不同生态区骨干谷子品种表型鉴定与遗传分析

杨延兵 张会笛 陈桂玲 张 晗 王雪梅 王润丰 秦 岭 管延安

(山东省农业科学院作物研究所/山东省特色作物工程实验室，山东 济南 250100)

谷子[Setaria italica(L.) Beauv.]起源于中国，有上万年的栽培历史[1-3]，目前仍是中国北方旱作农业的重要作物。全国谷子播种面积约200 万hm2，主要集中在河北、山西、内蒙、吉林、黑龙江、辽宁、陕西、甘肃、河南和山东等地；谷子主产区大体可分为华北夏谷区、东北春谷区、西北高原早熟春谷区、西北高原中晚熟春谷区。1980年以后，我国谷子育种形成了以杂交育种为主、诱变育种等其他育种手段为辅的多途径育种局面，育种家采用杂交、辐射、细胞工程等手段育成了大量谷子新品种[4]。其中部分品种在生产上应用面积大、时间长，有的品种作为重要亲本育成了较多品种，成为骨干性谷子品种。育种实践表明，农作物品种更替与新型骨干亲本的挖掘创制和有效利用具有紧密联系[5]，因此，对骨干谷子品种具有的特征、形成的遗传基础和高效利用等方面进行研究，具有重要意义。

上世纪80年代河南省安阳市农业科学研究所育成的豫谷1 号，是一个具有里程碑意义的品种。它不仅突破了夏谷亩产超千斤的难关，丰富了夏谷高产理论；同时打破了谷子品种对光照反应敏感、适应性窄、地域性强、推广时限短的传统观点[6]。以豫谷1 号为亲本育成了豫谷3 号、豫谷4 号、豫谷5 号、豫谷9 号、冀谷11、冀谷12、冀谷13、鲁谷10、济8062-8、潍坊286、沧615 等一大批谷子品种；近几年育成的中矮秆优质谷子品种中谷1 号、豫谷18、中谷2 等[7]也是以豫谷1 号作为亲本。2013年美国科学家对豫谷1 号进行了谷子基因组测序[8]。矮88 是以郑矮2 号为亲本，应用细胞工程技术育成的“紧凑型”谷子新品种，以矮88 作为重要矮源育成了如中谷2、冀谷19 等一些代表性品种；而冀谷19 是以矮88 为母本育成的品质和产量均优的中秆型品种，在2007—2015年期间曾经作为华北夏谷区区域试验的对照品种；以冀谷19 作为重要亲本也育成如中谷1 号、冀谷31、豫谷19 等品种。晋谷21 由山西省农业科学院经济作物所利用辐射技术于1991年选育成功，以其米质优而著名，至今仍在生产上大面积种植，是我国春谷区优质谷子品种选育的里程碑。西北早熟春谷区的大同29 是采用不育材料和多亲本杂交，混合选择，采用轮选方法育成的谷子品种，从2007年一直作为西北早熟春谷区区域试验和联合鉴定试验的对照品种。龙谷25 是由黑龙江省农业科学院育成的优质谷子品种，作为地理标识产品“肇东小米”的选用品种。山东省农业科学院作物研究所选育的济谷12、内蒙古赤峰市农牧科学研究院选育的赤谷10 号、河北省沧州市农业科学研究院选育的沧谷4 号、陕西省延安市农业科学研究院育成的延谷12 号等都是具有区域代表性的谷子品种。这些谷子多具有优质、高产、抗逆等优异性状，在生产上应用面积较大，利用时间长，为区域谷子产业发展做出了重要贡献。对这些具有代表性的骨干谷子品种进行鉴定和遗传价值利用分析，可为谷子品种选育提供有益参考。

