云南省小麦育成品种(系)遗传多样性分析

丁明亮，周国雁，方艺瑾，李晓华，乔 玲，刘 琨，伍少云，李绍祥，郑 军*，杨木军

(1.云南省农业科学院粮食作物研究所，云南 昆明 650205；2.国家小麦改良中心云南分中心，云南 昆明 650205；3.云南省农业科学院生物技术与种质资源研究所，云南 昆明 650205；4.山西省农业科学院小麦研究所，山西 临汾 041000)

【研究意义】云南高原与青藏高原相毗连，属低纬高海拔地区，境内地形十分复杂，从南到北共有7个气候类型，从低海拔热区河谷、温凉坝区到丘陵及高寒山区海拔300～3600 m内均有普通小麦种植，划分为滇北晚熟麦区、滇中中熟麦区和滇南早熟麦区，分属于中国西南冬麦区和华南冬麦区[1-2]。小麦传入云南后，在这种复杂的地理与生态条件下，通过长期的自然和人工选择，形成了多样的小麦地方种质资源，成为中国小麦种质资源最丰富的地区之一，这些丰富的小麦种质资源在云南小麦生产、育种和相关研究中发挥了重要作用[1-2]。云南小麦育成品种(系)内含有十分丰富的云南地方品种与国内外的种质资源，虽然已有一些育成品种的资源得到挖掘和利用(如育成品种云麦52号含有普通小麦—簇毛麦6AL /6VS易位系92R149抗白粉病基因Pm21和抗条锈病基因Yr26[3])，必然还有很多未知的优异资源尚待鉴定和开发。因此，分析云南省不同时期选育的小麦品种(系)的遗传及其多样性将有利于优异小麦种质资源的发掘与创新，对云南省的小麦育种实践具有重要意义。【前人研究进展】当前我国小麦主要种植区均对当地的小麦种质资源的遗传及其多样性进行了深入研究，相关研究结果已为当地研究者进行基础研究和育种工作提供了众多有价值的参考信息，如郑军等[4]、彭芹等[5]、曹廷杰等[5]、李瑞奇等[7]、李学军等[8]、喻俊杰等[9]分别对山西、山东、河南、河北、陕西和江苏的小麦育成品种的遗传多样性进行解析，但是各省小麦育成品种遗传多样性存在一定的差异。刘丽等[10]、勾宇宏等[11]和杨金华等[12]分别利用SSR标记研究云南省铁壳麦、云南历史小麦品种和云南地方小麦品种的遗传多样性，分析表明云南铁壳麦、云南历史品种和云南地方品种均具有较好的遗传多样性，但是类型间其遗传多样性存在较大差异。【本研究切入点】云南省小麦地方品种、育成品种等种质资源较多，然而目前仅仅有少数针对云南历史品种及地方品种种质资源的遗传研究，缺乏针对小麦育成品种(系)种质资源的系统性研究。【拟解决的关键问题】为了进一步挖掘云南省小麦育成品种(系)中的优异资源，利用用简单重复序列标记系统分析了云南省小麦育成品种(系)的遗传多样性水平，并从分子水平上解析了云南省小麦育成品种(系)穗粒数和千粒重等重要产量性状的遗传规律和特点。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为云南省小麦育成品种(系)159个(表1)，其中育成品种80个(正式审定品种，V)，育成品系79个(非正审定品系，L)，这些材料绝大多数来自于设在云南省农业科学院生物技术与种质资源研究所的云南省作物种质库，其余来自于云南省各育种单位。

表1 159份云南省小麦育成品种(系)Table 1 159 wheat varieties (lines) bred in Yunnan Province

续表1 Continued table 1

续表1 Continued table 1

1.2 试验方法

本试验使用91对SSR引物分别来源于中国小麦微核心种质构建的引物目录(75对)[13]以及和相关重要性状穗粒数与千粒重紧密连锁的分子标记(16对)[14-16]。试验材料的基因组DNA提取、PCR扩增及SSR数据处理均参考文献[4]进行。参考文献[17-18]统计和计算等位变异数、遗传距离及遗传多样性指数等。

表2 91对SSR标记检测到的等位变异数及多态性信息指数Table 2 No. of alleles and PIC values detected by 91 SSR makers

续表2 Continued table 2

2 结果与分析

2.1 云南省小麦育成品种(系)SSR分析

91对SSR引物扫描159个云南省小麦育成品种(系)，共有360个等位变异被检测到，单个SSR标记检测到1～9个等位变异，平均每个SSR标记检测到3.96个等位变异，其中SSR引物wmc262可检测到等位变异数为9个，SSR引物gwm413、gwm174、psp3071和gdm674个标记可检测到等位变异数为8个，cfd72、gwm95和gwm1483个标记可检测到等位变异数为7个，有50个标记检测到的等位变异数超过平均等位变异数(占54.95 %)。各位点的多态性信息指数最低为0，最高为0.8408，所有位点多态性信息指数平均值为0.4677，位点gwm174的多态性信息指数最高为0.8408，其中多态性信息指数在0.25以下的位点有14个(占位点总数的15.38 %)，多态性信息指数大于0.5标记有48个(占位点总数的52.75 %)，可见这些标记在云南省小麦育成品种(系)中的多态性比较丰富。

