山西省同名小麦地方品种的遗传关系分析

雷梦林，刘霞，王艳珍，穆志新

（山西农业大学 农业基因资源研究中心 农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室，山西 太原 030031）

小麦大约在4500 年前引入中国［1］，经过漫长的自然环境选择，并与当地传统农业系统相适应，这类具有历史起源和独特身份的栽培物种的动态群体被称为地方品种、农家品种或本地品种。在作物遗传育种中，地方品种更容易贡献有效的水分和养分吸收、利用特征以及有利的等位基因以适应胁迫环境［2］。如地方品种“望水白”是小麦抗赤霉病的重要抗源［3］；高亲和特性的地方品种“中国春”作为外源基因转移的工具和对照材料，在世界小麦远缘杂交领域中被广泛应用［4］。可见，地方品种携带的优异等位基因是拓宽现代作物育种多元化和品种多样性的重要基因资源。

山西省南北狭长，小麦种植横跨2 个生态区，形成的小麦地方品种遗传变异类型多样。一些性状突出的地方品种曾在山西小麦育种历史上发挥有着重大作用。如介休市的地方品种四月黄，早熟的特性使四月黄在生产上成功的躲避了生育期病害，在1949-1978 年间全省累计种植面积达700 余万亩，推广应用年限超过30 余年［5］。另一个地方品种平遥县的小白麦作为抗旱育种的血缘基础，以此为亲本选育的抗旱品种推广遍布晋、京、津、冀、陕和辽等地，在我国北部冬麦区小麦抗旱遗传改良中起着举足轻重的作用。甚至是在北部冬麦区旱地生产中多次创造高产记录的品种长6878，也具有地方品种平遥小白麦的血缘基础［6-8］。然而，这些重要的地方品种命名多依据表型性状、形态特征和地理来源等，命名方式相对较简单、随意，同近名品种非常多，比如在山西省作物种质资源库保存的同名小白麦就多达9 份。小麦［9-12］的这种同名现象也广泛存在于在玉米［13-14］、大豆［15-16］、水稻［17-20］等作物中，已严重影响着对作物种质资源的深入研究和挖掘其性状遗传特点，因此，对同名地方品种的遗传关系鉴定是种质资源保存和利用的前提，遴选出农艺性状和遗传距离差异大的同名种质资源，以最少数量的种质资源获取整个资源最大限度的遗传多样性，减少种质资源保存压力的同时提升种质资源高效利用水平［21］。

同名种质资源的评价、鉴定手段随着分子标记技术的发展，已从表型、形态学鉴定向基因型精准鉴定过渡。其中，SNP 标记具有分布密度高、基因组覆盖广、易批量操作和不易受环境影响等优点，在种质资源区分、遗传多样性分析和遗传关系鉴定等方面优势明显，并被广泛应用。如刘易科等［22］利用90K SNP 标记对国内主要小麦品种进行多样性和遗传基础分析，发现部分品种间遗传相似度高，亟待新基因的导入以拓宽育成品种的遗传基础。本研究通过稳定精准的基因型鉴定和简单直接的表型鉴定相结合的方式鉴定同名地方品种，从表型和基因型两个层面探讨品种间的遗传关系，旨在为高效保存和利用地方品种提供指导和参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

60 份山西同名小麦地方品种来源于山西省作物种质资源库（表1），其中，和尚头15 份（编号HST1~HST15）、红秃麦11 份（编号HTM-1~HTM11）、金裹银13 份（编号JGY1~JGY13）、四月黄12 份（编号SYH1~SYH12）和小白麦9 份（编号XBM1~XBM9）。

表1 山西同名小麦地方品种的分布情况Table 1 The distribution of local wheat varieties with the same name in Shanxi

1.2 试验方法

1.2.1 表型性状评价

供试材料于2018-2020 年在山西省农业科学院榆次东阳农业试验基地进行表型鉴定。小区面积2 m×5 m，行距25 cm，每份材料种植2 行，每行播种量为50 粒，条播、随机区组。

