谷子种质资源遗传多样性研究进展

吕建珍

（山西农业大学 农学院，山西 太原 030031）

谷子（Setaria italic Beauv）起源于中国，属禾本科狗尾草属，一直是北方农业生产的主栽作物，驯化栽培历史超过10 000 年［1］。新中国成立初期，谷子的栽培面积达7.6×107hm2，是当时的第三大粮食作物；随后近半个世纪，谷子的播种面积逐年收缩，成为“小作物”；现在随着水资源的短缺及生态环境的日益恶化，谷子播种面积有所提升，并稳定在133.3×104hm2左右［2］，而且谷子作为环境友好型作物在可持续农业发展中越来越重要。谷子的种植区域主要分布在北方干旱半干旱地区，甘肃、山西及内蒙古等部分地区，由于光照时间长、阳光充足以及昼夜温差大等原因，生产的谷子米质优，适口性好，深受消费者好评，同时由于谷子具有抗旱节水能力强等优势，相对于其它农作物，生产效益较高，因此，这些地区谷子的种植面积相对稳定；长城以南的地区，受自然环境及人们饮食习惯的影响，谷子种植面积则不断减少。

谷子悠久的种植历史以及我国多样的气候类型造就了丰富的谷子种质资源。目前，我国国家种质资源库中保存了近3 万份谷子种质资源，占世界谷子资源保有量的80%［3］。加强对种质资源的鉴定和遗传多样性研究及评价，对于了解谷子的起源、进化历程和分类，正确认识谷子遗传变异的程度及不同资源材料间的亲缘关系具有重要意义，同时有利于育种工作者了解资源材料的全貌，正确选择亲本材料及技术路线。

本文从表型性状、品质性状基于染色体和生理生化指标及不同类型的分子标记的分子水平综述了谷子遗传多样性的研究进展，并结合自身工作探讨了如何有效的利用谷子遗传遗传多样性研究结果进行种质创制及新品种选育，为谷子遗传多样全面系统研究以及未来谷子种质资源的利用提供可参考的信息。

1 基于表型性状的谷子遗传多样性研究

通过表型特征分析研究作物的遗传多样性是最简单、最方便的一种方法，目前已广泛应用于水稻、玉米、棉花、大豆等主要农作物的种质资源研究［4-7］。谷子作为一种古老的粮食作物，表型性状具有明显的遗传变异，这是人类驯化和对不同生态环境适应自身遗传的结果，根据表型性状对谷子种质资源进行遗传多样性研究是对谷子多样性评价中常用的方法。

近年来，国内外学者通过对世界各地谷子种质资源的表型性状进行分析，研究了不同地区不同种质的遗传多态性以及与不同种质地理生态环境之间的关系。在我国早期，Li 等［8］研究了中国近2 万余份谷子品种的多个表型性状在不同生态区间的差异，发现仅千粒重、叶鞘色等几个性状差异不明显，且不同品种与地理生态区之间的相关性差异显著。田伯红等［9］对河南、山东等地的482 份谷子品种进行了遗传多样性研究，发现谷子育成品种的多样性水平显著低于地方品种，主要是因为育种家对资源材料的遗传改良集中在了少数几个性状上，使得谷子品种间的性状差异减少，但积累下来的这些表型性状使育成品种的植株抗逆性增强，产量高于地方品种。王海岗等［10］通过对世界各地的878 份谷子的15 个表型性状进行综合评价，确定了叶鞘色、穗长、粒色、米色等8 个性状可作为谷子表型综合鉴定的主要指标，并通过遗传结构和聚类分析将资源材料划分为三个类群；丁银灯等［11］和相吉山等［12］分别对新疆地区种植的274 份育成品种的16 个农艺性状和东北地区的120 份品种的10 个表型性状进行了综合评价；其他学者屈洋等［13］、闫锋等［14］和王晓娟等［15］也分别对不同地区的不同谷子资源进行了形态学上的遗传多样性分析。

通过谷子表型性状的遗传多样性分析，可以获得不同地区的不同种质资源有明显的性状分化和表型变异，具有丰富的多态性。谷子表型特征的多样性在育种实践中有着重要的作用，可作为育种家亲本选择的重要依据。

2 基于品质性状的谷子遗传多样性研究

根据“优质食用粟品质及其检测方法”品质标准（DB/7300 B22 13—90），谷子的品质主要包括以蛋白质、脂肪和维生素B1 含量为指标的营养品质和以直链淀粉含量、胶稠度和碱消指数（糊化温度）为指标的食用品质。

