谷子種質(zhì)資源遺傳多樣性研究進展

呂建珍

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太原 030031）

谷子（Setaria italic Beauv）起源于中國，屬禾本科狗尾草屬，一直是北方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主栽作物，馴化栽培歷史超過10 000 年［1］。新中國成立初期，谷子的栽培面積達(dá)7.6×107hm2，是當(dāng)時的第三大糧食作物；隨后近半個世紀(jì)，谷子的播種面積逐年收縮，成為“小作物”；現(xiàn)在隨著水資源的短缺及生態(tài)環(huán)境的日益惡化，谷子播種面積有所提升，并穩(wěn)定在133.3×104hm2左右［2］，而且谷子作為環(huán)境友好型作物在可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展中越來越重要。谷子的種植區(qū)域主要分布在北方干旱半干旱地區(qū)，甘肅、山西及內(nèi)蒙古等部分地區(qū)，由于光照時間長、陽光充足以及晝夜溫差大等原因，生產(chǎn)的谷子米質(zhì)優(yōu)，適口性好，深受消費者好評，同時由于谷子具有抗旱節(jié)水能力強等優(yōu)勢，相對于其它農(nóng)作物，生產(chǎn)效益較高，因此，這些地區(qū)谷子的種植面積相對穩(wěn)定；長城以南的地區(qū)，受自然環(huán)境及人們飲食習(xí)慣的影響，谷子種植面積則不斷減少。

谷子悠久的種植歷史以及我國多樣的氣候類型造就了豐富的谷子種質(zhì)資源。目前，我國國家種質(zhì)資源庫中保存了近3 萬份谷子種質(zhì)資源，占世界谷子資源保有量的80%［3］。加強對種質(zhì)資源的鑒定和遺傳多樣性研究及評價，對于了解谷子的起源、進化歷程和分類，正確認(rèn)識谷子遺傳變異的程度及不同資源材料間的親緣關(guān)系具有重要意義，同時有利于育種工作者了解資源材料的全貌，正確選擇親本材料及技術(shù)路線。

本文從表型性狀、品質(zhì)性狀基于染色體和生理生化指標(biāo)及不同類型的分子標(biāo)記的分子水平綜述了谷子遺傳多樣性的研究進展，并結(jié)合自身工作探討了如何有效的利用谷子遺傳遺傳多樣性研究結(jié)果進行種質(zhì)創(chuàng)制及新品種選育，為谷子遺傳多樣全面系統(tǒng)研究以及未來谷子種質(zhì)資源的利用提供可參考的信息。

1 基于表型性狀的谷子遺傳多樣性研究

通過表型特征分析研究作物的遺傳多樣性是最簡單、最方便的一種方法，目前已廣泛應(yīng)用于水稻、玉米、棉花、大豆等主要農(nóng)作物的種質(zhì)資源研究［4-7］。谷子作為一種古老的糧食作物，表型性狀具有明顯的遺傳變異，這是人類馴化和對不同生態(tài)環(huán)境適應(yīng)自身遺傳的結(jié)果，根據(jù)表型性狀對谷子種質(zhì)資源進行遺傳多樣性研究是對谷子多樣性評價中常用的方法。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過對世界各地谷子種質(zhì)資源的表型性狀進行分析，研究了不同地區(qū)不同種質(zhì)的遺傳多態(tài)性以及與不同種質(zhì)地理生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。在我國早期，Li 等［8］研究了中國近2 萬余份谷子品種的多個表型性狀在不同生態(tài)區(qū)間的差異，發(fā)現(xiàn)僅千粒重、葉鞘色等幾個性狀差異不明顯，且不同品種與地理生態(tài)區(qū)之間的相關(guān)性差異顯著。田伯紅等［9］對河南、山東等地的482 份谷子品種進行了遺傳多樣性研究，發(fā)現(xiàn)谷子育成品種的多樣性水平顯著低于地方品種，主要是因為育種家對資源材料的遺傳改良集中在了少數(shù)幾個性狀上，使得谷子品種間的性狀差異減少，但積累下來的這些表型性狀使育成品種的植株抗逆性增強，產(chǎn)量高于地方品種。王海崗等［10］通過對世界各地的878 份谷子的15 個表型性狀進行綜合評價，確定了葉鞘色、穗長、粒色、米色等8 個性狀可作為谷子表型綜合鑒定的主要指標(biāo)，并通過遺傳結(jié)構(gòu)和聚類分析將資源材料劃分為三個類群；丁銀燈等［11］和相吉山等［12］分別對新疆地區(qū)種植的274 份育成品種的16 個農(nóng)藝性狀和東北地區(qū)的120 份品種的10 個表型性狀進行了綜合評價；其他學(xué)者屈洋等［13］、閆鋒等［14］和王曉娟等［15］也分別對不同地區(qū)的不同谷子資源進行了形態(tài)學(xué)上的遺傳多樣性分析。

