木薯核心種質(zhì)的構(gòu)建

韋祖生，付海天，田益農(nóng)*

(1.廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所，廣西南寧 530001；2.廣西壯族自治區(qū)木薯研究所，廣西南寧 530001)

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木薯核心種質(zhì)的構(gòu)建

韋祖生1，2，付海天1，2，田益農(nóng)1，2*

(1.廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所，廣西南寧 530001；2.廣西壯族自治區(qū)木薯研究所，廣西南寧 530001)

摘要[目的]構(gòu)建木薯核心種質(zhì)。[方法]對161份木薯種質(zhì)的6個性狀參數(shù)值進(jìn)行分析、評價。[結(jié)果]建立了Minkowski 遺傳距離進(jìn)行質(zhì)心聚類分析，優(yōu)先取樣法(D2C5S3)適合木薯核心種質(zhì)構(gòu)建；獲得了木薯核心種質(zhì)25份，占原種質(zhì)的15%，能代表原有種質(zhì)的遺傳多樣性和完整性；同時也反映了供試木薯種質(zhì)的遺傳背景較狹窄，遺傳多樣性范圍相對較小，存在遺傳冗余現(xiàn)象。[結(jié)論]木薯核心種質(zhì)的構(gòu)建為木薯種質(zhì)資源保護(hù)和利用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞木薯；核心種質(zhì)；遺傳距離；聚類方法

作物種質(zhì)資源是作物新品種選育、特異種質(zhì)材料利用以及種質(zhì)創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)，其保護(hù)與利用是一個涉及到人力、財力和科學(xué)技術(shù)的復(fù)雜問題[1-3]。但隨著種質(zhì)資源的不斷收集和積累，種質(zhì)資源庫變得越來越龐大，極大地增加了管理和利用難度。因此，尋找、開發(fā)合適的種質(zhì)資源評價和保存方法迫在眉睫。

Frankel等[4]最早提出核心種質(zhì)(core collection)是保存種質(zhì)資源的一個核心子集，以最少數(shù)量的遺傳資源最大限度地保存整個資源群體的遺傳多樣性，同時代表了整個群體的地理分布。從概念上看，核心種質(zhì)應(yīng)包括該物種盡可能多的生態(tài)和遺傳多樣性，而不是全部種質(zhì)樣品的簡單代表和壓縮。國內(nèi)外相關(guān)研究表明，已經(jīng)構(gòu)建了谷類[5-7]、玉米[8]、豆類[9-10]、茶樹[11-12]、花卉[13-14]、木材[15-16]類等多種作物的核心種質(zhì)，并在相關(guān)研究領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。構(gòu)建作物核心種質(zhì)，無疑為解決當(dāng)前巨大的資源收集、保存、評價和利用之間所存在的突出矛盾提供了一個有效的方法。

木薯(ManihotesculentaCrantz)是全球三大重要薯類作物之一，是全球糧食安全的重要保障，特別是在熱帶發(fā)展中國家和地區(qū)，也是我國傳統(tǒng)的糧食儲備作物。木薯不但是淀粉和變性淀粉加工的主要原材料，近年來又在生物能源的開發(fā)和利用中占有重要地位[17-18]。木薯種質(zhì)資源數(shù)量大、變異多、生長周期長等因素，使得種質(zhì)評價和育種利用工作面臨著巨大困難，這就迫使研究工作向多元化發(fā)展，以獲得更優(yōu)化的評價體系[19]。利用分子標(biāo)記技術(shù)(EST-SSR、SNP和microsatellite-AFLP等)對木薯種質(zhì)資源進(jìn)行評價，能很好地揭示大量木薯種質(zhì)的遺傳背景，提高木薯傳統(tǒng)育種速度和篩選效率[20-21]。筆者研究了木薯核心種質(zhì)的構(gòu)建方法，旨在為木薯種質(zhì)資源保護(hù)和利用提供客觀、全面的依據(jù)，避免育種工作的盲目性和減少工作量，具有重要的理論與實踐意義。

1材料與方法

1.1試驗材料選用廣西木薯種質(zhì)資源圃保存的木薯材料共161份，于2014年4月在種質(zhì)圃基地進(jìn)行種植。

1.2試驗設(shè)計采用隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積4.0 m×5.0 m，株行距0.8 m×1.0 m，按正常栽培模式進(jìn)行田間管理。

