西北地區(qū)和尚頭小麥遺傳多樣性及農(nóng)藝性狀的關(guān)聯(lián)分析

，，，，

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，甘肅 蘭州 730070)

小麥(Triticumaestivum)是我國主要的糧食作物之一，尤其是北方地區(qū)重要的食物原材料，在我國已有幾千年的種植歷史。隨著全球氣候變暖、災(zāi)害頻發(fā)、耕作栽培制度變革和人民生活水平的提高，小麥品種的多樣化得到世界各國的高度重視。但是，在小麥育種快速發(fā)展的今天，我國小麥優(yōu)良親本材料遺傳基礎(chǔ)變得越來越狹窄，嚴(yán)重制約了小麥品種的遺傳改良，導(dǎo)致品種的同質(zhì)化問題比較突出。古老地方品種經(jīng)過長期栽培馴化和自然選擇，往往具有抗逆性強(qiáng)、品質(zhì)優(yōu)等特點(diǎn)，蘊(yùn)藏著豐富的優(yōu)異基因，是小麥遺傳改良的重要資源。和尚頭小麥?zhǔn)俏鞅钡貐^(qū)的地方品種，且種植歷史悠久，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)各地被稱作“和尚頭”的小麥有多種多樣，同名異質(zhì)、同質(zhì)異名現(xiàn)象普遍存在，各自的特征特性不是十分清楚，而有關(guān)其遺傳多樣性的研究又鮮見報(bào)道，不利于育種家選擇利用[1]。因此，分析西北地區(qū)和尚頭小麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性，挖掘與主要農(nóng)藝性狀相關(guān)的優(yōu)異等位位點(diǎn)，區(qū)分同名不同來源的和尚頭小麥，明確其性狀特點(diǎn)，有利于提高育種利用效率。

遺傳資源多樣性的研究是作物育種的前提[2]。早期，作物遺傳多樣性分析主要依靠形態(tài)學(xué)標(biāo)記。不同學(xué)者利用形態(tài)學(xué)指標(biāo)對小麥遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)，育成品種的遺傳多樣性較地方品種有所下降，品種遺傳基礎(chǔ)日益狹窄[3-7]。因此，小麥地方品種資源越來越受到廣大育種家的重視。形態(tài)學(xué)指標(biāo)具有直觀、易于識別，便于掌握等特點(diǎn)，但受環(huán)境影響大，準(zhǔn)確性較差。隨著人們對基因的深入研究，分子標(biāo)記得到迅速發(fā)展，尤其SSR分子標(biāo)記由于多態(tài)性好、穩(wěn)定性可靠、經(jīng)濟(jì)方便使其被廣泛應(yīng)用[8-11]，利用SSR分子標(biāo)記分析小麥和小麥野生近緣種遺傳多樣性研究報(bào)道較多[12-17]，技術(shù)已非常成熟。關(guān)聯(lián)分析是發(fā)掘基因和等位基因的有效方法，對分子標(biāo)記輔助選擇育種具有非常重要的意義，其已被廣泛應(yīng)用于作物種質(zhì)資源分子評價(jià)，發(fā)掘了一批優(yōu)異的等位基因[18-19]。根據(jù)本研究前期對甘肅和尚頭小麥的實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)[1]，和尚頭具有耐瘠薄、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)良性狀，其面粉質(zhì)量好，尤其是蛋白質(zhì)含量高，具有滑潤爽口、味感純正、面筋強(qiáng)、食用方便等特點(diǎn)，但抗倒伏性差、產(chǎn)量相對較低。由于小麥1B染色體的短臂被黑麥(Secalecereale)的1R染色體短臂所取代即形成小麥-黑麥1BL/1RS易位系，從而對小麥的品質(zhì)產(chǎn)生影響，馬小樂等[20]在和尚頭小麥中未檢測出影響小麥品質(zhì)的1BL/1RS易位系，其品質(zhì)達(dá)到高筋品種標(biāo)準(zhǔn)；王世紅[21]在Glu-B1(Glutenin-B1)位點(diǎn)檢測到小麥品質(zhì)優(yōu)質(zhì)亞基7+8，說明和尚頭小麥品質(zhì)較好。和尚頭小麥有較強(qiáng)的環(huán)境變化耐受性，在改變水分和氮素含量時(shí)氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率變化幅度較小，水分利用效率高，能夠維持產(chǎn)量構(gòu)成因素的恒定，提高產(chǎn)量[22-24]；高天鵬等[25]研究表明，增強(qiáng)UV-B(Ultraviolet-B)輻射和干旱脅迫下，和尚頭小麥生物量較其他品種降低幅度較小。可見，前人多以某一地區(qū)的和尚頭小麥為研究對象，并未對西北地區(qū)的同名和尚頭小麥進(jìn)行全面系統(tǒng)分析。本研究以來自西北地區(qū)的43份和尚頭小麥為研究對象，采用表型和分子標(biāo)記相結(jié)合的方法，分析供試材料的遺傳多樣性，利用關(guān)聯(lián)分析挖掘與主要農(nóng)藝性狀相關(guān)聯(lián)的優(yōu)異等位位點(diǎn)。闡明同名不同來源和尚頭小麥的特征特性和應(yīng)用價(jià)值，為育種家選擇利用和分子標(biāo)記輔助育種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用西北地區(qū)和尚頭小麥種質(zhì)資源共計(jì)43份 (表1)，分別由國家農(nóng)作物種質(zhì)資源共享服務(wù)平臺、國家農(nóng)作物種質(zhì)資源共享服務(wù)平臺(甘肅)、“西北干旱區(qū)抗逆農(nóng)作物種質(zhì)資源調(diào)查”項(xiàng)目組提供。

