甘薯引進(jìn)種SSR遺傳多樣性分析

蘇一鈞 王嬌 霍愷森 趙路寬 趙冬蘭 唐君 陳艷麗 曹清河

摘要：通過SSR分子標(biāo)記，對(duì)112份甘薯引進(jìn)種進(jìn)行了遺傳多樣性和群體結(jié)構(gòu)分析，并與中國(guó)地方種進(jìn)行了聚類比較分析。研究了中國(guó)目前保存最多的甘薯引進(jìn)種間的遺傳多樣性和親緣關(guān)系，以及與地方種間的遺傳多樣性關(guān)系。用SSR建立研究材料的0，1數(shù)據(jù)庫(kù)，用ntsys-pe2.10軟件計(jì)算遺傳距離矩陣并導(dǎo)人MEGA 6.06聚類，利用STRUCTURE 2.3.4軟件對(duì)112份引進(jìn)種進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析，并將112份引進(jìn)種與58份中國(guó)地方種共170份進(jìn)行聚類分析。結(jié)果表明：112份材料的平均遺傳距離為0.552，遺傳距離分布在0.031到0.949范圍之內(nèi)。使用Neighbor-Joining（NJ）聚類法，在遺傳距離為0.442處將112份材料分成9個(gè)類群，其中類群9又在遺傳距離為0.428處，分為3個(gè)亞群。亞群ⅨC含有39份材料，該亞群主要來(lái)自南美洲，聚類集中，血緣較為單一。通過群體結(jié)構(gòu)分析將112份材料劃分成了2個(gè)群體，通過對(duì)引進(jìn)種的來(lái)源地比較分析，發(fā)現(xiàn)來(lái)自南美洲與其他地區(qū)種質(zhì)材料分屬于2個(gè)群體。通過對(duì)引進(jìn)種和地方種共計(jì)170份甘薯資源聚類比較分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)大陸地方種與中國(guó)臺(tái)灣品種間親緣關(guān)系最近，與東南亞、東北亞、南美洲甘薯引進(jìn)種間親緣關(guān)系較近，與國(guó)際馬鈴薯中心、國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)研究所的材料和世界蔬菜中心的材料親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。

關(guān)鍵詞：甘薯引進(jìn)種;SSR;遺傳多樣性;群體結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：S531.024

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)： 1000-4440（ 2018） 05-0984-14

甘薯[Ipomoea batatas （L.） Lam]是世界上第7大作物，中國(guó)甘薯產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的67.3%…。甘薯在中國(guó)不但可作為鮮食、保健、菜用、觀賞和加工原料用而且也是糧食安全保障與應(yīng)急的理想作物。甘薯及其近緣野生種起源于中南美洲的廣大地區(qū)，所屬的旋花科番薯屬（Ipomoea）大約有600～700個(gè)種。由于國(guó)內(nèi)甘薯育成種的遺傳背景狹窄，引入國(guó)外優(yōu)異種質(zhì)資源改良現(xiàn)有品種非常必要。因此研究中國(guó)目前保存的甘薯引進(jìn)種遺傳多樣性成為當(dāng)務(wù)之急。關(guān)于甘薯的遺傳多樣性，前人已經(jīng)做過很多研究，但利用SSR標(biāo)記分析甘薯引進(jìn)種遺傳多樣性和群體結(jié)構(gòu)的研究尚未見報(bào)道。遺傳多樣性分析，不僅有利于親本的選擇，也有助于作物保護(hù)和品種改良。本研究以國(guó)家種質(zhì)徐州甘薯試管苗庫(kù)保存的112份甘薯引進(jìn)種（截至2017年底）為材料，運(yùn)用SSR分子標(biāo)記對(duì)其進(jìn)行遺傳多樣性和群體結(jié)構(gòu)分析，為了解甘薯引進(jìn)種之間親緣關(guān)系及群體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀提供最新信息，并利用58份甘薯地方種與甘薯引進(jìn)種進(jìn)行聚類分析，解析引進(jìn)種與地方種間的親緣關(guān)系，為甘薯育種過程中親本選配提供參考

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自國(guó)家種質(zhì)徐州試管苗庫(kù)（圃）。甘薯引進(jìn)種共計(jì)112份，編號(hào)為1—112（表1）。包括北美洲的美國(guó)21份、多米尼加共和國(guó)l份、牙買加1份，南美洲的國(guó)際馬鈴薯中心（CIP） 12份、秘魯22份、阿根廷4份、委內(nèi)瑞拉l份、巴西l份，非洲的國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)研究所（IITA）7份、摩洛哥l份、馬里l份，亞洲的日本23份、菲律賓7份、世界蔬菜中心（WVC，以前為亞洲蔬菜研究與發(fā)展中心AVRDC）6份、中國(guó)臺(tái)灣2份、馬來(lái)西亞1份、朝鮮l份。甘薯地方種58份，編號(hào)為113—170，分別來(lái)自中國(guó)廣東20份、中國(guó)浙江20份、中國(guó)福建18份。

