104份黑龍江省水稻資源株型性狀比較及遺傳多樣性分析

張希瑞， 王敬國， 王立楠

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，黑龍江佳木斯 154026； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150030)

水稻作為全世界一半以上人口的口糧，其安全生產(chǎn)對(duì)保障國家糧食安全至關(guān)重要[1]。黑龍江省作為北方粳稻的主產(chǎn)區(qū)，水稻資源豐富，但是將遺傳多樣性及株型演化相結(jié)合的研究較少，這不利于育種家們充分合理利用種質(zhì)資源。研究黑龍江省不同類型水稻種質(zhì)的遺傳多樣性，有利于充分挖掘、利用現(xiàn)有水稻資源，為育種家們合理選配親本、培育理想株型新品種提供理論依據(jù)。

水稻株型即植株形態(tài)在空間上的分布，與水稻產(chǎn)量關(guān)系密切[2]。Donald于1968年提出了“理想株型”的概念，理想株型即能夠最大限度利用光能來提高作物產(chǎn)量的株型模式[3]。隨著此概念的提出，許多學(xué)者提出了多種水稻高產(chǎn)模式。陳溫福等確立了利用秈粳遠(yuǎn)緣雜交創(chuàng)造新株型，再通過復(fù)交或回交聚合有利基因創(chuàng)制出超高產(chǎn)理想株型[4]。侯立剛等通過對(duì)吉林省主推的不同熟期水稻品種株型及穗部形態(tài)的研究，得出了吉林省水稻株高處于較低水平和不同品種穗部形態(tài)以中、小散穗和半直立穂型為主的結(jié)論[5]。周開達(dá)等提出了“重穂型”的超高產(chǎn)雜交水稻育種理論[6]。黃耀祥提出“矮稈蘗強(qiáng)早發(fā)”的水稻模式[7]。袁隆平提出“冠層高、穗大、穗層矮”的水稻模式[8]。韋還和等研究發(fā)現(xiàn)，在穗長度、平均穗粒數(shù)、一次枝梗數(shù)和二次枝梗數(shù)4個(gè)性狀上超高產(chǎn)水稻群體顯著高于其他水稻群體[9]。以上研究旨在通過改善水稻株型來提高其產(chǎn)量。

結(jié)合簡單重復(fù)序列(SSR)分子標(biāo)記進(jìn)行水稻資源遺傳多樣性研究的報(bào)道很多，如楊靜等利用52個(gè)SSR分子標(biāo)記分析了54份黑龍江省水稻材料的遺傳多樣性[10]。李紅宇等利用53對(duì)SSR引物分析了107份東北三省主栽水稻品種的遺傳多樣性，并得出黑龍江省水稻品種的遺傳多樣性大于吉林省和遼寧省水稻品種的結(jié)論[11]。王復(fù)標(biāo)等利用60對(duì)SSR標(biāo)記對(duì)190份水稻材料的遺傳多樣性和群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析[12]。郝偉等以35份東北三省水稻區(qū)域試驗(yàn)品種為材料，結(jié)合SSR標(biāo)記對(duì)其遺傳多樣性進(jìn)行了分析，并檢測(cè)出237個(gè)等位基因[13]。宋澤等選用56對(duì)SSR引物分析了貴州省173份糯稻品種的遺傳多樣性，共檢測(cè)到191個(gè)等位基因[14]。而目前關(guān)于黑龍江省地方品種和不同年代育成品種遺傳多樣性的研究較少。本研究利用152對(duì)SSR分子標(biāo)記結(jié)合21種株型性狀對(duì)來自黑龍江省的104份水稻種質(zhì)的遺傳多樣性和株型演化規(guī)律進(jìn)行分析，旨在為優(yōu)化親本選配和科學(xué)利用種質(zhì)資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 性狀調(diào)查