1.2 表型鑒定

2016-2017年在甘肅蘭州和張掖進(jìn)行和尚頭小麥的田間鑒定，試驗(yàn)設(shè)3 m行長、0.2 m行距、2行區(qū)，3次重復(fù)。按照《小麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[26]記載芽鞘色、幼苗色、幼苗習(xí)性、株形和葉姿；成熟后每小區(qū)取樣20株進(jìn)行室內(nèi)考種，考取株高、穗長、小穗數(shù)、小穗粒數(shù)、有效分蘗數(shù)、植株整齊度、穗形、殼色、芒形、芒色、粒色、粒質(zhì)、飽滿度和千粒重。

表1 43份和尚頭種質(zhì)名稱及來源Table 1 The name and origin of 43 Heshangtou germplasms

1.3 SSR標(biāo)記分析

1.3.1DNA提取與檢測 將材料放置在培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)，在幼苗期取0.2 g新鮮葉片，參照改良CTAB法[27]提取和尚頭小麥DNA，用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測質(zhì)量，用NanoDrop 2000c測定其濃度，最后加入100 μL TE緩沖液置于-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2SSR擴(kuò)增及電泳檢測 選擇均勻分布于小麥21條染色體上150對已公布的SSR引物，同時(shí)選取甘肅、陜西、寧夏的5份供試材料進(jìn)行PCR擴(kuò)增。根據(jù)擴(kuò)增產(chǎn)物的電泳結(jié)果，選擇擴(kuò)增條帶清晰、多態(tài)性好的SSR引物對43份和尚頭小麥基因組DNA進(jìn)行遺傳多樣性檢測。公共引物序列均來自Graingenes(http://wheat.pw.usda.gov)，由上海生工生物工程公司合成。PCR反應(yīng)體系為15 μL，包含：10×buffer (+MgCl2) 1.5 μL；dNTP (2.5 mmol·L-1) 1.2 μL；Taq酶(5 U·μL-1) 0.3 μL；Forward primer (10 μmol·L-1) 0.4 μL；Reverse primer(10 μmol·L-1) 0.4 μL；DNA(20～50 ng·μL-1)2.0 μL；ddH2O 9.2 μL。熱循環(huán)程序?yàn)椋?4 ℃預(yù)變性5 min，94 ℃變性50 s，55 ℃復(fù)性40 s，72 ℃延伸50 s，35次循環(huán)，72 ℃延伸10 min。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)6%非變性聚丙烯酰胺凝膠120 V穩(wěn)壓電泳，利用銀染法顯色，拍照保存后統(tǒng)計(jì)條帶。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

