陜棉抗病種質(zhì)及其衍生品種的遺傳多樣性與群體結(jié)構(gòu)研究

邢澤農(nóng), 蔣 雷, 賀道華*, 邢宏宜, 雷忠萍

(1 寶雞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，陜西岐山 722400；2 西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西楊陵 712100；3 西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊陵 712100)

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陜棉抗病種質(zhì)及其衍生品種的遺傳多樣性與群體結(jié)構(gòu)研究

邢澤農(nóng)1,2, 蔣 雷2, 賀道華2*, 邢宏宜2, 雷忠萍3

(1 寶雞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，陜西岐山 722400；2 西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西楊陵 712100；3 西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊陵 712100)

通過72個(gè)分布于棉花全基因組的SSR標(biāo)記，對(duì)54份陜棉抗病種質(zhì)及其衍生品種的遺傳多樣性與群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：(1)54份陜棉種質(zhì)間的遺傳相似系數(shù)在0.733 3～0.987 2之間，其中材料間相似系數(shù)≤0.90的占11.1%，相似系數(shù)≥0.95的占55.6%，相似系數(shù)在0.90～0.95的占33.3%。(2)72個(gè)SSR標(biāo)記等位基因變異的多態(tài)性信息含量(PIC值)在0.04～0.68，平均為0.33。(3)基于遺傳距離的UPGMA聚類分析顯示，在遺傳相似系數(shù)為0.877時(shí)將54個(gè)品種分為5類，第Ⅰ類44個(gè)品種，第Ⅲ類7個(gè)品種，第Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ類各1個(gè)品種。(4)基于數(shù)學(xué)模型的聚類和群體結(jié)構(gòu)分析顯示，54份種質(zhì)歸屬于4個(gè)組群。研究認(rèn)為，54份材料間遺傳相似系數(shù)較大，遺傳基礎(chǔ)比較狹窄，多樣性很低。

棉花；抗病種質(zhì)；SSR；遺傳多樣性；群體結(jié)構(gòu)

枯萎病和黃萎病是危害棉花最為嚴(yán)重的兩種病害，嚴(yán)重影響了棉花生產(chǎn)。為了經(jīng)濟(jì)有效地控制棉花枯、黃萎病，西北農(nóng)林科技大學(xué)(原陜西省棉花研究所)采用多種雜交方法，通過在發(fā)重病且均勻的枯、黃萎病混生病圃連續(xù)選擇，創(chuàng)造出高抗枯、黃萎病的材料，先后育成一批抗病能力強(qiáng)且綜合性狀優(yōu)良的種質(zhì)，如‘陜棉4號(hào)’、‘陜棉5號(hào)’、‘陜401’、‘陜1155’等[1]。這些陜棉抗病種質(zhì)被全國棉花育種單位用作親本或系統(tǒng)育種的原始材料，育成廣為種植的品種60余個(gè)，如‘86-1’、‘晉棉7號(hào)’、‘中棉所17’、‘中棉所19’、‘中棉所23’(被導(dǎo)入抗蟲基因育成‘中棉所41’)、‘中棉所35’等[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，陜棉抗病種質(zhì)及其衍生品種在中國累計(jì)種植0.2×109hm2，取得巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益[1]。

國內(nèi)外利用DNA分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)棉花抗病品種的遺傳多樣性已經(jīng)做了大量的研究[4-8]，結(jié)果表明：中國供試抗病品種群體的遺傳基礎(chǔ)較為狹窄，基于分子標(biāo)記的類群劃分與品種系譜來源有較強(qiáng)的相關(guān)性。徐秋華等[6]研究表明中國抗枯萎病棉花品種之間的相似性較高，認(rèn)為其原因在于中國陸地棉品種資源整體上遺傳多樣性水平低下，以及抗病品種資源狹窄的遺傳基礎(chǔ)。劉文欣等[9]研究顯示：陸地棉品種的多樣性低于棉屬的其他品種，陸地棉栽培品種的遺傳基礎(chǔ)較為狹窄，且中國自育陸地棉品種的遺傳基礎(chǔ)窄于國外引進(jìn)品種。諸多的研究一方面說明了分子標(biāo)記在遺傳多樣性研究上的重要價(jià)值，另一方面也顯示了陸地棉品種間很低的多樣性，尤其是在同一個(gè)國家或地區(qū)內(nèi)。

