基于SNP標(biāo)記的粳型香稻品種品質(zhì)性狀差異及遺傳多樣性分析

趙一洲，倪善君，張 戰(zhàn)，李 鑫，毛 艇，張麗麗，劉 研，劉福才

(遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010)

水稻是我國(guó)最主要的糧食作物之一，約占糧食總產(chǎn)量的 40%[1]，是我國(guó) 65%以上人口的主食[2]。隨著人民生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)大米食味品質(zhì)的追求日益提高，稻米品質(zhì)改良已成為水稻育種的重要目標(biāo)之一[3～4]。香稻是栽培稻的特殊類型，因其特有的芳香受到廣大消費(fèi)者的青睞，越來越多的國(guó)家已將香米作為水稻育種的目標(biāo)之一[5～6]。稻米品質(zhì)性狀包括加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食用品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，這些性狀直接反映品種品質(zhì)表現(xiàn)。遺傳多樣性或稱遺傳變異，對(duì)作物育種而言，遺傳多樣性越豐富，物種對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力越強(qiáng)[7]，用于改良栽培品種或選育新品種的潛力就越大。同時(shí)，提高品種的遺傳多樣性也能增強(qiáng)品種對(duì)外界不良環(huán)境的抗性[8]。林世成等對(duì)212個(gè)早粳品種原始親本進(jìn)行追溯[9]，徐振華等對(duì)96份粳稻品種遺傳多樣性進(jìn)行分析，都從不同角度說明擴(kuò)大現(xiàn)有水稻品種遺傳基礎(chǔ)的必要性[10]。單核苷酸多態(tài)性(singlenucleotide polymorphism，SNP)是普遍存在于生物基因組中的一種新型分子標(biāo)記，是指在基因組水平上由單個(gè)核苷酸的變異而引起DNA序列單個(gè)堿基多態(tài)性變化。SNP是二等位基因，具有在基因組中數(shù)量最多、分布密度高、無需電泳、可高通量自動(dòng)化檢測(cè)等特點(diǎn)[11～12]，在分析材料遺傳多樣性上取得較好應(yīng)用[13～15]。因此，對(duì)香稻種質(zhì)資源品質(zhì)性狀特性及遺傳多樣性進(jìn)行分析可對(duì)香稻品種選育和香稻資源利用提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

為29份在本地區(qū)正常成熟的粳型香稻品種，分別來自黑龍江、吉林、遼寧、河北、山東、云南、日本。2018年于遼寧省鹽堿地利用研究所試驗(yàn)田種植，每份材料小區(qū)種植6行，行株距為30.0cm×13.3cm，小區(qū)面積3.6m2，栽培管理與大田相同。

1.2 品質(zhì)性狀分析

參照中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)NY147-88《米質(zhì)測(cè)定方法》測(cè)定糙米率、精米率、整精米率、粒長(zhǎng)、籽粒長(zhǎng)寬比、堊白粒率、堊白度、堿消值、膠稠度[16]。透明度由SDT-A型稻米透明度測(cè)定儀直接測(cè)出。直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量由丹麥FOSS近紅外谷物品質(zhì)分析儀(Infratec TM 1241 Grain Analyzer)直接測(cè)定。

利用DPS 7.05軟件對(duì)香稻品種品質(zhì)性狀進(jìn)行主成分分析，利用 Statistica 6.0軟件采用歐氏距離、Ward′s法對(duì)香稻品種品質(zhì)性狀主成分值進(jìn)行聚類。

1.3 SNP芯片分析

利用中玉金標(biāo)記(北京)生物技術(shù)股份有限公司開發(fā)的中稻芯1號(hào)8K SNP芯片完成基因型檢測(cè)和分析，共獲得7 519個(gè)SNP位點(diǎn)基因型結(jié)果，利用 AxiomAnalysisSuite軟件的 apt-genotypeaxiom、ps-metrics和 ps-classification模塊進(jìn)行基因分型結(jié)果統(tǒng)計(jì)，獲得29份樣本的基因型數(shù)據(jù)。利用R語言計(jì)算遺傳相似系數(shù)[17]，admixture軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析?；诟鞑牧祥g遺傳相似系數(shù)，利用NTSYSpcV 2.10e軟件中的Dcenter與Eigen模塊進(jìn)行主成分分析，明確各類群的分群特征[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 香稻品種品質(zhì)性狀及RVA特征值變異

在品質(zhì)性狀中堊白粒率、堊白度變異系數(shù)最大，分別為 142.1%、160.5%，性狀變化幅度在1.0%～73.0%、0.1%～26.2%，平均值為 13.6%、4.2%。透明度、籽粒長(zhǎng)寬比、蛋白質(zhì)、整精米率、堿消值的變異系數(shù)在10.0%～27.0%，性狀變化幅度在 0.50～0.80、1.6～2.7、5.4% ～8.1%、46.9%～78.9%、3.0～7.0級(jí)，平均值分別為0.70、1.9、6.9%、65.1%、5.4級(jí)。 糙米率、直鏈淀粉、精米率、粒長(zhǎng)、膠稠度的變異系數(shù)在 2.5%～8.2%，性狀變化幅度在75.7%～85.3%、17.0%～21.0%、66.7% ～80.5%、4.4～6.2mm、60.0～86.0mm，平均值分別為 81.1%、19.7%、73.5%、5.1mm、77.1mm(表 1)。 表明，29份香稻品種在堊白度、堊白粒率品種間差異較大，性狀改良、提高的潛力較高。