表2 和尚頭種質(zhì)資源表型性狀賦值和分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Coden designed for phenotypic traits and grading standard in Heshangtou germplasms

BSC：芽鞘色；SC：幼苗色；ST：幼苗習(xí)性；PT：株形；LP：葉姿；PU：植株整齊度；SS：穗形；GC：殼色；AS：芒形；AC：芒色；KC：粒色；KT：粒質(zhì)；PP：飽滿度；PH：株高；SL：穗長；SN：小穗數(shù)；ETN：有效分蘗數(shù)；KNS：小穗粒數(shù)；KW：千粒重。下同。

BSC: Bud-sheath color; SC: Seedling color; ST: Seedling type; PT: Plant type; LP: Leaf posture; PU: Plant uniformity; SS: Spike shape; GC: Glume color; AS: Awn shape; AC: Awn color; KC: Kernel color; KT: Kernel texture; PP: Plumpness; PH: Plant height; SL: Spike length; SN: Spikelet number; ETN: Effective tiller number; KNS: Kernel number per spikelet; KW: 1000-kernel weight. The same below.

1.4.2基因型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 在Microsoft Excel 上建立數(shù)據(jù)庫，將SSR擴(kuò)增帶型在相同遷移率位置上有帶記為“1”，無帶記為“0”，缺失記為“9”，利用PIC_Calc 0.6軟件對基因型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算多態(tài)性信息含量(polymorphism information content,PIC值)。利用NTSYSpc(2.10e版)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用SIMQUAL法計(jì)算各種質(zhì)間遺傳相似系數(shù)(F)和遺傳距離(D)。用SAHN功能，按照非加權(quán)成組配對法(UPGMA)進(jìn)行聚類分析。

用Structure 2.3.4軟件分析群體的遺傳結(jié)構(gòu)，估計(jì)最佳群體組群數(shù)K，假定材料的群體數(shù)為2～10，且假定各位點(diǎn)相互獨(dú)立進(jìn)行分析，將MCMC(markov chain monte carlo)開始時(shí)的不作數(shù)迭代(length of burnin period)設(shè)為10000次，再將不作數(shù)迭代后的MCMC設(shè)為100000，運(yùn)行20次，根據(jù)似然值最大原則選擇合適群體K值，或利用ΔK的變化規(guī)律來確定最適的群體數(shù)目，構(gòu)建遺傳結(jié)構(gòu)圖。ΔK的計(jì)算公式為：ΔK=m(|L(K+1)-2L(K)+L(K-1)|)/s[L(K)]。L(K)為每個(gè)K對應(yīng)的對數(shù)值，s為標(biāo)準(zhǔn)差，m為平均值。

1.5 關(guān)聯(lián)分析

利用Tassel 2.1軟件對和尚頭小麥主要農(nóng)藝性狀與SSR標(biāo)記進(jìn)行相關(guān)性分析，采用一般線性模型(general linear model，GLM)，以Q作為協(xié)變量進(jìn)行回歸分析，并計(jì)算標(biāo)記對表型變異的解釋率。

2 結(jié)果與分析

2.1 和尚頭小麥種質(zhì)表型性狀的遺傳多樣性分析

2.1.1質(zhì)量性狀多樣性分析 通過對和尚頭小麥種質(zhì)的13個(gè)質(zhì)量性狀統(tǒng)計(jì)分析，43份種質(zhì)芽鞘色全部為綠色，幼苗色中綠色占95.35%，深綠色占4.65%，幼苗習(xí)性以直立為主，半匍匐和匍匐各占4.65%，97.67%的種質(zhì)粒色為紅色，僅有1份材料為白色，上述4個(gè)性狀的遺傳多樣性指數(shù)較小，說明43份和尚頭種質(zhì)的芽鞘色、幼苗色、幼苗習(xí)性和粒色變異度??；在質(zhì)量性狀中，葉姿、植株整齊度、芒形和芒色4個(gè)性狀的遺傳多樣性指數(shù)在1左右，豐富度高，葉姿中挺直、平展和下披分別占20.93%、27.91%、51.16%，58.14%的種質(zhì)無芒，23.26%為短芒材料，甘肅的1份種質(zhì)芒色為黑色，表現(xiàn)較特殊；株形、穗形、殼色、粒質(zhì)和飽滿度5個(gè)性狀的遺傳多樣性指數(shù)介于上述8個(gè)性狀之間(表3)，變異度較高。總體來看，43份和尚頭種質(zhì)在質(zhì)量性狀中差異較明顯，表現(xiàn)出了一定的變異度。

