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粳稻种质资源SSR指纹图谱构建及遗传多样性分析

2016-11-26张燕红王奉斌布哈丽且木阿不力孜袁杰赵志强文孝荣唐福森马盾

新疆农业科学 2016年11期
关键词:旱稻农科院粳稻

张燕红,王奉斌,,布哈丽且木·阿不力孜,袁杰,赵志强,文孝荣,唐福森,马盾

(1. 新疆农科院核技术生物技术研究所,乌鲁木齐 830091;2. 新疆农业科学院温宿水稻试验站,新疆温宿 843000)



粳稻种质资源SSR指纹图谱构建及遗传多样性分析

张燕红1,王奉斌1,2,布哈丽且木·阿不力孜1,袁杰1,赵志强1,文孝荣2,唐福森2,马盾1

(1. 新疆农科院核技术生物技术研究所,乌鲁木齐 830091;2. 新疆农业科学院温宿水稻试验站,新疆温宿 843000)

【目的】构建新疆粳稻种质资源的DNA指纹图谱,了解新疆粳稻育成品种的遗传相似性。【方法】利用均匀分布于水稻12条染色体的70对SSR引物,以新疆粳稻育成品种及引进资源为材料,进行遗传多样性分析并构建SSR指纹图谱。【结果】有63对引物具有多态性片段,共检测到388个有效等位基因,平对每对引物6.158 7个等位基因;引物平均多态性频率为0.237 1。89个材料间的遗传相似系数在0.72~0.88,相似性较高,以0.73为标准,可分为5大群。【结论】新疆粳稻育成品种的遗传背景相似性较高、多样性不够丰富,遗传基础相对比较狭窄,加强新的基因资源鉴定利用及育种材料创制。

粳稻;种质资源;遗传多样性

0 引 言

【研究意义】新疆稻作历史悠久,阿克苏、米泉等地的优质大米质细味美。从北疆的阿尔泰山南麓、天山北坡、伊犁河谷到天山南部、昆仑山脚下的9个地州都遍布有水稻生产,水稻种植面积一直稳定在0.73×104hm2(110万亩)左右,单产在600 kg/667 hm2左右。根据地域分别划分为北疆伊犁河谷稻区、乌鲁木齐米东稻区、南疆阿克苏稻区和喀什和田稻区四大稻区;根据水稻熟期划分为中熟稻区(北疆)、中晚熟稻区(南疆),由于新疆的生态环境形成了与之相适应的水稻品种群。亲本遗传基础狭窄,遗传多样性丧失[1-2]是制约育种的主要问题之一[3],因此,利用遗传多样性分析,了解水稻常用育种材料的遗传背景和亲缘关系,评价稻种资源的利用价值,发觉其中的有利基因,对于种质创新和新品种选育具有重要意义。【前人研究进展】目前应用最广泛的SSR标记技术,为共显性标记,可揭示品种资源间的遗传多样性。应用SSR标记技术进行不同地区、来源的水稻资源研究已有不少报道[4-15]。齐永文等[4]利用36对SSR标记分析了453份中国选育品种的遗传多样性,发现SSR标记和表型性状遗传多样性分析的结果相似性很高,东北粳稻品种间遗传多样性最小。【本研究切入点】目前,随着水稻生产发展主要以选育品种、国内外引进品种、遗传材料为主,截止2014年底经新疆维吾尔自治区种子站审认定水稻品种已达到52个,有地州审定的水稻品种有阿稻系列和伊粳系列约17余份,但各育种单位在选育新品种过程中相互间的交流广泛,并且育种目标又很相近,使得育成品种的遗传基础相近,并且对水稻的遗传基础研究还不够深入,特别是从分子水平上对其遗传多态性的研究及SSR标记指纹图谱的构建还处于空白阶段。研究构建新疆粳稻种质资源的DNA指纹图谱。【拟解决的关键问题】研究利用SSR标记技术,分析新疆主要推广种植的粳稻品种、选育品种、骨干亲本及引进资源等常规粳稻品种的遗传多样性,构建其指纹图谱,了解不同品种间的遗传变异,可进一步挖掘栽培稻的优异基因,为育种工作者进行杂交亲本选配和调整育种策略提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

选取新疆近年应用推广种植的的粳稻品种(系)及引进品种材料总计89份。表1

1.2 方 法

水稻叶片采用CTAB法提取基因组DNA,用0.8%的琼脂糖胶检测浓度。选取均匀分布于水稻12条染色体上且多态性较为丰富的70对SSR引物对各材料的DNA进行扩增。反应体系总共为15 μL,包含1×Buffer, dNTP 0.2 mmol/L,MgC121.675 mmol/L、SSR引物0.5 μmol/L,模板DNA 25 ng及Taq酶1.5 U。PCR反应在PCR扩增仪上进行,反应程序为:94℃预变性5 min,94℃40s,55℃ 30s、72℃ 40s,32个循环,最后72℃延伸10 min,产物4℃保存。PCR扩增产物在8%的聚丙烯酰胺变性胶上分离,电压5~8 V/cm,经染色、显影后,拍摄照片备存。