在棉花種質(zhì)研究方面，利用分子標(biāo)記研究抗病種質(zhì)的遺傳多樣性雖然已屢見不鮮[10]，但利用均勻來自全基因組的DNA分子標(biāo)記同時(shí)研究陜棉血統(tǒng)的抗病種質(zhì)的遺傳多樣性及群體遺傳結(jié)構(gòu)，在分子水平上明確該群體的遺傳基礎(chǔ)，在國內(nèi)外還鮮見報(bào)道。本研究選用已被定位且廣泛分布于棉花基因組的各染色體框中SSR標(biāo)記，系統(tǒng)地分析陜棉抗病種質(zhì)及其衍生品種的群體遺傳結(jié)構(gòu)及遺傳多樣性水平，了解陜棉血統(tǒng)抗病種質(zhì)的遺傳分化，將有助于拓寬棉花抗病遺傳基礎(chǔ)、發(fā)掘抗病基因和改良棉花抗病品種。

1 材料和方法

1.1 供試材料

本實(shí)驗(yàn)取20世紀(jì)60年代以來在生產(chǎn)上被大面積種植的陜棉抗病種質(zhì)，以及應(yīng)用陜棉抗病種質(zhì)育成的衍生抗病品種，衍生品種只取至第三輪。其中陜棉抗病種質(zhì)9個(gè)，衍生品種45個(gè)，共54份材料(表1)，均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供。

表1 54份陸地棉品種系譜來源

續(xù)表1 Continued Table 1

序號(hào)No材料Accessions系譜來源Pedigreesource13川抗414Chuankang41川364×陜401Chuan364×Shaan40114遼棉10Liaomian10陜32-15選系LineselectedfromShaan32-1515中6331Zhong6331(中7-198×陜32-15)×冀棉1號(hào)→5691(Zhong7-198×Shaan32-15)×Jimian1→569116冀合321Jihe321陜棉4號(hào)×陜3765→冀75-7×75-23Shaanmian4×Shaan3765→Ji75-7×75-2317陜3619Shaan3619(55-90×岱字棉)×(徐州209×岱福棉)→F1×陜棉3號(hào)(55-90×Deltapine)×(Xuzhou209×DeltapineFoster)→F1×Shaanmian318鹽棉48Yanmian48陜棉5號(hào)→86-1×魯棉1號(hào)Shaanmian5→86-1×Lumian119晉棉13號(hào)Jinmian13[(晉棉4號(hào)×陜棉5號(hào)→79-105)×岱字棉SR-1]×冀1724[(Jinmian4×Shaanmian5→79-105)×DeltapineSR-1]×Ji172420冀棉11號(hào)Jimian11(冀邯4號(hào)×珂字4104)→F2×74育102(Jihan4×Coker4104)→F2×74Yu10221冀棉3號(hào)Jimian3陜棉10號(hào)×中長1號(hào)→陜2319Shanmian10×Zhongchang1→Shaan231922江蘇棉1號(hào)Jiangsumian1陜棉5號(hào)→86-1Shaanmian5→86-123魯1024Lu1024山東129×陜5245Shandong129×Shaan524524陜5012Shaan5012陜401選系LineselectedfromShaan40125川73-27Chuan73-27陜棉4號(hào)選系LineselectedfromShaanmian426豫棉1號(hào)Yumian1陜棉4號(hào)×劉莊1號(hào)Shaanmian4×Liuzhuang127魯棉研16Lumianyan16中棉所12×(泗棉1號(hào)×陜棉9號(hào)→鹽抗76-75×791→泗棉3號(hào))CRI12×(Simian1×Shaanmian9→Yankang76-75×791→Simian3)28綿陽83-21Mianyang83-21洞庭1號(hào)×陜3563Dongting1×Shaan356329陜3215Shaan3215陜401選系LineselectedfromShaan40130鹽抗7305Yankang7305新棉4號(hào)×陜棉4號(hào)Xinmian4×Shaanmian431江蘇棉3號(hào)Jiangsumian3(陜棉4號(hào)×劉莊1號(hào)→新291)×77-369(Shaanmian4×Liuzhuang1→Xin291)×77-36932李臺(tái)8號(hào)Litai8中棉所7×陜棉9號(hào)CRI7×Shaanmian93386-3陜1155×632-124Shaan1155×632-12434陜954Shaan954陜棉6號(hào)選系LineselectedfromShaanmian635湘棉10號(hào)Xiangmian10(岱紅岱×陜棉4號(hào))×岱紅岱(DeltRedDelt×Shaanmian4)×DeltRedDelt3686-4岱字棉16×(陜棉5號(hào)→86-1)Deltapine16×(Shaanmian5→86-1)37石無16Shiwu16[豫無19×(河南69×陜5245)]→豫棉2號(hào)[Yuwu19×(Henan69×Shaan5245)]→Yumian238冀植17Jizhi17遼632-125×(陜棉10號(hào)×冀棉1號(hào))Liao632-125×(Shaanmian10×Jimian1)39陜8092Shaan8092遼642×陜棉10號(hào)Liao642×Shaanmian1040運(yùn)1729Yun1729岱4067×[(86-1×貝無)×(中棉所3號(hào)×斯字棉7A)Deltapine4067×[(86-1×Beiwu)×(CRI3×Stoneville7A)]41蘇棉12Sumian128004×(陜棉4號(hào)×陜棉6號(hào)→冀75-7×75-23→冀合328)8004×(Shaanmian4×Shaanmian6→Ji75-7×75-23→Jihe328)42豫79-10Yu79-10(岱字棉×中棉所7號(hào))×(陜棉5號(hào)→86-1)(Deltapine×CRI7)×(Shaanmian5→86-1)43豫棉16Yumian16[(中棉所3號(hào)×陜棉4號(hào)→豫抗1號(hào))×商丘66]×冀棉366[(CRI3×Shaanmian4→Yukang1)×Shangqiu66]×Jimian36644陜81-1Shaan81-1遼6913×陜1155Liao6913×Shaan115545陜401Shaan401陜棉3號(hào)Shaanmian346豫棉8號(hào)Yumian8豫3478×陜1155→豫3009×混合花粉Yu3478×Shaan1155→Yu3009×Manymales47陜3563Shaan3563陜2021選系LineselectedfromShaan202148泗棉3號(hào)Simian3泗棉1號(hào)×陜棉9號(hào)→鹽抗76-75×泗陽791Simian1×Shaanmian9→Yankang76-75×Siyang79149陜5245Shaan5245陜棉4號(hào)×陜棉6號(hào)Shaanmian4×Shaanmian650豫抗1號(hào)Yukang1中棉所3號(hào)×陜棉4號(hào)CRI3×Shaanmian451冀合232Jihe232(冀無303×3016→F2)×3016(Jiwu303×3016→F2)×301652豫棉2號(hào)Yumian2豫無19×(河南69×陜5245)Yuwu19×(Henan69×Shaan5245)53中棉所15CRI156429×(陜棉5號(hào)→86-1)6429×(Shaanmian5→86-1)54晉棉14Jinmian14汾無195×陜1155Fenwu195×Shaan1155