表型评价标准参照《小麦种质资源描述规范和数据标准》［23］的方法进行记载和规范化处理。田间测定性状包括冬春性、幼苗习性、苗色、叶片茸毛、株型、旗叶角度、芒形、壳色、穗形和熟性。成熟期调查5 株的粒形、粒质、粒色、粒大小、饱满度、籽粒整齐度和测定株高、分蘖数、有效分蘖数、穗长、每穗小穗数、穗粒数和千粒重等性状。对上述质量性状数据进行标准化赋值，数量性状以0.5S为间距分为10 级，从第1 级｛Xi<（X-2S）｝到第10 级｛Xi>（X+2S）｝，其中S为标准差，X为某一性状所有数据的均值。并运用遗传多样性指数Shannon-Weiner diversity index（H′=-Σpilnpi，其中pi为某一性状第i级别内材料份数占总份数的百分比，ln 为自然对数）来衡量群体遗传多样性大小。

采用DA7200 多功能近红外分析仪（瑞典波通公司）对蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率、容重、泽伦尼沉降值、延展性、籽硬度、最大拉伸阻力、稳定时间、形成时间和拉伸面积进行测定，重复3次。

1.2.2 基因型分型

每份材料取3~5 粒种子研磨后，按照CTAB 法提取基因组总DNA。采用0.8%琼脂糖凝胶电泳、分光光度计检测DNA 质量和浓度，置于-20 ℃冰箱保存备用。利用中玉金标记（北京）生物技术股份有限公司开发的中密度55K SNP 芯片对供试材料进行基因型检测，通过DQC（Dish Quality Control）≥0.82 和CR（Call Rate）≥97 的标准，筛选高质量SNP 标记，以最小等位基因频率大于等于5%和缺失率小于等于10%对SNP 标记进行过滤，最终获得15 286 个高质量SNP 标记用于基因型数据分析。

1.2.3 数据分析

运用 Microsoft Excel 2007 软件对基因型数据进行遗传多样性分析，R 语言统计计算品种间遗传相似度{遗传相似度=（总位点数-差异位点数）/总位点数*100%}分析，运用SPSS19.0 软件对群体的表型数据进行Ward 法系统聚类分析，Treebest软件（http：//treesoft. sourceforge. net/treebest. shtml）对群体的基因型数据进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 基于表型性状的遗传关系分析

根据田间表型性状，发现同组内地方品种间的表型性状存在差异。其中，穗形和芒形的形态差异显著（图1），如和尚头HST3、HST12、HST14、HST15 的穗形为长方形，其余11 份品种的穗形为纺锤形。红秃麦HTM3、HTM4、HTM7 的芒形为长芒，其余8 份品种的芒形为无芒。四月黄SYH7的芒形为无芒，剩下的11 份品种的芒形均为长芒。小白麦XBM2、XBM3、XBM7、XBM8 的芒形为长芒，其余5 份同名小白麦的芒形为无芒。另外，小白麦XBM3 的穗形为棍棒形，同组其它小白麦的穗形均为纺锤形。

图1 同名和尚头、红秃麦、金裹银、四月黄和小白麦穗形与芒形差异比较Fig. 1 Comparison of spike shape and awn shape between same-named varieties of Heshangtou， Hongtumai， Jinguoyin， Siyuehuang and Xiaobaimai

对60 份同名品种的株高、分蘖数等数量性状进行表型差异性分析（表2 和附表1~5），除HST14 和HST15、HTM3 和HTM7、HTM3 和HTM10、HTM7 和 HTM11、JGY1 和 JGY3、JGY6 和JGY11、JGY7 和JGY10、JGY10 和JGY13 这8 组材料间性状差异不显著性外，其它组内同名地方品种性状间的差异均达到显著水平（P<0.05）。

表2 同名品种间的变异系数和遗传多样性指数比较Table 2 Comparison of coefficient of variation and genetic diversity index among local same-named varieties

