2010－2011年度四省小麥區(qū)試品種遺傳多樣性和抗條銹性分析

王冬梅， 馮 晶， 王鳳濤， 藺瑞明， 徐世昌

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，植物病蟲害生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

隨著近代育種的開展，育種家們過多對產(chǎn)量、抗病性、品質(zhì)等的關(guān)注，造成育種的遺傳基礎(chǔ)日益變窄，品種的遺傳多樣性逐年下降［1］，給育種工作帶來了重要的瓶頸。對于遺傳多樣性的研究，前人有很多報(bào)道，可以從表型性狀［2－3］、生化標(biāo)記［4－5］、分子標(biāo)記［6－8］等方面進(jìn)行研究。但這些一方面耗時比較長，另一方面就是缺乏對整個基因組進(jìn)行研究，會受到抽樣誤差的影響。親緣系數(shù)（coefficient of parent－age）是用于度量兩個個體間親緣關(guān)系的一個指標(biāo)，等于兩個個體的基因組中相同且同源基因的比例，其不受環(huán)境因素的影響，已有研究表明，對于已知系譜信息的自花授粉植物小麥，COP分析是一種簡便的評價遺傳多樣性方法［9］，近年來，根據(jù)長期育種進(jìn)程中所形成的系譜信息，用親緣系數(shù)度量品種間的親緣關(guān)系，前人已獲得一些成果。徐曉丹等［10］利用親緣系數(shù)對57個河南小麥主栽品種進(jìn)行分析，探討了河南小麥主栽品種的遺傳信息豐富度；王江春等［11］對山東省的66個小麥品種的親緣系數(shù)進(jìn)行分析，探討了新中國成立以來山東省小麥品種的遺傳多樣性。Souza和 Mercado都指出［12－13］，當(dāng)有完整系譜信息時，系譜距離分析是評價遺傳多樣性的簡便方法，陳玉清［14］對四川小麥種質(zhì)資源采用數(shù)量性狀及隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA標(biāo)記對不同時期育成品種的遺傳多樣性變化的分析結(jié)果與用親緣系數(shù)分析的結(jié)果一致，也驗(yàn)證了當(dāng)有完整系譜信息時，系譜距離分析是探討遺傳多樣性有效而簡便的方法。1949年以來，我國小麥品種經(jīng)歷了4～5次大的更換，尤其是以河南、山東、河北、四川為代表至今育成品種繁多。

本研究采用親緣系數(shù)對河南、河北、四川、甘肅2010－2011年參加全國區(qū)試的92個小麥品種進(jìn)行遺傳多樣性分析，以期研究其對種質(zhì)資源的利用情況，為今后培育優(yōu)良新品種提供依據(jù)。四川、甘肅是小麥條銹病菌源的發(fā)源地，其育種目標(biāo)是抗病性，河北、河南是我國小麥的主產(chǎn)區(qū)，研究四省小麥的遺傳多樣性，對抗源的合理布局具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料選用2010－2011年度小麥參試品種中四川、甘肅、河北、河南四個省的92個小麥品種，追溯其系譜信息至三代以上。其品種名稱、系譜信息列于表1。

表1 供試品種的基本信息1）Table 1 Basic data of the cultivars tested

續(xù)表1 Table 1（Continued）

1.2 方法

1.2.1 親緣系數(shù)分析

計(jì)算四川、甘肅、河南、河北四省共92個品種成對組合的親緣系數(shù)，方法同Cox等［15］，略有改變，計(jì)算原則如下：①一個品種分別從其雙親得到一半的基因；②所有祖先種、親本及其后代品種都是純合同型的；③沒有系譜信息的祖先種是不相關(guān)的；④系選品種、自然突變品種、誘變品種及核不育輪回群體選擇品種從親本中得到的基因是親本的3／4；⑤同一親本組合的后代兩品種間的COP＝（0.75）2＝0.562 5；⑥一個品種與其自身的COP＝1。計(jì)算類內(nèi)及類間的平均COP值。用（1－COP）矩陣表示系譜遺傳距離矩陣［16］，采用SPSS16.0軟件的歐氏距離法對矩陣（92×92）親緣系數(shù)矩陣進(jìn)行聚類分析。

1.2.2 抗條銹病鑒定

利用條銹菌混合優(yōu)勢小種在田間分別對供鑒品種進(jìn)行人工接種鑒定。供試的條銹混合圃鑒定菌系包括中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所、甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所和四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所提供的CYR33、CYR32、CYR31、CYR30、CYR29、CYR17、Su－1和V26，接種后，待對照品種‘銘賢169’充分發(fā)病后，對區(qū)試品種進(jìn)行田間調(diào)查，鑒定方法和調(diào)查記載標(biāo)準(zhǔn)《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY／T1443.1－2007）－小麥抗條銹病評價技術(shù)規(guī)范》。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試品種組合間的親緣系數(shù)分析

