基于表型性狀構建禾初級核心種質

毛名義 楊文薈 管艷偉 潘宗東 周麗潔* 余顯權*

（1 貴州大學農學院，貴陽 550025；2 貴州大學水稻產業技術研究院，貴陽 550025；3 黔東南州農業科學研究院，貴州 凱里 556000；第一作者：244745381@qq.com；*通信作者：zhoulijie2006@163.com；yxqgy@126.com）

貴州獨特的地形地貌和生態環境孕育了豐富的稻種資源。“禾”是貴州省黔東南山區侗族等少數民族生活的獨特生態環境下經長期自然演變和人工選擇所形成的一類地方性水稻品種，具有地域性強、耐冷、耐陰、耐貧瘠環境和耐爛銹田等特點[1]。在禾類資源中具有濃郁芳香氣味、質佳味美的香禾糯是黔東南侗族等少數民族糯食文化的載體，素有“一家蒸飯滿寨飄香”的美譽。禾在品質和抗性等方面的優良特性及蘊含的大量優異基因是當前水稻遺傳改良中亟需的基因源，具有重要的利用價值。種質資源是品種遺傳改良的重要物質基礎，大量收集和保存種質資源是挖掘和利用特異新種質的基礎[2]。然而，數量龐大的資源群體也給種質保存與研究利用帶來一定困難，構建核心種質不僅可以降低資源保存和管理工作的投入和費用，也能提高特異種質篩選和利用的效率。

1984 年，FRANKEL[3]率先提出“核心種質”概念，之后相關的研究報道逐年增多。核心種質是指以最少的資源數量和遺傳重復，最大程度代表整個遺傳資源的多樣性，核心種質的建立在保證遺傳多樣性的同時又減少資源數量，避免了因不必要的保存而對資源造成的浪費[4]。近年來，國內外學者基于農藝性狀或分子標記成功構建了水稻[5-8]、玉米[9]、小麥[10]、高粱[11]、甘薯[12]、番茄[13]、馬鈴薯[14]等作物的核心種質。禾作為一類特殊的氣候生態類型水稻，其獨特的民族文化內涵、遺傳多樣性和優良品質引起了學者們的關注[15-17]。劉春暉等[18]在基因組層面揭示禾的遺傳演化規律和基因組印記，并與社會科學交叉融合，研究表明，禾起源于福建、廣東、廣西和江西，隨侗族祖先的遷徙傳入黔東南。多樣化的地理起源和黔東南山區復雜的自然環境蘊育了豐富的禾資源，而對禾核心種質構建的研究鮮有報道。本研究以來源于黔東南地區黎平、從江、榕江三地和廣西三江縣的402 份禾種質資源為材料，探究禾核心種質構建的最佳取樣策略，并對構建的禾初級核心種質進行評價，以期為禾種質資源的保存、特異資源挖掘和高效利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料種植

402 份禾品種資源材料由貴州省黔東南州農業科學院提供，來源地如下：貴州省黔東南州黎平縣228份、從江縣158 份、榕江縣11 份，廣西三江縣5 份。供試材料于2022 年在黔東南州從江縣高增鄉高增村種植，4 月28 日播種，6 月7 日移栽，每份材料種植15 行，每行10 株，行距30 cm，株距10 cm，田間肥水管理及病蟲害防治均按當地禾種植習慣進行。

1.2 表型統計及賦值

參照韓龍植[19]《水稻種質資源描述規范和數據標準》對9 個質量性狀（穗枝集散度、穗型、倒伏性、谷粒形狀、芒色、種皮顏色、熟期性、穎尖色、穎色）按表1 進行統計與賦值；17 個數量性狀（株高、穗長、每穗總粒數、每穗實粒數、結實率、一次枝梗數、谷粒長、谷粒寬、谷粒長寬比、千粒重、劍葉長、劍葉寬、倒2 葉長、倒2葉寬、單株穗數、芒長、產量）按平均值（X）和標準差（δ）分為10 級，1 級＜X-2δ，10 級≥X+2δ，中間每級相差0.5δ。

表1 禾9 個質量性狀分級與賦值

1.3 核心種質構建策略

1.3.1 表型分組及聚類分析

基于禾穎尖顏色差異，將402 份禾種質材料分為5 組（表2），對26 個表型數據進行標準化處理后采用歐式距離結合離差平方和法以組為單位利用SPSS 20.0 軟件進行聚類分析。根據聚類圖結果，從遺傳距離最小的一組中選擇具有特殊表型性狀的一份材料進入下一輪聚類，在剔除其余材料后并對入選材料再次聚類，直至剩余材料達到需要的取樣量。

