太湖流域粳稻群体遗传结构分化和亚群特异性分析

胡慧安 王洋

摘 要：目的：研究太湖流域粳稻群体的遗传结构分化以及不同生态亚群的遗传多样性、特异性及其相互关系，为太湖流域亲本遴选提供遗传背景依据。方法：从太湖流域823份地方品种构成的核心种质中筛选出58份品种和36份育成品种构成代表样品，选用均匀分布12条染色体上的91个标记，采用Structure Version2.2软件，对粳稻群体遗传多样性、亚群遗传分化及特异性进行分析。结果：太湖流域粳稻群体由8类血缘组成，遗传上可分为5个生态亚群，每个亚群的血缘构成各不相同。不同的生态亚群中含有各自的特有和特缺等位变异，其中生态型Ⅲ特有等位变异数最多，对其他4个亚群其具有最多的补充等位变异。

关键词：太湖流域；粳稻群体；群体分化；遗传结构；遗传特异性

中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）13-0035-04

太湖流域的粳稻栽培历史悠久，特定的地理环境和气候条件，形成了该地区丰富的粳稻资源类型，成为培育优良粳稻品种亲本的源泉[1]。金伟栋曾对太湖流域823份粳稻地方品种资源19个农艺性状进行了分析，结果表明太湖流域粳稻地方品种表现出丰富的表型多态性[2]。在此基础上利用58对SSR引物进行了太湖流域粳稻地方品种的遗传多样性分析，研究显示太湖流域粳稻地方品种具有丰富的遗传多样性[3]。

把太湖粳稻资源看作一个（总）群体，根据抽穗期的不同，可分为不同的成熟期生态类型[4]。洪德林发现不同成熟期生态类型间杂质F1既有近20%的产量优势潜力，又有比较协调的整体农艺性状[5]。冷燕研究发现不同成熟期生态类型间品种配组能够选育出产量高、品质优的杂交粳稻[6]。然而研究发现粳稻种质资源遗传基础日趋狭窄，其中太湖流域不同生态类型间的遗传差异也显著减少[7]。分析不同生态类型间遗传多样性，发掘各亚群间等位变异特异性，能够准确掌握太湖流域粳稻品种的遗传特点，将为不同生态类型亲本的选配提供遗传背景信息。但目前对太湖流域粳稻不同成熟期生态类型间遗传结构、特异性及其遗传关系的研究尚无报道。为此，本研究将选取太湖流域不同成熟期生态类型代表性核心种质和育成品种构成一个自然群体，利用SSR标记对不同生态类型的亚群的遗传特征开展分析，解析亚群间等位变异的特异性和互利关系，为太湖流域粳稻资源的有效利用提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料 由94份太湖流域粳稻种质构成，其中地方品种核心种质58份和育成品种36份（表1）[8]，由南京农业大学洪德林教授提供。按照抽穗期的早晚分为5个生态型，生态型Ⅰ为早熟中粳（8月1—10日抽穗），生态型Ⅱ为中熟中粳（8月11—20日抽穗），生态型Ⅲ为迟熟中粳（8月21—31日），生态型Ⅳ为早熟晚粳（9月1—10日），生态型Ⅴ为中熟晚粳（9月10日以后）[9]，它们的材料数分别为14、13、31、15和21，各生态型及对应的品种名称见表1。

1.2 基因组 DNA提取及SSR扩增本研究选用均匀覆盖水稻12条染色体91对的引物，所用引物名称及在染色体上的位置均参考文献[9-12]，此处从略。PCR反应混合液为10μL，含1μmol·L-1 DNA、0.7μmol·L-1引物对，0.2μmol·L-1 dNTPs，1μmol·L-1Buffer（free MgCl2），0.6μmol·L-1MgCl2，6.4μmol·L-1ddH2O及0.1μmol·L-1 Taq DNA 酶。PCR扩增及染色过程同于文献[8]。

1.3 数据分析方法 每个SSR标记等位变异分子量的测定：以DNAMarkerOne为标准，使用QuantityOne软件进行计算。太湖流域粳稻试验群体及亚群的遗传多样性测度及群体间的相互关系，利用下述方法进行分析：

1.3.1 群体（亚群体）的多样性分析 遗传丰富度（genetic richness）指群体内遗传类型的多少，用群体内等位变异的总数表示[13]。每个位点的多态性信息量PICi（polymorphism information content）和每个群体平均每个位点的杂合度He（mean heterozygosity per locus，也称Nei's 基因多样性指数）的计算方法同于文献[14]，利用软件PowerMarker version3.25来完成[15]。

1.3.2 群体间遗传差异的分析 群体特有等位变异是指该群体具有而其他群体没有的等位变异；群体的特缺等位变异该群体没有的而其他各群体都有的等位变异[13]。比较群体间的遗传关系的远近利用不同群体间的互补等位变异数。群体A有而群体B没有的等位变异称为群体A对群体B的补充等位变异数，群体A对群体B与群体B对群体A的补充等位变异数之和称为A与B间互补等位变异数[13]。利用NTSYS 2.10程序，采用UPGMA（unweighted pair group method with average）方法对生态类型亚群间及亚群内的品种间进行聚类分析。其中品种间的遗传相似系数GS，GS=2Mxy/（Mx+My）及品种间遗传距离 GD，GD=1-GS的计算方法同于文献[14]。

1.3.3 群体遗传结构分析 选用分布于12条染色体上遗传距离较远的43个位点利用软件Structure 2.2，进行群体机构分析，选取一个合适的K值并且画出基于模型的群体遗传结构图[16-18]。

