旱地區(qū)域試驗小麥品系的遺傳多樣性分析

陳祥萍+宋嬋媛+李夕梅

摘要：區(qū)域試驗是小麥品種審定和新品種推廣的重要環(huán)節(jié)，區(qū)試材料能在一定程度上反映小麥育種的水平和發(fā)展趨勢。本研究對2014年山東省小麥旱地區(qū)試的40個小麥品系進行初步的遺傳多樣性分析，結(jié)果顯示：（1）42對引物共檢測出113個等位基因變異，平均等位變異豐富度（2.69）、基因多樣性（0.27）、多態(tài)性信息含量（0.22）等指標顯示群體遺傳多樣性較低。（2）在小麥三個亞基因組遺傳多樣性比較分析中，其平均等位變異豐富度表現(xiàn)為：AB>D。進一步對七個同源群進行遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)，在平均等位變異豐富度上，7<3<1=4<6<5<2；而在基因多樣性和多態(tài)性信息含量上，均是3<7<2<4<5<6<1。對三個指標進行權(quán)衡之后，研究認為該群體遺傳多樣性水平在三個亞基因組間或七個同源群間沒有明顯差異。（3）40個小麥品系間遺傳相似系數(shù)的平均值高達0.43，說明材料間的遺傳差異較小，親緣關(guān)系較近。（4）40個參試品系與魯麥21、青麥6號的遺傳相似系數(shù)分別為0.45、0.46，均明顯高于與濟麥22的遺傳相似系數(shù)（0.41）。（5）聚類分析表明供試群體沒有明顯的亞群分類。總體而言，研究結(jié)果對山東省旱地小麥育種具有一定的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：小麥：旱地區(qū)試：遺傳多樣性：SSR標記

中圖分類號：S512.103文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2017）03-0021-06

AbstractRegional trial is an important step during variety certification and popularization of wheat. The regional trial material can reflect the level and development tendency of wheat breeding to some extent. The genetic diversity analysis of 40 wheat lines from dryland regional trials in 2014 was conducted in this study. The results showed that 113 allelic variations were detected by 42 SSRs. The average genetic richness （2.69）， genetic diversity （0.27）， and polymorphic information content （0.22） all showed that the population genetic diversity level was relatively low. The genetic diversity analysis among the three subgenomes showed that the average genetic richness was arranged in the order of AB>D. The genetic diversity analysis among the seven homoeologous groups showed that the average genetic richness was arranged in the order of 7<3<1=4<6<5<2， while the genetic diversity and polymorphic information content were both arranged in the order of 3<7<2<4<5<6<1. Integrating the three indexes， the population genetic diversity level had no obvious difference among the three subgenomes or the seven homoeologous groups. The genetic similarity index among the 40 lines reached up to 0.43， which indicated that the genetic difference was relatively little and the genetic relationship was relatively close. The genetic similarity index between 40 lines with Lumai 21 and Qingmai 6 was 0.45 and 0.46 respectively， which were both higher than that between tested lines with Jimai 22 （0.41）. The cluster analysis showed that there was no obvious subpopulations in the tested population. In conclusion， this study had some guidance meaning for the dryland wheat breeding in Shandong Province.

KeywordsWheat； Dryland regional trial； Genetic diversity； SSR marker

小麥（Triticum aestivum L.）是世界上種植面積最大、總產(chǎn)量最高的糧食作物，同時也是中國重要的糧食作物。但是，作為中國小麥主產(chǎn)區(qū)的北方冬麥區(qū)，干旱問題日趨嚴重，已成為小麥生產(chǎn)的主要限制性因素[1]。抗旱節(jié)水優(yōu)良小麥品種的培育是解決該問題最經(jīng)濟有效的途徑。