1.3.2 取樣策略分析

在分組及逐步聚類基礎上，利用變異系數變化率、極差符合率、表型保留比例和多樣性指數4 個參數檢驗以4 種組內取樣比例（簡單比例法、對數比例法、平方根比例法和多樣性比例法）結合6 種總體取樣規模（5%、10%、15%、20%、25%和30%）形成的24 種取樣策略（表3），篩選最佳取樣策略。

表3 候選核心種質評價參數

1.3.3 核心種質評價

篩選出最佳取樣策略后，基于原始種質與核心種質的26 個表型性狀，利用最大值、最小值、均值、變異系數和多樣性指數5 個特征值檢驗在最佳策略下構建的核心種質變異范圍及均勻度。采用均值差異百分率、方差差異百分率、極差符合率、變異系數變化率和表型保留比例5 個參數評價核心種質的代表性。當核心種質的均值差異百分率小于20%且極差符合率大于80%說明構建的核心種質具有代表性，同時變異系數變化率、方差差異百分率和表型保留比例等參數值越大越能代表原始群體遺傳多樣性[20-21]。

2 結果與分析

2.1 總體取樣規模和組內取樣比例分析

基于禾穎尖顏色差異，將402 份禾種質資源分為5 組（褐色Ⅰ、黃色Ⅱ、稈黃色Ⅲ、黑色Ⅳ、紫色Ⅴ）在6種（5%、10%、15%、20%、25%和30%）總體取樣規模下，以4 種組內取樣比例方法（簡單比例、平方根比例、對數比例和多樣性比例）分別計算24 種策略下每組取樣數量（表2）。由表2 可知，禾穎尖顏色中褐色在原始種質中數量最多（190 份），然后依次為黃色（138 份）、稈黃色（30 份）、黑色（23 份）和紫色（21 份）。褐色在簡單比例法中取樣率高達47.26%，在對數比例、平方根比例和多樣性比例中取樣率分別為26.56%、34.13%和28.73%。紫色穎尖在簡單比例法取樣率最低為5.22%，但在另外3 種比例法下取樣率均有所提高，其中對數比例法（15.41%）＞多樣性比例法（12.51%）＞平方根比例法（11.35%）。綜上可知，對數比例與多樣性比例二者能增加稀有穎尖色的取樣份數，讓各組的取樣數量更加均勻，對禾資源中稀有穎尖色（黑色、紫色）有一定的校正效果。

為獲得最佳總體取樣規模及組內取樣比例方法，選取變異系數變化率、極差符合率、表型保留比例和多樣性指數4 個參數進行綜合分析比較，結果（表3）表明，4 種組內取樣比例法中，簡單比例法、平方根比例法和多樣性比例法在25%和30%取樣規模下變異系數變化率小于100%，而對數比例法在6 種取樣規模變異系數變化率均大于100%。極差符合率隨取樣規模增加而變大，簡單比例、平方根比例、多樣性比例和對數比例在5%的取樣規模下分別為73.26%、71.26%、78.12%和80.10%，僅對數比例的極差符合率大于80%。在10%的取樣規模下對數比例極差符合率大于簡單比例，其余兩種比例法均小于80%。平方根比例與多樣性比例在15%的取樣規模下才達到80%。簡單比例法、對數比例法和多樣性比例法其多樣性指數在10%的取樣規模下達到最大，而平方根比例在15%取樣規模時才達到最大，多樣性指數隨著取樣規模的增大出現先升高后降低的趨勢。表型保留比例隨著取樣規模的增加而增加，當取樣規模＞10%后，其增幅不大，但多樣性指數卻在逐步降低，說明過度的篩選反而會讓核心樣本各性狀的變異量下降，在剔除原始種質中冗余的樣品時應適度。綜上所述，表明4 種組內取樣比例法中對數比例法最好，6 種取樣規模中10%的取樣規模也最適宜。

2.2 組內取樣方法的確定

為進一步明確組內取樣方法中聚類和隨機取樣的效果，按對數比例法下10%和15%的取樣規模進行分析比較。結果（表4）顯示，在10%和15%的取樣規模下，以聚類法進行組內取樣時，其變異系數變化率、極差符合率、表型保留比例和多樣性指數4 個檢驗參數均較隨機取樣大，說明組內取樣方法中聚類法能提升核心種質變異的均勻度與豐富度。