104份參試材料由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所提供，連續(xù)2年(2019年和2020年)種植于水稻研究所科研選種田，田間管理同生產(chǎn)田。依據(jù)不同水稻材料的育成年份將供試材料分為4組：組群Ⅰ包括53份地方品種；組群Ⅱ?yàn)?份1958—1970年育成的品種；組群Ⅲ是17份1971—1999年育成的品種；組群Ⅳ包括25份2000年及之后育成的品種(表1)。田間設(shè)計(jì)、操作參照張希瑞等的方法[15]。

表1 供試品種

在供試材料齊穗后測(cè)定每份材料的株高、穗數(shù)、穗下第1至第4節(jié)間長度、穗抽出度、穗長、劍葉長度、劍葉寬度、倒二葉長度、倒二葉寬度、倒三葉長度和倒三葉寬度。另外，對(duì)穗頸角度、劍葉角度、倒二葉、倒三葉角度的測(cè)量參照徐正進(jìn)等的方法[16]。

1.2 總DNA的提取

以每個(gè)參試品種的幼嫩葉片為樣本，依據(jù)Chen等的方法[17]進(jìn)行總DNA的提取和純化，并利用瓊脂糖凝膠電泳對(duì)提取的DNA質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 引物合成及產(chǎn)物檢測(cè)

參照Gramene網(wǎng)站(https：//www.gramene.org)上的引物信息，委托哈爾濱博仕生物技術(shù)有限公司對(duì)均勻分布在水稻12條染色體上的152對(duì)引物進(jìn)行合成，用于遺傳多樣性分析。PCR反應(yīng)體系和產(chǎn)物檢測(cè)參照王敬國的方法[18]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

株型數(shù)據(jù)分析在DPS 9.50軟件[19]中進(jìn)行。遺傳距離[20]、遺傳一致度、基因流(Nm)和遺傳分化系數(shù)(Fst)[21]均在POPGENE 1.32軟件[22]中進(jìn)行計(jì)算。分子數(shù)據(jù)的觀測(cè)等位基因數(shù)量(Na)、遺傳多樣性指數(shù)(He)和多態(tài)性信息含量(PIC)[23]均在PowerMaker 3.25軟件[21]中進(jìn)行計(jì)算。在NTSYS-pc 2.1軟件[24]中利用非加權(quán)配對(duì)算術(shù)平均法(UPGMA)對(duì)供試材料進(jìn)行聚類分析。分子方差分析在GenAlEx 6.2軟件[25]中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 性狀變異

由表2可知，2年間變異系數(shù)最大的5個(gè)性狀分別是穗下第1節(jié)間長度、倒二葉基角、穗頸基角、穗抽出度和倒二葉張角，其變異系數(shù)分別為0.515 5、0.388 3、0.369 9、0.363 7和0.340 9，變異系數(shù)最小的5個(gè)性狀分別為穗下第4節(jié)間長度、株高、劍葉長、劍葉寬和倒二葉寬，其變異系數(shù)分別為0.091 6、0.110 4、0.114 5、0.116 1和0.127 9。就變異系數(shù)而言，穗頸張角、劍葉張角、倒二葉張角和劍葉基角、倒三葉張角在2年里都具有較大的變異系數(shù)，而倒二葉寬、倒三葉寬、劍葉寬、穗頸基角和穗下第1節(jié)間長度年際間相對(duì)穩(wěn)定。

表2 供試材料2年各株型性狀的均值統(tǒng)計(jì)

2.2 株型性狀的差異分析

2019年和2020年供試材料株型性狀年份間的多重比較結(jié)果見表3。不同年代品種的穗部呈現(xiàn)如下的特征：地方品種和1958—1970年間品種的穗抽出度均大于另外2個(gè)年代的品種；地方品種的穗抽出度極顯著大于其他年代育成的品種，2000年及以后育成的品種在2年里均具有最小穗抽出度。1971—1999年品種的穗數(shù)大于其他年代的品種。在2年里，1958—1970年育成的品種具有較大的穗頸張角，1971—1999年的品種具有最小的穗頸張角。以上差異分析結(jié)果表明，育成品種的穗數(shù)增多，而穗抽出度逐漸縮小，彎曲穗型是黑龍江省水稻品種的主要穗型。

