基于SNP标记的粳型香稻品种品质性状差异及遗传多样性分析

赵一洲，倪善君，张 战，李 鑫，毛 艇，张丽丽，刘 研，刘福才

(辽宁省盐碱地利用研究所，辽宁 盘锦 124010)

水稻是我国最主要的粮食作物之一，约占粮食总产量的 40%[1]，是我国 65%以上人口的主食[2]。随着人民生活水平的提高，消费者对大米食味品质的追求日益提高，稻米品质改良已成为水稻育种的重要目标之一[3～4]。香稻是栽培稻的特殊类型，因其特有的芳香受到广大消费者的青睐，越来越多的国家已将香米作为水稻育种的目标之一[5～6]。稻米品质性状包括加工品质、外观品质、蒸煮食用品质和营养品质，这些性状直接反映品种品质表现。遗传多样性或称遗传变异，对作物育种而言，遗传多样性越丰富，物种对环境变化的适应能力越强[7]，用于改良栽培品种或选育新品种的潜力就越大。同时，提高品种的遗传多样性也能增强品种对外界不良环境的抗性[8]。林世成等对212个早粳品种原始亲本进行追溯[9]，徐振华等对96份粳稻品种遗传多样性进行分析，都从不同角度说明扩大现有水稻品种遗传基础的必要性[10]。单核苷酸多态性(singlenucleotide polymorphism，SNP)是普遍存在于生物基因组中的一种新型分子标记，是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异而引起DNA序列单个碱基多态性变化。SNP是二等位基因，具有在基因组中数量最多、分布密度高、无需电泳、可高通量自动化检测等特点[11～12]，在分析材料遗传多样性上取得较好应用[13～15]。因此，对香稻种质资源品质性状特性及遗传多样性进行分析可对香稻品种选育和香稻资源利用提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

为29份在本地区正常成熟的粳型香稻品种，分别来自黑龙江、吉林、辽宁、河北、山东、云南、日本。2018年于辽宁省盐碱地利用研究所试验田种植，每份材料小区种植6行，行株距为30.0cm×13.3cm，小区面积3.6m2，栽培管理与大田相同。

1.2 品质性状分析

参照中华人民共和国农业部部颁标准NY147-88《米质测定方法》测定糙米率、精米率、整精米率、粒长、籽粒长宽比、垩白粒率、垩白度、碱消值、胶稠度[16]。透明度由SDT-A型稻米透明度测定仪直接测出。直链淀粉含量、蛋白质含量由丹麦FOSS近红外谷物品质分析仪(Infratec TM 1241 Grain Analyzer)直接测定。

利用DPS 7.05软件对香稻品种品质性状进行主成分分析，利用 Statistica 6.0软件采用欧氏距离、Ward′s法对香稻品种品质性状主成分值进行聚类。

1.3 SNP芯片分析

利用中玉金标记(北京)生物技术股份有限公司开发的中稻芯1号8K SNP芯片完成基因型检测和分析，共获得7 519个SNP位点基因型结果，利用 AxiomAnalysisSuite软件的 apt-genotypeaxiom、ps-metrics和 ps-classification模块进行基因分型结果统计，获得29份样本的基因型数据。利用R语言计算遗传相似系数[17]，admixture软件进行结构分析。基于各材料间遗传相似系数，利用NTSYSpcV 2.10e软件中的Dcenter与Eigen模块进行主成分分析，明确各类群的分群特征[13]。

2 结果与分析

2.1 香稻品种品质性状及RVA特征值变异

在品质性状中垩白粒率、垩白度变异系数最大，分别为 142.1%、160.5%，性状变化幅度在1.0%～73.0%、0.1%～26.2%，平均值为 13.6%、4.2%。透明度、籽粒长宽比、蛋白质、整精米率、碱消值的变异系数在10.0%～27.0%，性状变化幅度在 0.50～0.80、1.6～2.7、5.4% ～8.1%、46.9%～78.9%、3.0～7.0级，平均值分别为0.70、1.9、6.9%、65.1%、5.4级。 糙米率、直链淀粉、精米率、粒长、胶稠度的变异系数在 2.5%～8.2%，性状变化幅度在75.7%～85.3%、17.0%～21.0%、66.7% ～80.5%、4.4～6.2mm、60.0～86.0mm，平均值分别为 81.1%、19.7%、73.5%、5.1mm、77.1mm(表 1)。 表明，29份香稻品种在垩白度、垩白粒率品种间差异较大，性状改良、提高的潜力较高。

