蔬菜核心種質(zhì)研究進展

陳學軍，雷 剛，2，周坤華，方 榮

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學院 蔬菜花卉研究所，江西 南昌 330200;2.江西農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，江西 南昌 330045)

種質(zhì)資源是作物遺傳改良的基礎。目前，全世界已有各類植物遺傳資源610多萬份(含重復)，我國共收集保存各類作物種質(zhì)資源38萬份［1］，其中，中國國家蔬菜種質(zhì)資源中期庫收集保存的有性繁殖蔬菜種質(zhì)資源132種(變種)33 280份［2］。如此巨大數(shù)量的資源給種質(zhì)資源的評價、研究和利用帶來了諸多困難。針對這一問題，F(xiàn)rankel等［3］提出了基于遺傳多樣性構建核心種質(zhì)的解決方案，之后，核心種質(zhì)的研究逐步成為國際遺傳資源研究的熱點。迄今國內(nèi)外已構建水稻［4-5］、小麥［6-7］、大麥［8］、大豆［9］、玉米［10］、油菜［11］等大田作物和蘋果［12-13］、桃［14］、柚［15］、山葡萄［16］、橄欖［17］等果樹以及大白菜［18］、馬鈴薯［19］、胡蘿卜［20］、蠶豆［21］等蔬菜作物共80余種農(nóng)作物的初級核心種質(zhì)或核心種質(zhì)，為農(nóng)作物種質(zhì)資源深入研究與有效利用奠定了基礎。本文概述了國內(nèi)外蔬菜核心種質(zhì)研究進展，并對相關研究存在的問題和發(fā)展方向進行了探討，以期為蔬菜核心種質(zhì)的深入研究與有效利用提供理論參考。

1 核心種質(zhì)的概念與構建方法

1.1 核心種質(zhì)的概念

Frankel［3］提出核心種質(zhì)(core collection)概念，即用科學的方法從某種植物所有種質(zhì)資源中篩選出能夠最大程度代表其遺傳多樣性、且數(shù)量盡可能少的種質(zhì)材料作為核心材料，以便于保存，進一步的評價和利用，剩余的種質(zhì)稱為保留種質(zhì)(reserve collection)。Brown［22］對概念進一步補充完善。Hodgkin［23］提出了構建核心種質(zhì)的基本步驟。此后，Casler［24］、Basigalup 等［25］及 Spagnoletti等［26］，對核心種質(zhì)的基本特征進行了總結，并對多種構建方法進行了比較。隨著研究不斷的深入，核心種質(zhì)的概念也進一步發(fā)展，出現(xiàn)了合成核心種質(zhì)、分級核心種質(zhì)和微核心種質(zhì)等概念［27］。

1.2 核心種質(zhì)的構建方法

1.2.1 數(shù)據(jù)收集 核心種質(zhì)構建數(shù)據(jù)包括基本數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)和評價鑒定數(shù)據(jù)?；緮?shù)據(jù)即地理分布，起源及分類等，基本數(shù)據(jù)主要用于初步分組。在構建我國花生核心種質(zhì)時，姜慧芳等［28］先按照花生植物學類型把材料分成5層，即多粒型、珍珠豆型、龍生型、普通型和中間型。特征數(shù)據(jù)包括形態(tài)、同工酶、蛋白及分子標記等數(shù)據(jù)，是構建核心種質(zhì)的主要數(shù)據(jù)。其中，形態(tài)數(shù)據(jù)較易獲得而使用最多，大多數(shù)蔬菜核心種質(zhì)都是基于形態(tài)數(shù)據(jù)構建的。同工酶、分子標記數(shù)據(jù)更加準確，更加能反映出資源的遺傳多樣性，但數(shù)據(jù)獲取相對較難。黎毛毛等［29］采用SSR標記法對3 187份江西地方稻種資源材料進行多樣性和聚類分析，建立了占資源總量9.28%、包含296份材料的江西省地方稻種資源核心種質(zhì)庫。評價鑒定數(shù)據(jù)主要是一些農(nóng)藝性狀，如抗性、產(chǎn)量和品質(zhì)等，用于檢驗核心樣品的有效性。