中国北方谷子主产区的312 份样品研究结果表明，小米粗脂肪含量平均为4.25%，变幅为2.45%～ 5.84%；蛋白质总含量变异系数较大（11.94%），平均含量为11.42%，变幅为7.3%～17.5%，含量最高的陕西省品种‘边区1 号’（17.25%）和最低的内蒙古品种‘黄玉4 号’（8.45%）相差1.04 倍。小米蛋白质主要由17 种氨基酸组成，其中含有人类必需的8 种氨基酸，各种氨基酸的含量差异很大，同一种氨基酸在不同谷子品种中也有一定的差异［16-18］；谷子的其它营养指标糊化温度、胶稠度以及淀粉、维生素含量等不同品种间也存在一定的差异［19］。刘三才等［18］通过中国各地区谷子蛋白质含量进行测定表明，蛋白质含量平均为15.8%，变异范围在11.01%～20.77%。郝明杰等［20］对赤峰地区796 份谷子的蛋白质、脂肪、赖氨酸含量了多样性分析，同时表明赖氨酸跟谷子蛋白质、脂肪关系不显著。孙宇燕等［21］对52 份春谷品种的糊化温度、胶稠度和直链淀粉含量的变异范围，并根据品质性状测定值进行了分类。

3 基于染色体及生理生化标记的谷子遗传多样性研究

以染色体为基础进行的谷子核型研究早在20 世纪30 年代就已有报道，研究历史悠久。最初是对谷子核型和带型的研究，不同谷子品种虽然核型组成、核型分类等方面具有分化，但整体变化小，差异不大；不同品种带型差异较大，同种带型间也存在较大差异，主要是C-显带和G-显带的差异研究［22-23］，由此表明，谷子的遗传多样性从染色体水平上就已体现，但在核型分析中，同源染色体正确配对和排序比较困难，具有一定的局限性。

以蛋白质多态性为基础的标记方法，依据载体的差异，主要分为同工酶标记和种子贮藏蛋白（主要指醇溶蛋白）标记两种。

早期学者通过酯酶等5 个同工酶对来自世界10个地区的谷子进行分析显示，谷子同工酶地区间差异较种间差异大，且不同区域谷子同工酶组成不同［24］； 刘润堂等［25］和高明君等［26］对不同地区的不同谷子品种进行同工酶研究则表明，不同类型同工酶研究结果有差异，不同品种间酯酶同工酶变异范围广且复杂，可分为质和量的差异。吴权明［27-28］对中国不同地区谷子品种及其近源野生种进行同工酶酶谱分析表明，种内不同品种间差异性较低，主要表现为少数酶带及相应酶带的相对活性不同；谷子与其不同野生种种间差异显著，表现为大多数酶带的差异，酯酶同工酶的酶带条数与各种间的倍性水平无明显相关性。

种子贮藏蛋白电泳图谱一般不受外界环境影响，且具有丰富的遗传多态性。已有研究表明，谷子种子贮藏蛋白种内差异较小，种间变异较大［29-30］；谷子品种间清蛋白、球蛋白、谷蛋白的SDS-PAGE 电泳图谱比醇溶蛋白变异大，而作为谷子中主要贮藏蛋白的醇溶蛋白差异不显著［31］。

4 基于DNA 分子标记的谷子遗传多样性研究

DNA 分子标记能够直接反映不同研究材料基因组DNA 间的差异，是分子生物学中进行遗传多样性研究广泛使用的方法，该方法具有分析简便、快速准确、多态性高等优点，不受环境因素、组织类别以及作物生长发育时期的影响。目前用于种质鉴定的分子标记主要有：RFLP、RAPD、AFLP、SSR、SNP 等。

4.1 SSR 分子标记技术在谷子遗传多样性研究中的应用

SSR 分子标记是一种以广泛存在于真核生物基因组中的核苷酸为基础的分子标记技术，最早由Hamade 提出。SSR 是简单重复序列，序列两端都有保守的DNA 序列，在不同植物中核苷酸简单重复序列重复基数的数目变化大，因此，SSR 具有较强的多态性，能够在DNA 序列基础上获得遗传性状的差异，显示出不同种及不同个体之间的多态性［32］。另外，SSR 分子标记具有分布广、共显性、DNA 用量少、操作简单、成本低，在对产物进行凝胶测序分析时单碱基分辨率高等特点［33］，目前已被广泛应用于水稻［34］、大豆［35］、小麦［36］、玉米［37］等作物的遗传多样性研究。

