基于質(zhì)量和數(shù)量性狀混合的高粱遺傳多樣性分析

加依娜·吾永巴衣 胡文明 阿迪里·托乎尼亞孜

摘要：為了解高粱種質(zhì)資源的遺傳多樣性，以56份來自不同國家和地區(qū)的高粱種質(zhì)為研究對(duì)象，分別對(duì)其葉脈色、穗型、穗形、芽鞘色、穎殼色、粒色、穎殼包被度7個(gè)質(zhì)量性狀和生育期、株高、穗長(zhǎng)、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量5個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行鑒定，分析各性狀的多樣性指數(shù)，并利用質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀進(jìn)行混合數(shù)據(jù)系統(tǒng)聚類。結(jié)果表明，2類性狀均具有廣泛的遺傳變異，數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)高于質(zhì)量性狀，其多樣性指數(shù)的變異范圍為1.639～2.012，而質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)變異范圍為0.879～1.498。系統(tǒng)聚類結(jié)果表明，在估計(jì)節(jié)點(diǎn)AU=95時(shí)，所有種質(zhì)聚為28類，其中38份種質(zhì)聚為10類，平均每類包含3.8份種質(zhì)，其余18份種質(zhì)分別單獨(dú)歸類;在AU=90時(shí)，所有種質(zhì)聚為2類，分別包含13、43份種質(zhì)。說明收集的56份種質(zhì)具有豐富的遺傳多樣性，是進(jìn)行性狀改良和遺傳研究理想的原始材料。

關(guān)鍵詞：高粱;質(zhì)量性狀;數(shù)量性狀;遺傳多樣性;估計(jì)節(jié)點(diǎn);系統(tǒng)聚類

中圖分類號(hào)： S514.032 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）02-0073-04

一般來說，作物的表型性狀主要有質(zhì)量和數(shù)量性狀2種類型，前者受單基因或寡基因控制，其表達(dá)不易受環(huán)境的影響，作物的穗型、籽粒的顏色等屬于質(zhì)量性狀;后者主要受微效多基因控制，其表達(dá)極易受環(huán)境的影響，作物的株高、穗長(zhǎng)、粒質(zhì)量、生物量等相關(guān)性狀屬于數(shù)量性狀。作物質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的改良均離不開優(yōu)異種質(zhì)資源的收集和利用。育種家在進(jìn)行作物性狀改良時(shí)，為了解種質(zhì)資源的遺傳背景及親緣關(guān)系，須要考察種質(zhì)資源的各類性狀，分析其遺傳多樣性和材料間遺傳差異的大小;同樣，遺傳研究者為提高基因挖掘的效率在發(fā)掘重要性狀QTLs基因時(shí)，也要求群體的性狀具有較大的遺傳變異。遺傳差異的大小可利用品種或群體的表型數(shù)據(jù)和分子標(biāo)記數(shù)據(jù)[1-3]進(jìn)行多樣性和聚類分析加以衡量[4-6]，由于利用表型數(shù)據(jù)進(jìn)行多樣性分析具有簡(jiǎn)單、便捷等優(yōu)點(diǎn)而在小麥[7-9]、玉米[10]、綠豆[11]、薏苡[12]、大豆[13]、小豆[14]、旱稻[15]、甜高粱[16]等作物上得以廣泛應(yīng)用。前人的研究大多利用數(shù)量性狀進(jìn)行分析，而對(duì)于聚類分析中，分類數(shù)目的確定尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大部分研究均根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來指定分類數(shù)目，這往往導(dǎo)致對(duì)遺傳多樣性分析或分類識(shí)別的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。高粱[Sorghum bicolor （L.） Moench]是繼水稻之后的又一禾本科模式作物，它生物產(chǎn)量高，具抗旱、耐鹽堿、耐貧瘠等特點(diǎn)，有“高能作物”和作物中的“駱駝”之稱[17-18]，因此對(duì)高粱種質(zhì)資源的研究和利用對(duì)于今后遺傳改良工作的開展具有重要的研究和利用價(jià)值。有研究表明，基于“P值系統(tǒng)聚類”的方法利用“自舉再抽樣”能夠無偏估計(jì)材料間聚為一類的概率，是一種有效的聚類方法[19-20]。本研究以前期收集到的56份高粱種質(zhì)為研究對(duì)象，基于質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀混合的農(nóng)藝性狀，利用Shannon-Weaver遺傳多樣性指數(shù)對(duì)其進(jìn)行多樣性分析，采用R軟件進(jìn)行“P值聚類”和“自助再抽樣”估計(jì)節(jié)點(diǎn)的近似無偏概率（approximate unbiased，AU）、自動(dòng)再抽樣概率（bootstrap probability，BP）概率，采用歐式距離（euclidean distance）和Ward法進(jìn)行聚類，以期為今后開展有益等位基因的發(fā)掘和品種選育提供有價(jià)值的參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