1.2 方 法

1.2.1 棉花基因組DNA提取 摘取幼嫩葉片，采用修改的CTAB法提取基因組DNA[11]，利用Beckman DU800紫外光分光光度計(jì)對(duì)DNA純度和濃度進(jìn)行檢測，以λDNA作對(duì)照，通過0.8%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)一步確定其濃度和質(zhì)量。

1.2.2 SSR分析 根據(jù)已公開發(fā)表的遺傳圖譜[12-13]，從每個(gè)連鎖群上不同的標(biāo)記框[13]中選擇SSR標(biāo)記。從26個(gè)連鎖群上選擇出72個(gè)標(biāo)記，由上海捷瑞生物工程有限公司進(jìn)行引物合成，SSR分析所用試劑由北京全式金公司提供。PCR反應(yīng)總體系為15 μL，包含基因組DNA(20 ng/μL)5 μL，10× Buffer (含Mg2+) 1.5 μL，10 mmol/L的dNTPs 0.6 μL，Taq DNA聚合酶(5U/μL) 0.21 μL，ddH2O 6.49 μL，正反引物(25 μmol/L)各0.6 μL。SSR反應(yīng)程序?yàn)椋?5 ℃預(yù)變性3 min；94 ℃ 45 s, 55 ℃ 45s, 72 ℃ 1 min, 35個(gè)循環(huán)；72 ℃延伸10 min；4 ℃保存。擴(kuò)增后的產(chǎn)物與10 μL的上樣緩沖液混合，95 ℃變性6 min，立即轉(zhuǎn)移至冰水浴冷卻。采用變性聚丙烯酰胺凝膠(6%)電泳對(duì)SSR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行分離，75 W恒功率電泳1 h。電泳后銀染顯帶、晾干照相并記讀帶型。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 根據(jù)電泳結(jié)果記錄清晰可重復(fù)的條帶，采取0/1賦值計(jì)帶，觀察擴(kuò)增條帶的有無，有則記為“1”，無則記為“0”，并根據(jù)DNA Marker推測并記錄該條帶的長度(bp)。SSR標(biāo)記的多態(tài)性信息含量(PIC)根據(jù)所有材料中等位基因出現(xiàn)的頻率計(jì)算，具體公式為：