區(qū)域試驗是小麥品種審定和新品種推廣的重要環(huán)節(jié)，是推動小麥品種更新?lián)Q代的源動力[2]。參加山東省小麥旱地組區(qū)域試驗的品系代表了山東旱地小麥育種的水平和發(fā)展趨勢。因此，構(gòu)建旱地組區(qū)域試驗品系的DNA指紋圖譜，揭示其遺傳多樣性，可以客觀地反映當前山東省旱地小麥育種的現(xiàn)狀，對于品種選育、審定與管理均有重要意義。

目前，遺傳多樣性的研究可從形態(tài)標記、細胞學(xué)標記、生化標記以及直接檢測DNA水平的分子標記等方面入手。SSR（simple sequence repeats）標記因其數(shù)量豐富且覆蓋整個基因組、共顯性遺傳、多態(tài)性信息含量高、操作簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點[3]而被廣泛應(yīng)用于玉米、水稻、小麥、棉花和大豆等作物的遺傳多樣性分析中[2]。自Devos等[4]首次成功地將SSR標記技術(shù)應(yīng)用于小麥遺傳研究后，利用SSR標記對小麥種質(zhì)資源、育種親本、省審品種以及區(qū)試材料等遺傳多樣性和群體結(jié)構(gòu)分析的報道日新月異。如郝晨陽等[5]對我國小麥核心種質(zhì)的研究結(jié)果顯示，地方品種的遺傳多樣性明顯高于育成品種。王升星等[6]以190個分布于黃淮冬麥區(qū)、長江中下游冬麥區(qū)及西南冬麥區(qū)三大麥區(qū)的小麥品種為試驗材料，發(fā)現(xiàn)三大麥區(qū)品種間遺傳差異較為明顯，研究結(jié)果為小麥親本選配提供了有用的遺傳信息和重要參考依據(jù)。趙檀等[7]對169個河北省審小麥品種的遺傳多樣性分析表明，品種的等位基因頻率在下降，但多樣性水平基本呈現(xiàn)上升趨勢；聚類結(jié)果既反映出河北省小麥品種多樣性水平的復(fù)雜多樣，也反映出品種的地域性分布特征。劉麗華等[2]對2009—2014年參加國家冬小麥區(qū)域試驗的430個品系進行遺傳多樣性和群體結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果顯示，遺傳多樣性從2012年開始略有下降，參試品系的遺傳多樣性自北向南（北部冬麥區(qū)組至長江流域冬麥區(qū)組）呈明顯下降趨勢。

本研究利用均勻分布小麥21條染色體的42對SSR標記對2014年參加山東省小麥旱地組區(qū)域試驗的40個品系及其對照品種魯麥21、旱地小麥優(yōu)良品種青麥6號、當前主推小麥品種濟麥22共43個品系（種）進行遺傳多樣性分析，以期了解山東省旱地小麥的育種水平、發(fā)展趨勢及存在問題，進而為旱地小麥品種選育提供理論指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1試驗材料

參加2014年山東省小麥旱地組區(qū)域試驗的40個小麥品系（名稱均為區(qū)試代號：2—11、22—31、42—51、62—71）及其對照品種魯麥21、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)選育的旱地小麥優(yōu)良品種青麥6號、山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所選育的當前推廣面積最大的小麥良種濟麥22，合計43個小麥材料。

1.2引物

本研究所用的SSR引物是從繪制中國小麥品種指紋圖譜所用引物中挑選出的42對核心SSR引物[8]，每條染色體各挑選2對引物，引物詳細信息見表1。

1.3DNA提取、PCR擴增及基因型分析

DNA的提取參考簡化的CTAB法[9]。PCR擴增體系與擴增程序參見文獻[2]。擴增產(chǎn)物的基因型分析采用6%變性聚丙烯酰胺凝膠電泳[2]和銀染檢測技術(shù)[9]。

1.4遺傳多樣性和親緣關(guān)系分析

利用Power Marker V3.25軟件[10]對40個參試小麥品系進行遺傳多樣性分析，利用NTSYS-pc 2.1軟件[11]進行43個小麥材料的親緣關(guān)系及聚類分析。