目前，蔬菜作物基本數(shù)據(jù)尚不完整，在今后的工作中盡快完善所收集資源的地理分布、數(shù)量、分類及育種體系等信息，同時應對形態(tài)數(shù)據(jù)的評價、記錄標準予以統(tǒng)一，確保研究結果的可比較性。分子數(shù)據(jù)能夠較好的反應材料的遺傳信息和群體的遺傳關系且可以在短時間獲取，因此，在研究過程中應加大分子數(shù)據(jù)的應用。各類數(shù)據(jù)在構建核心種質(zhì)時，特征數(shù)據(jù)和鑒定評價數(shù)據(jù)沒有明顯的用途歸類，且各類型數(shù)據(jù)綜合利用可以相互補充，使構建的核心種質(zhì)更具代表性。

1.2.2 數(shù)據(jù)分組 數(shù)據(jù)的分組有隨機取樣分組和分層取樣分組，前者由于獲得的材料代表性較差［24］，目前多采用后者。分層分組就是依據(jù)材料遺傳相似程度把要進行研究的實驗材料歸類，各組之間互不重疊，比如按來源地、栽培區(qū)、生態(tài)型、品種類群等分組。相同的來源地、栽培區(qū)等的材料由于長期的自然及人為選擇，遺傳結構較相近。Erskine等［30］對比分析了來自3個國家的扁豆種質(zhì)材料的形態(tài)及同工酶數(shù)據(jù)后，認為同一來源地的種質(zhì)平均等位基因、多態(tài)性比例及多樣性指數(shù)無顯著差異。因此，分層分組是一種簡單可靠的分組方法。姜慧芳等［28］在構建我國栽培花生核心種質(zhì)時，先按植物學類型把材料分為5層，然后在每層內(nèi)按地理來源分組，國內(nèi)按生態(tài)區(qū)分組，包括西北東北花生區(qū)、華北淮河花生區(qū)、長江流域花生區(qū)、南方花生區(qū)，國外材料按北美和南美洲、亞洲、歐洲、ICRISAT、非洲和大洋洲，把6 390份資源分成32組。對原始材料進行合理的分組，可以提高取樣的效率和所構建核心種質(zhì)的代表性。利用多種數(shù)據(jù)對材料進行更精細的分組，如董玉琛等［31］在構建普通小麥核心種質(zhì)時，依據(jù)小麥和其他物種、地方品種和選育品種及不同的生態(tài)栽培區(qū)將材料逐層分組。

1.2.3 取樣策略 取樣策略即采用一定的方法從原始群體中選擇抽取核心種質(zhì)，是核心種質(zhì)構建關鍵步驟之一，方法分為隨機取樣和系統(tǒng)取樣。隨機取樣對所有樣品以相同的概率抽取，但是由于種質(zhì)資源生長環(huán)境的不同、遺傳多樣性分布不均勻，不同的等位基因在全部遺傳資源中的重復次數(shù)也不盡相同，因此，隨機取樣法使用較少。在構建中國綠豆時，劉長友等［31］采用了聚類選擇取樣和隨機取樣構建了13個初選核心樣本，通過性狀符合度、遺傳多樣性指數(shù)、數(shù)量性狀變異系數(shù)及品種間平均相似性系數(shù)的比較發(fā)現(xiàn)，聚類選擇取樣優(yōu)于隨機取樣。系統(tǒng)取樣又包括恒量法、對數(shù)法、平方根法、遺傳多樣性法、比例法。邱麗娟等［9］采用了20種取樣方法構建中國大豆初級核心種質(zhì)，對比分析發(fā)現(xiàn)，比例法和平方根法在確定組內(nèi)取樣量時優(yōu)于遺傳多樣性法。Tohme等［32］構建菜豆核心種質(zhì)時采用了比例法，先根據(jù)地理來源分組，再在組內(nèi)以材料量占整個資源材料量的比例確定取樣比例。在構建安第斯栽培種馬鈴薯的核心種質(zhì)時，Huaman等［19］采用了平方根法，根據(jù)地理來源分組，在組內(nèi)依據(jù)各組內(nèi)材料數(shù)目平方根確定組內(nèi)取樣比例。恒量法需要各組材料數(shù)量及遺傳多樣性結構接近時才能得到可靠的結果，使用較少。其余的幾種方法各有優(yōu)缺點，在具體應用過程中，要依據(jù)材料的數(shù)量、分組情況及遺傳多樣性等信息來選擇合適的方法，也可通過對比選取最優(yōu)方法。

