山西谷子地方品種微核心種質構建

侯森　秦慧彬　李萌　王海崗　穆志新

摘要：構建山西谷子地方品種微核心種質，旨在為谷子目標性狀精準鑒定與相關候選基因挖掘提供種質基礎。在598 份山西谷子核心種質的基礎上，選取抽穗期、株高、節數、頸長、葉長、葉寬、穗長、穗粗、莖粗、單穗質量、穗粒質量、碼數、碼粒數、千粒質量和蛋白質含量等15 個農藝、品質性狀，使用QGAStation 軟件進行微核心種質構建抽樣分析、全基因組重測序技術去除近緣種質，以構建微核心種質。結果表明，山西谷子地方品種微核心種質共包含322 份種質資源。微核心種質與原始種質比較結果表明，各性狀的均值與方差均沒有表現出顯著性差異，均值差異百分率與方差差異百分率均為0，極差符合率為98.36%，變異系數變化率為104.19%，遺傳多樣性指數變化率為94.81%。微核心種質較好地保留了原始種質的遺傳變異，具有較高的變異度，同時具備較強的代表性。

關鍵詞：谷子；地方品種；微核心種質；重測序技術；山西

中圖分類號：S515 文獻標識碼：A 文章編號：1002?2481（2024）01?0019?08

谷子（Setaria italica）起源于我國，是人類最早馴化的農作物之一[1]，是我國北方干旱、半干旱地區的重要雜糧作物，糧飼兼用，具有耐旱、耐貧瘠、適應性強等優點。山西及其周邊地區是我國禾谷類雜糧的富集中心，其中山西谷子地方品種數居全國第一位，占全國的26.2%[2]。山西省南北橫跨6 個緯度，谷子種植區包含春播早熟區、春播中熟區、春播晚熟區和夏播區，多樣的生態類型孕育出豐富的谷子資源[3]。谷子具有較小的基因組，自花授粉且生育期較短，是十分理想的C4 模式作物[4-5]。隨著谷子基因組測序工作的深入，通過關聯分析深度挖掘谷子復雜性狀相關候選基因的工作逐漸展開，群體構建合理性與性狀鑒定精準度將直接影響關聯分析的效力[6-7]。

對作物目標性狀進行鑒定評價的第一步是構建合適的材料群體。核心種質是從原始種質中篩選出的種質群體，以較少種質數量最大限度保留原始種質群體的遺傳多樣性[8-9]。豐富的原始種質資源是篩選核心種質的前提。陸平[10]考察收集、引進谷子和高粱種質3 000 余份，編目入庫谷子和高粱及稀有作物種質7 000 余份，編著《中國谷子品種志（1986—2010 年）》、《谷子種質資源描述規范和數據標準》等著作，豐富了谷子研究種質基礎，明確了谷子性狀鑒定標準。李國營等[11]從2 057 份谷子初級核心種質中隨機選取439 份作為研究對象，比較了不同生態種植區對谷子生育酚含量的影響。溫琪汾等[12]對山西省收集保存的5 000 余份谷子地方品種進行初步篩選，去除同名同種、異名同種等種質后保留其中3 761 份作為篩選種質并進行了田間抗旱鑒定，篩選出58 份抗旱且豐產的優異種質。王海崗等[13]依據農藝性狀通過聚類后隨機抽取結合多樣性指數檢測的方法，從5 600 余份山西谷子地方種質資源中篩選出638 份作為初選核心種質，初選核心種質與原始種質的極差符合率為87.4%，變異系數變化率為102.0%，能夠較好的代表原始種質。完全隨機的抽取可能會導致抽取種質的遺傳多樣性不佳，初級核心種質的群體大小對于發掘目標性狀相關基因的關聯分析工作仍顯龐大，需要結合農藝性狀進行篩選以提高篩選種質的多樣性和代表性，并在不影響關聯準確度的同時盡可能減少篩選種質的數量，以提高關聯分析效率。