對(duì)比參試材料的劍葉性狀可以看出，2年里，2000年及以后育成的水稻品種的劍葉寬度均大于其他2個(gè)年代育成的品種；就劍葉基角和張角而言，2年里均呈現(xiàn)的趨勢(shì)是1958—1970年育成的品種>1971—1999年育成的品種>2000年及以后育成的品種。

對(duì)比參試材料的倒二葉性狀可以看出，就倒二葉長和寬而言，2年里均呈現(xiàn)的趨勢(shì)是2000年及以后育成的品種>1971—1999年育成的品種>1958—1970年育成的品種。按照倒二葉基角和張角排序，2年里呈現(xiàn)的趨勢(shì)是1958—1970年育成的品種>1971—1999年育成的品種>2000年及以后育成的品種。地方品種在2年里倒二葉基角均極顯著大于1971—1999年育成的品種和2000年及以后育成的品種。

參試材料倒三葉性狀的比較結(jié)果表明， 在2年里，1958—1970年育成的品種具有最小倒三葉長度，且與其他年代品種間均差異極顯著；2年中，地方品種具有最小倒三葉寬。地方品種的倒三葉基角和張角在2年里都顯著大于1971—1999年育成的品種和2000年及以后育成的品種，2000年及以后育成的品種在2年里有最小的倒三葉基角和張角。上述有關(guān)劍葉、倒二葉和倒三葉的性狀多重比較結(jié)果表明，育成品種的劍葉寬度和倒二葉寬度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而劍葉基角和張角呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

2年中，1958—1970年育成的品種的植株株高均極顯著低于其他組水稻品種，地方品種的株高在2年里均極顯著高于其他年代育成的水稻品種，這說明地方品種株高最高。從節(jié)間長度的角度分析，2年里地方品種的穗下第1、第2和第3節(jié)間長度均極顯著大于其他3組，這可能是導(dǎo)致地方水稻品種株高顯著高于其他年代品種的主要原因；1958—1970年代育成品種的穗下第3和第4節(jié)間長度都低于其他年代品種，這在一定程度上導(dǎo)致了這一時(shí)期的品種株高較低。

表3 2019年和2020年株型性狀的比較

從上述株型差異分析結(jié)果可以歸納出參試的黑龍江省材料的株型特點(diǎn)：地方品種具有最大株高，穗下第1、第2、第3節(jié)間長度，穗抽出度；1958—1970年育成的品種具有最小穗下第3、第4節(jié)間長度；1971—1999年育成品種具有最大穗數(shù)；2000年及以后育成的品種具有最小穗抽出度、劍葉張角、倒二葉基角和張角、倒三葉基角和張角和最大劍葉寬度和倒二葉寬度。此外，彎曲穗型是黑龍江省育成品種的主流穂型。

2.3 SSR引物多態(tài)性分析

本研究利用152對(duì)SSR引物共檢測(cè)到749個(gè)等位基因變異。觀測(cè)等位基因數(shù)量(Na)的范圍為1～9，平均值為3.425。基因遺傳多樣性指數(shù)(He)的范圍為0.037～0.870，平均值為0.490。Shannon信息指數(shù)(I)為0.094～2.076，平均值為1.158。多態(tài)性信息量(PIC)范圍是0.091～0.857，平均值是0.597。Na、He和I排名前十的位點(diǎn)分別是分布在第9、第3、第7、第7、第2、第2、第6、第10、第1和第8號(hào)染色體上的RM257、RM1350、RM336、RM1353、RM1347、RM207、RM1369、RM1374、RM1381和RM264。

2.4 不同群體間的遺傳多樣性

方差分析結(jié)果顯示，組群內(nèi)和組間都存在極顯著差異(P<0.01)。其中組群間變異為8%，組群內(nèi)變異為92%(表4)。

表4 分子方差分析結(jié)果

遺傳距離和遺傳一致性分析結(jié)果(表5)表明，地方品種與其他3個(gè)年代育成品種之間具有最大遺傳距離(0.210 7、0.188 8和0.185 3)和最小遺傳一致性(0.810 1、0.828 0和0.830 9)。1971—1999年育成的品種與2000年及以后育成品種間具有最小遺傳距離(0.072 0)和最大遺傳一致性(0.930 5)。這說明黑龍江省地方水稻品種與其他年代育成水稻品種間存在明顯差異。