表3 和尚頭種質(zhì)資源13個(gè)質(zhì)量性狀的多樣性分析Table 3 Diversity analysis for 13 qualitative traits of Heshangtou germplasms

2.1.2數(shù)量性狀多樣性分析 對供試材料的6個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析，從表4中可以看出，6個(gè)性狀的變異系數(shù)介于11.02%～49.03%，由大到小依次為有效分蘗數(shù)、穗長、小穗粒數(shù)、千粒重、株高和小穗數(shù)。有效分蘗數(shù)的變異系數(shù)最大，且極差大于均值，陜西省編號為W17和W21的和尚頭小麥有效分蘗數(shù)最少，為3個(gè)，甘肅省編號為W37的為21.5個(gè)，說明43份和尚頭種質(zhì)的有效分蘗數(shù)更為分散，遺傳改良潛力較大。小穗數(shù)的變異范圍最小，為16.00～25.25個(gè)。

與質(zhì)量性狀相比，6個(gè)數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)普遍較高，均在1.5632以上，其中千粒重的遺傳多樣性指數(shù)最高，為1.9065，小穗粒數(shù)的最低，為1.5632，株高、穗長、小穗數(shù)和有效分蘗數(shù)的遺傳多樣性指數(shù)比較接近，在1.8500左右，說明各性狀比較均勻，豐富度高。對比質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀，43份和尚頭小麥種質(zhì)在數(shù)量性狀方面改良潛力大，可為小麥品質(zhì)育種提供材料基礎(chǔ)。

表4 和尚頭種質(zhì)資源6個(gè)數(shù)量性狀統(tǒng)計(jì)分析Table 4 Statistical analysis of 6 numerical traits of Heshangtou germplasms

2.2 和尚頭小麥種質(zhì)表型性狀的相關(guān)性分析

圖1 和尚頭種質(zhì)資源基于18個(gè)形態(tài)性狀的聚類圖Fig.1 Cluster tree based on 18 morphological traits of Heshangtou germplasms

由于43份材料芽鞘色全部為綠色，因此對表型性狀進(jìn)行相關(guān)性和主成分分析時(shí)剔除了芽鞘色。從表5可以看出，殼色與所有性狀間均不顯著相關(guān)，其他不同表型性狀間呈不同程度的相關(guān)性。在質(zhì)量性狀中，幼苗色與芒色和粒色呈極顯著正相關(guān)，株形與植株整齊度呈顯著正相關(guān)，幼苗習(xí)性與株形、芒形與穗形呈顯著負(fù)相關(guān)；數(shù)量性狀中，穗長與株高呈極顯著負(fù)相關(guān)，穗長與小穗數(shù)和千粒重呈極顯著正相關(guān)，小穗數(shù)與千粒重呈極顯著正相關(guān)。

2.3 基于表型特征的聚類分析

利用DPS軟件，對表型數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，采用歐氏距離為遺傳距離，UPGMA方法對43份和尚頭小麥種質(zhì)進(jìn)行表型聚類分析(圖1)，在遺傳相似系數(shù)為6.0處將43份和尚頭小麥種質(zhì)分為6類，第Ⅰ類只有陜西的1份材料，其粒色為白色與其他42份材料粒色均不同；第Ⅱ類同樣為1份材料，來自甘肅，芒色為黑色；第Ⅲ類包含2份材料，1份來自甘肅，1份為陜西材料，幼苗色均為深綠色；第Ⅳ類僅有1份材料，來自陜西，為無芒，穗形為棍棒型；第Ⅴ類包括4份材料，1份來自甘肅，3份來自陜西，4份材料的芒色和殼色均為白色；第Ⅵ類包含34份材料，大部分材料被劃分在此類，其中甘肅材料22份，陜西材料11份，寧夏1份。