表3 不同时期云南小麦育成品种(系)的遗传多样性Table 3 Genetic diversity of wheat bred varieties(lines) from Yunnan in different periods

2.2 云南省小麦育成品种(系)A、B、D染色体组的遗传多样性比较

采用的91对SSR分子标记平均分布于在小麦A、B和D 染色体组的数量分别是31、31和29个，在A染色体组、B染色体组与D染色体组被检测到的等位变异数分别为有128、123和109个；在A染色体组上被检测到的平均等位变异数为0.4784，在B染色体组上被检测到的平均等位变异数为0.4664，而在D染色体组上被检测到的平均等位变异数为0.4575；A染色体组的遗传多样性指数为0.5217，B染色体组的遗传多样性指数为0.5043，而D染色体组的遗传多样性指数为0.5102。说明云南省小麦育成品种(系)在A染色体组相比D染色体组与B染色体组其等位变异最为丰富，PIC值也较高，多样性最好。

2.3 云南省不同时期的小麦育成品种(系)的遗传多样性比较

图1 似然对数的变化率(△K)Fig.1 Rate of change in the log probability of data between successive K values(△K)

云南省不同时期的小麦育成品种的遗传多样性研究结果见表3，可见20世纪80年代以前小麦育成品种(系)的遗传多样性指数和PIC值最低，而80年代小麦育成品种(系)的遗传多样性指数和多态性信息指最高。90年代开始，云南省小麦育成品种的平均等位变异数、遗传多样性指数和多态性信息指随着小麦品种(系)选育的时期总体上有下降的趋势，说明在90年代以来云南省小麦育成品种(系)的亲本资源日益狭窄。

2.4 云南省小麦育成品种群体结构分组分析

参考Evanno等[13]的方法及91对SSR引物标记结果，对159个云南省的小麦育成品种(系)进行10个重复的划分结果测试，将lnP(D)值与△K值绘制成折线图，见图1，可见当K=7时，10个运行重复间标准差最小，重复性最好，且△K值最大，说明159个云南省小麦育成品种(系)可划分为7个类群的种质资源，结果见图2；各类群的分布与栽培类型、种植区域及其育成年代相关。由图2可见，云南省血缘单一的品种较少，说明利用Structure分群和利用非加权平均法UPGMA聚类方法分析在一定程度上能够对应。然而，图中也显示了一些来源较为复杂的品种(系)，这些品种(系)可能具有国内外引进的小麦资源和地方品种资源的混合血缘，这种复杂的组合来源充分说明云南省一些小麦品种(系)选育过程的复杂性，也证实云南省的小麦育成品种(系)具有一定的遗传多样性。

2.5 云南省小麦育成品种聚类分析

基于Nei's遗传距离的UPGMA聚类图见图3，试验采用的91对SSR分子标记按其遗传距离将159个品种分为14大类群，与Structure分群相比分类更细，主要与育成年代、田地麦类型及所属麦区有关。第Ⅰ类群有 2个材料，其中云麦60是从CIMMYT引入的F4代材料中系统选育的田麦品种；第Ⅱ类群有7个材料，主要是80年代选育的小麦材料；第Ⅲ类群有4个材料，主要是90年代选育的小麦材料；第Ⅳ类群有3个材料，分别是2000s选育的凤麦34和80年代选育的2个小麦材料；第Ⅴ类群有7个材料，主要是80年代与90年代选育的小麦品系和滇南早熟麦区品种如德麦8号等；第Ⅵ类群有2个材料，主要是80年代选育的小麦品系；第Ⅶ类群有7个材料，主要是不同年代选育的适合云南不同麦区的小麦材料，如滇北晚熟麦区的靖麦19号、滇中中熟麦区的昆麦3号及滇南早熟麦区的文麦8号；第Ⅷ类群有1个材料，即云植803为80年代选育的小麦品系；第Ⅸ类群有15个材料，主要是不同年代选育的适合滇北晚熟麦区的品种，如靖麦8号与靖麦18号等；第Ⅹ类群有13个材料，主要是2000年以来选育的适合不同麦区的地麦品种，如云麦56、云麦68等，值得注意的是云麦53作为田麦品种也聚在此类；第Ⅺ类群有10个材料，主要是80年代选育的适合滇中中熟麦区的品系和2000年以来选育的适合滇中中熟麦区和滇南早熟麦区的材料如凤麦38、临麦15号、德麦3号等；第Ⅻ类群有32个材料，材料类型较为丰富，主要是不同年代选育的适合云南不同麦区的材料，值得注意的是由云南省农科院粮作所选育的K78S、K456S作为不育系和选育的杂交小麦品种云杂5号的恢复系云麦52号均在这一类；第XIII类群有材料最多共44个材料，主要是80年代以来适合云南滇中中熟麦区的材料，如凤麦32、凤麦36、凤麦39等；第XIV类群有12个材料，主要是70年代、80年代和90年代选育的适合云南滇中中熟麦区的材料，如云麦27、云麦33与云麦38等。

