寧夏外引水稻種質(zhì)資源表型性狀遺傳多樣性分析

李振姣+馬斯霜+部麗群+李耀棟+唐輝+張銀霞+田蕾+李培富

摘要：為了解和拓寬寧夏水稻種質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)，利用18個表型性狀對從國外或外地引進(jìn)的269份水稻種質(zhì)資源進(jìn)行表型評價和遺傳多樣性分析，并進(jìn)行不同性狀間遺傳相關(guān)分析和聚類分析。表型評價結(jié)果表明，大多數(shù)種質(zhì)都表現(xiàn)為綠色葉片、葉枕、稈黃色穎尖、彎曲穗粒形狀和無芒特征；二次枝梗的變異系數(shù)最高，達(dá)35.82%，谷粒寬的變異系數(shù)最低，為7.66%，F(xiàn)測驗結(jié)果表明各數(shù)量性狀差異都達(dá)到了極顯著水平。遺傳多樣性分析結(jié)果顯示，質(zhì)量性狀[JP3]的多樣性指數(shù)H′平均為0.34，數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)平均為1.99。遺傳相關(guān)分析結(jié)果表明，各性狀間存在復(fù)雜的相互關(guān)系，其中二次枝梗與每穗總粒數(shù)的正相關(guān)系數(shù)最大，為0.946，谷粒寬與谷粒長寬比的負(fù)相關(guān)系數(shù)最大，為 -0.771。根據(jù) UPGMA 聚類法，以歐式距離0.84為閾值，將參試材料分為四大類，第Ⅰ類為粒數(shù)型品種，第Ⅱ類早熟、結(jié)實率較高，第Ⅲ類是來自日本的矮稈品種，大部分聚在第Ⅳ類，為中間類型。對不同地理來源的種質(zhì)資源材料進(jìn)行聚類，結(jié)果顯示俄羅斯的水稻資源與其他地方的資源親緣關(guān)系相對較遠(yuǎn)，韓國、日本、遼寧和江蘇的種質(zhì)資源親緣關(guān)系相對較近。說明外引水稻種質(zhì)資源表型遺傳多樣性較豐富，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，可豐富和拓寬寧夏水稻種質(zhì)資源的遺傳多樣性。

關(guān)鍵詞：水稻；種質(zhì)資源；遺傳多樣性；表型性狀

中圖分類號： S511.03文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0117-05

種質(zhì)資源是作物優(yōu)良基因的載體，保護(hù)現(xiàn)有種質(zhì)資源的遺傳多樣性，改良與創(chuàng)新利用是當(dāng)前乃至長遠(yuǎn)種質(zhì)資源研究的主要內(nèi)容，也是實施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措[1]。歷史經(jīng)驗不斷證明，水稻育種上取得的突破性進(jìn)展無不與種質(zhì)資源的利用密切相關(guān)。寧夏大米素以品質(zhì)優(yōu)良而著稱，這與銀川平原優(yōu)越的氣候條件密不可分[2]。前人研究表明，不同地區(qū)間的種質(zhì)資源遺傳多樣性高于同一地區(qū)內(nèi)的不同品種間[3-4]，因此，為了了解和拓寬寧夏水稻種質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)，對從國外或外地引進(jìn)的水稻種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性研究顯得尤為必要[5-6]。近年來，有關(guān)水稻種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究不勝枚舉，劉煒等利用SSR分子標(biāo)記對寧夏粳稻種質(zhì)資源進(jìn)行了初步研究，表明寧夏粳稻種質(zhì)資源之間的相似性較高，遺傳差異較小，遺傳背景比較單一[7-9]。賀治州等利用15個表型性狀比較分析了127份來源于9個熱帶國家和地區(qū)的熱帶水稻優(yōu)異種質(zhì)資源的遺傳多樣性，結(jié)果表明不同來源的熱帶水稻種質(zhì)各性狀變異范圍大，遺傳多樣性指數(shù)較高[10]。李自超等利用31個表型性狀研究了云南地方稻種資源的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)其遺傳多樣性大，優(yōu)質(zhì)資源豐富，以滇西南和滇東南的遺傳多樣性最大，秈稻多樣性小于粳稻[11]。但是無論從表型性狀，還是從分子水平，有關(guān)寧夏外引水稻種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究還未見報道。本研究利用18個表型性狀對在寧夏地區(qū)正常生長的269份外引水稻種質(zhì)資源進(jìn)行表型遺傳多樣性分析，為今后本地區(qū)水稻育種提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料