2.4 SSR多態(tài)性分析

從均勻分布于小麥21條染色體上的150對SSR引物中篩選出45對條帶清晰、多態(tài)性好的引物，多態(tài)性比率為30%。45對引物共檢測出151個(gè)等位位點(diǎn)，引物等位點(diǎn)數(shù)在2～8個(gè)，平均每個(gè)引物等位數(shù)為3.36個(gè)。引物Barc78和gwm174的等位位點(diǎn)數(shù)最多(圖2)。引物等位位點(diǎn)多態(tài)性信息含量PIC變幅為0.044～0.771，平均0.345。以引物gwm174值最高(0.771)，引物gwm135值最低(0.044)。

圖2 SSR引物Barc78對43份和尚頭小麥種質(zhì)資源的PCR擴(kuò)增結(jié)果Fig.2 Amplified result of SSR markers Barc78 of 43 Heshangtou germplasms

編號Number引物Primer連鎖群Linkage group等位變異數(shù)Alleles number多態(tài)性信息含量PIC編號Number引物Primer連鎖群Linkage group等位變異數(shù)Alleles number多態(tài)性信息含量PICM2gwm1351A20.0444 M47wmc7275A20.2113 M3barc1581A20.3511 M48barc1415A20.1214 M4wmc3671B60.3516 M51gwm1545A20.0444 M7wmc4291D40.2743 M52wmc5375B40.4809 M8wmc1471D20.0444 M53gwm1745D80.7713 M9cfd2821D30.3936 M54gwm4596A20.2932 M11gwm3722A40.6865 M56gwm6176A40.5785 M12gwm3112A50.5481 M58wmc2016A20.1214 M13wmc1542B20.3083 M60gwm2196B20.3716 M15gwm3742B30.1631 M61gwm4696D30.2010 M16wmc5032D50.6577 M62barc1756D40.1688 M17gwm3492D40.2354 M64barc1966D20.1545 M20gwm4803A30.4027 M37gwm6357A30.4980 M22gwm3893B20.3214 M38wmc3357B20.3083 M23gwm2993B40.2897 M39gwm4007B30.2665 M24Barc1643B30.1273 M40wmc1217D40.3942 M25wmc5293D20.0444 M65gwm6357D40.6497 M28wmc4204A20.1844 M66Xwmc7907A30.4496 M29barc1704A60.7407 M33Xwmc6337A50.6093 M30barc784A80.5691 M34BF1459356A30.3989 M32gwm1134B20.0444 M69Xbarc1521D40.5221 M45gwm1494B30.4244 M70Xcfd151A40.4216 M46wmc2854D20.2932

2.5 基于SSR分子標(biāo)記的聚類分析

通過NTSYS 2.10e分析軟件，應(yīng)用SIMQUAL法計(jì)算各種質(zhì)間遺傳相似系數(shù)(F)和遺傳距離(D)，用SAHN功能，按照非加權(quán)成組配對法(UPGMA)進(jìn)行聚類分析，在距離0.705處可將43份種質(zhì)分為五類(圖3)。第Ⅰ類只包含甘肅的黑芒和尚頭1份材料；第Ⅱ類包括9份材料，全部為陜西材料；第Ⅲ類包含陜西的2份材料；第Ⅳ類只有編號為W7的1份甘肅材料；第Ⅴ類包括30份材料，23份來自甘肅，6份來自陜西，1份為寧夏材料。從分類情況看，整體分布與地理來源存在一定的關(guān)系，大多數(shù)不同來源的材料被劃分在了不同的群組，少數(shù)材料存在相互間的滲透。

圖3 和尚頭種質(zhì)資源基于SSR分子標(biāo)記的聚類圖Fig.3 Cluster tree based on SSR molecular markers of Heshangtou germplasms

