寧夏外引水稻種質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資源的遺傳基礎，利用18個表型性狀對從國外或外地引進的269份水稻種質資源進行表型評價和遺傳多樣性分析，并進行不同性狀間遺傳相關分析和聚類分析。表型評價結果表明，大多數種質都表現為綠色葉片、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最高，達35.82%，谷粒寬的變異系數最低，為7.66%，F測驗結果表明各數量性狀差異都達到了極顯著水平。遺傳多樣性分析結果顯示，質量性狀[JP3]的多樣性指數H′平均為0.34，數量性狀的多樣性指數平均為1.99。遺傳相關分析結果表明，各性狀間存在復雜的相互關系，其中二次枝梗與每穗總粒數的正相關系數最大，為0.946，谷粒寬與谷粒長寬比的負相關系數最大，為 -0.771。根據 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類為粒數型品種，第Ⅱ類早熟、結實率較高，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資源材料進行聚類，結果顯示俄羅斯的水稻資源與其他地方的資源親緣關系相對較遠，韓國、日本、遼寧和江蘇的種質資源親緣關系相對較近。說明外引水稻種質資源表型遺傳多樣性較豐富，親緣關系較遠，可豐富和拓寬寧夏水稻種質資源的遺傳多樣性。

關鍵詞：水稻；種質資源；遺傳多樣性；表型性狀

中圖分類號： S511.03文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0117-05

種質資源是作物優良基因的載體，保護現有種質資源的遺傳多樣性，改良與創新利用是當前乃至長遠種質資源研究的主要內容，也是實施農業可持續發展戰略的重要舉措[1]。歷史經驗不斷證明，水稻育種上取得的突破性進展無不與種質資源的利用密切相關。寧夏大米素以品質優良而著稱，這與銀川平原優越的氣候條件密不可分[2]。前人研究表明，不同地區間的種質資源遺傳多樣性高于同一地區內的不同品種間[3-4]，因此，為了了解和拓寬寧夏水稻種質資源的遺傳基礎，對從國外或外地引進的水稻種質資源進行遺傳多樣性研究顯得尤為必要[5-6]。近年來，有關水稻種質資源遺傳多樣性的研究不勝枚舉，劉煒等利用SSR分子標記對寧夏粳稻種質資源進行了初步研究，表明寧夏粳稻種質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個熱帶國家和地區的熱帶水稻優異種質資源的遺傳多樣性，結果表明不同來源的熱帶水稻種質各性狀變異范圍大，遺傳多樣性指數較高[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，發現其遺傳多樣性大，優質資源豐富，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，有關寧夏外引水稻種質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正常生長的269份外引水稻種質資源進行表型遺傳多樣性分析，為今后本地區水稻育種提供理論依據。

1材料與方法

1.1供試材料

以269份寧夏外引水稻種質資源為試驗材料，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《稻種資源形態農藝性狀鑒定方法》的鑒定標準，主要考察水稻葉色、葉枕色、穎尖色、穗粒形狀、芒色等5個質量性狀以及株高、穗長、每穗總粒數、每穗實粒數、結實率、著粒密度、一次枝梗數、二次枝梗數、谷粒長、谷粒寬、谷粒長寬比、單株穗數、千粒質量等13個數量性狀。

1.3數據統計與分析

將所調查的表型質量性狀進行頻次分布統計，數量性狀的基本數據統計在Excel中進行，包括均值、標準差、變異系數等，各性狀的方差分析在SAS 8.2軟件中進行。對數量性狀進行質量化處理，參照王述民的方法，進行10個等級的劃分，每0.5σ為1級，σ為標準差，計算Shannon-Wiener多樣性指數（H′），其計算公式為：H′=-∑PilnPi（i=1，2，3，…），其中Pi是某性狀第i個級別的材料數占總材料數的比例。通過SPSS Statistics 17.0對13個數量性狀進行相關性分析。利用SAS 91軟件采用UPGMA法進行聚類分析，繪制樹狀聚類圖。

2結果與分析

2.1不同質量性狀的表型頻次分布

通過對269份外引水稻種質資源5個質量性狀的調查分析，各性狀的頻次分布見圖1。不同水稻種質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不同數量性狀的表型變異分析

根據形態和農藝性狀考察結果，計算每個表型性狀的均值、標準差、變異范圍、變異系數和F值（表1）。由表1可知，不同水稻種質資源材料間每穗總粒數、每穗實粒數、結實率、著粒密度、二次枝梗的變異范圍大，變異系數高，均達到23%以上，其中二次枝梗的變異系數最大，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值都達到了極顯著的水平，說明寧夏外引的種質資源材料各表型性狀間都存在著非常大的遺傳差異。