1.3測定項目與方法參考李開綿等[22 ]研究結(jié)果，分別于2014年11月(①株高：植株地面到冠頂?shù)母叨?，cm；②分枝高度：自主莖的第一分叉處至地面的高度，cm；③主莖粗：游標(biāo)卡尺測量近地面10 cm處莖桿的直徑，cm；④主節(jié)密度：測定50 cm中部主莖的節(jié)數(shù)，個/50 cm)和 2014年12月(⑤產(chǎn)量：測取實收株數(shù)產(chǎn)量，折合單位面積產(chǎn)量，t/hm2；⑥淀粉含量：利用水比重法，雷蒙秤測定干物質(zhì)含量，%)，隨機(jī)抽取10株成熟的木薯植株進(jìn)行田間數(shù)據(jù)采集，計算各性狀平均值作為種質(zhì)原始數(shù)據(jù)。

1.4核心種質(zhì)構(gòu)建與評價參照相關(guān)研究結(jié)果[23-24 ]，采用Euclidean距離(D1)和 Minkowski 距離(D2)2種遺傳距離方法，6種聚類方法：組間聯(lián)接法(C1)、組內(nèi)聯(lián)接法(C2)、最遠(yuǎn)鄰元素法(C3)、最近鄰元素法(C4)、質(zhì)心聚類法(C5)和中位聚類法(C6)，3種取樣方法：隨機(jī)取樣(S1)、偏離取樣(S2)和優(yōu)先取樣(S3)，6種取樣比例：10%、15%、20%、25%、30%和35%，進(jìn)行分析，構(gòu)建核心種質(zhì)。選用4個核心種質(zhì)評價參數(shù)：均值差異百分?jǐn)?shù)(Mean difference percentage，MD)、方差差異百分率(Variance difference percentage，VD)、極差符合率(Coincidence rate of range，CR)和變異系數(shù)變化率(Changeable rate of coefficient variation，VR)，分別對核心種質(zhì)進(jìn)行代表性評價。以上參數(shù)均使用種質(zhì)的未標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，在MD<20%，VD、CR和VR均>80%的情況下，認(rèn)為構(gòu)建的核心種質(zhì)能夠代表原種質(zhì)的遺傳多樣性，且VD、CR和VR值越大就越能反映出核心種質(zhì)代表原種質(zhì)群體的遺傳多樣性?；谧顑?yōu)構(gòu)建方法，對核心種質(zhì)和原始種質(zhì)聚類樹狀圖進(jìn)行比對分析，評價、確認(rèn)核心種質(zhì)。

1.5數(shù)據(jù)處理和分析試驗數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 19.0、SAS 9.0(Duncan’s P<0.05)和Microsoft Excel 2016進(jìn)行處理、分析。

2結(jié)果與分析

2.1木薯性狀參數(shù)分析由表1可知，各性狀間均存在較大差異，不同性狀的變異程度不同，變異系數(shù)為8.02%～73.80%，其中，分枝高度變異系數(shù)達(dá)73.80%，主要是木薯株型存在直立型和分枝型；株高、主節(jié)密度、產(chǎn)量、主莖粗的變異系數(shù)分別為17.72%、16.97%、16.87%和13.66%；而淀粉含量的變異系數(shù)為8.02%，淀粉含量的平均值為26.27%。從各個性狀的極差和方差分析可以看出，不同材料性狀間均有較大差異，說明所選用的木薯材料遺傳多樣性分布范圍較廣，適合對其進(jìn)行構(gòu)建核心種質(zhì)的分析。

表1　161份木薯材料性狀參數(shù)分析

2.2構(gòu)建核心種質(zhì)子集分析分別用D1和D2代表2個遺傳距離，用C1、C2、C3、C4、C5和C6代表6個系統(tǒng)聚類方法，用S1、S2和S3代表3個取樣方法，在25%取樣比例[5，23]下抽取40份種質(zhì)，分別構(gòu)建了36個核心種質(zhì)的子集。由表2可知，36個核心子集的MD值為0.71%～3.23%，均<20.00%；且VD為112.37%～136.66%，CR值為80.16%～81.87%，VR為105.01%～117.63%，均>80.00%，符合構(gòu)建核心子集的評價標(biāo)準(zhǔn)，所構(gòu)建的核心種質(zhì)子集能代表原種質(zhì)群體的遺傳多樣性和完整性。