PIC= 1 -∑(Pi)2

其中，Pi表示第i個(gè)等位基因出現(xiàn)的頻率。利用NTSYS-pc (Ver 2.1)軟件[14]處理SSR分型數(shù)據(jù)，計(jì)算兩兩品種間的遺傳相似系數(shù)(GS)，采用離差平方和方法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。

為了估測該群體的遺傳結(jié)構(gòu)，應(yīng)用Structure 2.3.1軟件[15]，進(jìn)行基于數(shù)學(xué)模型的類群劃分，并計(jì)算54份材料相應(yīng)的Q值(第i材料其基因組變異源于第k群體的概率)。先設(shè)定群體數(shù)目(K)為1～10，并假定位點(diǎn)都是獨(dú)立的，對(duì)72個(gè)SSR位點(diǎn)的分型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將MCMC開始時(shí)的不作數(shù)迭代設(shè)為10 000次, 再將不作數(shù)迭代后的MCMC設(shè)為100 000次, 然后依據(jù)似然值LnP(D)最大的原則選取一個(gè)合適的K值，并繪出基于模型的群體遺傳結(jié)構(gòu)圖[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 SSR標(biāo)記的多態(tài)性分析

供試的72對(duì)SSR引物共擴(kuò)增出176條多態(tài)性條帶，平均每對(duì)SSR引物擴(kuò)增2.44條多態(tài)性條帶(表2)，其中以CGR6905、CGR5396與BNL3860最少，為1條多態(tài)性條帶；以CGR6185與BNL3442最多，為4條多態(tài)性條帶。這說明，在CGR6185和BNL3442的擴(kuò)增區(qū)域上，品種間遺傳多態(tài)性比較豐富。SSR位點(diǎn)的多態(tài)性信息含量(PIC)范圍為0.04～0.68之間，平均多態(tài)性信息含量為0.33,其中PIC≥ 0.6的標(biāo)記有8個(gè)，占11%?？偟膩砜矗x用的SSR引物在本試驗(yàn)群體中多態(tài)性信息含量不高，品種間在被檢測SSR位點(diǎn)上，變異的頻率不高，遺傳多樣性比較低。另外，在研究的過程中，通過擴(kuò)增條帶與Marker的比較分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)SSR擴(kuò)增片段的長度較小，且都集中在100～450 bp之間。

表2 SSR標(biāo)記在染色體框中的分布、擴(kuò)增情況和多態(tài)性信息含量

續(xù)表2 Continued Table 2

SSR引物SSRprimer染色體框BinNo.多態(tài)性條帶Polymorphicband總條帶Amplicon多態(tài)性信息含量PICSSR引物SSRprimer染色體框BinNo.多態(tài)性條帶Polymorphicband總條帶Amplicon多態(tài)性信息含量PICCGR5083Ch05_09230.24CGR5740_2Ch20_05220.04CGR5108Ch06_02220.62CGR5565aCh20_07340.68CGR5879Ch07_01220.26CGR5412Ch21_01120.20CGR5372Ch07_05230.32CGR5938Ch21_02220.11BNL3474Ch08_06230.50BNL3171Ch21_03230.49CGR5515Ch08_09220.21CGR6804Ch21_05220.23BNL4053Ch09_01220.08CGR6377Ch23_04220.62CGR5349Ch10_01220.29CGR6377Ch23_04230.52DC20027Ch10_02220.37CGR5694Ch23_05220.55BNL2960Ch10_03230.59BNL3860Ch24_02230.20BNL3442Ch11_02230.60CGR6147Ch24_07230.31CGR5667aCh05_01,Ch22_04220.42CGR5396Ch07-06,Ch16_11230.32BNL4030Ch05_03,Ch19_01230.54CGR5565aCh10_08,Ch20_07220.62BNL3090Ch05_08,Ch19_10230.21BNL2895Ch11_06,Ch21_06220.21BNL3594Ch06_04,Ch25_02240.15CGR6254aCh12_07,Ch26_07230.29CGR5396Ch07_06,Ch16_11230.04CGR5576bCh13_02,Ch17_01220.46CGR5181Ch07_06,Ch16_11220.35CGR5106Ch15_07,Ch20_08220.58CGR5796Ch16_02220.24BNL3103Ch25_03230.53CGR6083Ch16_03230.65BNL3103Ch25_03220.24BNL2986Ch16_08230.49CGR6932Ch25_05230.17BNL2986Ch16_08220.61CGR6679Ch25_07220.18CGR5729Ch17_01220.34CGR6880Ch26_04220.11CGR5670Ch13_09220.18BNL3871230.23BNL3932Ch14_02220.11BNL3246220.08BNL3259Ch14_03230.34BNL3511220.24BNL3644Ch14_08220.37BNL3778220.58BNL3902Ch15_03230.26BNL3993220.46CGR5826Ch15_05220.20BNL4047220.15CGR6129Ch15_07230.32BNL2896230.58