1.2.4 取樣規(guī)模 Brown［34］認為核心種質(zhì)一般占整個遺傳資源的5%～10%，或總量不超過3 000份，但在后續(xù)諸多研究中發(fā)現(xiàn)5%～10%并不是既定的，Yonazawa等［35］認為對于遺傳冗余度Dr值在0.2～0.9的群體，其最佳取樣比例為20%～30%。目前報道的核心種質(zhì)取樣比例多在5%～40%［36］，但所有研究都沒有提供一個統(tǒng)一的總體取樣比例，這主要是不同植物資源在收集程度、遺傳多樣性狀況和內(nèi)部遺傳結構上存在較大差異，對整體取樣比例的確定不能格式化、簡單化，應視研究作物遺傳結構及遺傳多樣性的不同而定。例如，在構建中國栽培大豆核心種質(zhì)時，王麗俠等［37］根據(jù)不同取樣策略和不同總體取樣量水平的核心種質(zhì)遺傳多樣性指數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，3%的取樣水平不僅能夠保證對初選核心種質(zhì)的代表性，且核心種質(zhì)具有較大的遺傳多樣性。對于材料較少的資源，可以適當?shù)脑黾尤右?guī)模，而對材料數(shù)目較大的材料，應依據(jù)所選核心材料的代表性和冗余度確定合適的取樣規(guī)模。

1.2.5 核心種質(zhì)的檢驗 核心種質(zhì)的檢驗是運用一些指標對所篩選核心樣品的代表性、所用構建方法的合理性及其在生產(chǎn)中的實用性［35］進行評價驗證的過程，包括遺傳多樣性的符合性檢驗和實用性檢驗兩方面。遺傳多樣性的符合性檢驗依據(jù)不同類型數(shù)據(jù)分別計算原始群體和篩選出的核心材料的各個指標來判斷其代表性。Diwan等［38］認為，若核心種質(zhì)和整個樣品在平均數(shù)及變異幅度上存在顯著差異的性狀少于30%，且核心種質(zhì)各性狀變幅占整個樣品變幅平均比率高于70%，就可以認為該核心種質(zhì)基本代表了原始群體的遺傳多樣性。對核心種質(zhì)遺傳多樣性的符合性檢驗分為離散型和連續(xù)型指標多樣性:離散型指評價數(shù)據(jù)如同工酶、分子標記等離散型數(shù)據(jù)，常用Nei’s多樣性指數(shù)(H)、Shannon and Weaver’s信息指數(shù)(I)、Brillouln’s指數(shù)等評價指標;連續(xù)型數(shù)據(jù)如農(nóng)藝性狀，生理生化等，多用方差、標準差、極差、均值、變異幅度等指標。例如，楊美等［39］對所構建的88份花蓮核心種質(zhì)評價時，應用多態(tài)性位點百分率保留率、等位基因數(shù)、有效等位基因數(shù)、Nei’s遺傳多樣性指數(shù)及Shannon’s信息指數(shù)等指標對核心種質(zhì)的代表性進行了評價。核心種質(zhì)的實用性檢驗指檢驗所構建的核心種質(zhì)是否包含已知的農(nóng)藝性狀，該方法目前研究利用較少，評價指標還有待發(fā)展和補充，一般作為補充檢驗手段。