2.6 基于數(shù)學(xué)模型的遺傳結(jié)構(gòu)分析

利用篩選出的45對條帶清晰、多態(tài)性好的引物用于群體遺傳結(jié)構(gòu)分析，從圖4A中可以看出，隨著K值的增大，lnP(D)值呈現(xiàn)上升的趨勢，并沒有出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，無法劃分群體的亞群數(shù)，因此，參照Evanno等[30]的方法通過ΔK來確定K值。在K=8時(shí)，ΔK達(dá)到最大值并出現(xiàn)明顯的峰值(圖4B)，因此，可將43份和尚頭小麥種質(zhì)劃分為8個(gè)群組，8個(gè)亞群分別包含了2、2、7、1、17、4、1和2份材料，并繪制了群體遺傳結(jié)構(gòu)圖(圖5)。通過對Q值分析，有36份材料被分在某一群組中的Q值大于0.6，說明其遺傳組分相對單一，被劃分在8個(gè)群組中的某一組，7份材料在8個(gè)群組中Q值均小于0.6，形成混合群組。第Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ組中材料全部來源于甘肅?。坏冖?、Ⅲ、Ⅷ組中材料全部來自陜西?。换旌辖M群中包含陜西省6份材料和寧夏的1份材料。通過遺傳結(jié)構(gòu)分析表明，不同來源的和尚頭小麥種質(zhì)遺傳背景差異較大，同一省份的材料間遺傳多樣性比較豐富，可為小麥品種的遺傳改良提供優(yōu)異的基礎(chǔ)材料。

2.7 SSR分子標(biāo)記與主要農(nóng)藝性狀關(guān)聯(lián)分析

2.7.1和尚頭小麥種質(zhì)資源SSR位點(diǎn)間連鎖不平衡分析 基因間的連鎖不平衡(linkage disequilibrium,LD)是關(guān)聯(lián)分析的前提和基礎(chǔ)，分析45對SSR引物位點(diǎn)990種組合中連鎖不平衡有利于了解小麥基因組的連鎖不平衡，為和尚頭小麥種質(zhì)資源的關(guān)聯(lián)分析提供基礎(chǔ)。從圖6可以看出，在和尚頭小麥基因組中存在著不同程度的連鎖不平衡，包括共線性的(同一染色體)和非共線性的(不同染色體)，說明不同染色體的不同區(qū)段發(fā)生過重組或者突變，其中R2>0.5的LD有10個(gè)。在P<0.01的概率支持下成對存在的不平衡位點(diǎn)有60個(gè)(圖6中為黑色斜線下方紅、綠、藍(lán)色小格)，占整個(gè)組合的6.06%。從分析結(jié)果來看，本研究所選用的45對SSR引物在43份和尚頭小麥種質(zhì)資源中存在連鎖不平衡，可與主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

圖4 K值與LnP(D)、ΔK值折線圖Fig.4 Lines chart of K with lnP(D) and ΔK A：K值與lnP(D)值的折線圖；B：K值與ΔK的折線圖。A: Lines chart of K with lnP(D); B: Lines chart of K with ΔK.

圖5 43份和尚頭小麥種質(zhì)群體遺傳結(jié)構(gòu)Fig.5 Population genetic structure diagram of 43 Heshangtou germplasms

圖6 45對SSR多態(tài)性位點(diǎn)間的連鎖不平衡Fig.6 Linkage disequilibrium among 45 SSR polymorphic sites

2.7.2和尚頭小麥種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀相關(guān)聯(lián)的SSR位點(diǎn) 將45對有多態(tài)性的SSR標(biāo)記與株高、穗長、小穗數(shù)、有效分蘗數(shù)、小穗粒數(shù)和千粒重等6個(gè)小麥主要農(nóng)藝性狀利用Tassel 2.1軟件，采用GLM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，在P<0.01的水平上， 張掖和蘭州兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)共獲得與株高、穗長、小穗數(shù)和小穗粒數(shù)相關(guān)聯(lián)的SSR標(biāo)記11個(gè)(表7)，而有效分蘗數(shù)和千粒重間沒有發(fā)現(xiàn)與之顯著關(guān)聯(lián)的標(biāo)記。在11個(gè)相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記中，與株高相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記最多，為6個(gè)，穗長的最少為1個(gè)，標(biāo)記wmc201與穗長和小穗粒數(shù)均顯著相關(guān)。11個(gè)標(biāo)記表型變異解釋率為8.89%～24.74%，其中與株高相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記表型變異解釋率最高，小穗粒數(shù)次之，小穗數(shù)最小。