以269份寧夏外引水稻種質(zhì)資源為試驗材料，其中來自澳大利亞5份，意大利10份，法國3份，俄羅斯1份，葡萄牙2份，日本43份，韓國4份，朝鮮1份，中國臺灣2份，中國云南6份，中國北京20份，中國黑龍江44份，中國吉林89份，中國遼寧27份，中國江蘇12份，參試材料名稱、編號及來源略。

1.2試驗方法

參試材料于2014年4月16日在寧夏大學(xué)水稻育種基地[LM]

育秧，5月17號插秧。每個材料栽3行，每行10株，行長 1.0 m，行距0.3 m，株距0.1 m，單株插秧，田間管理與大田相同。

按照《稻種資源形態(tài)農(nóng)藝性狀鑒定方法》的鑒定標(biāo)準(zhǔn)，主要考察水稻葉色、葉枕色、穎尖色、穗粒形狀、芒色等5個質(zhì)量性狀以及株高、穗長、每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)、結(jié)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、單株穗數(shù)、千粒質(zhì)量等13個數(shù)量性狀。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

將所調(diào)查的表型質(zhì)量性狀進(jìn)行頻次分布統(tǒng)計，數(shù)量性狀的基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計在Excel中進(jìn)行，包括均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等，各性狀的方差分析在SAS 8.2軟件中進(jìn)行。對數(shù)量性狀進(jìn)行質(zhì)量化處理，參照王述民的方法，進(jìn)行10個等級的劃分，每0.5σ為1級，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，計算Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′），其計算公式為：H′=-∑PilnPi（i=1，2，3，…），其中Pi是某性狀第i個級別的材料數(shù)占總材料數(shù)的比例。通過SPSS Statistics 17.0對13個數(shù)量性狀進(jìn)行相關(guān)性分析。利用SAS 91軟件采用UPGMA法進(jìn)行聚類分析，繪制樹狀聚類圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同質(zhì)量性狀的表型頻次分布

通過對269份外引水稻種質(zhì)資源5個質(zhì)量性狀的調(diào)查分析，各性狀的頻次分布見圖1。不同水稻種質(zhì)資源的葉枕色以綠色為主，占96.66%，其次為紫色，占12.6%，而紅色的極少，只占0.74%；穎尖色以稈黃為主，占86.25%，其次是紅色，占7.43%，紫色占6.32%；葉片以綠色為主，占97.8%，個別品種為紫色，占0.34%，而葉緣色為紫色的占1.86%；穗粒形狀以彎曲為主，占81.04%，直立或半直立穗分別占 10.04% 和8.92%；無芒水稻品種占94.4%，有芒品種只占5.6%，且芒色以白色為主，占3.46%，而紅芒或紫芒品種分別占1.73%和0.35%（圖1）。從不同性狀的頻次分布可以看出，大部分水稻品種呈現(xiàn)綠色的葉片，綠色葉枕，稈黃色的穎尖，無芒和彎曲的穗粒形狀。

2.2不同數(shù)量性狀的表型變異分析

根據(jù)形態(tài)和農(nóng)藝性狀考察結(jié)果，計算每個表型性狀的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異范圍、變異系數(shù)和F值（表1）。由表1可知，不同水稻種質(zhì)資源材料間每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)、結(jié)實率、著粒密度、二次枝梗的變異范圍大，變異系數(shù)高，均達(dá)到23%以上，其中二次枝梗的變異系數(shù)最大，為35.82%，說明二次枝梗的變異程度較高。谷粒長與谷粒寬的變異系數(shù)較小，分別為8.08%和7.66%，說明這2個性狀的變異程度較小。13個表型性狀的F值都達(dá)到了極顯著的水平，說明寧夏外引的種質(zhì)資源材料各表型性狀間都存在著非常大的遺傳差異。