2 蔬菜核心種質(zhì)構建與利用研究現(xiàn)狀

2.1 蔬菜核心種質(zhì)的構建

2.1.1 茄果類蔬菜 Zewdie等［40］基于21個形態(tài)性狀和分層分組代表性取樣法，以美國國家種質(zhì)庫1 202份辣椒種質(zhì)為試料，以約10%總體取樣規(guī)模建立了包含137份材料的辣椒核心種質(zhì)。Mao等［41］以1 968份栽培茄子為試材，在構建核心種質(zhì)過程中，采用了兩種遺傳距離(馬氏和歐式距離)、4種聚類方法(UGPA、CL、SL及W)、3種取樣策略(R、P、D策略)以及4種取樣規(guī)模(10%、15%、20%及30%)，通過比較，最終確定了歐式距離、UGPA、R或P策略、15%～20%取樣規(guī)模為構建茄子核心種質(zhì)合適的方法。Corrado等［42］利用152個SNP標記對100份番茄材料進行了檢測，并探討了番茄核心種質(zhì)構建的策略和核心種質(zhì)有效性檢驗方法，認為15%～25%的取樣比例可以保證原始群體的遺傳多樣性(表1)。

2.1.2 豆類蔬菜 劉玉皎等［21］采用AFLP技術對來自青海和國外的149份蠶豆種質(zhì)材料進行了遺傳分析，建立了進化樹，以進化樹為基礎，對親緣關系較近的資源按比例取舍，初步構建了40份核心種質(zhì)，經(jīng)檢驗其等位變異數(shù)、有效等位變異數(shù)、多態(tài)性條帶數(shù)、遺傳相似系數(shù)、遺傳距離及基因多樣性指數(shù)等，發(fā)現(xiàn)遺傳信息的符合率均在80%以上。Zong等［43］利用SSR分子標記數(shù)據(jù)對我國1 243份豌豆材料進行聚類分析，構建了包含146份豌豆資源的核心種質(zhì)，約占取樣群體的12%。Reddy等［44］在構建樹豆(木豆)核心種質(zhì)時，以收集的12 153份樹豆為試材，基于14個形態(tài)數(shù)據(jù)，按地理起源把收集的12 153份樹豆材料分成14組，組內(nèi)采取隨機取樣，以10%的取樣規(guī)模構建了1 290份樹豆核心種質(zhì)。

2.1.3 葉菜類蔬菜 李國強等［18］在構建大白菜核心種質(zhì)時，比較了4種組內(nèi)取樣比例法、6種取樣規(guī)模和2種取樣方法后，以國家蔬菜種質(zhì)資源中期庫保存的1 651份大白菜為材料，基于43個形態(tài)數(shù)據(jù)，按大白菜分類系統(tǒng)把材料分成6組，組內(nèi)按多樣性比例聚類取樣法，以15%為取樣規(guī)模構建了248份大白菜核心種質(zhì)。Jansen等［45］利用AFLP分子標記數(shù)據(jù)，以1 283份萵苣種質(zhì)材料為研究對象，通過遺傳距離抽樣法，構建了128份材料的萵苣核心種質(zhì)，占全部材料的9.98%。張明等［46］先利用15個農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)，通過非加權配對算術平均聚類法(UPGMA)對174份韭菜種質(zhì)材料進行聚類，然后采用簡單比例和人工選擇結合的取樣方法，以40%的取樣比例構建了69份韭菜核心種質(zhì)。

2.1.4 瓜類蔬菜 呂婧［47］應用23對SSR引物對3 318份黃瓜初級種質(zhì)基因組進行DNA分析，采用M策略，通過逐漸增大的取樣規(guī)模資源聚類得到預選核心種質(zhì)，最后確定以3%為取樣規(guī)模，構建了黃瓜核心種質(zhì)。