56份國內(nèi)外高粱種質(zhì)均由國家種質(zhì)資源庫提供，其中有9份種質(zhì)來自中國，代號(hào)分別為X1～X8、X12，其余47份種質(zhì)原產(chǎn)于美國、印度、日本、墨西哥、埃塞俄比亞、捷克和馬里共7個(gè)國家（表1）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與性狀調(diào)查

試驗(yàn)于2015—2016年在塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行。選擇隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，2次重復(fù)，5月1日前后播種，行長(zhǎng)5 m，行距0.6 m，株距0.2 m，1葉1心間苗，每穴留苗1株，未去除分蘗。于蠟熟期從小區(qū)中間行第3株后連續(xù)取樣3株，參考《高粱種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[21]進(jìn)行性狀調(diào)查。調(diào)查的性狀為2類：第1類是質(zhì)量性狀，包括葉脈色、穗型、穗形、芽鞘色、穎殼色、粒色、穎殼包被度7個(gè)性狀;第2類是數(shù)量性狀，包括生育期、株高、穗長(zhǎng)、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量5個(gè)性狀，數(shù)量性狀取2年的平均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

利用Shannon-Weaver遺傳多樣性指數(shù)（Shannon-Weaver index of genetic diversity）來衡量性狀遺傳多樣性大小，計(jì)算公式為：H′=-∑PilnPi，其中：Pi為性狀第i級(jí)別內(nèi)材料的占比。對(duì)于質(zhì)量性狀，分別統(tǒng)計(jì)各級(jí)別的Pi，計(jì)算Shannon-Weaver遺傳多樣性指數(shù)。

數(shù)量性狀級(jí)別的劃分標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)平均數(shù)（x）和標(biāo)準(zhǔn)差（s）將各性狀分為10級(jí)，第1級(jí)為xi ? ? 高粱種質(zhì)的各性狀的變異大小、遺傳多樣性均利用R軟件基礎(chǔ)包進(jìn)行分析，并對(duì)數(shù)量性狀類間均值進(jìn)行差異檢驗(yàn);利用R/pvclust[22]擴(kuò)展包進(jìn)行“P值聚類”，1 000次“自助再抽樣”估計(jì)節(jié)點(diǎn)AU、BP，采用歐式距離和Ward法進(jìn)行聚類。聚類個(gè)數(shù)的選擇及類別內(nèi)包含的種質(zhì)材料由指定的AU值確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量性狀的頻率分布和遺傳多樣性指數(shù)

由表2可見，56份高粱種質(zhì)的質(zhì)量性狀具有較為廣泛的遺傳多樣性，多樣性指數(shù)的變化范圍為0.879～1.498。其中粒色的遺傳多樣性指數(shù)最大，為1.498;其次為穎殼色，為 1.420;穗形的最小，為0.879。

由供試種質(zhì)的質(zhì)量性狀頻率分布可知，葉脈色、穗型、穗形、芽鞘色、穎殼色、粒色、穎殼包被度7個(gè)質(zhì)量性狀中，葉脈色、穎殼色、粒色的種類最多，均可分成6類，穗型、穗形、芽鞘色、穎殼包被度均可分成4類。葉脈色有白、白蠟、淡黃、黃白、蠟、綠蠟之分，其中白、蠟的種質(zhì)分別有22、24份，占種質(zhì)總數(shù)的39.29%、42.86%;白蠟、淡黃、綠蠟的種質(zhì)均有3份，均占總數(shù)的5.36%;黃白的種質(zhì)僅有1份，占總數(shù)的 1.79%。穗型以中緊為主，散和緊次之，中緊也有少量分布。穗形以紡錘居多，其次為傘形，圓筒和杯形最少。芽鞘色的頻率分布比較分散，其中紅色所占比例最多，白色、綠色和紫色也有不少分布。穎殼色以紫色居多，其次為黑色和紅色，黃色、灰色和白色的種質(zhì)較少。粒色以黃色最多，其次為白色和紅色，白帶斑點(diǎn)、褐色及其他顏色也有較少分布。穎殼包被度以1/2居多，其次是3/4和<1/4，也有少部分種質(zhì)是全包。

2.2 數(shù)量性狀的基本統(tǒng)計(jì)描述和遺傳多樣性指數(shù)

由表3數(shù)量性狀的基本統(tǒng)計(jì)描述可以看出，供試種質(zhì)數(shù)量性狀的平均值、極值、標(biāo)準(zhǔn)差、極差、變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均存在較大的變異，變異系數(shù)范圍為0.120～0.463，其值由大到小順序?yàn)樗肓Ｙ|(zhì)量>穗長(zhǎng)>株高>千粒質(zhì)量>生育期。多樣性指數(shù)的變化范圍為1.639～2.012，其值由大到小順序?yàn)樯?株高>穗粒質(zhì)量>千粒質(zhì)量>穗長(zhǎng)，說明供試材料的生育期和株高具有最大的遺傳多樣性，可作為高粱品種選育和遺傳改良的主要參考指標(biāo)。