2.3水稻種質資源的遺傳多樣性分析

根據形態和農藝性狀考察結果，計算每個表型性狀的Shannon-Weiner多樣性指數（Hs=-∑pi·lnpi），結果如表2所示。從表3可知，5個質量性狀中，穗粒形狀的遺傳多樣性指數最高，H′為0.62，穎尖色為0.50，葉片色最低，H′為012，平均為0.34，總體上質量性狀的遺傳多樣性指數H′較低。13個數量性狀中，各個性狀的多樣性指數基本都在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，H′為2.09，平均值為1.99。所以，數量性狀的遺傳多樣性指數H′明顯高于質量性狀的多樣性指數H′，表明數量性狀的遺傳多樣性較大。

2.4不同數量性狀表型性狀間的相關性分析

對寧夏外引269份種質資源的13個數量性狀進行遺傳相關分析，相關系數見表3。由表3可見，不同表型性狀間存在顯著、極顯著相關關系，有些性狀間為正相關關系，而有些性狀間則為負相關關系，表明性狀間復雜的相互關系。在極顯著正相關中，每穗總粒數與二次枝梗數相關系數最大，為0.946，表明每穗總粒數與二次枝梗的遺傳相關性較大，每穗實粒數與谷粒長寬比的相關系數最小，為0.167；在極顯著負相關中，谷粒寬與谷粒長寬比的相關系數最大，為-0.771，每穗總粒數與結實率的遺傳相關性最小，相關系數為 -0.159。

2.5寧夏外引水稻種質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資源13個數量性狀的均值為基礎數據，以類平均法進行聚類分析，結果如圖2所示，根據聚類分析結果，以歐式距離0.84為閾值，可將269份水稻種質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，此類種質資源的特點是每穗總粒數較多，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5110等61份東北材料，這類材料平均每穗實粒數多，結實率較高；第Ⅲ類包含3份材料，分別為Hitomehore、京引114、Kirara397，主要是日本引進材料，此類種質資源材料的株高相對較矮，平均 60 cm 以下，每穗總粒數較少，平均60粒左右，為矮稈小穗類型；第Ⅳ類包含192份材料，占到總數的71.38%，包括中國東北、日本、韓國、澳大利亞和歐洲等地區，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資源的良好材料，可拓寬寧夏種質資源的遺傳基礎。

2.6不同地理來源水稻種質資源表型性狀的聚類分析

通過對不同來源的水稻資源進行歸類后，以13個數量性狀的均值為基礎數據，利用SAS 9.1軟件類平均法進行聚類分析，結果如圖3，發現在歐式距離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系相對較遠；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系較近，有可能來自同一個祖先，不同類別間種質資源的親緣關系較遠，遺傳差異較大，多樣性豐富，可豐富和拓寬寧夏水稻種質資源的遺傳多樣性，為水稻育種提供良好的資源材料。

3結論與討論

本研究通過對269份寧夏外引水稻種質資源的表型性狀進行遺傳多樣性分析，在質量性狀上，大部分水稻資源表現為綠色的葉枕，桿黃色的穎尖，彎曲的穗立形狀，無芒的水稻類型，且有芒品種大多數以白色為主。在數量性狀上，每穗總粒數、每穗實粒數、結實率、著粒密度、二次枝梗，結實率的變異系數較大，都達到了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。遺傳相關性分析結果

顯示，各數量性狀間大部分存在極顯著或顯著的關系，其中每穗總粒數與二次枝梗的正相關系數最大，谷粒寬與谷粒長寬比負相關系數最大。陳小龍等對寧夏的60份種質資源的16個表型性狀進行遺傳相關分析，結果表明各性狀間也呈現出復雜的相互關系[12]。遺傳多樣性指數表明，質量性狀的遺傳多樣性指數（H′）平均在0.5以下，數量性狀的遺傳多樣性指數（H′）平均在2.0左右，明顯高于質量性狀的多樣性指數（H′），這與賀治州等研究的熱帶水稻優異種質資源表型遺傳多樣性的結果[10]一致，說明數量性狀的遺傳多樣性大，而數量性狀中以一次枝梗（2.09）的最高，質量性狀中以穗立性狀（0.62）最高。聚類結果顯示，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，占到了總數的71.38%，不同地理來源水稻的聚類結果表明，俄羅斯與其他不同地方種質資源的親緣關系較遠，日本、韓國、中國（遼寧和江蘇）的水稻種質資源親緣關系較近，寧夏外引水稻的表型遺傳差異較大，親緣關系較遠，為育種家在選擇親本上提供理論依據，可作為拓寬寧夏水稻遺傳基礎的良好資源。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]，能夠在短期內對所研究材料的遺傳變異水平有個基本的認識，但是表型性狀易受環境和基因顯隱性的影響，若要更準確，深入地了解，今后還得結合SSR分子標記[16-25]進行進一步地檢測。

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