微核心種質是核心種質的代表性子集，代表原始種質遺傳多樣性的同時進一步精簡資源數量[14-15]。煙草中以446 份煙草核心種質為基礎，利用SSR 引物進行遺傳多樣性分析，通過簡單比例法和對數比例法篩選構建了127 份煙草的微核心種質，并對微核心種質的株高等12 個植物學性狀進行了遺傳效應分析[16]。黍稷中對636 份核心種質進行遺傳多樣性分析后，利用次級聚類群體隨機抽樣的方法構建了含253 份黍稷的微核心種質，并對微核心種質的遺傳多樣性進行了評價[17]。大豆中利用微核心種質與地方品種雜交和回交，后代的抗倒伏、抗病等性狀得到了有效改良[18]。蠶豆中對來自國內外的1 075 份初級核心種質進行了篩選，通過基于SSR 標記的遺傳多樣性分析獲得包含129 份國內和63 份國外資源的微核心種質[19]。微核心種質對作物育種研究具有重要的意義，構建山西谷子地方品種微核心種質，旨在為谷子遺傳育種改良、資源鑒定保護等工作提供一定理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

598 份山西谷子地方品種核心種質收集自山西各地市（表1），數據來源于山西農業大學農業基因資源研究中心谷子種質資源數據庫[20]。

1.2 試驗方法

1.2.1 農藝性狀調查

供試材料于2017—2019 年在山西農業大學東陽試驗基地種植，采取普通大田管理措施。參照《谷子種質資源描述規范和數據標準》對抽穗期、株高、節數、頸長、葉長、葉寬、穗長、穗粗、莖粗、單穗質量、穗粒質量、碼數、碼粒數、千粒質量、蛋白質含量15 個性狀進行調查測定[20]。

1.2.2 DNA 提取

供試材料生長至抽穗期時取倒二葉，液氮速凍后-80 oC 保存。采用CTAB 法提取DNA，通過酶標儀測定DNA 濃度后-20 oC 保存。對質檢合格的DNA 進行全基因組重測序。

1.2.3 微核心種質構建

利用各性狀數據，通過最短距離法進行聚類，通過多次聚類隨機取樣法對供試材料進行取樣，構建微核心種質。

1.3 統計分析

使用EXCEL 2019 軟件進行描述統計分析與遺傳多樣性指數計算。使用QGAStation 軟件進行微核心種質構建抽樣分析[21]。

2 結果與分析

2.1 谷子農藝與品質性狀

鑒定了抽穗期（HD）、株高（PH）、節數（SNN）、頸長（NL）、葉長（LL）、葉寬（LW）、穗長（PL）、穗粗（PD）、莖粗（SD）、單穗質量（PW）、穗粒質量（GWP）、碼數（BNP）、碼粒數（GNB）、千粒質量（GW）與成熟籽粒蛋白質（PC）含量15 個農藝與品質性狀。其中，穗粒質量的變異系數最大（24.53%），蛋白質含量的變異系數最?。?.76%）（表2）。

2.2 微核心種質篩選

利用QGAStation 軟件中的種質資源庫構建功能，通過15 個農藝與品種性狀對598 份原始種質進行取樣，在抽樣比率為65% 時，以多次聚類隨機取樣法共抽取388 份種質資源。依據谷子原始核心種質通過重測序數據獲得的親緣關系結果，對抽取種質中親緣關系最近的兩材料間隨機剔除1 份，群體大小得到進一步壓縮，最終獲得包含322 份種質資源的山西谷子地方品種微核心種質（表3）。

微核心種質與原始種質之間，各性狀的均值與方差在P=0.05 水平上均沒有差異顯著性。微核心種質與原始種質相比，均值差異百分率（MD）與方差差異百分率（VD）均為0，遺傳多樣性指數變化率（GR）為94.81%，表明微核心種質較好地保存了原始種質的遺傳變異。極差符合率（CR）為98.36%，表明微核心種質在保留原始種質結構的同時具有較高的變異度。變異系數變化率（VR）為104.19%，表明微核心種質在具有較高變異度的同時具備較強的代表性（表4）。