表2構(gòu)建核心種質(zhì)方法的差異性評價

Table 2Difference evaluation of construction method for core collection

%

接下表

2.3構(gòu)建核心種質(zhì)方法分析由表3可知，D2的評價參數(shù)MD、VD、CR和VR均值(1.91%、122.78%、84.43%和111.29%)體現(xiàn)最好，說明在木薯核心種質(zhì)構(gòu)建中用Minkowski 遺傳距離稍優(yōu)于Euclidean距離；聚類方法由優(yōu)到劣依次為C5、SC、SC1、C6、C4、C3，C5的評價參數(shù)MD、VD、CR和VR均值(2.05%、130.09%、83.89%和113.90%)體現(xiàn)最好，說明在木薯核心種質(zhì)構(gòu)建中質(zhì)心聚類法優(yōu)于其他5種取樣法；取樣方法由優(yōu)到劣依次為S3、S2、S1，S3的評價參數(shù)MD、VD、CR和VR均值(2.18%、124.81%、82.88%和111.80%)體現(xiàn)最好，說明在木薯核心種質(zhì)構(gòu)建中優(yōu)先取樣法優(yōu)于其他3種取樣法。由此可見，在25%的取樣比例下，應(yīng)用Minkowski 遺傳距離進(jìn)行質(zhì)心聚類分析，應(yīng)用優(yōu)先取樣法進(jìn)行取樣(D2C5S3)適合構(gòu)建木薯核心種質(zhì)。

表3　構(gòu)建核心種質(zhì)最優(yōu)方法評價

2.4構(gòu)建核心子集取樣比例分析在確定最優(yōu)方法下，按10%、15%、20%、25%、30%和35%取樣比例[5，7，14-16，25 ]，構(gòu)建了6個核心種質(zhì)子集進(jìn)行取樣比例的評價。由表4可知，10%取樣比例CR<80%，不符合構(gòu)建評價標(biāo)準(zhǔn)，其他取樣比例構(gòu)建核心種質(zhì)均能代表原始種質(zhì)的遺傳多樣性。隨著取樣比例的增加，MD、VD和CR逐漸減小，而VR逐漸增大。15%取樣比例的評價參數(shù)MD、VD、CR和VR均值(6.91%、168.44%、83.12%和121.49%)體現(xiàn)最好，VD和CR均最大，取樣比例由優(yōu)到劣依次為15%、20%、30%、25%、35%，由此可知，15%取樣比例適合構(gòu)建木薯的核心種質(zhì)。在Minkowski遺傳距離下應(yīng)用15%優(yōu)先取樣方法結(jié)合質(zhì)心聚類法，構(gòu)建了25份木薯核心種質(zhì)；同時也說明161份木薯種質(zhì)材料中的85%(136份)具有高度的性狀相似性，遺傳冗余程度大，遺傳背景較狹窄，遺傳多樣性范圍相對較小。

2.5核心種質(zhì)的評價通過對核心種質(zhì)和原種質(zhì)的6個性狀指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性(DUNCAN'S，P<0.05)分析發(fā)現(xiàn)，不同種質(zhì)群體的相同性狀指標(biāo)間均無顯著性差異，說明核心種質(zhì)和原種質(zhì)的性狀具有高度相似性，能很好地代表原種質(zhì)的遺傳多樣性。由圖1可知，原始種質(zhì)較多地密集分布于單一組內(nèi)，表明這些種質(zhì)存在高度遺傳相似性，同時也反映了遺傳冗余程度大；而核心種質(zhì)的聚類樹狀圖則反映了材料間的遺傳相似度較低，分類明確，2個聚類樹狀圖在相同遺傳距離分組具有極大的相似性，該研究結(jié)果與劉寧寧[23]的研究結(jié)果一致，說明能很好地保存原種質(zhì)的群體結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性，同時也能體現(xiàn)核心種質(zhì)的準(zhǔn)確性和使用性。

表4不同取樣比例構(gòu)建核心種質(zhì)的差異性評價

Table 4Difference evaluation of sampling percentage for core collection

取樣比例Samplingpercentage%平均值差異百分率MDPercentageofmeandifference方差差異百分率VDPercentageofvariancedifferences極差符合率CRCoincidencerateofrange變異系數(shù)變化率VRChangerateofvariablecoefficient108.90204.8979.62130.64156.91168.4483.12121.49205.82144.7483.12113.33255.12139.6085.73111.76302.64136.5191.64112.72352.69124.2791.64107.91

3結(jié)論與討論

木薯是高度雜合、多樣性豐富、遺傳背景復(fù)雜的作物群體，構(gòu)建核心種質(zhì)也就需多性狀綜合評價。該研究采用SPSS 19.0系統(tǒng)對161份木薯種質(zhì)資源的6個性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首次構(gòu)建了木薯核心種質(zhì)25份，占原種質(zhì)的15%，能代表原有種質(zhì)的遺傳多樣性和完整性；同時也反映了供試木薯種質(zhì)的遺傳背景較狹窄，遺傳多樣性范圍相對較小。這就需要進(jìn)一步增加原始種質(zhì)群體的數(shù)量，擴(kuò)大遺傳背景，通過增加性狀數(shù)量和結(jié)合分子標(biāo)記數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，提高建核心種質(zhì)構(gòu)建的準(zhǔn)確性和完整性。