2.2 香稻品种品质性状主成份与聚类分析

通过对品质性状进行主成分分析，以特征根累计贡献率大于85.0%为标准，确定5个主成分，累计贡献率达到86.0%。第1主成分特征根为4.525，贡献率为 37.7%，主要由垩白粒率、垩白度、透明度决定，是水稻外观品质的综合反应；第2主成分特征根为2.085，贡献率为17.4%，主要由粒长、籽粒长宽比决定，是水稻粒形性状的综合反应；第 3主成分特征根为 1.757，贡献率为14.6%，主要由糙米率、精米率、整精米率决定，是水稻加工品质的综合反应；第4、第5主成分特征根分别为 1.102、0.856，贡献率分别为 9.2%、7.1%，对应的特征向量分别是胶稠度、蛋白质(表2)。

表1 香稻品种品质性状差异Table 1 Differences of quality characters of fr agrant rice varieties

以各香稻品种品质性状前5个主成分得分为指标进行系统聚类(图 1)。当阈值为 10时，29个香稻品种可分为3个类群。第Ⅰ类群包括绥锦香089290、曹妃香1号、唐妃香2号等共16个品种，第Ⅱ类群包括津原香、丹香2号、香原稻等共8个品种，第Ⅲ类群包括龙香 311-492、剑粳香 1号、宫城香等共5个品种。3个类群中除粒长、籽粒长宽比、胶稠度外其它性状差异达到显著或极显著水平。糙米率第Ⅰ类群极显著高于第Ⅱ类群，精米率第Ⅰ类群极显著高于第Ⅱ、Ⅲ类群，整精米率第Ⅰ类群极显著高于第Ⅲ类群，垩白粒率、垩白度、蛋白质第Ⅰ、Ⅱ类群极显著或显著低于第Ⅲ类群，透明度第Ⅰ、Ⅱ类群极显著高于第Ⅲ类群，碱消值第Ⅱ类群极显著高于第Ⅲ类群，直链淀粉第Ⅱ类群极显著高于第Ⅰ、Ⅲ类群，第Ⅰ类群又极显著高于第Ⅲ类群(表3)。表明，外观、粒形、加工、胶稠度、蛋白质性状可作判断本研究中29份香稻品种品质性状的主要指标，29份香稻品种可划分为不同性状组合的类群。

2.3 香稻品种间的遗传相似系数及群体结构

基于SNP标记数据共获得406个品种两两间遗传相似系数，其变化幅度在0.456～0.998之间，平均值为0.675，其中香源稻与盐香115间的遗传相似性最低(0.456)，津原香、唐妃香2号、津原香之间，宫城香、宫香米、宫香之间的遗传相似性最高(0.998)。品种间遗传相似系数在0.45～0.6之间的组合占22.4%，在0.60～0.75之间组合占 60.8%，在 0.75～1.00之间的组合占16.8%。

利用admixture软件对29个香稻品种进行群体结构分析。类群数(K值)在2～10，当 K=4时LnP(D)值最大，29份供试材料在遗传上可划分为4个类群(图2)。

表2 香稻品种品质性状主成分分析Table 2 The pr inciple component analysis for the quality traits in fragrant rice

表3 香稻不同品种类群品质性状差异比较Table 3 The comparison of quality characters of different group in fragrant rice

