ⅴ類群。但兩種聚類方法又有所不同，分子標記的第Ⅲ類群單獨聚為一類，與表型聚類結果不同，第Ⅳ類群中有一個材料與表型性狀聚類結果完全不同，原因在于表型性狀是基因型和環境互作的結果，基因在品種引種、選配過程中受環境和人為因素等外部條件影響會產生表達差異，這與趙文杰等[16]研究結果一致。

分子標記結果顯示，每對SSR引物平均檢測到2個等位基因，其平均H為0.39，平均PIC為0.31，與田承華等[1]、王芳等[13]的研究結果相比，所檢測到的平均SSR位點及PIC均偏低，可能與本研究供試的高粱種質資源較少且遺傳基礎狹窄有關。表型性狀分析結果顯示，株高對高粱穗粒重和千粒重有重要影響，穗粒重與千粒重呈極顯著正相關，表明在適當范圍內增加植株高度可以提高高粱產量，這一結果與高杰等[17]研究結果一致。

本研究目的在于通過分子標記和表型性狀兩方面對貴州地方高粱種質資源進行遺傳多樣性分析，為后續高粱的雜交親本選配和分子標記輔助育種提供參考，但由于供試材料較少，只能提供少數種質的參考，若需要了解更多品種間的遺傳多樣性及親緣關系，則需要進一步研究。