2.3水稻種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析

根據(jù)形態(tài)和農(nóng)藝性狀考察結(jié)果，計算每個表型性狀的Shannon-Weiner多樣性指數(shù)（Hs=-∑pi·lnpi），結(jié)果如表2所示。從表3可知，5個質(zhì)量性狀中，穗粒形狀的遺傳多樣性指數(shù)最高，H′為0.62，穎尖色為0.50，葉片色最低，H′為012，平均為0.34，總體上質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)H′較低。13個數(shù)量性狀中，各個性狀的多樣性指數(shù)基本都在2.0左右，谷粒長寬比的最小，H′為1.77，最大的是一次枝梗數(shù)，H′為2.09，平均值為1.99。所以，數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)H′明顯高于質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)H′，表明數(shù)量性狀的遺傳多樣性較大。

2.4不同數(shù)量性狀表型性狀間的相關(guān)性分析

對寧夏外引269份種質(zhì)資源的13個數(shù)量性狀進(jìn)行遺傳相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)見表3。由表3可見，不同表型性狀間存在顯著、極顯著相關(guān)關(guān)系，有些性狀間為正相關(guān)關(guān)系，而有些性狀間則為負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明性狀間復(fù)雜的相互關(guān)系。在極顯著正相關(guān)中，每穗總粒數(shù)與二次枝梗數(shù)相關(guān)系數(shù)最大，為0.946，表明每穗總粒數(shù)與二次枝梗的遺傳相關(guān)性較大，每穗實粒數(shù)與谷粒長寬比的相關(guān)系數(shù)最小，為0.167；在極顯著負(fù)相關(guān)中，谷粒寬與谷粒長寬比的相關(guān)系數(shù)最大，為-0.771，每穗總粒數(shù)與結(jié)實率的遺傳相關(guān)性最小，相關(guān)系數(shù)為 -0.159。

2.5寧夏外引水稻種質(zhì)資源表型性狀的聚類分析

以收集到的269份寧夏外引水稻種質(zhì)資源13個數(shù)量性狀的均值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以類平均法進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖2所示，根據(jù)聚類分析結(jié)果，以歐式距離0.84為閾值，可將269份水稻種質(zhì)資源材料劃分為四大類，第Ⅰ類包含8份材料，包括牡12-1822、牡12-815、超級稻-2、超級稻-3、E1、S2-4、K60、馬引3號，此類種質(zhì)資源的特點是每穗總粒數(shù)較多，平均200粒左右；第Ⅱ類共66份材料， 包括羅薩馬啟蒂、羅瑪、羅卡等5份意大利材料和龍粳43、豐優(yōu)5110等61份東北材料，這類材料平均每穗實粒數(shù)多，結(jié)實率較高；第Ⅲ類包含3份材料，分別為Hitomehore、京引114、Kirara397，主要是日本引進(jìn)材料，此類種質(zhì)資源材料的株高相對較矮，平均 60 cm 以下，每穗總粒數(shù)較少，平均60粒左右，為矮稈小穗類型；第Ⅳ類包含192份材料，占到總數(shù)的71.38%，包括中國東北、日本、韓國、澳大利亞和歐洲等地區(qū)，為中間類型。這些表型遺傳差異大的水稻資源是豐富寧夏水稻種質(zhì)資源的良好材料，可拓寬寧夏種質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)。