随着谷子全基因组测序的完成[8-9]，简单重复序列(simple sequence repeats，SSR)标记的开发[10-12]，利用SSR 分子标记技术对谷子进行了图谱构建、群体结构、关联分析等方面的研究[13-15]。Wang 等[16]利用77个SSR 标记对中国国家基因库(China National Gene Rank，CNGB)保存的250 个谷子地方品种进行了基因型分析，结果表明各地方品种间的遗传多样性较高，平均每个位点有20.9 个等位基因；通过结构、邻域连接和主成分分析，将这些资源划分为3 个类群，这些类群与我国生态地理分布具有良好的一致性。Jia 等[17]用SSR 标记对我国近60年来不同地理区域的优良谷子品种进行了基因型分型，对我国谷子生产的两个生态地理区域对应的两个亚种群进行了清晰的分离，其研究结果表明新育成的优良品种中，大量的遗传资源已经从春播转化为夏播生态型，并推测这种转化可能是由于育种对种植配置的响应，强调了种植结构的转变和育种偏好对作物品种遗传进化的影响。秦岭等[18]分析了1980—2015年华北夏谷区育成的20 个主栽品种的遗传变异，表明随着年代递进育成品种的遗传差异减小，亲缘关系增近。针对不同地区谷子资源的遗传多样性也有较多的研究[19-22]，利用生物信息学等方法也鉴定了一些与谷子抗性有关的基因，为谷子的遗传改良提供了基础[23-24]。然而，针对不同生态区来源的特定骨干谷子品种进行鉴定和遗传价值利用分析的研究较少。本研究对12 个不同生态区来源的骨干性谷子品种进行表型鉴定，分析这些骨干谷子品种间的遗传差异及可能的遗传利用价值，以期为谷子遗传改良提供有益的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

来源于不同生态区的12 个骨干谷子品种或亲本材料详见表1。

表1 12 个谷子品种的来源、选育单位和生态区Table 1 The sources，breeding institutions and eco-regions of twelve foxtail millet cultivars

1.2 试验方法

1.2.1 表型鉴定 试验材料种植于山东省农业科学院作物研究所济南试验基地，行长3 m，行距0.5 m，每品种种植4 行，2 次重复，观察记载抽穗期、成熟期等物候期。成熟期每小区取样10 株，测定谷子株高、穗长、穗粗、穗下节间长、单穗重、千粒重。碾米观察米色，并测定小米的黄色素含量，黄色素含量测定参照杨延兵等[25]的方法。

1.2.2 DNA 提取 抽穗期取上部叶片，液氮速冻，用于DNA 提取。谷子基因组DNA 提取采用CTAB法[26]，利用1%的琼脂糖电泳检测DNA 的质量，DNA样品在-20℃下保存备用。

1.2.3 SSR 引物、PCR 反应及凝胶电泳 SSR 引物由张晗等[10]、孙加梅等[19]基于谷子参考基因组开发，由上海生工生物技术有限公司合成。PCR 反应体系20 μL:1 μL 模板DNA，正反向引物各1 μL(10 mmol·L-1)，7 μL 双蒸水，10 μL PCR 扩增混合液。PCR 反应程序:94℃预变性4 min；94℃变性2 min，60℃复性30 s，72℃延伸30 s，30 个循环；最后72℃延伸5 min。

PCR 扩增产物用6%聚丙烯酰胺凝胶电泳法进行分离。电泳缓冲液用1×Tris-硼酸(Tris-boric acid，TBE)，上样量为4 μL，使用DYY-6C 型电泳仪(北京六一仪器厂)电泳，200 V 恒定电压法电泳1 h。电泳结束后，将胶板依次在10%无水乙醇、0.5%冰醋酸中浸泡3 min，水洗2 次，再于0.2%硝酸银中浸泡5 ～7 min，快速用水冲洗后在3%氢氧化钠中显影至带型清晰，然后将胶板取出用水冲洗，晾干拍照。

1.2.4 数据统计和分析 根据SSR 标记扩增片段迁移率的不同分别读取数据，对稳定扩增的多态性电泳谱带按有带记为1，无带记为0，利用Microsoft Office 2013进行数据统计和分析，并依据分析软件的要求相应转换数据格式。利用Powermarker 3.25 软件计算各位点的遗传多样性指标[27]，包括等位变异数、多态性信息含量(polymorphic information content，PIC)等。利用NTSYSpc 2.10 软件计算位点的遗传距离(genetic distance，GD)，以非加权平均数(unweighted pair-group method with arthmetic mean，UPGMA)进行遗传聚类分析，绘制树状图。利用Structure 2.3.4 软件进行群体遗传结构分析，StructureHarvester 在线分析确定适宜的K 值[28-29]。