图2 159个云南省小麦育成品种(系)的类群划分Fig.2 Population distribution of 159 wheat bred varieties(lines) in Yunnan province

图3 云南小麦育成品种(系)聚类图Fig.3 Dendrogram of wheat bred varieties(lines) in Yunnan province

2.6 云南省不同年代小麦育成品种(系)的穗粒数和千粒重优异等位变异分析

云南省不同年代小麦育成品种(系)的穗粒数和千粒重相关标记的优异等位变异分析结果表明：自20世纪70年代以来，穗粒数和千粒重相关标记的优异等位变异的频率随着云南省小麦育成品种(系)育成年代的推移而逐渐增长，但穗粒数性状相比千粒重性状改良效果更明显，如穗粒数紧密连锁标记gwm259的优异等位变异频率增幅分别为47 %。Roberto研究认为与穗粒数紧密连锁的SSR标记cfe273在欧美的小麦品种育种进程中其优异等位变异频率随育种年代的推移而快速上升[19]，然而在云南省小麦育种进程中优异等位变异频率变化不大(图4)，说明该位点在云南省的小麦育种进程中人工选择效果不显著。千粒重性状的优异等位变异的增幅虽然不如穗粒数性状的优异等位变异的增幅那么明显，但是有的位点优异等位变异随着育种年代的推移增幅也较大，如wmc415，优异等位变异增幅分别为42 %；千粒重性状相关的一些位点的优异等位变异在云南省的小麦育种进程中一直保留，如gwm156与gwm268；千粒重性状也存在较高频率的非优异等位变异位点，其优异等位变异一直未超过15 %，如cfd266和wmc17。说明在云南省小麦育种进程中针对千粒重性状的改良有较大的潜力，而改良的主要目标即是这些非优异等位变异位点。

图4 穗粒数相关标记gwm259和cfe273优异等位变异频率变化Fig.4 The variation between the mark gwm337 and cfe273 related to the number of grains per ear

3 讨 论

简单重复序列标记(Simple Sequence Repeat，SSR)与其它分子标记相比具有数量丰富、多态性高、检测快速、操作简便等优点[16]，广泛应用于小麦遗传图谱构建和遗传多样性分析[20]。Hao等[21]利用78个微卫星序列标记构建了西北春小麦区含340份小麦种质资源的小麦核心种质和微核心种质，共检测到967个等位基因，平均每个位点13.6个等位基因(5～32)，平均PIC为0.64，范围为0.05～0.91。山西省[4]、山东省[5]、河南省[6]、河北省[7]、陕西省[8]和江苏省[9]分别对本地区的小麦育成品种(系)资源的遗传多样性进行全面系统的研究，分别为：山西省小麦育成品种平均等位变异数是3.940，平均多态性信息指数为0.446；山东省主推小麦品种的平均等位变异数是4.167，平均多态性信息指数为0.527；河南省近年审定小麦品种的平均等位变异数是6.000，平均多态性信息指数为0.404；河北省冬小麦品种的平均等位变异数是3.930，平均多态性信息指数为0.415；陕西小麦育成品种的平均等位变异数是4.180，平均多态性信息指数为0.481；江苏主栽小麦品种平均等位变异数是3.560，平均多态性信息指数为0.456。利用91个微卫星序列标记发现159份云南小麦育成品种(系)的平均等位变异数为3.960，平均PIC值为0.4677，PIC值高于河南省、河北省、江苏省和山西省，低于山东省和陕西省，说明云南育成品种遗传多样性较为丰富。

单位面积穗数、千粒重和穗粒数是小麦产量构成的三大要素[22]，而大穗大粒又是云南小麦的典型特征，因此对云南小麦产量三大构成要素中最为重要的两个性状穗粒数和千粒重采用与之相关联的SSR标记分析云南省不同时期小麦育成品种(系)中优异等位变异频率具有重要意义。结果表明自20世纪70年代以来穗粒数和千粒重两个重要的产量性状的连锁标记的优异等位变异频率随着云南省小麦育成品种(系)选育年代的推移而逐渐增长，但整体而言增幅仍然不大。说明云南省不同时期小麦育成品种(系)的穗粒数和千粒重的遗传背景具有不同程度的改良，且穗粒数性状相比千粒重性状改良效果更强。云南省在今后小麦育种实践中应重视优异资源的引进，并对本地材料进一步改良。

4 结 论

本文采用91对SSR标记对云南省20世纪50年代以来育成的159个小麦品种(系)进行遗传多样性研究，结果表明云南省小麦育成品种(系)遗传多样性较好，特别是80年代的小麦育成品种(系)具有较高的遗传多样性，且不同年代小麦育成品种(系)的穗粒数和千粒重的遗传背景具有不同程度的改良，今后云南省在小麦育种实践中还应加强国内外优异小麦资源的引进和利用。