四省參加全國區(qū)試的92份小麥品種，共組成4 186對組合，有618對組合間存在親緣關(guān)系，親緣系數(shù)變化范圍在0.0000～0.750 0之間，總COP值為95.793 91，平均值為0.022 9。表明四省參加全國區(qū)試的小麥品種部分存在遺傳相似性，但其遺傳程度不高，不管其是否通過區(qū)試試驗(yàn)，均可以用這些品種組合培育優(yōu)良品種。

從表 2 可 以 看 出，‘09J76’、‘07B1429’、‘渝09113’、‘靜冬0441’、‘隴鑒0457’、‘定鑒5號’、‘隴育216’、‘定9873’、‘衡4422’、‘邯05－5093’、‘邯08－6012’、‘邯3992’、‘河農(nóng)7069’、‘石B05－7388’、‘河農(nóng)6425’、‘鄭育麥518’、‘豫同69’、‘太空7號’、‘天寶98－7－5’與其余品種的COP均為0，其中‘靜冬0441’、‘隴鑒0457’、‘定鑒5號’、‘隴育216’、‘定9873’為甘肅省品種，說明甘肅在培育新品種時，能較廣泛地利用抗源。其余品種一方面是系譜信息追查不夠，另一方面是利用誘變育種的結(jié)果，另外也說明這些品種與其余供試品種的遺傳差異較大，利用這些品種培育優(yōu)良品種的潛力很大。除去這19個品種，其余73個品種間的平均COP值為0.035 0，表明這19個品種與其余供試的大多數(shù)品種間無親緣關(guān)系，系譜距離上的遺傳差異很大，因此大大降低了總體水平上的遺傳相似性，增大了總體遺傳差異與遺傳多樣性。

‘金粒88’與其余品種組合間的COP總和為7.960 9，可見‘金粒88’與其余品種間的親緣關(guān)系密切，主要是其親本含有‘周麥13’與‘周麥16’，而‘周麥13’與‘周麥16’是姊妹系，均含有‘豫麥2號’的血緣，而河南省的48個小麥品種中含有‘豫麥2號’血緣的有31個小麥品種，也說明‘豫麥2號’仍是河南省小麥生產(chǎn)利用品種的主要骨干親本?！茺?7’、‘百農(nóng)207’與其余品種組合間的COP總和分別為6.825 0、6.164 1，同樣也是由于骨干親本中含有‘豫麥2號’的結(jié)果。

表2 單一品種與其余品種的COP1）Table 2 COP of mono－cultivars and the other cultivars

2.2 親緣系數(shù)聚類分析

用（1－COP）值表示系譜遺傳距離，采用SPSS16.0軟件的歐氏距離法對92×92親緣系數(shù)矩陣進(jìn)行聚類分析，四川、甘肅、河北、河南四省參加區(qū)試的92個小麥品種可以明顯地分為A、B、C、D、E、F、G、H，共8類（圖1）。A類包括‘現(xiàn)農(nóng)5號’、‘平麥108’等一類利用‘周麥9號’選育的品種；B類包括‘現(xiàn)農(nóng)1號’、‘周麥30’、‘豐德存麥5號’等，這類品種主要是以‘豫麥2號’為主要親本選育而成，‘豫麥2號’是一個遺傳基礎(chǔ)廣泛的品種，從系譜上可以看出它含有意大利、荷蘭、朝鮮等國外品種的優(yōu)良種質(zhì)資源，并且具有豐產(chǎn)性好的地方品種的基因信息，具有適應(yīng)性強(qiáng)、豐產(chǎn)性好、品質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)［17］，從聚類分析結(jié)果也可以看出河南省小麥育種中對‘豫麥2號’的重視以及對其衍生品種的成功利用；C類包括‘邢麥9’、‘周麥28’兩個品種，這兩個品種是親本中都含有‘周麥9號’；D類包括‘09J76’、‘W2021’、‘07B1429’、‘隴育0456’、‘豫同69’、‘鄭育麥518’等39個品種，這類品種遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜，遺傳背景豐富，并且親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，育種中可適當(dāng)加大對這些品種的使用力度；E類包括‘衡雜3號’、‘寶39’、‘邢臺04－1135’等以‘邯6172’、‘矮抗58’為親本選育的8個品種，‘邯6172’是2003年國家農(nóng)作物品種審定委員會審定的越冬抗寒性好，耐后期高溫，熟相好。慢條銹病，中抗紋枯病，高感赤霉病，高感葉銹病和白粉病，對稈銹病免疫的小麥品種，屬半冬性中熟小麥品種，普遍表現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、抗凍耐旱、抗倒抗??；F類包括‘川重組104’、‘09J6白’、‘BL228’、‘川08品32（W）’、‘川06品9’、‘L09－1038’、‘川05觀8’，從系譜信息看這7個品種主要是以‘川麥42’、‘川麥43’這兩個品種同一親本組合的后代品種；G類包括‘07217’、‘川07005’，這兩個品種是同一親本組合的后代品種，遺傳相似性比較高；H類包括‘冀麥585’、‘漯6073’，這兩個品種都是通過核不育輪回選擇的，細(xì)胞核雄性不育可以用于發(fā)展雜種優(yōu)勢利用和群體改良，是近些年來很受重視的研究領(lǐng)域之一。

