外引水稻種質資源表型性狀遺傳多樣性分析

部麗群，田　玲，趙　璐，楊治偉，趙　娜，金　潤，田　蕾，張銀霞，楊淑琴，李培富

(寧夏大學 農學院/寧夏優(yōu)勢特色作物現(xiàn)代分子育種重點實驗室，寧夏 銀川 750021)

我國幅員遼闊，地形復雜多樣，是世界8個地理多樣性中心之一[1]。水稻是第一大糧食作物，廣泛分布于東南、西南、東北和西北等地，復雜的地理環(huán)境使得我國的水稻具有較高的遺傳和表型多樣性[2-3]。 遺傳多樣性又稱基因多樣性，是生物多樣性的核心，也是物種進化的本質。遺傳多樣性的喪失會降低種群對環(huán)境的適應能力，進而導致種群生存力下降[4]。寧夏回族自治區(qū)(以下簡稱寧夏)地處中溫帶，屬于一年一熟耕作制度，積溫相對不足，制約了農作物引種范圍[5]。寧夏引黃灌區(qū)為世界灌溉工程遺產(chǎn)，歷史悠久，對當?shù)剞r業(yè)發(fā)展具有舉足輕重的作用。寧夏水稻種植正是依托在這一基礎上發(fā)展起來的。水稻作為特色作物大力推廣，不僅能提高當?shù)剞r民的經(jīng)濟收入，也作為人工濕地對生態(tài)系統(tǒng)有一定影響[6]。目前，寧夏水稻主要分布在北部干旱平原生態(tài)區(qū)的引黃灌區(qū)，種植面積在8萬hm2左右，占全區(qū)糧食種植面積的8%左右；總產(chǎn)達到62萬t左右，約占全區(qū)糧食總產(chǎn)的20%[7-8]。近年來，由于主栽品種及其親本來源單一，導致遺傳基礎狹窄[9-10]。引進外來稻種資源，尤其是具有豐富遺傳背景的廣適品種，才能滿足日益增長的育種需求[11]。

遺傳多樣性分析對有利基因的發(fā)掘及利用具有重要意義，而引進外來種質資源是拓寬遺傳基礎、增加遺傳多樣性最直接、有效的方法[12]。研究遺傳多樣性的方法有很多，表型性狀能通過最直接的外觀性狀反映遺傳多樣性，與微衛(wèi)星標記有很高的相似性[13]，尤其當研究群體較大時，表型性狀研究最為簡單、經(jīng)濟，應用十分廣泛。胡標林等[14]利用14個表型性狀對1 579份水稻種質進行遺傳多樣性分析及綜合評價，表明不同地區(qū)種質間遺傳距離較遠且表型遺傳多樣性較豐富。徐福榮等[15]利用17個表型性狀對40個水稻品種(系) 進行遺傳相似性分析發(fā)現(xiàn)，種內遺傳差異較小，粳型品種間遺傳相似性高于秈型。前人對水稻遺傳多樣性的分析主要集中在資源類型和地理來源2個方面[14-18]，對特定地理環(huán)境下，限定僅適合當?shù)胤N植推廣品種的研究還比較少見。本研究是基于寧夏西北干旱區(qū)特殊的地理環(huán)境，從新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡稱新疆)和其他地區(qū)、國家引進358份粳稻材料，利用表型性狀分析遺傳多樣性，以期為進一步拓寬寧夏水稻種質資源提供科學依據(jù)。

1　材料和方法

1.1　試驗材料

本試驗選取來自新疆和其他地區(qū)、國家的粳稻材料共358份，其中國內新疆105份、吉林省118份、北京市24份、黑龍江省21份、遼寧省15份、貴州省8份、山西省7份、天津市5份，國外日本44份、韓國6份、朝鮮5份。材料名稱及編號見表1。

表1　外引水稻品種名稱及編號

續(xù)表1　外引水稻品種名稱及編號

續(xù)表1　外引水稻品種名稱及編號

注：16001—16105是新疆材料，16106—16358是其他地區(qū)、國家材料。

1.2　試驗方法

1.2.1表型性狀的測定試驗于2016—2017年在寧夏大學水稻育種基地進行。于4月15日在塑料大棚育苗，5月15日插秧定植。按編號順序種植，3行區(qū)，株距 0.1 m，行距0.3 m，田間管理按常規(guī)進行。根據(jù)《稻種資源形態(tài)農藝性狀鑒定方法》，共考察32個農藝性狀，包括葉鞘色、葉片色、葉枕色、莖節(jié)色、節(jié)間色、穎尖色、芒色、芒分布、芒長、葉片早衰、落粒性、莖節(jié)包露、谷粒形狀、穗類型、劍葉角度以及落粒性等16個質量性狀和株高、穗長、每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)、結實率、著粒密度、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、谷粒長、谷粒寬、谷粒長寬比、籽?？傎|量、千粒質量、單穗質量、穗數(shù)以及分蘗數(shù)等16個數(shù)量性狀。抽穗期調查質量性狀，成熟后每份材料隨機選取3株考種調查數(shù)量性狀。