2 结果与分析

2.1 太湖流域不同生态亚群遗传结构的特异性分析

2.1.1 不同成熟期生态类型亚群的遗传多样性 94份太湖流域资源群体中，利用91对SSR引物共检测到467个等位变异，平均每个位点等位变异数为5.13个，变化范围为2～11。表2显示，5个不同生态类型中检测到的等位片段数、位点平均PIC值和Nei's基因多样性指数（He）。多样性片段数和位点平均PIC值生态型Ⅲ亚群的最大，生态类型Ⅳ亚群的最小；基因多样性指数生态型Ⅰ亚群高于其他四个亚群，最小的是生态类型Ⅳ亚群；遗传距离变幅最大的是生态类型Ⅱ，最小的是生态类型Ⅳ亚群；上述结果表明在DNA水平上的生态型Ⅳ亚群遗传多样性小于其他4个生态类型群。

2.1.2 不同生态类型亚群的遗传特异性和互补性 由表3可知：5个不同抽穗期生态类型亚群特缺等位变异数最多的是生态型Ⅳ（21），最少的是生态型Ⅴ（4）。特有等位变异数由高到低是生态型Ⅲ、生态型Ⅰ、生态型Ⅱ、生态型Ⅴ和生态型Ⅳ；说明生态型Ⅲ中的粳稻品种具有较高的特异性，且特缺的等位变异也相对较少（6）。

表4为不同生态类型亚群间的补充等位变异情况，可以看出不同生态型间具有较多的补充等位变异。生态类型Ⅲ对其他4个生态型的补充最多，说明生态Ⅲ的材料具有较大的利用潜力。在5个不同生态类型中生态类型Ⅳ的特有等位变异较少，其他4个生态类型对其具有较多的补充等位变异，补充等位变异数最多的是生态型Ⅲ对生态型Ⅳ的补充，为125个（表4）。利用生态型Ⅲ品种资源来提高生态类型Ⅳ群体的等位变异数是最有效的。

2.2 太湖流域粳稻群体的遗传结构及其分化

2.2.1 太湖流域粳稻群体的遗传结构 利用Structure 2.2 软件分析结果显示太湖流域的94个粳稻品种资源可以划分为8类血缘组成，从软件分析提供的结果发现每类血缘中又不同程度地加入了其他血缘成份，表明太湖流域粳稻品种群体种质来源明显的异质性和多元特性。

2.2.2 太湖流域粳稻品种群体的生态类型分化 8种血缘在五个不同生态亚群的分布情况，其中1～4个血缘在5个生态亚群中都有分布，第1类和第2类血缘主要分布在生态型Ⅲ、生态型Ⅲ和生态型Ⅴ中，第3类血缘主要分布在生态型Ⅱ和生态型Ⅲ中，第4类血缘主要分布于生态型Ⅱ和生态型Ⅲ中，从中发现一方面每个生态类型有其特定的遗传组成，另一方面在品种不断发展过程中有不同的种质血缘的介入。

2.2.3 生态亚群的划分与遗传聚类 根据Nei遗传距离，用“Neighbor-Joining tree”方法进行太湖流域粳稻品种遗传关系无根树状聚类见图略，在遗传相似系数为0.48处可以将太湖流域粳稻品种分为6个群体，通过[χ2]检验，其结果显示（见表5）不同生态类型亚群与SSR聚类亚群间有极显著相关，说明成熟期生态分群确有其相应的遗传基础。每一遗传聚类亚群以某些分生态亚群材料为主，不同遗传聚类亚群包含的分生态亚群材料有所差异，不同生态亚群包含的聚类亚群构成不同，尤以生态型Ⅴ为突出，生态型Ⅰ和生态型Ⅲ间主要体现在分布频率的差异，说明太湖流域生态亚群间在遗传上存在较大差异。

太湖流域5个成熟期生态亚群分别以Nei遗传距离利用“Neighbor-Joining tree”方法进行聚类。图1表明了不同生态类群的亲缘关系。在遗传相似系数0.57处，5个生态亚群可以明确区分开来。其中生态型Ⅳ和生态型Ⅴ遗传相似性最为接近，其次是生态型Ⅰ和生态型Ⅱ，生态型Ⅲ与生态型Ⅰ和生态型Ⅱ又较近于生态型Ⅳ和生态型Ⅴ，由此可见成熟期温度相差较小的亚群遗传相似高于成熟期温度差异较大的亚群，推断长期进化过程中稳定的成熟期形成了太湖流域生态亚群特定的遗传结构。

[生态型Ⅰ][生态型Ⅱ][生态型Ⅲ][生态型Ⅳ][0.46][0.51][0.56][0.61][0.66]

图1 太湖流域粳稻品种5个成熟期生态亚群的SSR聚类关系

3 讨论

本研究的91个SSR标记在太湖流域94分地方品种和育成品种中平均每个位点等位变异数为5.13个，变化范围为2～11，其等位变异数高于东北地区推广品种，也高于江苏省和浙江省的育成品种，但低于云南地方品种和育成品种[19-23]。保护太湖流域粳稻品种丰富的遗传多样性，可为该地区粳稻育种提供亲本资源。

太湖流域粳稻品种不同生态亚群与SSR标记无根树状遗传距离聚类间有显著相关性，生态分群由于其环境选择而产生的不同遗传背景，形成了各不同生态亚群所具有的遗传特质，表现在血缘结构及亚群间等位变异的不同，这也为亚群间种质或基因交流的提供了遗传基础。

本研究发现5个不同生态亚群持有各自的特有和特缺等位变异，这为未来育种的目标性状上增添了变异，在利用已有的有利等位变异基础上，拓展目标性状上的变异是育种者要把握的重要方向。

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