山西谷子地方品种初选核心种质构建

王海岗　温琪汾　乔治军　穆志新

摘要：為了构建山西谷子地方品种核心种质，提高资源利用效率，采用离差平方和法进行系统聚类后随机取样，构建的初选核心种质保留了原始种质11.34%的遗传资源。分析结果显示：核心种质与原始种质表型性状均值差异百分率为5.9%，极差符合率为87.4%，方差差异百分率为35.3%，变异系数变化率为102.0%;经多样性指数t检验，表明初选核心种质能够代表原始种质的遗传多样性。

关键词：山西;谷子;地方品种;核心种质;遗传多样性

中图分类号：S515  文献标志码：A  论文编号：cjas18060022

0引言

山西是中华农耕文明重要发源地，是以旱作农业为主的省份，谷子在山西起源于1.7万〜2.4万年前。山西地处华北西部的黄土高原东翼，南北横跨6个纬度（34°34'—40°44），是中国谷子主要种植省份。谷子具有抗旱、耐瘠、生育期短的特点，作为一种粮草兼用作物，其广泛种植于黄河流域且是中国北方干旱半干旱地区的重要杂粮作物之一。同时，谷子具有基因组比较小（大约515 Mb）、自花授粉特点，是全基因组研究和C作物光合的研究的理想模式作物。山西谷子种植区划分为春播早熟区、春播中熟区、春播晚熟区和夏播区，复杂多样的地理生态类型孕育了丰富多样的谷子资源。20世纪50年代和80年代山西省进行了两次大规模的资源征集，现保存在山西省种质库的谷子地方品种有5627份。其中，包括抗旱丰产的‘狼尾巴’、‘朱砂红’、‘东方亮’、‘鹅羊谷’等，高抗黑穗病的‘黄谷’、‘黑软谷’、‘鸡爪谷’等，出米率高的‘瓦屋里’谷子等，品质好、食味香的‘十里香’谷子和享誉全国的‘沁州黄’、‘东方亮’等优质谷子种质资源。

Franke认为核心资源是以最少数量的遗传资源包含一个作物种及其近缘种的最大限度的遗传多样性。建立资源核心库主要是便于对其进行优先评价和利用，从而提高整个种质库资源的管理和利用水平。构建种质资源核心库，对种质库资源的有效管理、种质资源收集和繁殖具有重要意义，同时促进种质资源的深入鉴定评价，提高库存种质资源的利用效率。目前，水稻、小麦、玉米、大豆、棉花、小豆、绿豆、豌豆、黍稷、蚕豆等作物核心种质和微核心种质已构建完成，浙江、云南、贵州、广西、华南及太湖流域地方稻种资源和黄淮夏大豆、贵州玉米、甘肃糜子、青海蚕豆、河北小豆等地方作物核心种质也已构建，并在此基础上开展了核心种质研究工作，推动了种质资源的精细表型和基因型鉴定，同时为优异种质资源在育种中的利用起到了积极作用。

丰富的山西谷子资源可以为育种提供大量的基础材料，但是在实际工作中资源的利用却很有限，数量庞大的资源不能有效的对其进行深入研究、评价和利用。为有效管理和高效利用现有谷子种质资源，深入系统挖掘山西谷子遗传潜力，本研究进行山西谷子地方品种核心种质的构建，通过核心库构建不仅保留了地方品种的遗传多样性，也减少了资源的鉴定评价数量。山西谷子地方品种核心库的构建，对服务我省有机旱作农业，提高育种效率和推动谷子产业发展将起到积极作用。

1材料与方法

1.1材料

5627份谷子地方品种数据来源于山西省农业科学院农作物品种资源研究所谷子种质资源数据库。包括幼苗叶色、幼苗鞘色、穗型、刺毛长度、粒色、米色、粳糯性、一株茎数、主茎长度、主茎直径、主茎节数、主穗长、生育期、单株杆重、单株穗重、单株粒重、千粒重17个农艺性状。