1.3 数据统计

根据PCR扩增结果,视每条多态性带为1个等位基因;在相同的迁移位置,将观察到的每条带视为一个性状,有带赋值为“1”,无带赋值为“0”,缺失赋值为“2”;读取多态性片段时,将100 bp梯度间距以大致5 bp分为最小识别单位,估计扩增片段的大小。应用Powermarker3.25[16]计算平均等位基因数、主要等位基因频率、Nei基因多样性指数(He)和多态性信息含量(PIC);标记索引系数(Marker index, MI)按Smith等[17]提供的公式MI=Allele×PIC计算。应用统计分析软件NTSYS-2.10[18]以共有片段比例(软件中coefficient参数选择SM)为指标计算材料之间的遗传相似性系数(genetic similarity coeficient,GSC)。根据GSC,通过NTSYS-2.10用非加权类平均法(un-weighted pair group method of arithmetic averages,UPGMA )进行聚类分析,并绘制成树状图。

2 结果与分析

2.1 SSR标记的多样性

利用70对SSR引物对89份粳稻品种进行DNA分析,其中7对引物在所有粳稻品种均不表现多态性,故利用63对多态性引物进行了多样性分析。共检测到388个有效等位基因,每对SSR引物等位基因数变异范围为2~15个不等,平均等位基因数为6.158 7个。其中RM211等位基因数最多,为15个。有4对引物(RM164、RM289、RM337、RM311)只检测到2个等位基因。SSR多态性信息量(PIC)平均为0.237 1,变幅为0.063 0~0.449 1,RM418的多态性信息量(PIC)值最低,为0.063 0,RM225的多态性信息量(PIC)值最高,为0.449 1。Nei’s多样性指数也与PIC呈类似的倾向,等位基因频率表现相反的倾向。表2

2.2 89份粳稻品种的UPGMA聚类分析

研究表明,根据UPGMA聚类,以遗传相似性0.74为标准可将89个粳稻品种分为5个类群,第Ⅰ类包括12个材料:新稻33号、沈农129、宁粳43、新稻28号、新稻29号、旱稻502、旱535、宁粳35、大力、新稻24号、伊粳8号、新稻23号;第Ⅱ类包括24个材料:农林314、02-11、新稻42号、早锦、秋田小町、旱稻109、娟光、新稻13号、新稻8号、新稻12号、农林315、心待、津原85、一见钟情、绿花舞、越光、新稻19号、田丰208、A稻6号、新稻39号、新稻1号、秋田39、99-28、阿稻1号;第Ⅲ类包括25个材料:雪峰、阿丰1号、20-18、伊粳12、丰优516、新稻14号、旱稻9号、越富、A稻8号、日引34、国庆20、田丰202、88-10、A稻4号、盐丰47、上育394、A稻7号、96-16、旱稻526、新稻36号、新稻30号、新稻32号、伊粳13、富农1号、旱稻10号;第Ⅳ类包括25个材料:新稻35号、伊选-4、辽旱109、旱稻529、旱稻65、秋光、腾系144、98-911、A36、新稻10号、东农425、新稻11号、新稻34号、昌优2006、丹3416、新稻21号、长粳香2号、07GY5-1-1、粮杂5号、粮杂4号、新稻17号、吉95、新稻37号、超吨1号、新稻27号;第Ⅴ类包括3个材料:旱稻297、八宝黄金、旱77。最后第Ⅰ、Ⅱ类归为一大类,第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类归为一大类,总体上新疆不同稻区的推广的主栽品种(系)区分不明显,新疆粳稻品种资源亲缘关系较近,整体遗传相似程度高,遗传多样性较低。图1