2結(jié)果與分析

2.1SSR引物擴增情況

根據(jù)王立新等[8]提供的繪制中國小麥品種指紋圖譜的105對核心引物，結(jié)合實驗室現(xiàn)有引物進行篩選后，挑選出多態(tài)性高、穩(wěn)定性好、均勻分布在小麥21條染色體上的42對引物，對43個材料進行了群體基因型分析（圖1）。

42對SSR引物在43個小麥材料中共檢測到115個等位變異，每對引物等位變異數(shù)的變幅為0～10，平均等位變異豐富度為2.74。42對SSR引物在40個區(qū)試品系中共檢測到113個等位變異，每對引物等位變異數(shù)的變幅為0～9，平均等位變異豐富度為2.69（表1）。產(chǎn)生等位變異最多的是位于2D染色體上的引物Xgwm261，產(chǎn)生了9個等位變異；其次是位于5D染色體上的引物Xcfd8和7D染色體上的引物Xgwm44，各產(chǎn)生5個等位變異；位于3D染色體上的引物Xgdm72沒有產(chǎn)生等位變異（表1）。

2.240個旱地區(qū)試小麥品系的遺傳多樣性分析

利用Power Marker V3.25軟件[10]對40個區(qū)試品系進行分析得知，113個多態(tài)性位點的主基因頻率介于0.50～0.98之間，平均值為0.80，其中小于平均值的位點有50個（44.25%）。基因多樣性介于0.05～0.50之間，平均值為0.27，其中大于平均值的位點有57個（50.44%）。多態(tài)性信息含量介于0.05～0.38之間，平均值為0.22，其中大于平均值的位點有60個（53.10%）。

2.2.1A、B、D三個亞基因組的遺傳多樣性40個參試小麥品系A(chǔ)、B、D三個亞基因組中，平均等位變異豐富度依次增大。A組染色體產(chǎn)生了33個等位變異，平均等位變異豐富度為2.36；B組染色體產(chǎn)生了39個等位變異，平均等位變異豐富度為2.79；D組染色體產(chǎn)生了41個等位變異，平均等位變異豐富度為2.93（表1、圖2）。而基因多樣性在三個亞基因組中卻表現(xiàn)為依次降低，分別為0.31、0.28和0.25（圖2）。多態(tài)性信息含量在三個亞基因組中也表現(xiàn)為依次降低，分別為0.25、0.22和0.20（圖2）。

2.2.2七個同源群的遺傳多樣性40個參試小麥品系在七個同源群的遺傳多樣性表現(xiàn)為：（1）平均等位變異豐富度變幅為2.17～3.50，大小順序為7<3<1=4<6<5<2（表1、圖3）；（2）基因多樣性變幅為0.18～0.39，大小順序為3<7<2<4<5<6<1（圖3）；（3）多態(tài)性信息含量變幅為0.16～0.30，大小順序為3<7<2<4<5<6<1（圖3）。

2.343個小麥材料的親緣關(guān)系及聚類分析

利用NTSYS-pc 2.1軟件[11]計算40個參試品系和3個小麥品種的遺傳相似系數(shù)。結(jié)果表明：（1）40個參試小麥品系間遺傳相似系數(shù)最小值為0.18（品系5與品系71），最大值為0.77（品系46與品系62），小麥品系兩兩之間遺傳相似系數(shù)的平均值為0.43。（2）魯麥21與40個區(qū)試品系中品系5的遺傳相似系數(shù)最小，為0.27；與品系62的遺傳相似系數(shù)最大，為0.68；與40個品系遺傳相似系數(shù)的平均值為0.45。（3）青麥6號與品系30的遺傳相似系數(shù)最小，為0.33；與品系48的遺傳相似系數(shù)最大，為0.59；平均值為0.46。（4）濟麥22與品系10的遺傳相似系數(shù)最小，為0.27；與品系62的遺傳相似系數(shù)最大，為0.54；平均值為0.41。（5）魯麥21與濟麥22的遺傳相似系數(shù)為0.46，青麥6號與濟麥22的遺傳相似系數(shù)為0.47，魯麥21與青麥6號的遺傳相似系數(shù)為0.60。