表4 組內不同取樣方法的比較

2.3 核心種質評價

2.3.1 原始種質和核心種質各性狀特征值比較

為明確所構建的核心種質與原始種質各性狀特征值之間的差異，統計了核心種質與原始種質2 個樣本26 個農藝性狀的最大值、最小值、均值、變異系數和多樣性指數。由表5 可知，調查的9 個質量性狀（穗枝集散、穗型、倒伏性、芒色、種皮顏色、粒型、熟期性、穎尖色和穎色）原始種質與核心種質的最大值與最小值一致。穗長、倒2 葉長、單株穗數、結實率、一次枝梗數、谷粒長、谷粒長寬比、倒伏性、穗型、粒型和穗枝集散等性狀原始種質與核心種質的均值差異不大，原始種質與核心種質的變異系數差異較小，二者的多樣性指數也相對一致。綜上，原始種質與核心種質大部分特征值相等或者差異不大，說明構建的核心種質能較好的代表原始種質。

表5 原始種質與核心種質特征值的比較

2.3.2 核心種質評價參數分析

由表6 可知，本研究構建的核心種質的均值差異百分率為12.70%，極差符合率為88.31%，符合均值差異百分率小于20%且極差符合率大于80%這一核心種質構建標準，表明構建的核心種質具有代表性，其變異系數變化率為106.41%，表型保留比例為95.77%和方差差異百分率為23.50%。核心種質26 個性狀中，20 個性狀極差符合率大于80%，5 個性狀接近80%，只有倒2 葉長較小（66.48%）未達到預期效果。核心種質變異系數變化率中有21 個性狀大于100%。株高、穗長、劍葉長等19 個性狀的表型保留比例均為100%，其余7個性狀均大于90%。綜上所述，構建的核心種質具有代表性，能較好代表原始種質。

表6 核心種質與原始種質26 個性狀評價參數和t 檢驗及F 檢驗

2.3.3 26 個性狀均值的t檢驗和F檢驗

對構建的初級核心種質與原始種質各性狀均值進行t檢驗，由表6 可知，26 個表型性狀有3 個性狀具有顯著性差異，分別為芒色、穎色和穎尖色，這是由于按穎尖色分組后，對數比例法取樣的修正作用在一定程度上提高了稀有穎尖色的取樣數量，使核心種質豐富度得以提高。F檢驗結果表明，倒2 葉寬、穗型、芒色、穎尖色和穎色5 個性狀具有顯著差異，說明核心種質中這些性狀保留了更多的遺傳變異且分布較均勻，遺傳冗余度較小。

3 討論與結論

隨著高產雜交水稻大面積推廣以及人們對禾種質資源保護意識淡薄等原因，導致黔東南地區禾種植面積減少，禾種質資源流失嚴重。地方水稻品種是我國水稻種質資源的重要組成部分，較選育品種具有更豐富的遺傳多樣性。禾作為黔東南山區一類特殊生態型地方水稻品種，在抗逆方面表現突出，并具有糯性強、香味濃等特性，是當前水稻遺傳改良中選擇特異性基因材料的重要來源。種質資源承載著作物的優良基因，是育種的前提與物質基礎。大量研究表明，在水稻遺傳改良過程中選育出的某些突破性水稻品種或優良雙親類型都與種質資源密不可分，其也是評判一個國家農業綜合實力的標準之一[22-23]。如何快速準確的從種質資源中挖掘出可以為水稻遺傳改良服務的優異基因是育種工作中急需解決的現實問題，而基于表型性狀構建核心種質成為種質資源開發及種質創新中一種高效且實用的方法。

選擇合適的分組方法對核心種質構建尤為重要，常見分組方法有單一性狀、來源地、遺傳標記與育種體系等。李國強等[24]在構建大白菜核心種質研究中，以白菜表型性狀中的結球變種進行分組。胡建斌等[25]與徐寧等[26]在構建1 200 份甜瓜與4 877 份小豆核心種質時均按材料來源地進行分組。李自超等[27]在構建云南地方稻初級核心種質過程中提出了水稻分組體系，發現丁穎分類體系＞省+秈粳體系＞單一性狀分組＞稻作區分組＞不分組。本研究在借鑒前人分組方法上基于禾穎尖顏色的不同分為5 組，用穎尖色分組較用其他性狀分組的組間數量差異小，能提高禾資源中那些稀有穎尖色的取樣數量，使取樣更加均衡。

不同的組內取樣比例方法也對核心種質代表性產生影響。李嘉偉等[28]在基于表型構建傳統菊花核心種質中，比較了4 種組內取樣比例法的優劣，發現對數比例法＞多樣性比例法＞平方根比例法＞簡單比例法。李慧峰等[29]基于4 種比例法構建甘薯核心種質，結果表明，在對數比例法下構建的核心種質其效果最佳，平方根比例法最差。李自超等[30]在研究云南地方稻種資源取樣策略中發現，組內取樣比例中對數比例法和平方根比例法效果最好，多樣性比例法次之，簡單比例法最差，因為對數比例法和平方根比例法對那些數量基數較小的組別可相對提高其取樣數量，一定程度上提高了某些小組別的遺傳重復。