在表2 和附表1~5 中，5 组同名和尚头、红秃麦、金裹银、四月黄、小白麦不同性状的变异系数变幅分别为3.06（吸水率）~55.53（有效分蘖数）、0.91（容重）~73.71（分蘖数）、0.97（容重）~24.56（拉伸面积）、0.99（容重）~20.84（有效分蘖）、0.79（容重）~25.60（分蘖数），可见，组内各性状的变异系数差异较大。其中，金裹银、四月黄和小白麦的容重变异系数最低，变异程度相对较小；和尚头、四月黄的分蘖数变异系数最高，红秃麦和小白麦的分蘖数变异系数最高，可见，分蘖数和有效分蘖数的变异程度相对较大，更易受到环境影响。然而，各组品种间的平均变异系数分别为15.32%、12.13%、11.57%、11.50%、11.09%，其组间差异性并不大。

同名和尚头、红秃麦、金裹银、四月黄和小白麦5 组品种的平均遗传多样性指数分别为1.56、1.59、1.77、1.58、1.62，组间差异较小。5 组材料的多样性指数变幅分别为0.89（穗粒数）~1.87（穗长）、0.30（分蘖数）~2.02（形成时间）、1.59（穗长）~1.99（容重/分蘖数）、1.36（最大拉伸阻力/形成时间）~1.82（千粒重）、1.42（株高）~1.89（穗粒数），可见，组内各品种间的遗传多样性差异较大。其中，同名红秃麦各性状的遗传多样性指数差异高达1.72，由此可知，同名品种间具有较丰富的遗传多样性，为了更好分析品种间的亲缘关系，将进一步对同名地方品种进行聚类分析。

根据田间表型数据，利用SPSS 软件对5 组地方品种分别进行聚类分析（图2A~图2E），可知5 组品种间没有遗传距离为0 的品种，5 组材料的表型遗传距离变幅为3.39~25.5。其中，遗传距离最小的是HTM2与HTM7，最大的是HTM4与HTM8。

图2 基于表型性状的聚类图Fig.2 Cluster diagram based on prototypical traits

同名和尚头聚类为2 个类群（图2A），第Ⅰ类群共10 份品种，包括HST1、HST2、HST4、HST5、HST6、HST7、HST8、HST9、HST10 和HST11，其余5 份品种为第Ⅱ类群，其中，南部中熟冬麦区的3份品种HST13、HST14和HST15属于第Ⅱ类群。

同名红秃麦聚类为2 个类群（图2B），HTM8 单独聚成第Ⅰ类群，剩下的10 份品种聚成第Ⅱ类群。11 份同名红秃麦均来源于中部晚熟冬麦区，地理来源单一且距离较近，但通过聚类分析结果显示，材料仍被分成不同类群，品种间的表型差异较大，可见，两者分析结果并非一一对应。

同名金裹银聚类为5 个类群（图2C），JGY2、JGY4、JGY12 分别为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类群，JGY7、JGY10、JGY13 为第Ⅳ类群，剩余的7 份品种为第Ⅴ类群。

同名四月黄聚类为4 个类群（图2D），SYH9、SYH11、SYH12 分别为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类群，剩余品种聚成第Ⅳ类群。其中，除了SYH12来源于南部中熟冬麦区外，其它品种均来源于中部晚熟冬麦区。

同名小白麦聚类为3 个类群（图2E），XBM9 为第Ⅰ类群，XBM1 和XBM3 为第Ⅱ类群，其余品种聚类成第Ⅲ类群。其中，XBM9 来源于南部中熟冬麦区，与同组其它品种的亲缘关系相对较远。

2.2 基于SNP标记同名地方品种的亲缘关系分析

利用55K SNP 芯片扫描群体的基因型，对5 组同名地方品种分别进行聚类分析（图3A~图3E）。从基因型聚类结果与表型聚类结果上看，聚类结果不完全一致。

图3 基于SNP 标记分析的聚类图Fig. 3 Cluster diagram based on SNP marker analysis

同名和尚头聚为2 个类群（图3A），第Ⅰ类群包括HST3、HST12、HST13、HST14、HST15 共5 份品种，其中，南部中熟冬麦区的HST13、HST14 和HST15 都聚类在一起；剩下的10 份品种聚成第Ⅱ类群，其中，晋中市的6 份品种均属于第Ⅱ类群，可见组内品种间的遗传关系基本与地理来源相对应，同时与表型聚类结果较一致。