2.1.5 根菜類蔬菜 李建春［48］在構建蘿卜核心種質(zhì)時，先依據(jù)11個性狀對1 281份蘿卜種質(zhì)材料聚類分析，所有材料被分為8個類群，在每一類群中優(yōu)先找出各性狀最大值和最小值的樣品作為核心材料預先保留。其余的材料按不同的抽樣比例用多次聚類法抽取，比較后確定15%為最佳比例，以此構建了包含192份材料的蘿卜核心種質(zhì)。莊飛云等［20］以我國340份地方胡蘿卜品種為試材，通過對13個農(nóng)藝性狀的評價進行聚類分組，設定適宜的閾值，以約17%的比例構建了胡蘿卜初級核心種質(zhì)。Elsayed等［49］通過25個形態(tài)學和農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)，以30%的取樣比例，從210份秘魯胡蘿卜種質(zhì)材料中選取了63份，構建了秘魯胡蘿卜核心種質(zhì)。

表1 部分蔬菜核心種質(zhì)研究情況Tab.1 Some vegetables research situation of core germplasm

2.1.6 薯蕷類蔬菜 Huaman等［19］在構建安第斯栽培馬鈴薯核心種質(zhì)時，通過比較形態(tài)及總蛋白量和酯酶電泳帶型的相似性將10 722份材料壓縮到2 379份，在利用25個形態(tài)數(shù)據(jù)、地理及評價數(shù)據(jù)對2 397份材料聚類，并以抗蟲、抗病性及干物質(zhì)含量對2 397份材料進行評價從中篩選出306份材料作為核心種質(zhì)。孫邦升［50］在構建高淀粉馬鈴薯核心種質(zhì)時，先以淀粉含量高于17%為標準，從1 910份馬鈴薯種質(zhì)資源中篩選出154份高淀粉馬鈴薯種質(zhì)，然后再以淀粉含量1%的差距，將高淀粉馬鈴薯種質(zhì)資源分為4組，最后以25%的取樣比例構建了包含40份種質(zhì)的高淀粉馬鈴薯核心種質(zhì)。其他蔬菜核心種質(zhì)的構建情況詳見表1。

2.2 蔬菜核心種質(zhì)的初步利用

核心種質(zhì)以最少的種質(zhì)數(shù)囊括了原始資源群體的所有或大部分的變異，較好的解決了資源數(shù)量巨大和保存、管理、評價、鑒定及利用之間的矛盾，為資源的更深層次的研究提供了廣闊的平臺。柴敏等［52］以番茄屬近緣野生種(L.pennellii)的16份核心種質(zhì)為試材，開展了對紅蜘蛛和蚜蟲抗性的鑒定與評估。結果表明，16份核心種質(zhì)中除1份高感紅蜘蛛外，其余15份均對紅蜘蛛表現(xiàn)出明顯的抗性。Ellis等［53］在對蕓苔屬甘藍的401份核心種質(zhì)進行抗蚜性評價后，獲得了中抗材料12份，部分抗性的材料43份。

3 蔬菜核心種質(zhì)研究存在問題與發(fā)展方向

3.1 存在問題

雖然蔬菜核心種質(zhì)構建研究發(fā)展迅速，并取得了一定的成果，但相對其它作物來說，蔬菜核心種質(zhì)的構建研究總體滯后。我國蔬菜種質(zhì)資源中期庫保存的蔬菜達132種(含變種)，目前國內(nèi)外已構建核心種質(zhì)(包括初級核心種質(zhì))的蔬菜種類還不超過20種，尚未達到蔬菜種類的1/6;且已構建的蔬菜核心種質(zhì)大多是基于單一的表型數(shù)據(jù)或分子數(shù)據(jù)，僅馬鈴薯、扁豆等少數(shù)蔬菜作物是結合了多種類型的數(shù)據(jù)信息構建的(表1)。此外，大多數(shù)蔬菜種質(zhì)資源包含的材料類型較為復雜，既有原始種、變種，也有品種、品系及性狀較優(yōu)的株系等，因此，在構建過程中應該區(qū)別對待，分組時應考慮按遺傳關系和育種體系進行分組。總之，蔬菜作物的核心種質(zhì)構建研究與大田作物如水稻、玉米和大豆等比較還有較大的差距，今后還有很多工作要做。