前人在構建不同作物核心種質時發現，核心種質的數量大約占原始種質的5%～30%，且大多集中于10%左右。BROWN[31]認為，以原始種質數量的5%～10%比例下構建的核心種質就能保留住原始種質70%以上的遺傳變異。李自超等[27]認為，原始種質樣本數量的多少可用于判定核心種質占原始種質的比例，一般來說，原始種質樣本數量大的其核心種質所占的比例偏小，原始種質樣本數量小的其核心種質所占的比例偏大。李秀詩等[32]以248 份薏仁原始種質構建核心種質，發現最佳取樣比例為25%。胡建斌等[25]基于1 200 份甜瓜種質材料構建核心種質中發現，在15%的取樣比例，其各個檢驗指標均達到最佳水平。WANG 等[33]以2 794 份大豆為材料構建核心種質，其取樣比例僅為2%。同時，李國強等[24]認為，考察農藝性狀的多少也能決定取樣比例的大小，若考察的農藝性狀偏少，各種遺傳變異不能得到充分體現，為避免丟失重要變異類型，在構建核心種質過程中應該適當增加表型性狀的調查數目，不同作物考察表型性狀數量也不同，一般來說在10～30個。本研究中所考察的26 個表型性狀是基于前人對粳稻、野生稻或地方稻等核心種質構建結果，該數量表型性狀能較好反映禾表型變異的同時對表型數據有效性進行保證。本研究較前人基于表型構建核心種質的原始材料數量上相對偏少，為保證取樣科學性與合理性，設置5%、10%、15%、20%、25%和30%6 種總體取樣規模，經分析對比后，10%取樣規模下所構建的核心種質遺傳多樣性指數最大，4 種組內取樣比例法其表型保留比例都大于90%，其中對數比例法表型保留比例為95.77%，說明能充分代表禾原始種質的遺傳多樣性。對比分析在10%和15%的總體取樣規模下以隨機和系統聚類兩種取樣方式的效果，均以聚類取樣為宜，與前人的研究結果相似[27-28]。基于不同作物各性狀變異結構分布不均衡情況，采用隨機取樣可能會丟失某些重要種質資源，故在構建核心種質過程中大多采用系統聚類取樣來降低偏差。

核心種質的代表性是檢驗核心種質構建成敗的重要環節，評價其代表性應根據不同作物屬性選擇合適的評價參數[34]。檢驗核心種質代表性僅以單一參數進行評價，其反饋結果具有局限性，應綜合多個參數對核心種質代表性進行考量。本研究借鑒均值差異百分率、方差差異百分率、極差符合率、變異系數變化率和表型保留比例5 個前人高頻使用的評價參數對構建的核心種質進行評價，結果表明，構建的47 份禾核心種質均值差異百分率和極差符合率分別為12.70%和88.31%，說明構建的核心種質具有代表性。變異系數變化率、方差差異百分率和表型保留比例作為評價核心種質的重要參數，值越大越能代表原始種質的遺傳信息，47 份禾核心種質的3 個評價參數分別為106.41%、23.50%、95.77%，與前人研究結果中3 個參數變化范圍一致[35-37]，能較好代表原始種質遺傳信息。本研究構建的核心種質的表型保留比例為95.77%，出現丟失部分原始種質表型的情況，因此，保存原始種質中扣除核心種質外的那部分種質資源可作為核心種質補充來源，同時也要不斷搜集新的優異種質為核心種質更新換代作鋪墊。綜上，本研究構建的核心種質在表型水平上具有較好代表性，遺傳冗余度較小，種質規模適宜，其作為原始種質的“精華”可優先加以利用。

本研究以收集402 份禾種質資源為材料，依據禾穎尖色差異將原始種質劃分為5 組，通過比較分析不同的取樣策略，結果顯示，10%為最適總體取樣規模，組內取樣比例法以對數比例法最優，聚類取樣法是組內最佳取樣方法。在最優方案下構建了47 份禾核心種質，占原始材料11.69%。5 個評價參數均值差異百分率、極差符合率、變異系數變化率、方差差異百分率和表型保留比例分別為12.70%、88.31%、106.41%、23.50%和95.77%。結果表明，構建的核心種質具有較好的豐度和均度，能較好代表原始種質。