2 结果与分析

2.1 骨干谷子品种的主要农艺及米色品质性状鉴定

各谷子品种的主要农艺性状及米色品质差异如表2。12 个品种株高均值110.0 cm，变幅69.8 ～135.6 cm；华北夏谷区矮88 最矮，西北中晚熟春谷区的延谷12 最高。单穗重均值13.0 g，变幅6.8 ～17.8 g，内金香玉单穗重最低，豫谷1 号单穗重最高。穗下节间长均值29.0 cm，变幅17.4～38.9 cm，矮88 最短，内金香玉最长。华北夏谷种植条件下，各生育期平均85.5 d，变幅78～95 d，内金香玉最短，延谷12 最长。12 个品种中内金香玉为白米品种，大同29 米色浅黄，其他米色黄。黄色素含量测定均值20.5 mg·kg-1，变幅1.8～31.0 mg·kg-1，内金香玉最低，晋谷21 最高。各性状变异系数黄色素含量最大，单穗重次之。

2.2 谷子品种SSR 标记的遗传多态性

利用303 对引物对12 个谷子品种进行扩增，其中98 对引物SSR 标记扩增出清晰条带，79 对引物具有多态性，19 对引物条带单一，没有多态性。利用Powermarker 3.25 计算79 对多态性引物位点的等位基因数、PIC 等指标(表3)。单个引物检测到的等位变异数为2 ～5 个，79 对引物共检测到258 个等位变异，平均每个位点3.265 8 个，79 个标记位点PIC 的变幅为0.141 1 ～0.711 6，平均为0.510 1，最高为S232(0.711 6)，最低为S18(0.141 1)。其中PIC≥0.5 的引物有50 个，占全部多态性位点的63.3%；0.25＜PIC＜0.5 的引物有26 个，PIC＜0.25 的引物3 个。

2.3 骨干谷子品种间遗传距离分析

利用NTSYS-pc 2.10 计算各品种的遗传距离如表4。遗传距离变幅为0.140 2 ～0.801 1，平均遗传距离为0.473 7；来自华北夏谷区沧谷4 号与豫谷1 号的遗传距离最近为0.140 2，华北夏谷区育成品种沧谷4 号与西北早熟春谷区地方品种内金香玉的遗传距离最远为0.801 1。品种遗传距离(GD)根据大小可分为3类:较小(GD＜0.4)、中等(0.4≤GD≤0.6)、较大(GD＞0.6)。华北夏谷区济谷12、冀谷19、沧谷4、豫谷1这4 个品种遗传距离都较小，材料之间的遗传差异小，亲缘关系近；西北中晚熟春谷区的晋谷21、晋谷30、延谷12 的遗传距离中等；西北早熟春谷区的内金香玉、赤谷10 之间遗传距离较小，而大同29 与内金香玉、赤谷10 遗传距离中等。

豫谷1 号与春谷区品种晋谷21、晋谷30 遗传距离中等，与其他春谷区品种遗传距离较大。矮88 与晋谷21、大同29、内金香玉、延谷12、赤谷10 距离较大，与其他品种遗传距离中等。冀谷19 与大同29、内金香玉遗传距离较大，与其他春谷区品种遗传距离中等。晋谷21 除与矮88 距离较大，与其他10 个品种距离中等。大同29 与济谷12、沧谷4、豫谷1、晋谷30 遗传距离较大，与其他品种遗传距离中等。地方品种内金香玉与来自同一生态区的育成品种赤谷10 遗传距离较小，与5 个华北夏谷区品种、春谷中晚熟品种晋谷30、延谷12 遗传距离较大。来自东北春谷区的龙谷25 除与豫谷1 号的遗传距离较大之外，与其他所有品种遗传距离中等。