1.2.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析對不同質量性狀進行頻率分布和遺傳多樣性指數(shù)分析。使用Excel 2010對不同數(shù)量性狀進行極大值、極小值、極差、標準差及變異系數(shù)的統(tǒng)計分析，使用SPSS 23.0進行方差分析及標準化處理。參照趙香娜等[19]的方法，將16個數(shù)量性狀的數(shù)據(jù)分為10級，每級相差0.5δ。各性狀的Shannon’s information index (H′) 計算公式如下。

其中，n為表型分類數(shù)目，Pi表示第i種變異類型出現(xiàn)頻率。

利用SAS 9.4軟件分別對新疆和其他地區(qū)、國家水稻資源的數(shù)量性狀進行主成分分析?；?6個表型性狀，采用 UPGMA(非加權配對算術平均)法對358份水稻種質資源進行聚類分析，用 MEGA 7.0繪制聚類結果的環(huán)形圖。

2　結果與分析

2.1　外引水稻種質資源不同質量性狀的頻率分布和遺傳多樣性分析

如表2所示，對16個質量性狀進行頻率分布和多樣性指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，新疆與其他地區(qū)、國家水稻種質資源的遺傳多樣性指數(shù)差異最大的性狀是葉片早衰，新疆資源的葉片早衰頻率遠高于其他地區(qū)、國家；兩者的倒伏性和穗型2個性狀的遺傳多樣性指數(shù)完全相同，并且倒伏性的遺傳多樣性指數(shù)最高，為0.90；谷粒形狀、芒長、芒分布、穎尖色、莖節(jié)包露、芒色和落粒性等7個性狀在新疆水稻種質資源中遺傳多樣性指數(shù)更高，劍葉角度在其他地區(qū)、國家水稻種質資源中的遺傳多樣性指數(shù)更高；葉鞘色、葉片色、葉枕色、莖節(jié)色和節(jié)間色等5個性狀的遺傳多樣性指數(shù)較低，不能很好地描述材料間的差異。調查結果表明，新疆水稻種質資源各質量性狀的平均遺傳多樣性指數(shù)是0.51，其他地區(qū)、國家是0.40。所有供試材料的倒伏性遺傳多樣性指數(shù)最高，新疆和其他地區(qū)、國家水稻種質資源在葉片早衰、芒長、芒分布、莖節(jié)包露和劍葉角度等5個農藝性狀方面差異最明顯，其他地區(qū)、國家水稻種質資源的劍葉角度更豐富。

表2　外引水稻種質資源不同質量性狀的頻率分布和遺傳多樣性指數(shù)

注：葉片早衰:1.早衰，2.不早衰；倒伏性：1.直，2.斜，3.倒，4.伏；穗型：1.散穗，2.密穗，3.半直立穗；谷粒形狀：1.短圓，2.闊卵，3.橢圓，4.細長；芒長：1.短芒，2.中芒，3.長芒，4.無芒；芒分布：1.稀，2.中，3.密，4.無；穎尖色：1.稈黃，2.紅棕，3.紫黑；莖節(jié)包露：1.露，2.包；芒色：1.稈黃， 2.紅棕，3.紫黑， 4.無芒；落粒性：1.難；2.中，3.易；劍葉角度：1.小，2.中，3.大；葉鞘色：1.綠，2.紫；葉片色：1.綠，2.紫；葉枕色：1.綠，2.紫；莖節(jié)色：1.綠，2.紫；節(jié)間色：1.綠，2.紫。