1.2方法

1.2.1数据整理  17个农艺性状中包括幼苗叶色、幼苗鞘色、穗型、刺毛长度、粒色、米色、粳糯性7个非数值性状;对非数值型性状予以赋值（表1），将代码数除以代码总数，转换成0〜1之间的数值。10个数值性状包括一株茎数、主茎长度、主茎直径、主茎节数、主穗长、生育期、单株秆重、单株穗重、单株粒重、千粒重。

1.2.2多样性指数  采用Shannon-Wiener’s多样性指数（H'）进行遗传多样性评价。计算各性状Shannon-Weaver遗传多样性指数：。其中，H'：某性状的遗传多样性指数;p：某一性状第i个代码出现的频率;：用所有性状多样性指数平均值来表示某一类种质的遗传多样性。

1.2.3聚类分析  按照山西省11个地市行政区划，将5627份山西谷子地方品种划分为11组（表2）。对数据进行标准化处理，使用Statistic6.0软件以组为单位计算欧氏距离，对11个组采用离差平方和法进行聚类分析。

采用平方根法取样策略即组内取样比例由整个组内资源份数的平方根值占各组平方根之和的比例来决定。根据每组确定的取样比例大小确定每组取样数目，在聚类等量取样类群中随机抽取一份资源作为初选核心种质。

1.2.4多樣性指数t测验  通过Var（H'）计算多样性指数变异方差，来检验初选核心种质的代表性。式中，H'、H'分别表示原始种质、初选核心种质某一性状的多样性指数，n表示性状的代码数，N、N表示样本数，m为自由度，Var（H'）、Var（H'）为方差，t为实测t值。

2结果与分析

2.1初选核心种质取样及多样性分析

对来源于山西119个县（区、市）的5627份谷子资源，以行政市为单位分为11组。每组材料采用欧式距离对表型数据进行离差平方和法聚类。每组取样份数采用平方根策略确定，每组按照取样数量确定聚类阈值，分成与取样数量相等的小组，从每小组中随机抽取1份资源，取出后的638份资源构成山西谷子地方品种初选核心种质。初选核心种质占原始种质的11.34%，其中，晋中市取样比例最高达15.06%，取样份数为184份;晋城市取样比例最小为4.93%，取样份数为8份。原始种质中11个地市间表型多样性指数变化范围为1.8110〜1.9686，而初选核心种质多样性指数变幅在1.4481〜1.9249，变幅高于原始种质，这可能与原始种质中不同地市来源的种质数目差异较大，造成取样后遗传多样性指数降低。

2.2初选核心种质代表性检验

原始种质中表型性状变异系数变化较大，仅有生育期变异系数小于10%，穗型和粒色的变异系数超过40%，说明山西谷子地方品种的遗传变异丰富，适于构建核心种质。17个表型性状平均值t检验显示，原始种质与核心种质除生育期外其他性状差异均不显著;幼苗叶色、剌毛长度、生育期3个性状方差F检验显著，米色、主茎长度和单株穗重3个性状F检验差异极显著，其他11个性状的方差为齐性，表明核心种质保留了更多的遗传变异。核心种质与原始种质间均值差异百分率为5.9%，方差差异百分率为35.3%，极差符合率为87.4%，变异系数变化率为102.0%，表明选择的初选核心种质能较好地代表原始种质。

2.3多样性指数t检验

由表4可知，原始种质中表型遗传多样性指数变幅为0.320〜2.0714，核心种质在0.3153〜2.0694之间，可见初选核心种质与原始种质间多样性指数的变幅一致。原始种质与初选核心种质表型性状中的粒色和单株秆重差异达到显著水平，主茎长度差异达到极显著水平;其余14个性状均未达到显著水平，说明初选核心种质具有相对较好的代表