對于核心種質(zhì)的數(shù)量性狀代表性如何評估，國內(nèi)外尚缺乏統(tǒng)一判斷標(biāo)準(zhǔn)，主成分分析在核心種質(zhì)的構(gòu)建、評價和結(jié)果分析方面均有應(yīng)用；但某些數(shù)量性狀是單獨的衡量指標(biāo)，與其他性狀之間的相關(guān)性較低，不適合進(jìn)行主成分分析，或者應(yīng)用主成分值丟失的信息較多，結(jié)果不夠準(zhǔn)確[26]。該研究認(rèn)為，種質(zhì)一般都是數(shù)量較大的有限總體，核心種質(zhì)為某種抽樣群體，不管該性狀是否服從正態(tài)分布，皆具有一定的分布特征，平均數(shù)為數(shù)據(jù)的代表值，表示核心種質(zhì)中觀察值的中心位置，并可作為核心種質(zhì)的代表而與原有資源群體相比較，以明確兩者之間的相差情況。

在作物種質(zhì)資源收集、評價、保護(hù)與應(yīng)用研究中，構(gòu)建核心種質(zhì)是一個長期的動態(tài)過程[27-28]。首先，核心種質(zhì)的構(gòu)建有助于了解現(xiàn)有種質(zhì)資源遺傳多樣性的組成特點和分布狀況，及其潛在的利用價值，進(jìn)而對于今后種質(zhì)資源的引種、收集工作，包括引種方向、類型、數(shù)量等的確定具有重要的指導(dǎo)作用。其次，核心種質(zhì)的構(gòu)建可以有效地加強(qiáng)和實現(xiàn)對重點材料的保護(hù)和管理，避免了優(yōu)異種質(zhì)和基因的丟失。第三，能夠采用一系列先進(jìn)手段和方法針對核心種質(zhì)進(jìn)行重要性狀遺傳規(guī)律的研究，以及優(yōu)異種質(zhì)、基因的篩選與克隆，增強(qiáng)育種工作的導(dǎo)向性和預(yù)見性，避免盲目性。

圖1　木薯核心種質(zhì)(25份)聚類樹狀圖(a)和原種質(zhì)(161份)聚類樹狀圖(b)比較Fig.1　Comparison of clustering tree diagram of 25 core collections(left)with the161 original germplasms(right)of M.esculenta

作物種質(zhì)資源的多樣性和育種目標(biāo)的多樣化決定了核心種質(zhì)研究的重點和目的不同。重要農(nóng)藝性狀狀核心種質(zhì)構(gòu)建，對挖掘優(yōu)異基因、提高育種效率和種質(zhì)資源利用率具有重要意義。

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Construction of the Core Collection ofManihotesculentaCrantz

WEI Zu-sheng1,2, FU Hai-tian1,2, TIAN Yi-nong1,2*

(1. Guangxi Sub-tropical Crops Research Institute, Nanning, Guangxi 530001; 2. Guangxi Cassava Research Institute Nanning, Guangxi 530001)

Abstract[Objective] To construct the core collection of Manihot esculenta Crantz. [Method] The six trait parameters of 161 germplasms of M. esculenta were analyzed and evaluated. [Result] Core collection cluster analysis of Minkowski genetic distance was established. Preferred sampling method (D2C5S3) was suitable for the construction of the core collection of M. esculenta. 25 core collections were obtained, which accounted for 15% of the original core collection and represented the genetic diversity and integrity of original germplasms. At the same time, it was found out that the genetic background was narrow, with the phenomenon of genetic redundancy. [Conclusion] Construction of the core collection of M. esculenta provides theoretical foundation for the protection and utilization of M. esculenta germplasms.

Key wordsCassava; Core collection; Genetic distance; Clustering method

基金項目廣西科技開發(fā)計劃項目(14123006-33)；國家木薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-15-gxtyn)；農(nóng)業(yè)部南亞辦種質(zhì)資源保護(hù)專項(15RZZY-33)。

作者簡介韋祖生(1981- )，男，廣西貴港人，助理研究員，碩士，從事作物種質(zhì)評價和遺傳育種研究。*通訊作者，高級農(nóng)藝師，從事木薯育種與栽培技術(shù)研究。

收稿日期2016-03-14

中圖分類號S 533

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-022-04