同名红秃麦聚成2 个类群（图3B），HTM8 单独聚类成第Ⅰ类群，剩余10 份品种聚类成第Ⅱ类群，与表型聚类结果吻合度较高。

同名金裹银聚成3 个类群（图3C），JGY4 聚类成第Ⅰ类群，JGY7、JGY10 和JGY13 聚类成第Ⅱ类群，剩余的9 份品种聚类成第Ⅲ类群。对比表型聚类分析结果，JGY7、JGY10 和JGY13 在基因型和表型聚类结果中都被聚成一类，可见这三者之间的亲缘关系应相对较近一些。

同名四月黄聚类成3 个类群（图3D），SYH9 聚类成第Ⅰ类群，SYH2、SYH11 聚类成第Ⅱ类群，剩余的9 份品种聚类成第Ⅲ类群。其中，SYH9 在2 种聚类结果中都是单独被聚成一类，推测其与同组品种的遗传距离较远。

小白麦聚类成2 个类群（图3E），XBM1、XBM3、XBM8 和XBM9 聚类成第Ⅰ类群，XBM2、XBM4、XBM5、XBM6 和XBM7 聚类成第Ⅱ类群，基因型聚类结果中的第Ⅱ类群5 份品种在表型聚类分析中也聚成一类，可见其亲缘关系相对较近。

由上述研究结果可知：和尚头和红秃麦2 种聚类结果较一致，均被划分成2 大类群，类群中的品种组成也相同，可见，从表型和基因型上这些品种间的遗传差异相对较小。金裹银、四月黄和小白麦的2 种聚类结果存在部分差异，如JGY2、JGY4、SYH9、XBM1、XBM8 和XBM9 在2 种聚类结果中分别与不同的品种表现出不同的亲缘关系，可见表型性状与基因型差异不完全同步。

遗传相似度的高低体现了品种间遗传距离的远近，相似度越高遗传距离越近，反之亦然。计算和尚头、红秃麦、金裹银、四月黄和小白麦组内品种间的遗传相似度（表3~表7），发现没有遗传相似度为1 的同名地方品种，各组的遗传相似度平均值分别为0.655 0、0.650 0、0.646 2、0.660 0、0.606 8，组间差异不大。各组的遗传相似度变幅分别为0.434 5~0.999 3、0.323 0~0.910 4、0.366 8~0.998 4、0.345 1~0.999 1、0.453 2~0.789 1，组内差异性较大。其中，遗传相似度都在0.9 以上的材料有5 组，分别为HST5/HST6/HST7/HST9，HTM3/HTM4， JGY6/JGY12， JGY7/JGY10/JGY13，SYH3/SYH5/SYH6，推测这些同名地方品种间的遗传距离相对较近，可作为相近或相似品种。遗传相似度在0.5 以下的品种也不少，如HST3、HTM8、JGY4、SYH9、XBM3 与同组部分品种的遗传相似度低于0.5，推测其亲缘关系相对较远，应该作为不同品种对待。

表3 同名和尚头品种间的遗传相似度比较Table 3 Comparison of genetic similarity of local same-named varieties as Heshangtou

表4 同名红秃麦品种间的遗传相似度比较Table 4 Comparison of genetic similarity of local same-named varieties as Hongtumai

表5 同名金裹银品种间的遗传相似度比较Table 5 Comparison of genetic similarity of local same-named varieties as Jinguoyin

表7 同名小白麦品种间的遗传相似度比较Table 7 Comparison of genetic similarity of local same-named varieties as Xiaobaimai

