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    基于SSR標記的雜交大豆主要親本遺傳多樣性分析

    2018-09-07 11:09:54白志元張瑞軍武國平連世超楊玉花衛(wèi)保國
    華北農(nóng)學報 2018年4期
    關(guān)鍵詞:保持系等位多態(tài)性

    白志元,張瑞軍,武國平,連世超,楊玉花,衛(wèi)保國

    (1.山西省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)作物品種資源研究所,農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室,雜糧種質(zhì)資源發(fā)掘與遺傳改良山西省重點實驗室,山西 太原 030031;2.山西省農(nóng)業(yè)科學院 園藝研究所,山西 太原 030031)

    大豆高產(chǎn)育種一直以來都是育種工作者的重要目標之一。雜種優(yōu)勢現(xiàn)象在生物界普遍存在,利用雜種優(yōu)勢成為提高社會經(jīng)濟效益必不可少的工具[1]。水稻、玉米、谷子、高粱等作物已利用雜種優(yōu)勢大幅度提高了產(chǎn)量,在主要作物中,大豆雜種優(yōu)勢利用研究相對滯后[2]。大豆是嚴格的自花授粉作物,天然異交率不到1%。隨著大豆細胞質(zhì)雄性不育系的發(fā)現(xiàn),大豆雜種優(yōu)勢利用成為可能[3-4],該項研究對提升我國大豆產(chǎn)業(yè)具有戰(zhàn)略性意義。目前,我國在該領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平,國內(nèi)多家單位已實現(xiàn)了雜交大豆生產(chǎn)的三系配套體系,其中,吉林省農(nóng)業(yè)科學院、安徽省農(nóng)業(yè)科學院、安徽省阜陽市農(nóng)業(yè)科學院和山西省農(nóng)業(yè)科學院已審定了雜交大豆品種[5-8]。

    雜交大豆產(chǎn)業(yè)化有2項瓶頸技術(shù):高效繁種制種技術(shù)和強優(yōu)勢組合的篩選。山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)作物品種資源研究所雜交大豆課題組對這2項技術(shù)進行了有效的攻關(guān),形成了雜交大豆生產(chǎn)所需的規(guī)范繁種制種技術(shù)[9],制定了《大豆雜交種制種技術(shù)規(guī)程》、《大豆雜交種種子》山西省地方標準;審定了山西省首個雜交大豆品種-晉豆48號[8]。然而,本課題組在高產(chǎn)組合的篩選上仍不理想,沒有明顯突破。大豆雜交育種研究表明,親本的親緣關(guān)系對大豆雜種優(yōu)勢有著重要的影響[10-11]。遺傳多樣性能反映品種之間親緣關(guān)系的遠近,能對作物的育種應用提供重要的參考依據(jù)。許多研究表明,SSR標記具有簡便快速、重復性高和多態(tài)性豐富等優(yōu)點,并具有很好的穩(wěn)定性,在大豆遺傳多樣性研究中已得到廣泛應用[12-16]。

    本研究選用64對覆蓋大豆20條染色體的SSR標記,對本課題組現(xiàn)有主要的32份雜交大豆親本(包括15份保持系與17份恢復系)進行遺傳多樣性和親緣關(guān)系的分析,以期為山西三系雜交大豆育種中保持系與恢復系的篩選、遺傳改良以及強優(yōu)勢組合的選育等方面提供參考。

    1 材料和方法

    1.1 試驗材料

    選用本課題組自育的14個不育系對應的保持系和南京農(nóng)業(yè)大學選育的NJCMS3A對應的保持系NJCMS3B,共15份材料;恢復系為17份材料,具體名稱如表1所示。

    表1 供試保持系與恢復系名稱Tab.1 The name of the maintainer and restorer of the test

    1.2 基因組DNA的提取

    取大豆幼嫩葉片,在液氮中研磨后,采用CTAB[17]法提取葉片DNA,并檢測其濃度和質(zhì)量。

    1.3 PCR擴增與產(chǎn)物檢測

    選用分布在大豆20條染色體上的64對SSR引物進行分析,該引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成(表2)。PCR反應采用10 μL體系:2.5 mmol/L dNTP 0.5 μL,10 μmol/L Primer 2 μL,10×PCR Buffer 1 μL,5 U/μLTaqPolymerase 0.1 μL,10 ng/μL模板 DNA 5 μL,ddH2O 1.4 μL。PCR反應在美國Bio-Bad 1000-系列PCR儀上進行,反應條件為:94 ℃預變性5 min;94 ℃變性1 min,優(yōu)化的退火溫度(依引物退火溫度而定)退火30 s,72 ℃延伸30 s,34 個循環(huán);72 ℃溫育10 min;4 ℃保存。擴增產(chǎn)物經(jīng)8%非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳、銀染、拍照記錄試驗結(jié)果。