1.2 甘薯基因組DNA提取和擴(kuò)增

甘薯引進(jìn)種基因組DNA提取、擴(kuò)增、電泳、銀染檢測(cè)采用蘇一鈞等方法。30對(duì)SSR引物序列信息引自文獻(xiàn)，由上海生工有限公司合成。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

112份甘薯引進(jìn)種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)聚類采用蘇一鈞等方法，用iTOL（Interactive tree of life）美化聚類圖。用STRUCTURE2.3.4[13]軟件對(duì)112份材料進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析，設(shè)置群體數(shù)K值為2—10，每個(gè)參數(shù)運(yùn)行10次，每次運(yùn)行的Bum-in time設(shè)置為200 000，重復(fù)次數(shù)為120000。將170份甘薯混合材料進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘薯引進(jìn)種SSR遺傳多樣性分析

用30對(duì)引物對(duì)112份甘薯引進(jìn)種進(jìn)行SSR分析，共擴(kuò)增出199條多態(tài)性條帶，每對(duì)引物擴(kuò)增l～13條譜帶，平均每對(duì)引物獲得6.63條多態(tài)性條帶。其中引物225獲得的多態(tài)性條帶最多，為13條：C24獲得的多態(tài)性條帶最少，為l條。112份材料的平均遺傳距離為0.552，遺傳距離分布在0.031到0.949范圍之內(nèi)。

2.2 甘薯引進(jìn)種來(lái)源地遺傳距離分析

通過計(jì)算美國(guó)、日本、菲律賓、CIP、WVC、IITA、秘魯和其他地區(qū)的引進(jìn)種遺傳距離矩陣見表2，聚類結(jié)果見圖l。從表2可知國(guó)際馬鈴薯中心與熱帶農(nóng)業(yè)研究所引進(jìn)種間遺傳距離最?。?.501），原因可能是這2個(gè)國(guó)際機(jī)構(gòu)間種質(zhì)交流頻繁，導(dǎo)致了這2個(gè)機(jī)構(gòu)引進(jìn)種間遺傳距離較小。菲律賓與秘魯甘薯種質(zhì)間遺傳距離最大（0.638），同時(shí)菲律賓與其他地區(qū)甘薯材料遺傳距離均較遠(yuǎn)，可能由于菲律賓是島國(guó)，與外界種質(zhì)資源交流較少的原因。從圖l可知在遺傳距離為0.28處，CIP、IITA、美國(guó)、日本聚在了一起，說明這些地區(qū)間甘薯種植資源交流頻繁，親緣關(guān)系較近。

2.3 甘薯引進(jìn)種聚類分析

112份甘薯引進(jìn)種在遺傳距離為0.442處可劃為9個(gè)類群，第9類群在遺傳距離為0.428處劃分為3個(gè)亞群（圖2）。其中類群I、Ⅳ、V、Ⅵ均只含l份甘薯引進(jìn)種，類群Ⅱ含有2份材料，類群Ⅲ包含3份材料，說明這幾個(gè)類群與其他類群間親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。類群Ⅸ包含了80份甘薯引進(jìn)種，說明該類群內(nèi)種質(zhì)資源間遺傳距離較近，親緣關(guān)系也較近。類群I—Ⅷ、ⅨA主要集中了亞洲、非洲的引進(jìn)種，類群ⅨA、ⅨB引進(jìn)種來(lái)源地最為豐富，類群ⅨC主要是南美洲的引進(jìn)種。美國(guó)甘薯引進(jìn)種在類群Ⅲ、Ⅷ、Ⅸ均有分布，聚類最為分散。各類群組成及種質(zhì)資源來(lái)源地信息見表3。

2.4 甘薯引進(jìn)種的群體結(jié)構(gòu)分析

隨著K值（最優(yōu)分群數(shù)）增加，InP（D）沒有明顯拐點(diǎn)（圖3）。在K=2處，△K取最大值，因此將112份甘薯引進(jìn)種劃分為2個(gè)群體（圖4）。圖5中紅色群體的材料來(lái)源地較為廣泛;綠色群體較為單一，共有30份，分別是20份秘魯、4份美國(guó)、2份CIP、1份熱帶農(nóng)業(yè)研究所、2份阿根廷和l份牙買加甘薯引進(jìn)種。當(dāng)p值>0.6時(shí)，105份甘薯引進(jìn)種血緣較為單一，當(dāng)Q值<0.6時(shí)，7份材料劃入混合群體，分別是農(nóng)林3號(hào)、農(nóng)林31號(hào)、400039、106984.1、CIP94-13、106212.1和401396。其中來(lái)自委內(nèi)瑞拉的401396種質(zhì)所含紅色血緣較多，其余6份引進(jìn)種與綠色群體親緣關(guān)系更近。南美洲是甘薯的起源中心，但在傳播過程中亞太地區(qū)的甘薯種質(zhì)已經(jīng)具有了新的種質(zhì)特征。將112份資源聚類結(jié)果與群體結(jié)構(gòu)劃分結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)二者基本吻合，即類群ⅨC包含的甘薯引進(jìn)種與綠色群體基本重合。