2.4原始种质和核心种质主成分分析

对原始种质和核心种质群体进行主成分分析（表5），二者特征值、贡献率和累计贡献率极为相近。当特征值大于1时，原始种质中可划分成6个主成分，初选核心种质有7个，第一个主成分的特征值分别为3.1476和3.0578，贡献率分别为18.5151%和17.9868%，前7个主成分的累计贡献率分别是64.0033%和64.2958%，因此构建核心种质能有效减少性状间相关造成的遗传冗余，提高原种质资源群体的累计贡献率。

3讨论与结论

3.1山西谷子核心种质构建的必要性

山西是中国谷子栽培的主要省份，年种植面积在22.67x104hm左右，占全国种植面积的25%。山西谷子资源丰富，占全国谷子资源的1/5，高效管理和有效利用这些种质是谷子资源工作的重点。山西谷子核心种质的构建可以为谷子特殊基因资源鉴定提供优先资源样本，也可进行谷子表现型和基因型变异的结构研究，还可以满足山西省谷子遗传改良的需要。浙江、贵州、广西地方稻种资源的核心种质构建为水稻地方品种中优异基因的发掘、水稻生产和新品种的选育提供基础资料;构建的华南、太湖等地水稻地方品种核心种质有更强的地域针对性，包含了更多的地方性特异稻种资源，同时也有利于方稻种资源的有效保存、深入评价鉴定、基因发掘及其水稻新品种选育。黄淮夏大豆、贵州玉米、甘肃糜子、青海蚕豆、河北小豆等业构建了地方作物的核心种质。围绕不同作物进行的行政区、主产区核心资源的构建已成为各省种质资源精细化研究管理的基础，高效挖掘地方品种中蕴含的特色基因资源是种质资源工作新的研究热点。通过构建主栽区和生态区的核心种质，为本地区的作物育种和基因挖掘奠定基础。

本研究利用17个农艺性状对山西谷子地方种质进行核心库构建，取样比例为11.34%，进行欧氏距离聚类后根据每组取样份数确定分组阈值，在每组中随机取样，构建的核心种质基本上能够代表山西谷子地方品种的遗传多样性。由于表型性状与生产实际关联性较强，种质资源保存的目的就是充分利用表型性状的多样性，所以在构建山西谷子地方品种核心种质中应充分利用表型数据。但是表型数据采集过程易受环境条件和采集标准及系统误差等因素的影响，原始种质的遗传本质不能准确反映，因此在核心种质构建中要选择一些遗传稳定的性状。核心种质的构建方法还需要利用基因型数据来进行，通过在表型数据建立初选核心种质，进一步利用分子标记对核心样品进行补充和完善。

3.2初选核心种质的代表性

前人对核心种质的代表性评价指标做了大量研究，认为核心种质与原始种质的均值差异小于20%（a=0.05），极差符合率大于80%，说明构建的核心种质能够代表原种质的遗传多样性。笔者对构建的核心种质与全部种质各性状的均值、方差、多样性指数进行了显著性检验，利用均值差异百分率、方差差异百分率、极差符合率、变异系数变化率等参数进行核心种质代表性评价，表明构建的山西谷子地方品种初选核心种质能够较好地代表原始种质的遗传变异。同时，主成分分析的空间分布能够反映群体之间的相似程度，利用主成分分析对所构建核心种质进行确认，减少了性状间相关造成的遗传冗余。

本研究利用表型数据构建了山西谷子地方品种核心种质，核心种质与原始种质表型性状均值差异百分率为5.9%，极差符合率为87.4%，说明初选核心种质能较好地代表原始种质的遗传多样性。山西谷子种质资源编目性状资料比较完整，下一步研究将对638份山西初选谷子地方品种进行统一的表型、特性全面评价并结合分子标记技术继续进行分子水平的多样性分析，进而进一步缩小种质数量，建立规模适宜、易于管理的应用核心种质，解决资源数量大、深入研究难的问题，也为种质资源重测序、新基因发掘及资源创新和利用奠定基础。

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