    1.4 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

    根據(jù)每對SSR產(chǎn)物的銀染結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù),有擴增條帶表示為“1”,無條帶者表示為“0”。材料間的遺傳相似系數(shù)(Genetic similarity,GS)按 Nei等[18]的方法計算,遺傳相似性聚類按遺傳相似系數(shù)的值以不加權(quán)成對算術(shù)平均法(UPGMA)進行聚類,利用NTSYS-PC2.1軟件繪制聚類圖。

    多態(tài)性信息量(Polymorphism information content)PIC計算公式如下。

    式中,Pij表示位點i的第j個等位變異出現(xiàn)的頻率[19],PIC值位于0~1,其中,0代表該位點無多態(tài)性,1代表有較多的等位位點。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 SSR標記的多態(tài)性分析

    本研究用分布于大豆20條染色體的64對SSR標記對32份雜交大豆親本(包括15份保持系與17份恢復系)進行多態(tài)性分析。從表2可以看出,試驗共檢測出357個等位基因變異,單個位點檢測到的等位基因數(shù)變化為2~12個,平均為5.578個。其中,Satt358、Satt380這2對引物等位位點最多,均為12個,引物Satt211等位位點最少,為2個。SSR位點的多態(tài)性信息指數(shù)PIC變幅為0.368~0.900,平均為0.666。

    表2 64對SSR引物及所在染色體、等位變異數(shù)和PIC值Tab.2 The chromosome loci amplified allele number and PIC value of 64 SSR primers

    2.2 保持系與恢復系SSR標記的多態(tài)性分析

    從表3可以看出,用分布于大豆20條染色體的64對SSR標記進行擴增,15份保持系共檢測出322個等位變異,單個位點檢測到的等位基因數(shù)變化為2~9個,平均為5.031個,其中,Satt358、Satt380、Satt292這3對引物等位位點最多,均為9個,Satt211、Satt213、Satt527這3對引物等位位點最少,均為2個;SSR位點的多態(tài)性信息含量(PIC)變幅為0.370~0.868,平均為0.661,以引物Satt380最高,引物Satt211最低。17份恢復系共檢測出320個等位變異,單個位點檢測到的等位基因數(shù)變化為2~12個,平均為5個,其中,引物Satt380等位位點最多,為12個;SSR位點的多態(tài)性信息含量(PIC)變幅為0.329~0.904,平均為0.630,以引物Satt380最高,引物Satt460最低。

    表3 64對SSR引物分別在15份保持系、17份恢復系中等位變異數(shù)和PIC值Tab.3The amplified allele number and PIC value of 64 SSR primers in 15 maintainers and 17 restorers

    2.3 保持系間的遺傳差異與遺傳關(guān)系

    根據(jù)SSR 統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算保持系間的遺傳相似系數(shù)(GS),GS值變幅為0.491~0.857,平均為0.637。其中,B4(NJCMS3B)和B13(PI486355B)的遺傳相似系數(shù)最小,為0.491;B12(KunitzB)和B15(GR8836B)的遺傳相似系數(shù)最大,為0.857。

    利用NTSYS-PC2.1軟件通過UPGMA法進行聚類分析,以GS值0.61為標準,15份保持系共聚成兩類(圖1)。其中,第Ⅰ類包括B1(JD24B)、B2(H3B)、B3(JY20B)、B5(JY34B)和B13(PI486355B)共5個保持系,其余10個保持系被聚在第Ⅱ類。在相似系數(shù)0.65處,第Ⅱ類又可分為3個亞類,其中,第Ⅰ亞類含有B4(NJCMS3B)和B8(YC30B)共2個保持系,第Ⅱ亞類包括B9(UnionB)、B10(OmahaB)、B12(KunitzB)、B15(GR8836B)、B14(DefianceB)和B11(RENDB)共6個保持系,第Ⅲ亞類含有B6(Z17B)和B7(WD28B)共2個保持系。

    圖中序號與表1中名稱對應。圖2同。The name of the sequence number in the graph is shown in Tab.1. The same as Fig.2.