2.2　外引水稻種質資源不同數(shù)量性狀的變異和遺傳多樣性分析

對新疆和其他地區(qū)、國家外引水稻種質資源16個數(shù)量性狀的遺傳變異進行分析，結果如表3所示。絕大多數(shù)材料株高低于110 cm，說明已經(jīng)導入矮化或半矮化基因[20]。二次枝梗數(shù)、分蘗數(shù)、每穗總粒數(shù)和穗數(shù)變異幅度較大，標準差較大，變異程度較高。其中，變異系數(shù)最大的是二次枝梗數(shù)(32.22%)，最小的是谷粒寬(6.82%)，說明二次枝梗數(shù)的變異程度最大，而谷粒寬最穩(wěn)定。株高、穗長、結實率、谷粒長和谷粒寬的變異系數(shù)都低于10%，說明這些性狀的離散程度較小，穩(wěn)定性較高。

表3　外引水稻種質資源不同數(shù)量性狀的變異分析

新疆和其他地區(qū)、國家外引水稻種質資源不同數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)，如圖1所示。新疆水稻種質資源的遺傳多樣性指數(shù)為1.76～2.08，平均為1.95，其中谷粒寬的遺傳多樣性指數(shù)最高，谷粒長寬比的遺傳多樣性最低；其他地區(qū)、國家外引水稻種質資源的遺傳多樣性指數(shù)為1.84～2.12，平均為2.02，籽?？傎|量的遺傳多樣性指數(shù)最高，谷粒長寬比的遺傳多樣性指數(shù)最低。

圖1　外引水稻種質資源數(shù)量性狀的遺傳多樣性

2.3　外引水稻種質資源的主成分分析

對新疆和其他地區(qū)、國家外引水稻種質資源的16個數(shù)量性狀分別進行主成分分析，根據(jù)Kaiser準則選取5個特征根及相應的特征向量。由表4可知，新疆水稻資源的主效因子為穗長、株高、千粒質量、籽?？傎|量、谷粒長和單穗質量，累計貢獻率達到84.66%；其他地區(qū)、國家水稻資源的主效因子為籽粒總質量、每穗實粒數(shù)、單穗質量、穗長、株高和結實率，累計貢獻率達到84.60%，基本可以代表原始指標中絕大部分遺傳信息[21]。

表4　外引水稻種質資源16個數(shù)量性狀的特征向量及貢獻率

第1主成分特征值分別為6.05(新疆)、5.86(其他地區(qū)、國家)，貢獻率分別為37.93%(新疆)、36.61%(其他地區(qū)、國家)。每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)以及二次枝梗數(shù)特征向量的絕對值較大，新疆分別為0.39、0.36、0.35，其他地區(qū)、國家分別為0.40、0.39、0.38。這些性狀與籽粒數(shù)量有關，為稻谷產(chǎn)量因子，即第1主成分可作為粒數(shù)多、二次枝梗多的品種的描述指標。

第2主成分特征值分別為2.37 (新疆)、2.49(其他地區(qū)、國家)，貢獻率分別為14.53%(新疆)、15.58%(其他地區(qū)、國家)。谷粒長和谷粒長寬比為主要指標，新疆特征向量分別為0.56、0.49，其他地區(qū)、國家分別為-0.44 、-0.42，可見第2主成分為谷粒形狀因子。但新疆水稻資源的第2主成分是長粒品種的描述指標，其他地區(qū)、國家資源第2主成分為圓粒品種的描述指標。

第3主成分特征值分別為2.11 (新疆)、2.34(其他地區(qū)、國家)，貢獻率分別為12.88%(新疆)、14.64%(其他地區(qū)、國家)。新疆水稻資源的主要指標為谷粒寬(0.55)、千粒質量(0.48)，其他地區(qū)、國家水稻資源的主要指標為籽?？傎|量(0.53)，可見第3主成分為粒質量因子。

第4主成分特征值分別為1.79(新疆)、1.59(其他地區(qū)、國家)，貢獻率分別為11.28%(新疆)、9.94%(其他地區(qū)、國家)。新疆水稻資源的主要指標為籽粒總質量(0.62)，其他地區(qū)、國家資源的主要指標為谷粒寬(0.52)。

第5主成分特征值分別為1.24(新疆)、1.25(其他地區(qū)、國家)，貢獻率分別為8.04%(新疆)、7.83%(其他地區(qū)、國家)。結實率為主要指標，新疆特征向量為-0.74，其他地區(qū)、國家為0.85。

第1主成分中，穗數(shù)和分蘗數(shù)在全部材料中均為負值，應提高品種的穗數(shù)和分蘗數(shù)。第2主成分中，其他地區(qū)、國家水稻資源千粒質量的特征向量為-0.40，但籽?？傎|量為0.28，可見雖然千粒質量較小但因籽粒數(shù)量較多，可協(xié)調各個粒質量指標。第5主成分中，新疆水稻資源結實率的特征向量為-0.74，應引起育種家的高度重視，在育種過程中應選育結實率較高的品種，以提高水稻產(chǎn)量。