2.3 不同省份參試品種遺傳多樣性分析

不同省份育成品種系譜遺傳相似性分析見圖2，從中可見，河南省參加區(qū)試品種間遺傳相似性最高，各品種組合間的平均COP為0.067 8，遺傳基礎(chǔ)相對較窄，遺傳多樣性相對最小；四川省、河北省參加區(qū)試品種次之，平均 COP分別為0.023 5、0.015 9，遺傳相似性較低，遺傳基礎(chǔ)相對較廣，表明這兩個省在近幾年的育種工作中廣泛利用優(yōu)良種質(zhì)資源，提高了育種材料的遺傳多樣性；甘肅省參加全國區(qū)試的品種遺傳相似性最小，平均COP為0.006 0，遺傳多樣性最高，說明甘肅省對種質(zhì)資源的利用率較高。

圖1 品種間（1－COP）聚類樹狀圖Fig.1 Clustering diagram of different cultivars

表3 92個區(qū)試品種混合譜抗條銹性鑒定結(jié)果1）Table 3 Mixed－spectrum resistance of 92regional trial wheat cultivars to wheat stripe rust

甘肅、四川兩省的遺傳相似性較低，主要是由于甘肅、四川是小麥條銹病發(fā)病的菌源地，其品種選育尤其注重抗原的利用，否則一旦大面積種植品種對條銹病失去抗性，將造成全國小麥條銹病大流行，給小麥生產(chǎn)帶來不可估量的損失；河北省的遺傳相似性比較大，分析可能與系譜追溯不夠有關(guān)；河南省參加區(qū)試的小麥品種遺傳相似性較高，分析主要是河南省是小麥的主產(chǎn)區(qū)，小麥條銹病的發(fā)生比較輕，對小麥產(chǎn)量影響較小，育種家在育種時更多關(guān)注的是產(chǎn)量，所以主要選擇產(chǎn)量較高的‘豫麥2號’、‘周麥9號’作為親本進(jìn)行選育，導(dǎo)致遺傳基礎(chǔ)相對狹窄。

圖2 不同省份參試品種遺傳多樣性比較Fig.2 Genetic diversity of the tested cultivars from different provinces

2.4 小麥抗條銹病鑒定結(jié)果

利用條銹菌混合優(yōu)勢小種在田間對四省參加區(qū)試的92個小麥品種進(jìn)行抗病性鑒定，結(jié)果見表3。甘肅省的品種除了‘隴育0456’外，‘靜冬0441’、‘隴鑒0457’、‘定鑒5號’、‘隴育216’、‘隴鑒945’、‘定9873’均表現(xiàn)高度抗病性（反應(yīng)型為0型）；四川省的區(qū)試品種‘09J6白’、‘川08品32’（W）、‘07B1429’、‘W2021’、‘渝09113’、‘D002’因被凍死而缺苗，沒有鑒定結(jié)果，品種‘09J76’、‘BL228’表現(xiàn)中度抗病反應(yīng)；河北省的區(qū)試品種‘邯3992’、‘河農(nóng)7069’、‘衡07－4579’、‘石03Y119’表現(xiàn)抗病反應(yīng)（反應(yīng)型為0型），‘石B08－5341’、‘邢麥9’、‘河農(nóng)130－12’表現(xiàn)感病，嚴(yán)重度及普遍率都達(dá)到60以上，‘石06－6136’、‘邯05－5093’、‘冀麥585’、‘寶麥38’等品種均對條銹病表現(xiàn)中抗，反應(yīng)型2～3，嚴(yán)重度及普遍率比較低；河南省的參試品種‘鄭麥7698’、‘現(xiàn)農(nóng)1號’、‘鄭育麥9988’等表現(xiàn)出抗病反應(yīng)（反應(yīng)型為0型），其余品種‘陽光68’、‘零43’等品種對小麥條銹病表現(xiàn)中抗。