    2.4 恢復系間的遺傳差異與遺傳關(guān)系

    根據(jù)SSR統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算恢復系間的遺傳相似系數(shù)(GS),GS值變幅為0.494~0.969,平均為0.669。其中,C15(JD78)和C17(TH40)的遺傳相似系數(shù)最小,為0.494;C6(TH21)和C7(TH19)的遺傳相似系數(shù)最大,為0.969。

    利用NTSYS-PC2.1軟件通過UPGMA法進行聚類分析,以GS值0.65為標準,17份恢復系共聚成兩類(圖2)。其中,第Ⅰ類包括C1(T02064-17)、C3(WQ08-1)、C2(WQ117-1)、C4(L04Q088-1)、C8(TH119-99)、C9(TH3)、C10(ZZ045387 9-1)、C5(Pella)、C15(JD78)、C6(TH21)、C7(TH19)和C11(ZZ06818)等12個恢復系,其余5個恢復系被聚在第Ⅱ類,分別為C16(TH46)、C17(TH40)、C12(F97211-76)、C13(F9721-6)和C14(TH10)。

    圖2 17份恢復系的遺傳多樣性聚類結(jié)果Fig.2 Dendrogram of cluster analysis based on genetic similarity coefficient between 17 restorers

    3 討論

    SSR分子標記是分子輔助育種、材料基因型鑒定、種屬間親緣關(guān)系和遺傳多樣性等研究的有力工具。王彩潔等[13]對中國自20世紀40年代以來大豆主產(chǎn)區(qū)東北和黃淮海地區(qū)大面積種植的89個大豆品種進行遺傳多樣性分析,結(jié)果顯示,平均等位變異數(shù)為5.48個,等位變異的變化為1~14個,黑龍江北部、黑龍江中南部、吉林遼寧地區(qū)和黃淮海地區(qū)大面積種植品種標記的多態(tài)性信息含量(PIC)依次為0.414,0.469,0.522和0.562。Wang等[20]研究結(jié)果顯示,40份山西大豆育成品種、地方品種和野生資源平均位點的等位變異數(shù)為6.55,PIC為0.585~0.850,平均為0.78。Diwan等[21]對北美大豆品種的35個祖先親本多樣性進行分析,結(jié)果顯示,平均每個SSR引物的等位變異數(shù)為10.1,PIC為0.64~0.91,平均為0.8。本研究64對引物對32份雜交大豆親本材料共檢測出357個等位基因變異,單個位點檢測到的等位基因數(shù)變化為2~12個,平均為5.578個,位點多態(tài)性信息含量(PIC)變幅為0.368~0.900,平均為0.666。本研究多樣性信息含量結(jié)果介于中外學者之間,主要是由于本試驗材料除黃淮與東北材料外,還有一些美國材料。上述結(jié)果也進一步證明,SSR標記檢測是研究大豆品種資源遺傳差異的有效手段之一。

    崔艷華等[14]對96份黃淮夏大豆進行遺傳多樣性分析,聚類結(jié)果表明,96份材料呈現(xiàn)一定的地理分布規(guī)律。王彩潔等[13]研究表明,同一區(qū)域內(nèi)大面積種植品種的同質(zhì)化現(xiàn)象相當明顯。本研究在聚類分析中也發(fā)現(xiàn),聚類結(jié)果與地理來源具有一定相關(guān)性,地理來源相近的材料聚為一類,如保持系聚類中第Ⅱ類中第Ⅱ亞類的6個保持系皆來自于美國。此外,對系譜來源不清或者血緣不直接相關(guān)的種質(zhì)劃分到相應的類群,如保持系第Ⅰ類中B2(H3B)和B13(PI486355B);恢復系第Ⅰ類中C9(TH3)、C6(TH21),第Ⅱ類中C16(TH46)等材料,這將對保持系、恢復系材料的利用、種質(zhì)創(chuàng)制及從地理來源有目的地篩選保持系與恢復系具有很現(xiàn)實的指導意義。此外,本研究保持系的多態(tài)性信息含量(PIC)0.661高于恢復系的0.630,保持系間的平均遺傳相似系數(shù)(GS)0.637低于恢復系的0.669,這也與筆者在篩選保持系和恢復系的結(jié)果一致,保持材料比恢復材料容易找到。

    多年來,山西雜交大豆育成的組合及品種在單產(chǎn)、抗性等方面未取得較明顯突破,其重要原因之一在于不育系、保持系及恢復系遺傳基礎(chǔ)狹窄。近年來,山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)作物品種資源研究所雜交大豆課題組在大豆種質(zhì)資源的擴增改良方面取得了一定的成效,拓寬了雜交大豆的親本材料,但種質(zhì)基礎(chǔ)仍相對狹窄。因此,在今后的育種工作中,應繼續(xù)從全世界種質(zhì)資源中篩選不育系、保持系及恢復系種質(zhì)作為研究的基礎(chǔ)材料;同時,還須加大利用資源,拓寬雜交大豆不育系、保持系及恢復系的遺傳基礎(chǔ),從而實現(xiàn)山西雜交大豆育種的新突破。

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