2.2 香稻品種品質(zhì)性狀主成份與聚類分析

通過對(duì)品質(zhì)性狀進(jìn)行主成分分析，以特征根累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85.0%為標(biāo)準(zhǔn)，確定5個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到86.0%。第1主成分特征根為4.525，貢獻(xiàn)率為 37.7%，主要由堊白粒率、堊白度、透明度決定，是水稻外觀品質(zhì)的綜合反應(yīng)；第2主成分特征根為2.085，貢獻(xiàn)率為17.4%，主要由粒長(zhǎng)、籽粒長(zhǎng)寬比決定，是水稻粒形性狀的綜合反應(yīng)；第 3主成分特征根為 1.757，貢獻(xiàn)率為14.6%，主要由糙米率、精米率、整精米率決定，是水稻加工品質(zhì)的綜合反應(yīng)；第4、第5主成分特征根分別為 1.102、0.856，貢獻(xiàn)率分別為 9.2%、7.1%，對(duì)應(yīng)的特征向量分別是膠稠度、蛋白質(zhì)(表2)。

表1 香稻品種品質(zhì)性狀差異Table 1 Differences of quality characters of fr agrant rice varieties

以各香稻品種品質(zhì)性狀前5個(gè)主成分得分為指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(圖 1)。當(dāng)閾值為 10時(shí)，29個(gè)香稻品種可分為3個(gè)類群。第Ⅰ類群包括綏錦香089290、曹妃香1號(hào)、唐妃香2號(hào)等共16個(gè)品種，第Ⅱ類群包括津原香、丹香2號(hào)、香原稻等共8個(gè)品種，第Ⅲ類群包括龍香 311-492、劍粳香 1號(hào)、宮城香等共5個(gè)品種。3個(gè)類群中除粒長(zhǎng)、籽粒長(zhǎng)寬比、膠稠度外其它性狀差異達(dá)到顯著或極顯著水平。糙米率第Ⅰ類群極顯著高于第Ⅱ類群，精米率第Ⅰ類群極顯著高于第Ⅱ、Ⅲ類群，整精米率第Ⅰ類群極顯著高于第Ⅲ類群，堊白粒率、堊白度、蛋白質(zhì)第Ⅰ、Ⅱ類群極顯著或顯著低于第Ⅲ類群，透明度第Ⅰ、Ⅱ類群極顯著高于第Ⅲ類群，堿消值第Ⅱ類群極顯著高于第Ⅲ類群，直鏈淀粉第Ⅱ類群極顯著高于第Ⅰ、Ⅲ類群，第Ⅰ類群又極顯著高于第Ⅲ類群(表3)。表明，外觀、粒形、加工、膠稠度、蛋白質(zhì)性狀可作判斷本研究中29份香稻品種品質(zhì)性狀的主要指標(biāo)，29份香稻品種可劃分為不同性狀組合的類群。

2.3 香稻品種間的遺傳相似系數(shù)及群體結(jié)構(gòu)

基于SNP標(biāo)記數(shù)據(jù)共獲得406個(gè)品種兩兩間遺傳相似系數(shù)，其變化幅度在0.456～0.998之間，平均值為0.675，其中香源稻與鹽香115間的遺傳相似性最低(0.456)，津原香、唐妃香2號(hào)、津原香之間，宮城香、宮香米、宮香之間的遺傳相似性最高(0.998)。品種間遺傳相似系數(shù)在0.45～0.6之間的組合占22.4%，在0.60～0.75之間組合占 60.8%，在 0.75～1.00之間的組合占16.8%。

利用admixture軟件對(duì)29個(gè)香稻品種進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析。類群數(shù)(K值)在2～10，當(dāng) K=4時(shí)LnP(D)值最大，29份供試材料在遺傳上可劃分為4個(gè)類群(圖2)。

表2 香稻品種品質(zhì)性狀主成分分析Table 2 The pr inciple component analysis for the quality traits in fragrant rice

表3 香稻不同品種類群品質(zhì)性狀差異比較Table 3 The comparison of quality characters of different group in fragrant rice

其中，第1類群包括稻花香 2號(hào)、劍粳香1號(hào)、云浪香、宮香米、宮城香、宮香、龍香 311-492共7個(gè)品種；第 2類群包括曹妃香 1號(hào)、丹香2號(hào)、津原香、唐妃香2號(hào)、隆粳香1號(hào)共5個(gè)品種；第3類群包括14HB2、曹妃香2號(hào)、隆粳香3號(hào)、鹽香115、錦稻香103、綏錦香089290、鹽粳939共7個(gè)品種；第4類群包括裕粳香1號(hào)、錦稻香104、冀香粳 2號(hào)、14HB1、唐海香稻、香原稻、7233、香稻、墾香48、河北香稻共10個(gè)品種。第1類群品種間遺傳相似系數(shù)在 0.627～0.998，平均為0.835；第2類群品種間遺傳相似系數(shù)在0.584～0.998，平均為 0.736；第 3類群品種間遺傳相似系數(shù)在0.564～0.947，平均為 0.677；第 4類群品種間遺傳相似系數(shù)在 0.665～0.994，平均為0.798。