SSR 分子标记技术虽然具有很多的优点，但也存在着局限性，引物设计工作繁琐复杂，且引物具有物种特异性，所检测的基因座位数目较少，较难实现大规模种质鉴定。应用SSR 对谷子进行遗传多样性研究相对较晚。2007 年，Zhang 等［38］和Jia 等［39］依据谷子干旱胁迫EST 数据库，在近30 个序列上发现了30 个SSR 位点，并设计了26 对引物，利用筛选出的4 对多态性引物，从21 个谷子品种中扩增出10 个等位基因，虽然平均每个SSR 位点上只有2.5 个等位基因，但这项工作为谷子SSR 位点的发现和应用奠定了基础；研究学者又通过富集文库法开发了269 对SSR 引物，并在1 个青狗尾草品种和4 个谷子品种中筛选，获得179 对多态性引物，构建了世界上第一张含有81 个SSR 位点的谷子遗传标记连锁图谱［40］；在此研究基础上，利用其中多态性较好的37 对SSR 引物，对国内外的40 个谷子品种进行了遗传多样性分析，共检测出228 个等位基因，并发现国内谷子育成品种全部聚为一类，山西省除外；不同亚群的地方种与其地理来源相对应［41］。后来，很多研究者利用SSR 标记进行了谷子遗传多样性研究，其中Wang 等［42］通过微卫星分子标记对我国1%的谷子地方品种资源进行遗传分析发现，谷子种质资源具有异常丰富的遗传多样性，在已报道的相关研究中，与玉米［43］的平均遗传多样性水平相当，高于原产于我国的水稻［44］、大豆［45］等作物。

谷子全基因组测序工作的完成使得大量具有良好多态性的SSR 引物被开发并加以应用［46］。孙加梅等［47］利用基因组序列开发出205 对SSR 引物，并利用其中的39 对多态性引物对41 份谷子种质资源进行了遗传多样性分析，该研究结果与表型分析结果基本一致。秦岭等［48］通过SSR 分子标记对不同年代华北夏谷区的主栽品种进行遗传多样性分析，表明随着年代的递进育成品种的遗传差异减小，亲缘关系增近。王姗姗等［49］用28 对SSR 标记对中国辽西地区的8 个谷子品种进行了遗传多样分析，为辽西地区谷子新品种选育提供了理论依据。

4.2 基于其它分子标记技术的谷子遗传多样性研究

RFLP、RAPD、AFLP 等分子标记分别具有一定的局限性，主要应用于SSR 分子标记开发以前。

王志民等利用RFLP 分子标记在谷子资源中发现了22 个多态性探针，并进行了相关研究［50］。国外学者利用RFLP 技术对62 份来自亚欧大陆谷子品种进行了多态性分析，并根据研究结果将这些材料划分了5 大类群，我国的谷子品种分散其中［51］。由于RFLP 操作复杂，费时费力，后期该技术逐步被替代。

RAPD 相对于RFLP 操作简单易行，DNA 用量较少。杨天育等［52］及法国学者Schontz 等［53］通过该技术发现不同区域的谷子品种遗传多样性丰富，但该技术重复性差，受环境影响较大，其结果有待进一步确认。

SNP 分子标记指由同一位点的不同等位基因之间个别核苷酸的差异或小的插入、缺失等变异所造成的一种DNA 序列的多态性。SNP 在基因组中分布广、多样性高、数量大且具有双等位基因等特点。随着高通量测序技术的广泛应用，该技术发展迅速，大量的SNP 位点被挖掘，已成为当前动植物科学研究的主要手段。

谷子基因组测序工作的完成使得SNP 分子标记技术在近几年得到广泛应用。Jia 等［54］采用基因组重测序的方法，完成了916 份谷子核心种质的多样性分析，明确了谷子遗传资源可分为2 个亚群，具有清晰的地理分布特征。发现谷子的连锁不平衡衰减速率与水稻和高粱相当，约为100 kb，谷子的序列多样性（π≈0.001 0）介于籼稻（π≈0.000 6）和粳稻（π≈0.001 6）之间。赵庆英等［55］基于山西名优谷子品种晋谷21 号的全基因组重测序，发掘了1 167 555 个SNP 位点，并获得了一个特异的InDel 标记，这对于其它谷子、狗尾草和谷莠子等种质资源的相关研究具有重要作用。

5 展望

近年来谷子种质资源的遗传多样性研究取得了一定进展，但仍需提高和改进。一方面是研究方法的选择。不同的研究方法具有不同的优势和局限，在实际研究中应根据研究目的和材料的具体情况选择相应的研究方法。另一方面是如何有效的应用遗传多样性的研究结果。为了满足现代农业发展的需求，育种家保存的种质主要是综合性状好或具有某一特殊性状的资源材料，不能满足人类需求的地方品种逐渐被淘汰，导致谷子种质资源的遗传基础越来越狭窄，育种家的工作具有一定的局限性。育种工作若要有所突破，就必须对现有的谷子育种材料进行遗传多样性研究和评价，同时利用分子生物学技术对谷子种质资源进行全面评估，为育种亲本的选择提供一定的理论基础。在遗传育种改良时，注重利用地理亲缘关系较远的品种及野生的近缘种，为优良新品种的选育奠定基础。