根據(jù)小麥材料兩兩間的遺傳相似系數(shù)，對40個參試小麥品系和3個小麥品種進行了聚類分析。結(jié)果顯示，該群體沒有明顯的亞群分類（圖4）。但是，可以看出魯麥21和青麥6號更趨于同一類群，且均與濟麥22相距較遠。

3討論與結(jié)論

3.1 所選引物的適用性

趙檀等[7]利用231對多態(tài)性SSR引物，從170個河北省審定小麥品種（含1個對照品種）中共檢測到831個等位變異，平均每對引物產(chǎn)生3.56個等位變異；劉麗華等[2]利用21對核心SSR引物，從430個參加國家冬小麥區(qū)域試驗的品系中共檢測到236個等位變異，平均每對引物產(chǎn)生的等位變異數(shù)高達11.24個。本研究中，42對SSR引物在40個區(qū)試品系中共檢測到113個等位變異，平均每對引物產(chǎn)生2.69個等位變異。雖然本研究所用引物均選自繪制中國小麥品種指紋圖譜的核心引物[8]，但是與前人研究相比，平均等位變異豐富度偏低。

究其原因，一方面可能是試驗設(shè)計時過于注重引物在小麥染色體的均勻分布，導(dǎo)致所選部分引物本身多態(tài)性信息含量就不高（42對SSR引物PIC值的變幅為0.36～0.84）。另一方面，本研究的試驗群體偏小，且均為2014年參加山東省旱地組區(qū)域試驗的小麥品系，不能排除等位變異位點檢出的偶然性，即多態(tài)性信息含量高的引物不一定能檢測出更多的等位變異位點（如引物Xgdm72的PIC值為0.71，但是在本試驗群體中卻沒檢測到多態(tài)性位點；再如，當將40個參試品系與3個已審品種綜合分析時，42對引物可檢測到115個等位變異，平均每對引物產(chǎn)生的等位變異數(shù)提高到2.74）。因此，雖然本研究利用均勻分布于小麥21條染色體的42對SSR引物在一定程度上對40個旱地組參試品系做了較好的遺傳多樣性分析，但是為了提高分析的準確性與精確性，尤其針對較小群體，應(yīng)盡可能選用均勻分布的更多標記進行全基因組的分析。

3.2旱地區(qū)試品系較低的遺傳多樣性

在遺傳多樣性評價體系中，平均等位變異豐富度、基因多樣性、多態(tài)性信息含量都被普遍應(yīng)用。本研究中，42對SSR引物對40個旱地區(qū)試小麥品系的遺傳多樣性分析表明，平均等位變異豐富度（2.69）、基因多樣性（0.27）、多態(tài)性信息含量（0.22）均較低，說明供試群體的遺傳多樣性水平較低，這可能與試驗材料均來源于同一年同一地區(qū)同一育種目標（2014年山東省小麥旱地組區(qū)域試驗）密切相關(guān)。眾所周知，豐富的遺傳變異對于提高作物的環(huán)境適應(yīng)性和遺傳改良進度至關(guān)重要[7]，而作物遺傳多樣性的降低與品種選育過程中高強度的人工選擇以及品種系譜中地方品種所占比例下降有關(guān)[12-14]。Rajaram[15]研究發(fā)現(xiàn)，通過人工雜交實現(xiàn)春性小麥基因庫與冬性小麥基因庫的相互滲透，可以拓寬小麥的遺傳基礎(chǔ)，育成品種的單產(chǎn)和適應(yīng)性均得到了提高。因此，育種家們應(yīng)盡量擴大親本選擇范圍，尤其注意優(yōu)良地方品種的選用，以提高育成品種的遺傳多樣性，從而更好地應(yīng)對小麥生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的不同生長環(huán)境。