2.6不同地理來源水稻種質(zhì)資源表型性狀的聚類分析

通過對不同來源的水稻資源進(jìn)行歸類后，以13個數(shù)量性狀的均值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用SAS 9.1軟件類平均法進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖3，發(fā)現(xiàn)在歐式距離0.88為閾值，可將不同地理來源的水稻分為五大類，其中第Ⅰ類只有1個品種，為俄羅斯水稻品種，表明俄羅斯水稻資源與其他各個地方的水稻資源親緣關(guān)系相對較遠(yuǎn)；第Ⅱ類包括中國（云南、臺灣）、意大利和葡萄牙的水稻資源；第Ⅲ類有中國（遼寧、江蘇）、日本、韓國、朝鮮和法國的水稻資源；第Ⅳ類僅包括中國黑龍江的水稻種質(zhì)資源；第Ⅴ類有澳大利亞、中國（北京、吉林）的水稻資源，聚在同一類的材料表明其親緣關(guān)系較近，有可能來自同一個祖先，不同類別間種質(zhì)資源的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，遺傳差異較大，多樣性豐富，可豐富和拓寬寧夏水稻種質(zhì)資源的遺傳多樣性，為水稻育種提供良好的資源材料。

3結(jié)論與討論

本研究通過對269份寧夏外引水稻種質(zhì)資源的表型性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析，在質(zhì)量性狀上，大部分水稻資源表現(xiàn)為綠色的葉枕，桿黃色的穎尖，彎曲的穗立形狀，無芒的水稻類型，且有芒品種大多數(shù)以白色為主。在數(shù)量性狀上，每穗總粒數(shù)、每穗實粒數(shù)、結(jié)實率、著粒密度、二次枝梗，結(jié)實率的變異系數(shù)較大，都達(dá)到了23%以上，其中二次枝梗的相對最高，為35.82%，說明此性狀的變異程度相對較大，而谷粒長與谷粒寬則相對較小，分別為8.08%和7.06%，變異程度較小。通過方差分析表明，各性狀間均達(dá)到了極顯著的水平，說明269份材料各性狀間都有很大的遺傳差異。遺傳相關(guān)性分析結(jié)果

顯示，各數(shù)量性狀間大部分存在極顯著或顯著的關(guān)系，其中每穗總粒數(shù)與二次枝梗的正相關(guān)系數(shù)最大，谷粒寬與谷粒長寬比負(fù)相關(guān)系數(shù)最大。陳小龍等對寧夏的60份種質(zhì)資源的16個表型性狀進(jìn)行遺傳相關(guān)分析，結(jié)果表明各性狀間也呈現(xiàn)出復(fù)雜的相互關(guān)系[12]。遺傳多樣性指數(shù)表明，質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)（H′）平均在0.5以下，數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)（H′）平均在2.0左右，明顯高于質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)（H′），這與賀治州等研究的熱帶水稻優(yōu)異種質(zhì)資源表型遺傳多樣性的結(jié)果[10]一致，說明數(shù)量性狀的遺傳多樣性大，而數(shù)量性狀中以一次枝梗（2.09）的最高，質(zhì)量性狀中以穗立性狀（0.62）最高。聚類結(jié)果顯示，以歐式距離0.84為閾值，可將269份水稻分成四大類，每一類在一些性狀上較為獨特，大部分聚在了第Ⅳ類，占到了總數(shù)的71.38%，不同地理來源水稻的聚類結(jié)果表明，俄羅斯與其他不同地方種質(zhì)資源的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，日本、韓國、中國（遼寧和江蘇）的水稻種質(zhì)資源親緣關(guān)系較近，寧夏外引水稻的表型遺傳差異較大，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，為育種家在選擇親本上提供理論依據(jù)，可作為拓寬寧夏水稻遺傳基礎(chǔ)的良好資源。利用表型性狀來檢測遺傳變異是最比較簡便易行的方法[13-15]，能夠在短期內(nèi)對所研究材料的遺傳變異水平有個基本的認(rèn)識，但是表型性狀易受環(huán)境和基因顯隱性的影響，若要更準(zhǔn)確，深入地了解，今后還得結(jié)合SSR分子標(biāo)記[16-25]進(jìn)行進(jìn)一步地檢測。

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