2.3 聚類分析

對(duì)56份高粱種質(zhì)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明大部分供試種質(zhì)具有較遠(yuǎn)的遺傳距離（圖1），說明供試材料具有較為豐富的遺傳多樣性。按照無偏估計(jì)節(jié)點(diǎn)AU=95的概率（表4），其中有38份種質(zhì)可聚為10類，占種質(zhì)總數(shù)的 67.86%，大多分類中包含的種質(zhì)數(shù)為2～5份，最多的一類中包含的種質(zhì)數(shù)為12份。剩余18份種質(zhì)未能歸為以上任何一類，均可單獨(dú)一類， 占種質(zhì)總數(shù)的32.14%。以AU=90概率（表5），56份種質(zhì)可聚成2類：Ⅰ類和Ⅱ類。第Ⅰ類包含13份高粱種質(zhì)，占種質(zhì)總數(shù)的23.21%;第Ⅱ類包括43份種質(zhì)，占種質(zhì)總數(shù)的76.79%。值得注意的是，供試材料包括的9份國內(nèi)種質(zhì)中有8份（X1～X7、X12）歸到第Ⅱ類，1份雜交選育種質(zhì)（X8）歸到第Ⅰ類中。

2.4 AU=90類間數(shù)量性狀均值差異檢驗(yàn)

對(duì)AU=90時(shí)2類種質(zhì)間的數(shù)量性狀均值進(jìn)行差異檢驗(yàn)，結(jié)果表明，除株高差異不顯著外，2類種質(zhì)間的穗長(zhǎng)、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量和生育期4個(gè)數(shù)量性狀均存在極顯著差異（表6）。Ⅰ類種質(zhì)具有較短的穗長(zhǎng)，較大的穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量，較長(zhǎng)的生育期，是選育晚熟、糧飼兼用高粱的寶貴資源;Ⅱ類種質(zhì)具有較長(zhǎng)的穗長(zhǎng)，較小的穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量，較短的生育期，是選育早熟抗倒伏品種的寶貴資源。

3 討論與結(jié)論

種質(zhì)資源的遺傳多樣性是進(jìn)行品種改良和遺傳研究的基礎(chǔ)，通過遺傳多樣性分析可以從整體上把握種質(zhì)的利用價(jià)值。同時(shí)，遺傳多樣性也是作物長(zhǎng)期進(jìn)化適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果：遺傳多樣性越高，作物對(duì)環(huán)境適應(yīng)力越強(qiáng)。對(duì)生物遺傳多樣性的研究方法經(jīng)歷了形態(tài)水平、細(xì)胞水平、生化水平、分子水平等不同的階段，但形態(tài)學(xué)遺傳多樣性研究因其直接、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)仍然得到廣泛應(yīng)用[12]。本試驗(yàn)對(duì)收集的56份國內(nèi)外高粱種質(zhì)的形態(tài)學(xué)遺傳多樣性進(jìn)行初步研究，結(jié)果表明，這些種質(zhì)資源的質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀均具有較為廣泛的遺傳變異，質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)的變化范圍為0.879～1.498，大小順序?yàn)榱Ｉ?穎殼色>芽鞘色>穗型>穎殼包被度>葉脈色>穗形。

數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)的變化范圍為1.639～2.012，大小順序?yàn)樯?株高>穗粒質(zhì)量>千粒質(zhì)量>穗長(zhǎng)。顯然，數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)高于質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)，說明本研究所掌握的高粱種質(zhì)資源的遺傳多樣性較為豐富，其中生育期和株高是決定高粱利用價(jià)值的重要指標(biāo)性狀，具有較大的遺傳多樣性，是進(jìn)行高粱品種改良和遺傳研究的重要參考性狀。

在聚類分析過程中確定分類數(shù)目始終是研究的難點(diǎn)和主要關(guān)切點(diǎn)。目前大部分的聚類研究對(duì)分類數(shù)的劃分往往是隨意的或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)指定，這往往不能精確反映種質(zhì)資源真實(shí)的遺傳多樣性。本研究利用R軟件的pvclust包，對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行P值系統(tǒng)聚類，根據(jù)“自舉再抽樣方法”計(jì)算種質(zhì)間聚為一類的近似無偏概率AU，進(jìn)而根據(jù)選定的AU水平確定類別數(shù)目，是進(jìn)行種質(zhì)資源遺傳多樣性和分類數(shù)目劃分的有益嘗試。對(duì)56份高粱種質(zhì)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明，大部分種質(zhì)具有較遠(yuǎn)的遺傳距離。按照無偏估計(jì)節(jié)點(diǎn)AU=90概率，所有種質(zhì)可聚成2類，分別有13、43份種質(zhì)。對(duì)AU=90時(shí)2類種質(zhì)間的數(shù)量性狀均值進(jìn)行差異檢驗(yàn)，結(jié)果表明，除株高差異不顯著外，2類種質(zhì)間的穗長(zhǎng)、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量和生育期4個(gè)數(shù)量性狀均存在極顯著差異，表明其pvclust聚類是有效的，其分類的數(shù)目是較為合理的。

致謝：感謝國家種質(zhì)資源庫為本研究提供種質(zhì)材料，感謝國家自然科學(xué)基金委對(duì)本研究提供資助。

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