在小麥三個亞基因組遺傳多樣性比較分析中，在平均等位變異豐富度上，AB>D。進一步對七個同源群進行遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)，在平均等位變異豐富度上，7<3<1=4<6<5<2；而在基因多樣性和多態(tài)性信息含量上，均是3<7<2<4<5<6<1。趙檀等[7]研究認為僅僅用平均等位變異豐富度或基因多樣性、多態(tài)性信息含量作為遺傳變異程度的評判標準都是不全面的；張學(xué)勇等[16]研究認為對于種質(zhì)資源遺傳多樣性的評價，有必要對各指標進行權(quán)衡。因此，本研究初步認為，由40個旱地區(qū)試小麥品系組成的試驗群體，其遺傳多樣性水平在三個亞基因組間或七個同源群間沒有明顯差異。但前人研究認為，B亞基因組分化較快，呈現(xiàn)的遺傳多樣性優(yōu)于其它兩個亞基因組[3， 17]。研究結(jié)果間有所差異，一方面可能是因為分子標記畢竟只是一段較小的DNA序列，不能完全代表作物的染色體組特征，當用數(shù)量不同的標記時，分析的結(jié)果可能不同[7]。如李遠等[18]用86對多態(tài)性SSR引物與趙檀等[7]用231對多態(tài)性SSR引物對河北省小麥品種遺傳多樣性的分析結(jié)果間就存在明顯差異。另一方面可能是由于本研究所用試驗材料的特殊性，均為旱地小麥區(qū)試品系，而小麥抗旱性是由多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀。前人研究表明，小麥抗旱相關(guān)QTLs遍布于小麥整個基因組[19-23]。因此，育種家在開展旱地小麥育種工作時，小麥不同亞基因組或同源群的選擇壓力相差不大，最終表現(xiàn)為供試旱地小麥品系在不同亞基因組或同源群間的遺傳多樣性水平差異較小。

3.3品種（系）間親緣關(guān)系的相關(guān)討論

Plaschke等[3]對40個小麥材料的SSR分析顯示，其遺傳相似系數(shù)僅為0.31，說明這些材料間的遺傳差異很大。而本研究中，40個小麥品系間遺傳相似系數(shù)的平均值高達0.43，說明材料間的遺傳差異較小，親緣關(guān)系較近。這與前者的研究材料源自不同國家或地區(qū)，而本研究供試材料源自同一年同一地區(qū)密切相關(guān)。品系間較近的親緣關(guān)系再次說明當前小麥育種親本選擇的局限性，而為了提高育成小麥品種的環(huán)境適應(yīng)性，應(yīng)注意從豐富的種質(zhì)資源中挖掘重要基因，通過引進省外甚至國外優(yōu)異種質(zhì)資源，使其在山東省旱地小麥育種中發(fā)揮作用。

研究顯示，山東省審定的旱地小麥優(yōu)良品種魯麥21和青麥6號間的遺傳相似系數(shù)高達0.60，與水澆地優(yōu)良品種濟麥22的遺傳相似系數(shù)分別為0.46、0.47。說明本研究可在一定程度上將旱地品種和水澆地品種區(qū)分開來。40個參試品系與魯麥21、青麥6號的遺傳相似系數(shù)分別為0.45、0.46，均明顯高于與濟麥22的遺傳相似系數(shù)（0.41）。說明山東省旱地小麥育種與水澆地育種在親本選擇、育種中間材料的去留等方面應(yīng)該存在明顯差異，這在一定程度上為干旱、半干旱地區(qū)的小麥種植提供了品種保證，有利于小麥總產(chǎn)的穩(wěn)步提升，進而有利于保障國家糧食安全。

參考文獻：

[1]高秀琴，蘭進好，林琪，等. 部分旱地小麥品種（系）遺傳多樣性的SSR分析[J]. 麥類作物學(xué)報，2008，28（4）：577-581.