表5 組間Nei’s 遺傳距離(左下)和 遺傳一致性(右上)

不同組群間遺傳分化系數(shù)(Fst)和基因流(Nm)的分析結(jié)果(表6)表明，組群間Fst最大值為0.104，最小值為0.040，平均值為0.081，這表明各組群間的變異為8.1%，組群內(nèi)的變異為91.9%，這與方差分析的結(jié)果大致相同。不同組群間的Nm最大值是5.715，最小值是2.153，平均值是3.133。地方品種與其他3個(gè)年代育成品種間具有最大遺傳分化系數(shù)(0.104、0.076和0.071)和最小基因流(2.153、3.079和3.217)。1971—1999年育成的品種與2000年及以后育成品種之間遺傳分化系數(shù)最小(0.040)，基因流最大(5.715)。這與上述的遺傳距離和遺傳一致性分析結(jié)果一致。

表6 組間分化系數(shù)(Fst，左下) 和基因流(Nm，右上)

2.5 聚類分析

當(dāng)遺傳相似系數(shù)取值為0.676 3時(shí)，將供試的104份材料劃分為4個(gè)亞群(圖1)。第1亞群、第2亞群和第3亞群全部為地方品種，分別包含14、7、2個(gè)地方品種。第4亞群包括全部的育成品種，包括30個(gè)地方品種和51個(gè)育成品種。供試品種間的相似系數(shù)全部在0.664 1以上，表明供試材料之間遺傳差異較小，遺傳背景狹窄。

當(dāng)遺傳相似系數(shù)取值為0.668 4時(shí)，又將第4亞群再分為6個(gè)小亞群。第1小亞群包含龍粳13和松粘1號(hào)2個(gè)育成品種；第2小亞群包含2個(gè)育成品種，分別是東農(nóng)424和北稻3號(hào)；第3小亞群包含5個(gè)地方品種；第4小亞群包含12個(gè)育成品種，除東農(nóng)415(1989年選育)，其他11個(gè)均為2000年及以后育成的品種；第5小亞群包括2個(gè)育成品種和23個(gè)地方品種，育成品種分別是牡丹江8號(hào)(1970年)和合江17號(hào)(1971年)；第6小亞群包括33個(gè)選育品種和7個(gè)地方品種，選育品種中龍盾102、龍盾104、龍稻3號(hào)、綏粳7號(hào)、松粳10號(hào)、龍粳16號(hào)、龍稻7號(hào)、牡丹江29和墾稻12為2000年及以后選育的品種，其他為1958—1999年選育的品種。以上分析結(jié)果表明，供試品種的聚類結(jié)果與其育成年代密切相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