2.3 比较分析表型与SNP 标记鉴定同名地方品遗传距离的差异

结合遗传相似度，综合比较表型和基因型鉴定结果相同的主要有以下3 种情况：（1）同名地方品种间不存在遗传相似度为1 且表型性状差异为0 的同名地方品种，即没有完全相同的品种；（2）遗传相似度较高（0.9 以上），且表型和基因型聚类结果相吻合的同名地方品种有4 组（HST5/HST6/HST7/HST9， HTM3/HTM4， JGY7/JGY10/JGY13，SYH3/SYH5/SYH6），说明这4 组同名地方品种间的遗传距离较接近，且地理来源均属于同一生态区内的同一行政区（除了JGY13 未注明地理来源外），因此，可被视为近似品种，在优先保存和利用地方品种时，可选择其一；（3）遗传相似度较低（0.5 以下），2 种聚类结果显示遗传距离较远的同名地方品种有5 组：如HST3 与HST2/HST5/HST6/HST7，XBM3 与XBM2/XBM6，HTM8 与同组其余10 份红秃麦，JGY4 与同组其余12 份金裹银，SYH9 与同组其余11 份四月黄，这些地方品种间的遗传距离相对较远，应区别对待。

与此同时，运用表型与基因型鉴定同名地方品种遗传关系也存在一些差异性结果。主要包括：（1）表型聚类与表型形态差异不完全一致。如四月黄的表型聚类与表型形态差异结果不相一致，聚类分析结果显示SYH9 单独聚成一个类群，与同组品种的遗传距离较远，但从穗形的性状观测发现，与同组品种的差异性最大是SYH7 并非SYH9，可见单一的某一个性状差异并不能代表两者之间整体性状差异。（2）表型聚类与基因型聚类和遗传相似度结果不相一致。如JGY6与JGY12 通过表型聚类分别属于不同类群，遗传距离较远，但基于SNP 标记聚类和遗传相似度结果显示两者的遗传距离很近，说明一定数量的SNP 标记可能将仅存少数一两个基因变异的近似品种误判成同一品种，因此，基因型鉴定不能完全取代表型性状鉴定，可相互验证以便更好的区分材料。

3 讨论

在本研究中，通过同名小麦地方品种的遗传关系鉴定分析发现，同名地方品种间普遍具有较高的遗传多样性，但部分品种也存在较高的遗传相似度，需要我们深入分析和鉴定，并加以区分。利用表型和基因型数据对地方品种进行遗传关系鉴定，可从不同层面提高鉴定的精准性，加速对同名地方品种中遗传多样性信息的提取和优异遗传变异位点的挖掘。

3.1 同名地方品种亲缘关系与地方品种命名的相关性分析

在农作物种质资源鉴定中，利用作物生长发育、生物学特征、产量等相关表型性状对种质资源进行考察和分类［24-25］，是鉴定种质资源最简单、方便、直接的方法。同名地方品种间的表型性状兼具差异性和相似性的特点，说明这些地方品种从表型上兼有同名异质和同名同质的可能，因为这些地方品种多是利用作物单一形态特征、来源地和方言特点等命名的，如以运城市绛县为地理来源命名的地方品种被称为“绛州红”。以无芒和红色护颖为形态特征命名的地方品种被称为“红秃麦”，兼地理来源和形态特征命名的地方品种被称为“平遥小白麦”和“应县小白麦”［26］，这种命名方式有很大的局限性，只观其表型而忽略品种基因型的命名方式不可取，致使地方品种同名异质的可能性大大提升，其相关文献报道也验证了这一点。如金建楚等［27］对农户保存和种质库保存的同近名水稻品种进行SSR 标记和表型性状的遗传多样性分析，发现两者表型差异极显著，遗传变异较大。亦如在本研究中，15 份同名和尚头的芒形皆为无芒，其命名方式无形之中遵循了品种的形态特征规律，芒形虽无差异，但其他表型性状的差异却是显而易见的，如穗形就有纺锤形和长方形2种。