2.2 基于遺傳距離的聚類

利用軟件NTSYS-pc2.1計(jì)算材料兩兩間的相似系數(shù)，54個(gè)陸地棉品種之間成對(duì)相似系數(shù)在0.733 3～0.987 2之間，其平均遺傳相似系數(shù)為0.898。其中，相似系數(shù)小于0.90的為11.1%，相似系數(shù)大于0.95的占55.6%，相似系數(shù)在0.90～0.95之間的占33.3%，這說明這批品種間遺傳相似系數(shù)較大，其親緣關(guān)系比較近，遺傳基礎(chǔ)比較狹窄。

由聚類結(jié)果(圖1,A)可看出，在相似系數(shù)為0.877時(shí)，可將該群體分為5大類，第Ⅰ類包括44個(gè)品種，第Ⅱ類只有‘陜401’ 1個(gè)品種，第Ⅲ類包括7個(gè)品種，第Ⅳ類包括‘中棉所15’ 1個(gè)品種，最后，由‘晉棉14’獨(dú)聚一類，為第V類。在相似系數(shù)為0.887處又可將第Ⅰ類分為3個(gè)亞類，第Ⅰ-1亞類包括了37個(gè)品種，第Ⅰ-2亞類包含6個(gè)品種，第Ⅰ-3類只有1個(gè)品種(陜81-1)。圖1,A顯示，近67%陸地棉品種間遺傳相似系數(shù)大于0.90，這說明絕大多數(shù)以陜棉抗病種質(zhì)及其衍生品種間遺傳多樣性非常低，其親緣關(guān)系很近。

根據(jù)聚類分析結(jié)果，54個(gè)品種中晉棉14單獨(dú)聚為一類，與其它品種的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。但是查閱系譜圖可知，‘晉棉14’和‘陜81-1’的直接父本都是‘陜1155’，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是由于在長期育種和種植的過程中‘晉棉14’發(fā)生了某些變異，使得‘晉棉14’在聚類時(shí)單獨(dú)成為一類。

A. 54個(gè)棉花材料根據(jù)Jaccard’s相似系數(shù)所得的UPGMA聚類圖; B. 同UPGMA聚類圖的排列順序所繪群體遺傳結(jié)構(gòu)；C. 根據(jù)Q值來排列的群體遺傳結(jié)構(gòu)圖1 54個(gè)陜棉抗病種質(zhì)及衍生品系的遺傳距離聚類(A)和模型聚類(B, C)結(jié)果比較A. UPGMA dendrogram based on Jaccard’s similarity coefficients of the 54 cotton accessions; B. Bar plot of the genetic composition of individual lines, based on SSR data by using admixture model in Structure 2.3.1, sorted by accession No in the left UPGMA dendrogram; C. Sort by QFig. 1 Dendrogram of the 54 ShaanResistance cotton collection and derived accession based on distance-based cluster (A) and model-based cluster method (B, C)

2.3 基于數(shù)學(xué)模型的聚類和遺傳結(jié)構(gòu)分析

通過基于數(shù)學(xué)模型的類群劃分可以看出：當(dāng)組群數(shù)(K)在1～10之間時(shí)，LnP(D)值持續(xù)增大，但當(dāng)K=4及K>4時(shí)，α值趨向穩(wěn)定，說明馬爾可夫鏈(Markov chain)在K=4時(shí)開始收斂(圖2)。根據(jù)Δk最大值，可以推測K值為4，根據(jù)Evanno等[16]描述的方法推斷出54份陜棉及衍生品系中存在4大組群，組群A包含11份資源，組群B包含14份資源，組群C包含18份資源，組群D包含11份資源(表3)。