3 結論與討論

種質資源是農業的芯片，是作物育種的基礎。發掘優異基因資源，是作物遺傳改良與種質高效利用的重要途徑。山西谷子種質資源豐富，構建微核心種質，在保存遺傳多樣性的同時盡量去除冗余，對谷子種質資源鑒定評價和基因資源挖掘有著重要意義。近年來，隨著基因組測序研究的深入，各作物中廣泛開展了基于全基因組關聯分析（GWAS）的候選基因挖掘工作[22，6]。針對產量、耐逆性、抗病性等由多基因控制的復雜農藝性狀，全基因組關聯分析是挖掘相關候選基因的有力方法[23]。影響全基因組關聯分析效力的主要因素有群體結構、性狀鑒定準確性、分子標記密度和關聯模型4 個方面[24]。群體結構既要保證種質資源豐富度和遺傳多樣性，同時還要兼顧群體大小，過于龐大的群體對前期目標性狀鑒定和后期關聯分析都會造成很大的壓力，從原始種質中篩選出微核心種質進行研究是合理的解決途徑。

原始種質資源的豐富程度決定著微核心種質的質量，原始種質遺傳背景廣泛、遺傳多樣性豐富有利于微核心種質特異性、代表性和遺傳多樣性的保持。胡興雨等[25-26]對國家種質資源庫中收集保存的8 000 余份黍稷種質資源的株高等11 個農藝性狀進行了主成分分析和聚類分析，分為5 大群組并各有一定的形態學特征，依據地理來源將黍稷資源分為23 組，每組內在11 個農藝性狀聚類的基礎上按比例法取樣，構建了包含780 資源的初選核心種質，為黍稷育種研究篩選了良好的研究種質。山西省于20 世紀50 年代進行了第1 次大規模的谷子種質資源征集，共征集到谷子地方品種和農家種2 600 余份，20 世紀80 年代進行了第2 次補充征集，共征集到各類谷子種質資源4 200 余份[27]。近年來，開展的第3 次全國農作物種質資源普查行動進一步豐富了山西省的谷子種質資源，多代種質資源人的薪火相傳不懈努力，為作物育種研究打下了堅實的種質基礎。

構建微核心種質通常對原始種質的身份信息與農藝性狀等數據進行分析，依據種質類型、種質來源、生態區域和農藝性狀等進行分組，聚類分析后在組內抽取核心樣品，組建微核心種質。聚類方法有最短距離法、最長距離法、中間距離法、重心法、可變法、類平均法、離差平方和法等，取樣方法有多次聚類隨機取樣法、多次聚類優先取樣法、多次聚類偏離度取樣法等[28]。采用最短距離法聚類，多次聚類隨機取樣法取樣是核心種質構建的常用策略[29]。在前人構建辣椒核心種質庫的研究中對多種方法進行比較，最短距離法聚類的極差符合率（CR）為100%，同時具有最高的變異系數變化率（VR），保留原始資源遺傳結構的同時具有較高的變異度；多次聚類隨機取樣法取樣的極差符合率（CR）為100%，均值差異百分率（MD）為0，方差差異百分率（VD）同樣最小，較好地保留了原始資源的遺傳變異[30]。另一項構建粳稻核心種質的研究中，則認為偏離度取樣法優于優先取樣法和隨機取樣法，聚類方法最好的是最短距離法和可變類平均法[31]。在具體分析中需將篩選出的種質與原始種質進行比較，通過均值差異百分率（MD）、方差差異百分率（VD）、極差符合率（CR）和變異系數變化率（VR）等指標評價篩選結果[32]。本研究中微核心種質的MD、VD、CR 和VR 分別為0、0、98.36% 和104.19%，其中均值差異百分率（MD）小于20%，變異系數變化率（VR）大于80%，能夠較好地代表原始種質的遺傳變異。

本研究對598 份山西谷子地方品種核心種質進一步篩選，利用抽穗期、株高、穗粒質量、蛋白質含量等15 個農藝與品質性狀，通過多次聚類隨機取樣法進行取樣，去除近緣種質后構建了包含322 份種質資源的山西谷子地方品種微核心種質，為谷子種質資源保護利用、基因資源挖掘以及遺傳改良提供了種質基礎。

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