2.4 香稻品種親緣關(guān)系的主成分分析

主成分分析結(jié)果顯示，29份供試材料前3個(gè)主成分分別占總遺傳組成的42.1%、21.4%、11.4%，總和達(dá)到74.9%。因此，利用前3個(gè)主成分值作三維主成分圖可解釋香稻品種類群間的遺傳關(guān)系(圖3)。各類群品種分布于三維圖的四周，類群間空間區(qū)分明顯。類群品種間平均遺傳相似系數(shù)在0.563～0.714，其中第 1類群與第 4類群遺傳相似系數(shù)最高，第2類群與第3類群相似系數(shù)最低?？傊┰嚥牧嫌H緣系數(shù)、群體結(jié)構(gòu)及主成分分析反映了不同來源香稻品種間的遺傳差異及親緣關(guān)系。

3 討論

通過遺傳多樣性的研究可以從整體上把握該物種的種質(zhì)資源情況[18]。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，遺傳多樣性的檢測(cè)從形態(tài)學(xué)、生理生化水平逐漸發(fā)展到染色體及DNA水平[19～22]。農(nóng)藝性狀是品種最直接的表現(xiàn)，對(duì)其鑒定、描述及性狀差異分析仍是種質(zhì)資源研究、判斷品種間遺傳距離最基本的方法和途徑[23～24]。通過分子標(biāo)記則可為群體遺傳多樣性、材料親緣關(guān)系提供可靠的信息。同時(shí)進(jìn)行形態(tài)、分子水平研究更能準(zhǔn)確分析品種間的遺傳多樣性與性狀差異。

陳培峰等對(duì)44份太湖地區(qū)香稻品種主要品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)外觀品質(zhì)的變異最大，其次是蒸煮品質(zhì)[25]。劉之熙等利用SSR標(biāo)記對(duì)來源于同一優(yōu)質(zhì)香型材料的5個(gè)常規(guī)香稻品種進(jìn)行相似性和特異性分析，發(fā)現(xiàn)品種間具有遺傳差異[26]。本研究發(fā)現(xiàn)29份供試材料品質(zhì)性狀變異系數(shù)在2.5%～160.5%之間。其中堊白粒率、堊白度的變異系數(shù)較大，籽粒長(zhǎng)寬比、蛋白質(zhì)、整精米率中等，這些性狀是區(qū)分品種間品質(zhì)性狀差異的主要依據(jù)和重要參考，也是品種性狀改良的主要內(nèi)容。同時(shí)，利用SNP芯片對(duì)供試材料進(jìn)行遺傳相似系數(shù)和群體結(jié)構(gòu)分析，品種間親緣系數(shù)在0.456～0.998之間，平均值為0.675，反映了材料間遺傳距離的遠(yuǎn)近。大多地理來源相近的材料被分入到一個(gè)類群內(nèi)，如第1類群內(nèi)的龍香 311-492、稻花香2號(hào)、云浪香來源于吉林和黑龍江，宮城香、宮香米、宮香來源于日本；第2類群內(nèi)的津原香、曹妃香1號(hào)、唐妃香2號(hào)來源于天津、河北；第3類群內(nèi)的鹽粳 939、鹽香 115、錦稻香 103來源于遼寧；第4類群內(nèi)的香原稻、香稻、河北香稻、墾香 48、冀香粳 2號(hào)、14HB1、唐海香稻、7233來源于河北。表明，地理來源相近的品種其遺傳關(guān)系較近，為香稻群體遺傳基礎(chǔ)評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。

種質(zhì)資源是水稻育種發(fā)展的基礎(chǔ)，親本選擇是品質(zhì)改良的前提。本研究通過主成分分析，表明在品質(zhì)性狀上外觀性狀、粒形性狀、膠稠度、蛋白質(zhì)是形成不同品質(zhì)類型的主要因子性狀。而不同遺傳類群材料間具有不同的遺傳距離，如第1類群與第 2、3、4類群間遺傳相似系數(shù)分別為0.666、0.637、0.714，第 2 類群與第 3、4 類群間遺傳相似系數(shù)分別為 0.563、0.633，第 3、4類群間遺傳相似系數(shù)0.613，這為優(yōu)質(zhì)香稻育種親本選擇提供了重要依據(jù)。因此，在了解親本材料品質(zhì)性狀、遺傳背景的基礎(chǔ)上，引入目標(biāo)性狀、確保性狀互補(bǔ)的同時(shí)，適當(dāng)加大親本間遺傳距離，其雜交后代群體將有較大的遺傳變異，出現(xiàn)優(yōu)良類型的比例也較高?？蓽p少育種工作中親本選配的盲目性，避免育成品種遺傳背景狹窄，從而提高育種效率，培育出符合育種目標(biāo)的品種。