另一方面，也有文献报道部分表型相似相近的同名地方品种遗传差异小，甚至有可能是同一品种。如谢炜等［10］对同名小麦地方品种小红芒和小红芒麦的形态学变异进行分析，发现遗传变异主要来源于同名品种内，同名品种多具有相同的血缘基础并代表一定的遗传关系。同理，在本研究中的12份同名金裹银的地理来源均为山西南部中熟冬麦区，地理来源分布相对较集中，表型差异较小，经鉴定分析显示这些品种间的遗传距离较近，特别是JGY7、JGY10 和JGY13 这3 者间的遗传距离尤为接近。推测这些同名金裹银品种最早可能来源于山西南部中熟冬麦区的同一或相近的地区，经种植逐渐扩散传播到周边地区，再经过历史的驯化，逐渐形成具有遗传差异性较小的同名金裹银品种。

综上所述，基于表型性状的品种命名，无法准确判断同名地方品种真正的亲缘关系。从文中考察的同名地方品种中，发现既存在同名同质，也存在同名异质的现象。因此，在收集、鉴定、保存、种质资源时，应结合表型和基因型来命名品种更为准确，在后期研究、利用同名品种时，也应慎重遴选、区别以便于利用。

3.2 表型鉴定和基因型鉴定同名品种的优劣比较

表型性状易受环境影响，无法完整的体现作物基因型的差异［20，基因型的差异才是品种间最根本的遗传差异。在众多基因型鉴定的技术中，分子标记是一种成功被应用于品种鉴定、遗传多样性分析和分子标记辅助育种的成熟技术［28］，将分子标记运用到作物种质资源的评价上，可弥补表型性状鉴定评价的局限性，补足品种间在基因水平上的差异。如本研究利用SNP 标记分析同名和尚头的亲缘关系，经基因型聚类发现HST5、HST6、HST7 和HST9 这4 份品种聚成一类群，且品种间的遗传相似度都在0.9 以上，遗传距离较近，从基因层面上证明其表型鉴定差异小的有利证据。可见，从基因型上获取的遗传差异相较表型差异结果更准确、更稳定可靠，对辅助作物遗传改良和亲本选择具有重要参考价值。马艳明等［29］利用55K SNP 标记对新疆冬小麦地方品种和育成品种的遗传多样性比较分析和遗传关系鉴定，明确了两者之间的遗传本质差异，对新疆冬小麦杂交育种亲本选配和后代选择提出了一定的参考价值。白彦明等［30］利用小麦660K SNP 芯片对蚂蚱麦、小白麦及其衍生品种进行遗传多样性分析，发现蚂蚱麦和小白麦衍生系的遗传多样性都较低，这对加强优异基因资源导入和拓宽小麦育种的遗传基础具有参考价值。但是利用SNP分子标记鉴定同名种质遗传关系的精准性主要取决于分子标记的密度和品种间的差异性大小，如果分子标记密度和质量不高，在基因组分布不够广泛，多态性不高，有可能将遗传差异性极小的相似品种误判成同一品种。如同名金裹银JGY6 与JGY12 的遗传相似度和SNP 标记聚类结果显示两者的遗传距离较近，但表型聚类分析却分属于不同类群且穗形等性状上差异明显，推测遗传距离较远，这说明SNP 标记检测虽然准确但无法做到全基因组覆盖，其遗传变异不可能全部检测到，还需要借助表型性状来辅助鉴定，因此，从这2 个方面入手可更客观、准确的评价同名种质资源，为精准鉴定和合理利用同名种质资源提供更可靠准确的基础性材料。

4 结论

本研究中同名地方品种间的整体遗传变异较广泛，遗传多样性较丰富。部分同名地方品种间的遗传相似度较高，但不存在表型和基因型完全相同的同名同质品种。通过表型性状和基因型鉴定结果对比分析，筛选出4 组遗传相似度高于0.9 的同名品种，推测可能为相似品种，利用可选择其一；鉴定出5 组遗传相似度低于0.5 的同名品种，推测其遗传距离相对较远，利用应按不同品种区别对待。

附加材料：附表1~附表5见中国知网。