表1 供试水稻品种及来源
Table 1 Material for experiment

编号Code品种Variety来源Source编号Code品种Variety来源Source1新稻33号新疆金丰源4696-16新疆农科院核生所2沈农129辽宁47阿丰1号新疆兵团第一师3宁粳43引进宁夏4820-18新疆农科院核生所4新稻28号新疆农科院粮作所49新稻14号新疆兵团第一师5新稻29号新疆农科院核生所50旱稻9号引进6旱稻502引进51越富引进日本7旱535引进52旱526引进8宁粳35引进宁夏53新稻36号新疆农科院核生所9大力引进54新稻30号新疆农科院核生所10新稻24号新疆农科院核生所55新稻32号新疆伊犁州农科所11伊粳8号新疆伊犁州农科所56伊粳13新疆伊犁州农科所12雪峰兵团第一师57富农1号米泉13农林314引进58旱稻10号引进1402-11新疆农科院核生所59伊粳12新疆伊犁州农科所15新稻42号新疆农科院核生所60丰优516引进16早锦引进61新稻35号新疆农科院核生所17秋田小町引进日本62伊选-4新疆伊犁州农科所18旱稻109引进北京63辽旱109引进19娟光引进日本64旱529引进20新稻13号新疆伊犁州农科所65旱稻65引进21新稻8号4A新疆农科院核生所66秋光引进日本22新稻12号新疆农科院核生所67腾系144引进辽宁23心待引进日本6898-911新疆农科院核生所24农林315引进69A36新疆农科院核生所25津原85引进天津70新稻10号新疆兵团第一师26一见钟情引进日本71东农425引进27绿花舞新疆农科院72新稻11号新疆农科院核生所28越光引进日本73新稻34号新疆金丰源种业29新稻19号新疆金丰源种业74昌优2006新疆农科院核生所30田丰208引进辽宁75丹3416引进31A稻6号新疆兵团第一师76新稻21号新疆塔河种业32新稻39号新疆农科院核生所77新稻42号新疆农科院核生所33新稻1号新疆农科院核生所7807GY5-1-1新疆农科院核生所34秋田39引进日本79粮杂5号新疆农科院粮作所3599-28新疆农科院核生所80粮杂4号新疆农科院粮作所36阿稻1号新疆兵团第一师81新稻17号新疆农科院粮作所37A稻8号新疆兵团第一师82吉95引进吉林38日引34引进日本83新稻37号新疆农科院核生所39国庆20引进84新稻23号新疆兵团第一师40田丰202引进辽宁85旱稻297引进4188-10引进86八宝黄金引进日本42A稻4号新疆兵团第一师87旱77引进43盐丰47引进辽宁88超吨1号新疆农科院核生所44上育394引进89新稻27号新疆伊犁州农科所45A稻7号新疆兵团第一师

表2 SSR引物、染色体位置、等位基因数目及多态性信息含量指数
Table 2 SSR primer, chromosome location, number of alleles and polymorphism index content (PIC)

引物名称Primer染色体Chromosomelocation等位基因数Numberofalleles等位基因频率Allelefrequency/locus多样性指数GeneDiversityPIC值Polymorphismindexcontent(PIC)索引系数Markerindex(MI)RM119511008528021180175517549RM2311008624022330190144906RM29711208904018460164928641RM4901508090028430231908985RM51408165023210186112488RM5221306820041800335105584RM5801509607007570073807925RM5831409551008650084203507RM2082507588033060266715942RM21121507562032870267140011RM2402608848019530170614633RM2622908989018180165323301RM2792806998037930319821236RM423220887601992017920126RM4242208944019070179702944RM6260756603321026552453RM712608989017660162715929RM13243508652022600196909844RM1683606929038610301418085RM2313407130039550327607604RM23231108773019190162936032RM2513306132044590343003395RM3383408652020500170606595RM603308287024400200509085RM853807956028690238222758RM11364707897027010215223677RM2554707589034260283024011RM2734707416032560265521154RM5184306629045580382606957RM54144409494009380087715278RM1645109213014490134406721RM2675408581021830185406611RM2895108202027960238700822RM3328560884801900016492035RM5985406929038610302803368RM11161007697032690265726571RM1766307360035430292204881RM2256306157051090449104904RM5276806404047570382030605RM54161008809018600158533507RM1347706966041270326222834RM1871207326036530318835059RM4187909663006510063015354RM4817206742039700312203584RM8271007402034880284520352RM2238808570022740194609961RM3088409270013690131206598RM3378108390027620249003333RM3398305923047440361407469RM4281408989016940147250597RM72840829202424020350802RM21991009115014230124526708RM2429409139013500113206825RM3169406966042270333305248RM258101307828031640258936794RM26910807159038110302214831RM29410207528034450287006042RM304101107191041000334731567RM31110106704043440339203347RM59010206086049540408801476RM224111108614019900163521405RM1712207921032620272005439RM235121208184028170243919552average6158707974028540237115787

注:图中数字为表1中材料序号

Note:The number in this igure stand for number in table1

图1 基于遗传相似系数的89份新疆粳稻的聚类图
Fig.1 The cluster analysis on 89 rice materials

2.3 89份粳稻品种的Nei1983聚类

根据Powermarker3.25中Nei1983值法对89份材料进行聚类分析,利用EVOLVIEW软件编辑聚类分析图,可将89份材料聚为3大类,第Ⅰ类有07GY5-1-1、粮杂5号、粮杂4号、新稻17号、吉95、新稻37号;第Ⅱ类有新稻35号、伊选-4、辽旱109、旱稻529、旱稻65、秋光、腾系144、98-911、A36、新稻10号、东农425、新稻11号、新稻34号、昌优2006、丹3416、新稻21号、长粳香2号;第Ⅲ类,剩下所有品种聚为一大类。图2