根據(jù)群體結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果，利用Structure 2.3.1軟件，每份資源以豎直細(xì)線條表示(圖1，B和C)，紅(組群A)、綠(組群B)、藍(lán)(組群C)、黃(組群D)4色分別代表組群趨向。組群A以‘陜棉3號(hào)’、‘陜棉4號(hào)’同‘中棉所3號(hào)’雜交衍生的系統(tǒng)為主，也包含‘陜3619’、‘陜3719’、‘陜2021’等血統(tǒng)；組群B以‘陜棉3號(hào)’、‘陜棉4號(hào)’、‘陜1155’同‘徐州1818’、‘中長1號(hào)’雜交衍生的系統(tǒng)為主，組群C以‘陜棉3號(hào)’、‘陜棉4號(hào)’、‘陜401’同‘徐州209’、‘彭澤1’雜交衍生的系統(tǒng)為主，組群D以‘陜棉6號(hào)’、‘陜1155’同‘中棉所3號(hào)’雜交衍生的系統(tǒng)為主。圖中顯示，紅色線條中幾乎全部含有‘陜棉3號(hào)’、‘陜棉4號(hào)’和‘中棉所3號(hào)’的血統(tǒng)；綠色線條在所有的品種中都有大量分布，但在‘陜1155’、‘陜棉3號(hào)’、‘陜棉4號(hào)’同‘徐州1818’的衍生品系中占比例最大；‘陜棉3號(hào)’、‘陜棉4號(hào)’、‘陜401’同‘徐州209’、‘彭澤1’雜交衍生的系統(tǒng)中藍(lán)色占絕對(duì)優(yōu)勢。圖中信息表明，54份陜棉抗病種質(zhì)資源間分界十分明顯，屬于截然不同的組群，其組群劃分取決于育成親本以及地域來源；以中棉所品種或以其為材料與陜棉品種所育成的衍生品種另形成一個(gè)組群。

A.ΔK的變化曲線； B. 20次重復(fù)的Ln P(D)變化圖圖2 陜棉抗病種質(zhì)及衍生品系的最適群體結(jié)構(gòu)(K值)估測A. Change curve in the log probability of data between successive K-value (ΔK)； B. Mean Ln P(D) (±SD) over 20 runs for each K valueFig. 2 Calculation of true K of ShaanResistance cotton collection and derived accessions

品種序號(hào)No組群AClusterA組群BClusterB組群CClusterC組群DClusterD歸屬群Belong品種序號(hào)No組群AClusterA組群BClusterB組群CClusterC組群DClusterD歸屬群Belong10.2220.0940.5840.1ClusterC280.0560.0340.8620.048ClusterC20.3910.0520.4170.14ClusterC290.0490.0570.7690.125ClusterC30.4180.0480.4330.101ClusterC300.2410.2580.2090.292ClusterD40.0290.2610.590.119ClusterC310.0460.740.0170.196ClusterB50.0460.1720.6650.117ClusterC320.010.470.0140.506ClusterD60.2470.3810.2500.122ClusterB330.0080.6960.0780.218ClusterB70.0280.3370.5260.108ClusterC340.0050.6990.0710.225ClusterB80.0440.5000.3000.156ClusterB350.0490.5160.0220.413ClusterB90.4010.1180.430.051ClusterC360.0180.4490.2790.253ClusterB100.3130.3600.2090.118ClusterB370.0150.1950.0460.744ClusterD110.0190.0630.8460.072ClusterC380.9750.010.0070.007ClusterA120.2470.3810.2500.122ClusterB390.9660.0090.0090.016ClusterA130.0310.3950.4670.106ClusterC400.8260.0230.0740.077ClusterA140.430.1520.1870.231ClusterA410.9460.0140.0230.017ClusterA150.0130.2310.0680.687ClusterD420.7490.0070.1650.078ClusterA160.0520.6610.0590.228ClusterB430.6490.0080.260.083ClusterA170.5140.3360.0330.118ClusterA440.020.2550.0670.658ClusterD180.1210.5180.0440.316ClusterB450.2930.3370.0270.343ClusterD190.0090.4270.4350.129ClusterC460.0230.0310.8540.093ClusterC200.8550.0250.10.02ClusterA470.50.0490.3680.083ClusterA210.0480.4430.3750.134ClusterB480.0120.4990.2340.255ClusterB220.050.3340.4950.121ClusterC490.0120.340.010.639ClusterD230.0150.7110.0620.212ClusterB500.0340.2780.0160.672ClusterD240.0120.1120.7420.134ClusterC510.0110.2910.0360.662ClusterD250.0140.0180.9060.063ClusterC520.4440.1630.1090.285ClusterA260.0160.0470.8380.099ClusterC530.0630.2830.1080.546ClusterD270.0760.020.8740.031ClusterC540.1260.1820.0550.637ClusterD