通過谷子表型性狀的遺傳多樣性分析，可以獲得不同地區(qū)的不同種質(zhì)資源有明顯的性狀分化和表型變異，具有豐富的多態(tài)性。谷子表型特征的多樣性在育種實踐中有著重要的作用，可作為育種家親本選擇的重要依據(jù)。

2 基于品質(zhì)性狀的谷子遺傳多樣性研究

根據(jù)“優(yōu)質(zhì)食用粟品質(zhì)及其檢測方法”品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（DB/7300 B22 13—90），谷子的品質(zhì)主要包括以蛋白質(zhì)、脂肪和維生素B1 含量為指標(biāo)的營養(yǎng)品質(zhì)和以直鏈淀粉含量、膠稠度和堿消指數(shù)（糊化溫度）為指標(biāo)的食用品質(zhì)。

中國北方谷子主產(chǎn)區(qū)的312 份樣品研究結(jié)果表明，小米粗脂肪含量平均為4.25%，變幅為2.45%～ 5.84%；蛋白質(zhì)總含量變異系數(shù)較大（11.94%），平均含量為11.42%，變幅為7.3%～17.5%，含量最高的陜西省品種‘邊區(qū)1 號’（17.25%）和最低的內(nèi)蒙古品種‘黃玉4 號’（8.45%）相差1.04 倍。小米蛋白質(zhì)主要由17 種氨基酸組成，其中含有人類必需的8 種氨基酸，各種氨基酸的含量差異很大，同一種氨基酸在不同谷子品種中也有一定的差異［16-18］；谷子的其它營養(yǎng)指標(biāo)糊化溫度、膠稠度以及淀粉、維生素含量等不同品種間也存在一定的差異［19］。劉三才等［18］通過中國各地區(qū)谷子蛋白質(zhì)含量進行測定表明，蛋白質(zhì)含量平均為15.8%，變異范圍在11.01%～20.77%。郝明杰等［20］對赤峰地區(qū)796 份谷子的蛋白質(zhì)、脂肪、賴氨酸含量了多樣性分析，同時表明賴氨酸跟谷子蛋白質(zhì)、脂肪關(guān)系不顯著。孫宇燕等［21］對52 份春谷品種的糊化溫度、膠稠度和直鏈淀粉含量的變異范圍，并根據(jù)品質(zhì)性狀測定值進行了分類。

3 基于染色體及生理生化標(biāo)記的谷子遺傳多樣性研究

以染色體為基礎(chǔ)進行的谷子核型研究早在20 世紀(jì)30 年代就已有報道，研究歷史悠久。最初是對谷子核型和帶型的研究，不同谷子品種雖然核型組成、核型分類等方面具有分化，但整體變化小，差異不大；不同品種帶型差異較大，同種帶型間也存在較大差異，主要是C-顯帶和G-顯帶的差異研究［22-23］，由此表明，谷子的遺傳多樣性從染色體水平上就已體現(xiàn)，但在核型分析中，同源染色體正確配對和排序比較困難，具有一定的局限性。

以蛋白質(zhì)多態(tài)性為基礎(chǔ)的標(biāo)記方法，依據(jù)載體的差異，主要分為同工酶標(biāo)記和種子貯藏蛋白（主要指醇溶蛋白）標(biāo)記兩種。

早期學(xué)者通過酯酶等5 個同工酶對來自世界10個地區(qū)的谷子進行分析顯示，谷子同工酶地區(qū)間差異較種間差異大，且不同區(qū)域谷子同工酶組成不同［24］； 劉潤堂等［25］和高明君等［26］對不同地區(qū)的不同谷子品種進行同工酶研究則表明，不同類型同工酶研究結(jié)果有差異，不同品種間酯酶同工酶變異范圍廣且復(fù)雜，可分為質(zhì)和量的差異。吳權(quán)明［27-28］對中國不同地區(qū)谷子品種及其近源野生種進行同工酶酶譜分析表明，種內(nèi)不同品種間差異性較低，主要表現(xiàn)為少數(shù)酶帶及相應(yīng)酶帶的相對活性不同；谷子與其不同野生種種間差異顯著，表現(xiàn)為大多數(shù)酶帶的差異，酯酶同工酶的酶帶條數(shù)與各種間的倍性水平無明顯相關(guān)性。