3.1 株型演化

水稻株型即水稻植株在空間上的排列方式。前人關(guān)于水稻株型的研究有很多，如胡月等將日本粳稻品種和黑龍江省粳稻品種的株型性狀進(jìn)行了比較，結(jié)果表明黑龍江省品種的株高、上3節(jié)間長度、上3葉的長和寬都顯著大于日本品種，而日本品種葉片的直立性優(yōu)于黑龍江省的品種[26]。解文孝等研究了2015年遼寧省參試的不同熟期水稻材料的株型特征，發(fā)現(xiàn)早熟粳稻品種主要為彎曲、輕穂型，中熟粳稻品種多為直立、重穂型，不同熟期品種的葉寬表現(xiàn)為中晚熟品種>中熟品種>早熟品種，二次枝梗結(jié)實(shí)率呈現(xiàn)出早熟品種>中晚熟品種>中熟品種的規(guī)律[27]。莫永生等以4個(gè)不同年代育成的水稻品種為材料，并對(duì)其株高、根干質(zhì)量、第2莖節(jié)直徑、莖壁厚度與產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果表明供試材料的產(chǎn)量會(huì)隨根干質(zhì)量、株高、第2莖節(jié)直徑、莖壁厚度的增大而提高[28]。本研究通過對(duì)104份黑龍江省水稻材料21種株型性狀的多重比較及差異性分析，發(fā)現(xiàn)黑龍江省不同年代品種的株型特點(diǎn)，即地方品種的株高、穗下第1節(jié)間長度、穗下第2節(jié)間長度、穗下第3節(jié)間長度、穗抽出度均最大；1958—1970年育成的品種具有最小穗下第3、第4節(jié)間長度；1971—1999年育成品種的穗數(shù)最多，且大于其他年代育成品種；2000年及以后育成的品種的穗抽出度、劍葉基角和張角、倒二葉基角和張角、倒三葉基角和張角都最小，劍葉寬度和倒二葉寬度均最大。育成品種的劍葉寬度、倒二葉寬度逐漸增大，株高降低，穗抽出度、劍葉基角和張角、倒二葉基角和張角、倒三葉基角和張角逐漸縮?。粡澢胄褪呛邶埥∮善贩N的主流穗型。

3.2 SSR標(biāo)記分析遺傳多樣性

利用SSR標(biāo)記的多態(tài)性研究不同區(qū)域水稻品種的遺傳多樣性的報(bào)道有很多，如陳于敏等利用48對(duì)SSR標(biāo)記引物分析了81份高原粳稻品種的遺傳多樣性，共檢測(cè)到139個(gè)等位基因，并得出大多數(shù)品種間遺傳距離近，遺傳基礎(chǔ)較窄的結(jié)論[29]。馬孟莉等利用100對(duì)SSR引物對(duì)60份云南省哈尼梯田紅米地方品種的遺傳多樣性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，云南省哈尼梯田紅米水稻品種具有豐富的遺傳多樣性[30]。李松等利用18對(duì)SSR引物分析了20份云南省騰沖市水稻品種的遺傳多樣性，結(jié)果表明騰沖市糯谷和推廣品種具有豐富的遺傳背景[31]。唐如玉等利用25對(duì)SSR引物分析了三峽庫區(qū)的81份水稻資源的遺傳多樣性和群體結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示供試材料被分為2個(gè)類群，地方品種的平均有效等位基因數(shù)高于選育品種[32]。本研究中152對(duì)SSR引物共檢測(cè)到749個(gè)等位基因變異，Na、He、I和PIC的均值分別為3.425、0.490、1.158和0.597，并得出黑龍江省地方水稻品種與其他不同年代水稻品種間遺傳差異最大的結(jié)論。

3.3 黑龍江水稻種質(zhì)間的親緣關(guān)系

聚類分析結(jié)果表明，在遺傳相似系數(shù)為 0.676 3 處，104份供試材料被聚類為4個(gè)亞群，所有供試材料間相似系數(shù)均大于0.664 1，表明其遺傳相似性較大，供試材料遺傳距離較近，遺傳基礎(chǔ)狹窄，且絕大多數(shù)育成材料聚合為一類，再一次證明了黑龍江省水稻種質(zhì)資源間的親緣關(guān)系較近，遺傳背景狹窄，這一結(jié)果與張科等的結(jié)論[33]相符。追溯黑龍江省水稻系譜，許多育成材料均含有骨干親本石狩白毛、上育397、藤系138和農(nóng)林8號(hào)及由它們衍生品種等的血緣，雖然黑龍江省水稻地方品種較豐富，但利用率低下，骨干親本多引自日本，這可能是黑龍江省水稻種質(zhì)遺傳背景狹窄的主要原因。為拓寬黑龍江省水稻遺傳基礎(chǔ)，育種工作者們應(yīng)廣泛引入我國其他各地區(qū)優(yōu)異的水稻種質(zhì)資源，并利用雜交手段聚合有利基因，培育出適合黑龍江省栽培的優(yōu)質(zhì)水稻品種。