3.2 蔬菜核心種質(zhì)研究發(fā)展方向

3.2.1 基于多種類型數(shù)據(jù)構建核心種質(zhì) 到目前為止，蔬菜核心種質(zhì)構建大多是基于形態(tài)數(shù)據(jù)，很少綜合多類型數(shù)據(jù)進行研究。形態(tài)數(shù)據(jù)方便獲取，且類型豐富，但受環(huán)境影響較大，不同環(huán)境及管理水平下獲取的數(shù)據(jù)差異明顯，導致構建核心種質(zhì)過程中易產(chǎn)生重復材料或重要材料的遺漏。生理生化、分子數(shù)據(jù)可靠，但獲取難度較大，尤其原始群體太大的情況下，更是耗時費力。因此，在構建時先通過形態(tài)數(shù)據(jù)將原始群體初步壓縮，得到初級核心種質(zhì)，在此基礎上通過生理生化或分子數(shù)據(jù)把初級核心種質(zhì)再次壓縮，篩選出核心種質(zhì)。不同類型數(shù)據(jù)可以相互補充，能較全面揭示資源間的關系，只有通過多種類型數(shù)據(jù)進行研究、構建的核心種質(zhì)才能最大限度的代表該物種的遺傳多樣性。

3.2.2 多種方法結合構建核心種質(zhì)并加強對核心種質(zhì)評價檢驗研究 取樣策略、取樣比例仍是目前核心種質(zhì)研究的重點和熱點，關系到所構建核心種質(zhì)的可靠性。核心種質(zhì)構建過程就是去同留異的過程，面對雜亂的原始種質(zhì)，采用不同的數(shù)據(jù)處理方法獲得的核心種質(zhì)的遺傳結構、多樣性差異都不盡相同。加之蔬菜種類繁多，不同蔬菜地理分布、栽培歷史、起源地及進化情況都不相同，因此，在構建時應多種方法對比，篩選最適合的構建方法。此外，對核心種質(zhì)的研究大多集中在取樣策略和取樣規(guī)模上，對已構建的核心種質(zhì)的評價檢驗研究甚少，且大多集中在表型性狀遺傳多樣性的驗證方面，以后需加強蔬菜核心種質(zhì)評價方法、分子水平遺傳多樣性檢驗等方面的研究。

3.2.3 重視核心種質(zhì)庫的動態(tài)性 核心種質(zhì)庫并不是一成不變的。首先，由于構建初期收集材料并未窮盡該作物所有材料，在后期還需繼續(xù)補充新發(fā)現(xiàn)材料;其次，在構建過程中由于數(shù)據(jù)、構建方法等的原因?qū)е履承┎牧系倪z漏或重復，在后期的研究中要將此類遺漏材料及時收入，重復材料則置于保留種質(zhì)中保存;此外，核心種質(zhì)、保留種質(zhì)及初級核心種質(zhì)之間應是相互補充，相互完善的。

3.2.4 進一步加強科研合作 核心種質(zhì)的構建過程涉及到多個學科，包括生理學、遺傳學、生物化學、生態(tài)學、統(tǒng)計學、分子生物學等，因此，核心種質(zhì)構建需要多領域研究人員的參與。鑒于蔬菜種類繁多，各研究單位構建核心種質(zhì)時掌握的原始材料有限且材料的純度、數(shù)據(jù)記錄及處理標準、分析方法等都不盡相同，最終構建出的核心種質(zhì)也不會一樣，因此，需要多科研單位協(xié)作。在核心種質(zhì)構建初期，可以資源共享，以獲得更為全面的原始材料;對于已構建的核心種質(zhì)的，可以將各單位構建的核心種質(zhì)進行整合，以形成一個代表性更廣的統(tǒng)一的核心種質(zhì)。

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