種子貯藏蛋白電泳圖譜一般不受外界環(huán)境影響，且具有豐富的遺傳多態(tài)性。已有研究表明，谷子種子貯藏蛋白種內(nèi)差異較小，種間變異較大［29-30］；谷子品種間清蛋白、球蛋白、谷蛋白的SDS-PAGE 電泳圖譜比醇溶蛋白變異大，而作為谷子中主要貯藏蛋白的醇溶蛋白差異不顯著［31］。

4 基于DNA 分子標(biāo)記的谷子遺傳多樣性研究

DNA 分子標(biāo)記能夠直接反映不同研究材料基因組DNA 間的差異，是分子生物學(xué)中進行遺傳多樣性研究廣泛使用的方法，該方法具有分析簡便、快速準(zhǔn)確、多態(tài)性高等優(yōu)點，不受環(huán)境因素、組織類別以及作物生長發(fā)育時期的影響。目前用于種質(zhì)鑒定的分子標(biāo)記主要有：RFLP、RAPD、AFLP、SSR、SNP 等。

4.1 SSR 分子標(biāo)記技術(shù)在谷子遺傳多樣性研究中的應(yīng)用

SSR 分子標(biāo)記是一種以廣泛存在于真核生物基因組中的核苷酸為基礎(chǔ)的分子標(biāo)記技術(shù)，最早由Hamade 提出。SSR 是簡單重復(fù)序列，序列兩端都有保守的DNA 序列，在不同植物中核苷酸簡單重復(fù)序列重復(fù)基數(shù)的數(shù)目變化大，因此，SSR 具有較強的多態(tài)性，能夠在DNA 序列基礎(chǔ)上獲得遺傳性狀的差異，顯示出不同種及不同個體之間的多態(tài)性［32］。另外，SSR 分子標(biāo)記具有分布廣、共顯性、DNA 用量少、操作簡單、成本低，在對產(chǎn)物進行凝膠測序分析時單堿基分辨率高等特點［33］，目前已被廣泛應(yīng)用于水稻［34］、大豆［35］、小麥［36］、玉米［37］等作物的遺傳多樣性研究。

SSR 分子標(biāo)記技術(shù)雖然具有很多的優(yōu)點，但也存在著局限性，引物設(shè)計工作繁瑣復(fù)雜，且引物具有物種特異性，所檢測的基因座位數(shù)目較少，較難實現(xiàn)大規(guī)模種質(zhì)鑒定。應(yīng)用SSR 對谷子進行遺傳多樣性研究相對較晚。2007 年，Zhang 等［38］和Jia 等［39］依據(jù)谷子干旱脅迫EST 數(shù)據(jù)庫，在近30 個序列上發(fā)現(xiàn)了30 個SSR 位點，并設(shè)計了26 對引物，利用篩選出的4 對多態(tài)性引物，從21 個谷子品種中擴增出10 個等位基因，雖然平均每個SSR 位點上只有2.5 個等位基因，但這項工作為谷子SSR 位點的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；研究學(xué)者又通過富集文庫法開發(fā)了269 對SSR 引物，并在1 個青狗尾草品種和4 個谷子品種中篩選，獲得179 對多態(tài)性引物，構(gòu)建了世界上第一張含有81 個SSR 位點的谷子遺傳標(biāo)記連鎖圖譜［40］；在此研究基礎(chǔ)上，利用其中多態(tài)性較好的37 對SSR 引物，對國內(nèi)外的40 個谷子品種進行了遺傳多樣性分析，共檢測出228 個等位基因，并發(fā)現(xiàn)國內(nèi)谷子育成品種全部聚為一類，山西省除外；不同亞群的地方種與其地理來源相對應(yīng)［41］。后來，很多研究者利用SSR 標(biāo)記進行了谷子遺傳多樣性研究，其中Wang 等［42］通過微衛(wèi)星分子標(biāo)記對我國1%的谷子地方品種資源進行遺傳分析發(fā)現(xiàn)，谷子種質(zhì)資源具有異常豐富的遺傳多樣性，在已報道的相關(guān)研究中，與玉米［43］的平均遺傳多樣性水平相當(dāng)，高于原產(chǎn)于我國的水稻［44］、大豆［45］等作物。