2.4　新疆和其他地區(qū)、國家外引水稻種質資源聚類分析

利用UPGMA法進行聚類分析，如圖2所示，358份粳稻材料分為五大類群。

第1類群包含201份材料，占總材料的56.15%。其中，新疆材料65份，占新疆材料總數(shù)的61.90%。此類群的每穗總粒數(shù)(151.64粒)和每穗實粒數(shù)(129.33粒)高于全部材料平均值(131.77粒和113.34粒)，主要得益于此類群二次枝梗數(shù)(26.21個)多于全部材料平均值(21.79個)。此類群的特征主要是穗粒數(shù)較多、枝梗數(shù)較多。

第2類群包含5份材料，此類群的株高(115.24 cm)、穗長(20.08 cm)明顯高于全部材料的平均值(91.21 cm和17.85 cm)，但結實率(65.84%)小于全部材料的平均值(86.36%)。此類群全部為高稈、大穗，但結實率較低的品種。

第3類群包含32份材料，其中新疆材料4份。此類群的每穗總粒數(shù)(85.05粒)、每穗實粒數(shù)(75.34粒)、著粒密度(4.94粒/cm)和二次枝梗數(shù)(11.19個)均大幅度小于平均值，說明此類群著粒密度較稀、穗粒數(shù)較少。

第4類群包含118份材料，占總材料的32.96%。其中，新疆材料36份，占新疆材料總數(shù)的34.29%。此類群的每穗總粒數(shù)(110.27粒)和每穗實粒數(shù)(96.69粒)少于全部材料平均值但高于第3類群。

第5類群包含2份材料，與其他材料親緣關系較遠，遺傳差異較大。

▲表示新疆水稻資源圖2　基于16個數(shù)量性狀的358份水稻材料的聚類分析

3　結論與討論

陳小龍等[22]利用16個表型性狀對60份寧夏粳稻資源進行表型評價和遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)，遺傳多樣性指數(shù)變幅為 1.644(結實率)～2.092(劍葉長)，變幅較小，平均為 1.957，低于本試驗結果，說明外引水稻資源遺傳多樣性高于寧夏粳稻資源。李振嬌等[23]利用18個表型性狀對269份水稻資源進行分析發(fā)現(xiàn)，二次枝梗數(shù)的變異系數(shù)最高，谷粒寬的變異系數(shù)最低，質量性狀的平均遺傳多樣性指數(shù)為0.34，數(shù)量性狀的平均遺傳多樣性指數(shù)為 1.99，與本研究結果基本一致。

本試驗通過對外引自新疆和其他地區(qū)、國家的358份水稻種質資源進行表型性狀遺傳多樣性分析，綜合評價了外引水稻種質資源間的遺傳差異。新疆和其他地區(qū)、國家水稻種質資源的二次枝梗數(shù)、每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)、單穗質量、分蘗數(shù)的變異系數(shù)、方差和標準差較大，說明變異程度較高，離散程度較大[24]。新疆水稻種質資源質量性狀的平均遺傳多樣性指數(shù)為0.51，其他地區(qū)、國家為0.40。新疆水稻種質資源數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)為1.76(谷粒長寬比)～2.08(谷粒寬)，平均為1.95；其他地區(qū)、國家為1.84(谷粒長寬比)～2.12(籽?？傎|量)，平均為2.02，其他地區(qū)、國家水稻種質資源數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)均高于新疆材料，但差異不大。對數(shù)量性狀進行主成分分析，根據(jù)Kaiser準則新疆材料選取5個特征根及相應的特征向量，主效因子為穗長、株高、千粒質量、籽?？傎|量、谷粒長和單穗質量，累計貢獻率達到84.66%，其他地區(qū)、國家材料選取5個特征根及相應的特征向量，主效因子為籽?？傎|量、每穗實粒數(shù)、單穗質量、穗長、株高和結實率，累計貢獻率達到84.60%。根據(jù)UPGMA聚類法，將參試材料劃分為5類，新疆材料均勻分布于所有類群，表明參試材料來自不同地區(qū)，有一定遺傳差異。以后的育種工作中應拓寬引種渠道，大力引進外地品種，以期豐富寧夏水稻的遺傳背景。