2.4 遺傳距離聚類和模型聚類結(jié)果差異比較

對(duì)比圖1，A、B和C發(fā)現(xiàn), 2種聚類方法劃分的類群存在一定差異, 但模型聚類法能將遺傳距離聚類中類群歸屬不明確的5個(gè)品種(‘豫棉2號(hào)’、‘中棉所15’、‘晉棉14’、‘陜81-1’和‘陜401’)明確劃分到相應(yīng)類群。2種聚類方法中有14個(gè)品種的類群歸屬不一致，其中，7個(gè)品種在距離聚類中都屬于第I類，而在模型聚類中根據(jù)最大Q值則分別屬于組群A(‘遼棉10’和‘冀棉11號(hào)’)、組群B(‘冀合321’、‘鹽棉48’、‘冀棉3號(hào)’和‘魯1024’)和組群D(‘中6331’)。4個(gè)品種(‘豫棉8號(hào)’、‘陜3563’、‘泗棉3號(hào)’和‘豫棉2號(hào)’)在距離聚類中都屬于第Ⅱ類，而在模型聚類中根據(jù)最大Q值則分別屬于組群C、組群A、組群B、組群A群。可見，第Ⅱ類群的品種易在2種聚類結(jié)果中發(fā)生類群歸屬變動(dòng)。

3 討 論

陜棉抗病種質(zhì)因其抗性強(qiáng)，綜合性狀優(yōu)良，在中國枯、黃萎病流行的棉區(qū)廣為種植，直接控制了病害的爆發(fā)。另外，因抗病性遺傳力高，陜棉抗病種質(zhì)被國內(nèi)各育種單位用作抗源親本，培育出一系列的突破性品種，如‘中棉所17’、‘中棉所19’、‘86-1’等。為挖掘陜棉抗病種質(zhì)及其衍生品種的特點(diǎn)，為今后更充分地利用陜棉抗病種質(zhì)以及新抗源的創(chuàng)制，本研究選擇了陜棉抗病種質(zhì)及其衍生品種作為研究對(duì)象，利用SSR標(biāo)記研究其遺傳多樣性及其群體結(jié)構(gòu)。從已發(fā)表的遺傳圖譜上選擇了72對(duì)均勻分布于全基因組上的SSR標(biāo)記，可以初步探析54份棉花品種間在全基因組水平上的差異和多樣性。通過SSR分析，共擴(kuò)增出276條SSR條帶，其中多態(tài)性條帶176條，多態(tài)性位點(diǎn)占63.8%。PIC為0.04～0.68，遺傳相似系數(shù)為0.733 3～0.987 2。這些均說明了帶有陜西棉花血統(tǒng)的陜棉抗病種質(zhì)及其衍生品種間遺傳多樣性很低，遺傳基礎(chǔ)比較狹窄。

國內(nèi)外利用分子標(biāo)記對(duì)棉花的遺傳多樣性進(jìn)行了諸多研究，均顯示遺傳基礎(chǔ)狹窄。這主要是因?yàn)樵谟N過程中，僅少數(shù)材料被用作雜交育種的親本，其他材料因?yàn)槟承┬誀畈患?，從而被育種者所舍棄，從而導(dǎo)致遺傳基礎(chǔ)越來越狹窄。本研究所選的54份材料，一部分是在陜西的生態(tài)條件和病圃壓力下培育而成(陜棉抗病種質(zhì))，另一部分是以這些陜棉抗病種質(zhì)為育種親本在其他生態(tài)區(qū)衍生(培育)而來。這些材料在抗病性、產(chǎn)量、品質(zhì)或其他性狀上均有優(yōu)勢且各不相同，在相應(yīng)的生態(tài)區(qū)曾為主栽品種，大幅度提高了棉花產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。但回溯這些材料的親本來源，它們均含有自美國引進(jìn)的斯字棉、岱字棉、德字棉等品種的血統(tǒng)，同時(shí)又經(jīng)歷了陜西的生態(tài)條件的篩選，所以遺傳基礎(chǔ)越來越低。