3 討論

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)集約化程度越來越高。為了滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)模化、商業(yè)化的要求，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的地方品種被遺傳改良的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種所替代，并且推廣應(yīng)用的品種越來越單一，遺傳基礎(chǔ)越來越狹窄。在小麥育種和生產(chǎn)中，由于嚴(yán)重的遺傳侵蝕和長期單一使用骨干親本為育種關(guān)鍵材料，全球小麥品種的遺傳多樣性出現(xiàn)降低趨勢，一些關(guān)鍵的抗性基因幾乎來源于幾個甚至同一個親本［18］。因此研究小麥的種質(zhì)資源，引入小麥優(yōu)良基因和遺傳變異，對于豐富現(xiàn)代栽培小麥的遺傳多樣性和進(jìn)一步開展小麥高產(chǎn)、抗病、優(yōu)質(zhì)育種具有重要意義。本研究結(jié)果表明，2010－2011年四川、甘肅、河北、河南四省參加區(qū)試的92個小麥品種可聚為8個類群，其中 A、B、C、E、F、G、H 類都為河南、河北等骨干親本及其衍生品種，D類為親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的品種。

陳玉清等［14］對四川小麥親緣系數(shù)聚類分析表明，40個供試品種聚為6個類群，其中2個引進(jìn)品種單獨(dú)聚類，育自同一祖先種的大多數(shù)品種聚為一類，祖先中有‘繁6’、‘綿陽11’及其延伸品種的聚為一類，有‘阿勃’及其延伸品種的聚為一類，聚類結(jié)果很好地反映出育種資源的利用情況及遺傳多樣性程度。而本研究中，四川省的小麥品種大多聚為一類且抗病性基本相同，其原因?yàn)樽嫦绕贩N中基本含有‘川麥42’?！?2’是利用硬粒小麥——節(jié)節(jié)麥人工合成的高抗條銹病小麥新品種，張颙等［19］對‘川麥42’進(jìn)行了抗條銹病遺傳分析，結(jié)果表明‘川麥42’對條銹菌CYR31由1對顯性基因控制，Li等［20］研究表明，‘川麥42’的抗條銹性受1對顯性基因控制（暫定名為YrCH42）?！?2’現(xiàn)已被國內(nèi)育種單位廣泛引用［21］，可以作為高產(chǎn)、抗條銹的基因資源。

甘肅省的7個小麥品種都聚為D類群，這類品種遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜，遺傳背景豐富，并且親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，且這7個品種基本都表現(xiàn)高度抗病性，這表現(xiàn)出甘肅省在小麥遺傳育種中充分考慮了對小麥條銹病的抗性，這與甘肅省是小麥條銹病的發(fā)源地有關(guān)，一旦源頭發(fā)病，并得不到有效控制，小麥條銹病將發(fā)生大流行。

從河南參加區(qū)試的小麥品種的系譜看，主要是利用前一個時期選育的品種作親本，特別是主要推廣品種作為親本的利用率較高，大多數(shù)小麥品種中含有‘豫麥2號’的血緣，究其原因‘豫麥2號’是很好的抗銹源，能抵抗銹病的發(fā)生，品質(zhì)較好，與其他小麥品種雜交后，還表現(xiàn)出遺傳力高的特點(diǎn)。河南省小麥品種中聚為一類的大部分都是由‘周麥16’、‘周麥13’組成，‘周麥16’和‘周麥13’是由同一親本組合的兩后代品種，且中抗條銹病，所育成的品種對小麥條銹病均表現(xiàn)出中抗或感病，但是對河南省而言，小麥條銹病的輕度發(fā)生并不會造成嚴(yán)重的產(chǎn)量損失也不會影響全國小麥條銹病的大流行。

從不同省份間小麥品種的遺傳多樣性分析可以看出，河南、河北、四川的品種遺傳多樣性相對較小，其遺傳基礎(chǔ)相對狹窄，這與小麥條銹病抗病性的選育有關(guān)。

在目前開展的超級麥優(yōu)質(zhì)專用小麥育種工作中，應(yīng)采用系譜分析田間農(nóng)藝性狀生理性狀和分子標(biāo)記等方法有目的地進(jìn)行親本引入并篩選遺傳多樣性較高的新種質(zhì)，同時要利用遠(yuǎn)緣雜交、航天誘變、基因工程等高新技術(shù)創(chuàng)造新種質(zhì)進(jìn)一步加強(qiáng)對資源的創(chuàng)新研究，提高對親本選擇的預(yù)見性，改變小麥品種遺傳多樣性狹窄的局面，提高種質(zhì)資源的利用率。

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