3 討論

3.1 和尚頭小麥種質(zhì)資源遺傳多樣性分析

遺傳多樣性是指地球上所有生物所攜帶的遺傳信息的總和。一般而言，遺傳多樣性是物種內(nèi)的遺傳多樣性，即種內(nèi)不同群體或一個(gè)群體內(nèi)不同個(gè)體的遺傳變異總和。分析小麥遺傳多樣性，有利于小麥種質(zhì)資源的收集、鑒定、保存和利用，對小麥品種的遺傳改良具有重要意義。小麥遺傳多樣性研究經(jīng)歷了從最早的形態(tài)學(xué)水平[31]，到細(xì)胞水平[32]、生理生化水平[33]，再到目前主要采用的DNA分子水平[34]4個(gè)階段。根據(jù)本課題組的實(shí)地調(diào)查和前人的研究，和尚頭小麥具有耐瘠薄、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)良性狀，其面粉質(zhì)量好，尤其是蛋白質(zhì)含量高，具有滑潤爽口、味感純正、面筋強(qiáng)、食用方便等特點(diǎn)，在西北地區(qū)享有很高的名譽(yù)，但產(chǎn)量相對較低，而且前人并沒有對不同省份和地區(qū)的和尚頭小麥種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析。因此，本研究利用形態(tài)學(xué)標(biāo)記和SSR分子標(biāo)記分析和尚頭小麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性，以期為特色小麥品種的遺傳改良提供參考依據(jù)。本研究利用19個(gè)表型性狀和45對多態(tài)性SSR標(biāo)記對來自西北地區(qū)的43份和尚頭小麥種質(zhì)進(jìn)行遺傳多樣性研究，對比基于形態(tài)性狀、SSR標(biāo)記的聚類和群體遺傳結(jié)構(gòu)分析，基于分子標(biāo)記的兩種群體劃分結(jié)果一致性比較高，基于形態(tài)性狀的群體劃分結(jié)果與另外兩種方法稍有差別，但大部分和尚頭小麥種質(zhì)資源可歸于一類。通過綜合分析，可將43份和尚頭小麥種質(zhì)劃分為8類，發(fā)現(xiàn)和尚頭小麥種質(zhì)資源與地理來源存在一定的關(guān)系，大多數(shù)不同來源的材料被劃分在了不同的群組，少數(shù)材料存在相互間的滲透，其中編號為W7，W8的甘肅和尚頭小麥和W16，W17，W20，W29，W31，W33和W35的陜西和尚頭小麥種質(zhì)較其他種質(zhì)遺傳背景差異大；編號為W36的寧夏和尚頭小麥不能夠單獨(dú)被劃分在一個(gè)組群，說明與甘肅和陜西的遺傳背景較近。通過對表型特征進(jìn)行分析，W8為黑芒，千粒重達(dá)到了53.78 g；W16和W17小穗數(shù)較多，為22和23個(gè)；W20是從長芒W18中分離出來的一個(gè)頂芒種質(zhì)；W29的生長類型為匍匐型；W31的株高較低，為62.8 cm；W33和W35千粒重均較大，分別為41.41和46.36 g，且W35的株高為86.9 cm，相對較低，這些遺傳背景差異較大的和尚頭小麥種質(zhì)資源可供育種家選擇利用。

表7 與農(nóng)藝性狀顯著相關(guān)的位點(diǎn)及其對表型變異的解釋率Table 7 Loci associated with agronomic traits and percentage of phenotypic variation explained

本研究發(fā)現(xiàn)，不同來源的和尚頭小麥種質(zhì)遺傳多樣性比較豐富，且同一省份的和尚頭小麥種質(zhì)間也存在較大差異，這種同名異質(zhì)現(xiàn)象是由多方面原因引起的，第一種可能是由于老百姓根據(jù)和尚頭小麥種質(zhì)的形態(tài)特征賦予其名；第二種可能原因是在和尚頭小麥長期種植的過程中發(fā)生了基因突變，也有可能是育種家對和尚頭小麥進(jìn)行了選擇或雜交改良，導(dǎo)致這些同名和尚頭小麥種質(zhì)的遺傳背景有所差異，但這需要進(jìn)一步考證。這些遺傳多樣性豐富的和尚頭小麥種質(zhì)資源可為小麥品種的遺傳改良提供優(yōu)異的基礎(chǔ)材料。