谷子全基因組測序工作的完成使得大量具有良好多態(tài)性的SSR 引物被開發(fā)并加以應(yīng)用［46］。孫加梅等［47］利用基因組序列開發(fā)出205 對SSR 引物，并利用其中的39 對多態(tài)性引物對41 份谷子種質(zhì)資源進行了遺傳多樣性分析，該研究結(jié)果與表型分析結(jié)果基本一致。秦嶺等［48］通過SSR 分子標(biāo)記對不同年代華北夏谷區(qū)的主栽品種進行遺傳多樣性分析，表明隨著年代的遞進育成品種的遺傳差異減小，親緣關(guān)系增近。王姍姍等［49］用28 對SSR 標(biāo)記對中國遼西地區(qū)的8 個谷子品種進行了遺傳多樣分析，為遼西地區(qū)谷子新品種選育提供了理論依據(jù)。

4.2 基于其它分子標(biāo)記技術(shù)的谷子遺傳多樣性研究

RFLP、RAPD、AFLP 等分子標(biāo)記分別具有一定的局限性，主要應(yīng)用于SSR 分子標(biāo)記開發(fā)以前。

王志民等利用RFLP 分子標(biāo)記在谷子資源中發(fā)現(xiàn)了22 個多態(tài)性探針，并進行了相關(guān)研究［50］。國外學(xué)者利用RFLP 技術(shù)對62 份來自亞歐大陸谷子品種進行了多態(tài)性分析，并根據(jù)研究結(jié)果將這些材料劃分了5 大類群，我國的谷子品種分散其中［51］。由于RFLP 操作復(fù)雜，費時費力，后期該技術(shù)逐步被替代。

RAPD 相對于RFLP 操作簡單易行，DNA 用量較少。楊天育等［52］及法國學(xué)者Schontz 等［53］通過該技術(shù)發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的谷子品種遺傳多樣性豐富，但該技術(shù)重復(fù)性差，受環(huán)境影響較大，其結(jié)果有待進一步確認(rèn)。

SNP 分子標(biāo)記指由同一位點的不同等位基因之間個別核苷酸的差異或小的插入、缺失等變異所造成的一種DNA 序列的多態(tài)性。SNP 在基因組中分布廣、多樣性高、數(shù)量大且具有雙等位基因等特點。隨著高通量測序技術(shù)的廣泛應(yīng)用，該技術(shù)發(fā)展迅速，大量的SNP 位點被挖掘，已成為當(dāng)前動植物科學(xué)研究的主要手段。

谷子基因組測序工作的完成使得SNP 分子標(biāo)記技術(shù)在近幾年得到廣泛應(yīng)用。Jia 等［54］采用基因組重測序的方法，完成了916 份谷子核心種質(zhì)的多樣性分析，明確了谷子遺傳資源可分為2 個亞群，具有清晰的地理分布特征。發(fā)現(xiàn)谷子的連鎖不平衡衰減速率與水稻和高粱相當(dāng)，約為100 kb，谷子的序列多樣性（π≈0.001 0）介于秈稻（π≈0.000 6）和粳稻（π≈0.001 6）之間。趙慶英等［55］基于山西名優(yōu)谷子品種晉谷21 號的全基因組重測序，發(fā)掘了1 167 555 個SNP 位點，并獲得了一個特異的InDel 標(biāo)記，這對于其它谷子、狗尾草和谷莠子等種質(zhì)資源的相關(guān)研究具有重要作用。

5 展望

近年來谷子種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究取得了一定進展，但仍需提高和改進。一方面是研究方法的選擇。不同的研究方法具有不同的優(yōu)勢和局限，在實際研究中應(yīng)根據(jù)研究目的和材料的具體情況選擇相應(yīng)的研究方法。另一方面是如何有效的應(yīng)用遺傳多樣性的研究結(jié)果。為了滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，育種家保存的種質(zhì)主要是綜合性狀好或具有某一特殊性狀的資源材料，不能滿足人類需求的地方品種逐漸被淘汰，導(dǎo)致谷子種質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)越來越狹窄，育種家的工作具有一定的局限性。育種工作若要有所突破，就必須對現(xiàn)有的谷子育種材料進行遺傳多樣性研究和評價，同時利用分子生物學(xué)技術(shù)對谷子種質(zhì)資源進行全面評估，為育種親本的選擇提供一定的理論基礎(chǔ)。在遺傳育種改良時，注重利用地理親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的品種及野生的近緣種，為優(yōu)良新品種的選育奠定基礎(chǔ)。