總的來看，54個(gè)棉花品種DNA標(biāo)記聚類分析與系譜分析結(jié)果有一定的吻合性。例如系譜顯示‘豫棉1號(hào)’和‘川73-21’都是以‘陜棉4號(hào)’為親本選育而成，這也與聚類結(jié)果中‘豫棉1號(hào)’與‘川73-21’聚為一類相吻合；同時(shí)，‘江蘇棉1號(hào)’與‘鹽棉48’的聚類結(jié)果也與系譜記錄相一致。這表明：這類品種聚類的主要決定因素是其親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近，而非其它生態(tài)環(huán)境或外部條件，親緣關(guān)系近，其遺傳相似系數(shù)也比較大，則會(huì)較早地聚為一類。但是，也有很大一部分品種的聚類結(jié)果與系譜顯示不一致，例如‘魯棉研16’與‘綿陽83-21’在聚類中很早就聚為一類，但是查閱系譜可知‘魯棉研16’與‘綿陽83-21’的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，而同是來源于‘中棉所3號(hào)’的‘豫抗1號(hào)’和‘渤棉2號(hào)’在聚類上卻并沒有聚為一類，‘渤棉2號(hào)’屬于第I類，而‘豫抗1號(hào)’則聚在第Ⅲ類。造成這種差異可能是由于廣泛而頻繁引種和雜交育種過程中的生物學(xué)混雜，導(dǎo)致各地種質(zhì)資源類似并相互融合，克服了地域的限制性，使得各地品種群體的遺傳變異變小，親緣關(guān)系越來越近，遺傳基礎(chǔ)也變得越來越狹窄。因此在今后的育種過程中親本選擇不能只依靠系譜，而應(yīng)該在系譜的基礎(chǔ)上再通過分子鑒定，選擇出遺傳多樣性高，遺傳關(guān)系較遠(yuǎn)的品種作為雜交親本。

要擴(kuò)寬枯、黃萎病抗性種質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)，豐富陜西棉花枯、黃萎病抗源種質(zhì)基因庫，就需在今后育種過程中引入更多的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的種質(zhì)資源，特別是對(duì)野生棉種質(zhì)資源的引入，使得遺傳基因庫更加豐富，以克服抗病品種間遺傳關(guān)系較近的不足，進(jìn)一步為棉花育種提供新的抗性資源。

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(編輯:宋亞珍)

Genetic Diversity and Population Structure of Disease-Resistance Cotton Cultivars Developed in Shaanxi and Their Descendants by Mapped SSRs

XING Zenong1, 2, JIANG Lei2, HE Daohua2*, XING Hongyi2, LEI Zhongping3

(1 Baoji Institute of Agricultural Sciences，Qishan，Shaanxi 722400，China; 2 College of Agronomy，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi 712100，China; 3 College of Life Sciences，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi 712100，China)

Fifty-four accessions, including disease-resistance cotton lines developed in Shaanxi and their descendants, were genotyped to evaluate their genetic diversity and population structure by 72 SSR markers spanning the whole genome of cotton. (1) The genetic similarity coefficient of 54 accessions ranged from 0.733 3 to 0.987 2. Among 1 431 similarity coefficient of pairwise accessions, 11.1% of the similarity coefficient was less than 0.90, 55.6% of the similarity coefficient was more than 0.95. (2) The polymorphic information content (PIC) varied from 0.04 to 0.68 with an average of 0.33. (3) A genetic-distance-based UPGMA cluster analysis revealed that all the accessions could be divided into five groups at cut-off value of 0.877 in the genetic similarity coefficient. Group I included 44 accessions, Group Ⅲ included 7 accessions, and each of the remained three groups included one accession, respectively. (4) A model-based clustering method (implemented by the program STRUCTURE) showed that all the accessions originated from four clusters. This study indicated that the cotton population, which was comprised of disease-resistance accessions developed in Shaanxi and their descendants, was characterized by high genetic similarity coefficient, narrow genetic base (genomic ancestry) and poor genetic diversity.

cotton; disease-resistance germplasm; SSR; genetic diversity; population structure

1000-4025(2016)08-1551-09

10.7606/j.issn.1000-4025.2016.08.1551

2016-04-05;修改稿收到日期:2016-07-08

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金(CARS-18-45)；轉(zhuǎn)基因生物新品種培育科技重大專項(xiàng)(2013ZX08005-002)

邢澤農(nóng)(1988-)，男，助理農(nóng)藝師，碩士，寶雞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所工作。E-mail: xznong@126.com

*通信作者:賀道華，講師，主要從事棉花生物技術(shù)與育種研究。E-mail: daohuahe@nwafu.edu.cn

Q346+.5; Q789

A