3.2 和尚頭小麥種質(zhì)資源產(chǎn)量相關(guān)性狀關(guān)聯(lián)分析

發(fā)掘優(yōu)異基因資源是作物種質(zhì)資源分子評價(jià)的重要內(nèi)容，對作物分子標(biāo)記輔助選擇育種具有非常重要的實(shí)踐意義，基于連鎖不平衡(LD)的關(guān)聯(lián)分析是基因發(fā)掘也是等位基因發(fā)掘的有效方法[35]。前人基于全基因組掃描和候選基因進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析研究，找到了許多目標(biāo)性狀相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記或者數(shù)量性狀遺傳位點(diǎn)(quantitative trait locus,QTL)。2006年Breseghello等[36]首次利用基于全基因組掃描的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)了14個(gè)與粒重和粒長相關(guān)的標(biāo)記。Yao等[37]對108份小麥品種的6個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)14個(gè)SSR標(biāo)記與農(nóng)藝性狀顯著相關(guān)；Dodig等[38]利用SSR標(biāo)記對小麥品種農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，在不同環(huán)境條件下共檢測到76個(gè)與性狀相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記位點(diǎn)；Neumann等[39]利用兩種不同的模型方法對96份小麥種質(zhì)的20個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，共發(fā)現(xiàn)了385個(gè)與目標(biāo)性狀顯著相關(guān)的標(biāo)記位點(diǎn)；Zhang等[40]對小麥籽粒性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)27個(gè)SSR標(biāo)記位點(diǎn)與之顯著關(guān)聯(lián)，其中23個(gè)位點(diǎn)極顯著相關(guān)。

本研究采用GLM模型對43份和尚頭小麥種質(zhì)資源的株高、穗長、小穗數(shù)、有效分蘗數(shù)、小穗粒數(shù)和千粒重等6個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，獲得了與株高、穗長、小穗數(shù)和小穗粒數(shù)相關(guān)聯(lián)的SSR標(biāo)記11個(gè)，與株高相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記最多為6個(gè)。通過分析前人的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)標(biāo)記wmc537與余侃[41]的研究結(jié)果相一致，標(biāo)記cfd282與趙京嵐[42]的研究結(jié)果相一致，兩個(gè)標(biāo)記均與和尚頭小麥種質(zhì)的株高相關(guān)聯(lián)，分別解釋了22.19%和24.74%的表型變異；標(biāo)記gwm372與李小軍等[43]的研究結(jié)果一致，與小穗數(shù)相關(guān)聯(lián)，解釋了9.6%的表型變異。同時(shí)發(fā)現(xiàn)標(biāo)記wmc201與穗長和小穗粒數(shù)均顯著相關(guān)聯(lián)，而有效分蘗數(shù)和千粒重間沒有發(fā)現(xiàn)與之顯著關(guān)聯(lián)的標(biāo)記。因此，本研究結(jié)果與前人的研究具有相似之處，說明本研究結(jié)果具有較高的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

利用表型特征和分子標(biāo)記分析了43份和尚頭小麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性，通過群體結(jié)構(gòu)分析將其劃分為8個(gè)組群，發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)和尚頭小麥種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性，其中編號為W7，W8的甘肅和尚頭小麥和W16，W17，W20，W29，W31，W33和W35的陜西和尚頭小麥種質(zhì)較其他種質(zhì)遺傳背景差異大，可為特色小麥品種遺傳改良提供材料基礎(chǔ)；通過關(guān)聯(lián)分析找到了11個(gè)與株高、穗長、小穗數(shù)和小穗粒數(shù)相關(guān)聯(lián)的SSR標(biāo)記，為特色小麥分子標(biāo)記輔助選擇提供參考依據(jù)。