其中，第1类群包括稻花香 2号、剑粳香1号、云浪香、宫香米、宫城香、宫香、龙香 311-492共7个品种；第 2类群包括曹妃香 1号、丹香2号、津原香、唐妃香2号、隆粳香1号共5个品种；第3类群包括14HB2、曹妃香2号、隆粳香3号、盐香115、锦稻香103、绥锦香089290、盐粳939共7个品种；第4类群包括裕粳香1号、锦稻香104、冀香粳 2号、14HB1、唐海香稻、香原稻、7233、香稻、垦香48、河北香稻共10个品种。第1类群品种间遗传相似系数在 0.627～0.998，平均为0.835；第2类群品种间遗传相似系数在0.584～0.998，平均为 0.736；第 3类群品种间遗传相似系数在0.564～0.947，平均为 0.677；第 4类群品种间遗传相似系数在 0.665～0.994，平均为0.798。

2.4 香稻品种亲缘关系的主成分分析

主成分分析结果显示，29份供试材料前3个主成分分别占总遗传组成的42.1%、21.4%、11.4%，总和达到74.9%。因此，利用前3个主成分值作三维主成分图可解释香稻品种类群间的遗传关系(图3)。各类群品种分布于三维图的四周，类群间空间区分明显。类群品种间平均遗传相似系数在0.563～0.714，其中第 1类群与第 4类群遗传相似系数最高，第2类群与第3类群相似系数最低。总之，供试材料亲缘系数、群体结构及主成分分析反映了不同来源香稻品种间的遗传差异及亲缘关系。

3 讨论

通过遗传多样性的研究可以从整体上把握该物种的种质资源情况[18]。随着生物技术的发展，遗传多样性的检测从形态学、生理生化水平逐渐发展到染色体及DNA水平[19～22]。农艺性状是品种最直接的表现，对其鉴定、描述及性状差异分析仍是种质资源研究、判断品种间遗传距离最基本的方法和途径[23～24]。通过分子标记则可为群体遗传多样性、材料亲缘关系提供可靠的信息。同时进行形态、分子水平研究更能准确分析品种间的遗传多样性与性状差异。

陈培峰等对44份太湖地区香稻品种主要品质指标进行分析，发现外观品质的变异最大，其次是蒸煮品质[25]。刘之熙等利用SSR标记对来源于同一优质香型材料的5个常规香稻品种进行相似性和特异性分析，发现品种间具有遗传差异[26]。本研究发现29份供试材料品质性状变异系数在2.5%～160.5%之间。其中垩白粒率、垩白度的变异系数较大，籽粒长宽比、蛋白质、整精米率中等，这些性状是区分品种间品质性状差异的主要依据和重要参考，也是品种性状改良的主要内容。同时，利用SNP芯片对供试材料进行遗传相似系数和群体结构分析，品种间亲缘系数在0.456～0.998之间，平均值为0.675，反映了材料间遗传距离的远近。大多地理来源相近的材料被分入到一个类群内，如第1类群内的龙香 311-492、稻花香2号、云浪香来源于吉林和黑龙江，宫城香、宫香米、宫香来源于日本；第2类群内的津原香、曹妃香1号、唐妃香2号来源于天津、河北；第3类群内的盐粳 939、盐香 115、锦稻香 103来源于辽宁；第4类群内的香原稻、香稻、河北香稻、垦香 48、冀香粳 2号、14HB1、唐海香稻、7233来源于河北。表明，地理来源相近的品种其遗传关系较近，为香稻群体遗传基础评价提供了依据。

种质资源是水稻育种发展的基础，亲本选择是品质改良的前提。本研究通过主成分分析，表明在品质性状上外观性状、粒形性状、胶稠度、蛋白质是形成不同品质类型的主要因子性状。而不同遗传类群材料间具有不同的遗传距离，如第1类群与第 2、3、4类群间遗传相似系数分别为0.666、0.637、0.714，第 2 类群与第 3、4 类群间遗传相似系数分别为 0.563、0.633，第 3、4类群间遗传相似系数0.613，这为优质香稻育种亲本选择提供了重要依据。因此，在了解亲本材料品质性状、遗传背景的基础上，引入目标性状、确保性状互补的同时，适当加大亲本间遗传距离，其杂交后代群体将有较大的遗传变异，出现优良类型的比例也较高。可减少育种工作中亲本选配的盲目性，避免育成品种遗传背景狭窄，从而提高育种效率，培育出符合育种目标的品种。