[2]劉麗華，龐斌雙，劉陽娜，等. 2009—2014年國家冬小麥區(qū)域試驗品系的遺傳多樣性及群體結(jié)構(gòu)分析[J]. 麥類作物學(xué)報，2016，36（2）：165-171.

[3]Plaschke J，Ganal M W，Roder M S. Detection of genetic diversity in closely related bread wheat using microsatellite markers[J]. Theoretical and Applied Genetics， 1995，91：1001-1007.

[4]Devos K M，Bryan G，Collins A J，et al. Microsatellites：a new generation of molecular markers for wheat[C]// Proceedings of the 8th Wheat Genetics Symposium. 1993：591-594.

[5]郝晨陽，董玉琛，王蘭芬，等. 我國普通小麥核心種質(zhì)的構(gòu)建及遺傳多樣性分析[J]. 科學(xué)通報，2008，53（10）：908-915.

[6]王升星，朱玉磊，張海萍，等. 小麥育種親本材料SSR標記遺傳多樣性及其親緣關(guān)系分析[J]. 麥類作物學(xué)報，2014，34（5）：621-627.

[7]趙檀，金柳艷，李遠，等. 基于全基因組的河北省小麥品種遺傳多樣性分析[J]. 植物遺傳資源學(xué)報，2015，16（1）：45-53.

[8]王立新，常利芳，李宏博，等. 小麥區(qū)試品系DUS測試的分子標記[J]. 作物學(xué)報，2010，36（7）：1114-1125.

[9]季偉，王立新，孫輝，等. 小麥SSR分析體系的簡化[J]. 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報，2007，15（5）：907-908.

[10]Liu K，Muse S V. Power Marker：An integrated analysis environment for genetic marker analysis[J]. Bioinformatics，2005，21（9）：2128-2129.

[11]Rohlf F J. NTSYS-pc：Numerical taxonomy and multivariate analysis system， Version 2.1[Z]. Setauket， New York，USA：Exeter Software，2002.

[12]Smale M，Reynolds M P，Warburton M，et al. Dimensions of diversity in modern spring bread wheat in developing countries from 1965[J]. Crop Science，2002，42： 1766-1779.

[13]周陽，何中虎，張改生，等. 1BL/1RS易位系在我國小麥育種中的應(yīng)用[J]. 作物學(xué)報，2004，30（6）：531-535.

[14]Reif J C，Zhang P，Dreisigacker S，et al. Wheat genetic diversity trends during domestication and breeding[J]. Theoretical and Applied Genetics，2005，110： 859-864.

[15]Rajaram S. Approaches for breaching yield stagnation in wheat[J]. Genome，1999， 42：629-634.

[16]張學(xué)勇，龐斌雙，游光霞，等. 中國小麥品種資源Glu-1位點組成概況及遺傳多樣性分析[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002，35（11）：1302-1310.

[17]Roder M S，Korzun V，Wendchake K，et al. A microsatellite map of wheat[J]. Genetics， 1998，149：2007-2023.

[18]李遠，趙檀，王睿輝，等. 河北省小麥品種基于SSR標記的遺傳多樣性研究[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，35（4）：1-5.

[19]張正斌，徐萍. 小麥基因組研究進展[J]. 遺傳，2002，24（3）：389-394.

[20]周曉果，景蕊蓮，郝轉(zhuǎn)芳，等. 小麥幼苗根系性狀的QTL分析[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38（10）：1951-1957.

[21]趙新華，張小村，李斯深，等. 小麥抗旱相關(guān)生理性狀的QTL分析[J]. 西北植物學(xué)報，2005，25（4）：696-699.

[22]黃清華.小麥幼苗抗旱相關(guān)性狀的QTL定位分析[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2007.

[23]袁倩倩，李卓坤，田紀春，等. 不同水分脅迫下小麥胚芽鞘和胚根長度的QTL分析[J]. 作物學(xué)報，2011，37（2）：294-301.