图2 Nei1983聚类图
Fig.2 Nei1983 clustering graph

3 讨 论

在育种实践中,育种者选择的亲本材料多集中在几个常用表现较好的材料上,这种遗传基础的狭窄性是导致目前粳稻产量难以再上新台阶的重要原因之一。研究应用SSR标记对新疆水稻主要粳稻骨干亲本、自育品种及引进资源进行了多样性分析,共检测到385个等位基因变异,聚类结果在大多数品种(系)上较好的反映了不同品种的亲缘关系,相互之间具有一定的同源性。89个粳稻材料的遗传相似性很大,相似系数在0.71~0.88,平均相似系数为0.795,说明新疆种植的粳稻品种间的遗传基础非常狭窄。

自20世纪90年代起,新疆从日本和我国吉林、宁夏、辽宁等生态相似区引进大量的品种资源,在生产上直接利用的品种有达10多个,在新疆不同稻区种植,主要有秋田小町、越光、秋光、秋田39、吉粳91、宁粳43、丰优516、农林315、农林314等,历年来推广种植面积最大的是秋田小町,且是多年来自治区区域试验、生产试验的对照品种,秋田小町和越光仍是新疆品质最优的品种,也因此成为育种家手中的骨干亲本。近年来随着育种单位的重视及资源引进加强,陆续培育审定了新的品种,并在全疆推广示范,如目前推广面积最大的新稻11号,年推广面积达到2.667×104hm2(40万亩)以上,其亲本就是日本引进的。研究聚类结果也充分说明这一点,新疆目前的粳稻资源与日本及东北等生态相似区的水稻亲缘关系相近。从新疆四大稻区分布来看,此次聚类结果并没有将新疆不同稻区种植推广的品种完全区分开,可能是新疆整体水稻资源多样性不够丰富,不同稻区略有生育时期的差异,其次,SSR引物数量有限,未能区分开不同区域的资源差异性。

4 结 论

SSR标记聚类结果在大多数品种(系)上较好地反映了不同材料的亲缘关系。通过对89份粳稻品种(系)的SSR遗传相似性分析结果可以看出,大多数材料间的遗传相似性系数比较大,被划分到一个类群中,这说明目前新疆稻区种植的水稻品种遗传基础还相对比较狭窄。

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Fund project:Supported by national science and technology support projects (2014BAA03B04) and the youth funds of Xinjiang Academy of Agricultural Sciences "Analysis of genetic diversity of upland rice germplasm resources in Xinjiang based on SSR markers" (xjnkq-2014029)

DNA Fingerprints and Genetic Diversity Analysis Based on SSR Markers forJaponicaRice Resources in Xinjiang

ZHANG Yan-hong1,WANG Feng-bin1,2,Buhaliqiemu·Abulizi1,YUAN Jie1,ZHAO Zhi-qiang1,WEN Xiao-rong2,TANG Fu-sen2,MA Dun1

(1. Research Institute of Nuclear and Biotechnologies, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091,China; 2.WensuRiceExperimentStationofXinjiangAcademyofAgriculturalSciences,WenshuXinjiang843000,China)

【Objective】 The study aims to establish the DNA fingerprints and throw light on the genetic diversity of the Japonica Rice in Xinjiang.【Method】The Japonica Rice of 89 varieties were used as materials to analyze the genetic diversity and genetic relationship by 70 SSR markers.【Result】The result showed that there were 63 pairs of primers with polymorphic fragments and 388 effective alleles were detected. Namely, each pair had 6.158,7. The average polymorphism frequency index was 0.237,1 and the genetic similarity coefficient between the 89 materials was 0.72~0.88 with high similarity. If 0.73 was taken as a standard, all materials could be divided into 5 groups, but most were in one group.【Conclusion】However, generally speaking, the genetic background comparability was high and the diversity was low. It is demonstrated that the genetic basis of the Japonica Rice in Xinjiang is narrow. Therefore, identifying and making use of the new genetic resources and creating breeding materials should be strengthened.

japonica rice; germplasm resources; genetic diversity

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.11.001

2016-03-07

国家科技支撑计划课题(2014BAA03B04);新疆农业科学院青年科技基金项目(xjnkq-2014029)

张燕红(1982-),女,助理研究员,研究方向为水稻遗传育种,(E-mail)zhangyanhong9527@163.com

王奉斌(1968-),男,研究员,研究方向为水稻遗传育种与栽培,(E-mail)xjnkywfb@163.com

S511

A

1001-4330(2016)11-1961-08

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