2.5 甘薯引進(jìn)種與地方種聚類分析

170份甘薯材料在遺傳距離為0. 488處分為11個(gè)類群，其中第Ⅺ類群主要包含中國(guó)大陸地方種、中國(guó)臺(tái)灣品種、非洲引進(jìn)種、南美洲引進(jìn)種（圖6）。由表4可知每個(gè)類群組成的甘薯引進(jìn)種和地方種及其來(lái)源地信息。中國(guó)大陸地方種主要聚類在類群Ⅺ中。該類群來(lái)源地較為豐富，說明中國(guó)大陸地方種具有豐富的遺傳多樣性。來(lái)自中國(guó)臺(tái)灣的甘薯材料和非洲甘薯引進(jìn)種全部聚類于第Ⅺ類群中。中國(guó)臺(tái)灣品種與中國(guó)大陸地方種遺傳距離最近，說明兩者間親緣關(guān)系最近。大部分南美洲引進(jìn)種與中國(guó)甘薯地方種處于同一類群，說明中國(guó)地方種與主要南美洲引進(jìn)種間親緣關(guān)系較近。部分東北亞甘薯材料與中國(guó)甘薯地方種處于同一類群，說明這些東北亞甘薯材料與中國(guó)地方種有一定的親緣關(guān)系。有4份東南亞材料聚在類群Ⅺ中，有4份分散于類群Ⅳ和類群X中。說明中國(guó)地方種與東南亞甘薯引進(jìn)種親緣關(guān)系較近。中國(guó)地方種與CIP、IITA、WVC甘薯引進(jìn)種間遺傳距離較遠(yuǎn)，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。

3 討論

通過對(duì)甘薯引進(jìn)種與地方種聚類分析發(fā)現(xiàn)。中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的甘薯材料與中國(guó)大陸地方種間親緣關(guān)系最近。而來(lái)源于東南亞菲律賓的材料與中國(guó)地方種間親緣關(guān)系較近。進(jìn)一步證實(shí)了Roullier等的研究結(jié)果。即中國(guó)大陸甘薯是經(jīng)由菲律賓傳人中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)而后傳人中國(guó)大陸東南沿海地區(qū)的。由聚類結(jié)果可進(jìn)一步推測(cè)，甘薯傳人中國(guó)大陸后。在華南地區(qū)形成以廣東省為中心的次級(jí)分化中心。這可能是由于華南地區(qū)緯度和生態(tài)環(huán)境與甘薯的起源地較為相似，而且多數(shù)品種能夠開花結(jié)實(shí)，使甘薯的遺傳多樣性更為豐富，這也與前期研究結(jié)果一致。

本研究對(duì)112份現(xiàn)有甘薯引進(jìn)種進(jìn)行了遺傳多樣性分析，結(jié)果表明南美洲的甘薯材料遺傳背景較為單一。原因可能是該地區(qū)種質(zhì)被引出的多，引進(jìn)的少，栽培種多樣性較低，造成內(nèi)部同質(zhì)性較高。聚類結(jié)果顯示。來(lái)自美國(guó)和日本的引進(jìn)種遺傳多樣性最為豐富。推測(cè)原因是這2個(gè)國(guó)家甘薯種質(zhì)資源交流制度較為健全，國(guó)際種質(zhì)交流合作較多。值得注意的是，國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)研究所與國(guó)際馬鈴薯中心的甘薯種質(zhì)資源遺傳距離較近，說明國(guó)際農(nóng)業(yè)組織間種質(zhì)資源交流合作較為緊密。從甘薯種質(zhì)資源群體結(jié)構(gòu)K值曲線中可以看出，類群I到類群X來(lái)源地較為廣泛，引進(jìn)種間聚類較為分散，推測(cè)原因可能是甘薯在傳人這些地區(qū)后，為適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，產(chǎn)生了相應(yīng)的分化。建議在未來(lái)國(guó)外引種項(xiàng)目中，應(yīng)優(yōu)先考慮引入國(guó)際組織及美國(guó)、日本等甘薯種質(zhì)資源，以改善中國(guó)甘薯遺傳背景狹窄的現(xiàn)狀，進(jìn)一步應(yīng)用于種質(zhì)創(chuàng)新和品種改良。