表2 12 个谷子品种的主要农艺及米色品质性状Table 2 Main agronomic and quality traits of foxtail millet cultivars

表3 79 对SSR 引物的遗传多样性统计Table 3 The genetic diversity of seventy-nine pairs of SSR primers

表3(续)

表3(续)

总体来说华北夏谷区的5 个品种之间遗传距离较小，不同生态区来源之间的遗传距离中等或较大，尤其是华北夏谷区来源骨干谷子品种和西北春播早熟区的遗传距离相对较大。

2.4 骨干谷子品种的聚类分析

利用UPGMA 方法对12 个谷子品种进行聚类分析(图1)。在遗传相似系数为0.870 时，12 个谷子品种完全分开。在遗传相似系数为0.594 处，12 个谷子品种被分为两大类，来自华北夏谷区的5 个品种济谷12、沧谷4 号、豫谷1 号、冀谷19 号和矮88聚为一类；而所有春谷区(包括东北、西北早熟、西北中晚熟春谷区)的7 个品种大同29 号、内金香玉、赤谷10 号、晋谷30 号、晋谷21、延谷12 号、龙谷25 聚为一类。进一步划分，在遗传相似系数为0.626 处，12 个品种被分为4 个亚类，来自华北夏谷区的济谷12、沧谷4 号、豫谷1 号、冀谷19 号和矮88 的5 个品种仍聚为一类；来自中晚熟春谷区的晋谷21、晋谷30 号和延谷12 号聚为一类，来自西北早熟春谷区的内金香玉、赤谷10 号和东北春谷区的龙谷25 号聚为一类，大同29 号自成一类，这说明华北夏谷区品种在遗传基础上和春谷区品种存在较大差异。地理来源相对较近的品种聚在一起，说明聚类分析结果和品种的生态类型具有较高的一致性。

表4 12 个谷子品种之间的遗传距离Table 4 The genetic distance among twelve foxtail millet cultivars

图1 12 个谷子品种SSR 标记的聚类图Fig.1 Cluster diagram of twelve foxtail millet cultivars based on SSR marker

2.5 谷子品种群体结构分析

利用在线软件StructureHarvester 确定谷子品种群体适宜的K 值为2。群体结构分析(图2-A)可以看出来源于华北夏谷区4 个品种济谷12、冀谷19、沧谷4号、豫谷1 号可归为群1(称为POP1)；而矮88 和来自春谷区的7 个品种归为群2(称为POP2)；对POP2 进行进一步进行结构分析(图2-B)，来自西北中晚熟春谷区的晋谷21、晋谷30、延谷12 聚为一亚群，命名为POP2-1，来自西北早熟春谷区的赤谷10、内金香玉为一群，命名为POP2-2，而来自东北春谷区龙谷25、华北夏谷区的矮88 和西北早熟春谷区的大同29 聚为一群，命名为POP2-3；来自华北夏谷区的冀谷19 带有部分POP2 的血统，晋谷30 和矮88 明显带有POP1 的血统，不同生态区来源品种之间存在基因交流。

3 讨论

3.1 骨干品种表型遗传多样性

图2 12 个谷子品种的群体结构分析Fig.2 Population structure analysis of twelve foxtail millet cultivars

12 个谷子品种表型性状存在较大差异，矮88 最矮，生育期短，其作为重要的矮源，含有隐形矮秆基因，可能受多个矮秆基因控制[30]，以其为亲本育成品种较多，研究矮88 生育期短、株高较矮的遗传机理对于降低谷子株高，增强谷子抗倒性，培育成熟期早的品种具有重要意义。谷子单穗重是非常重要的性状，豫谷1号单穗重最高，以其为亲本育成品种较多，研究利用豫谷1 号的广适性、高配合力挖掘相关基因，对于谷子育种具有重要意义。Fang 等[31]利用豫谷1 号和陇谷7号杂交构建了1 个高密度连锁图谱，共鉴定出29 个与农艺性状有关的QTL，其中有22 个有利等位基因来自于豫谷1 号，随着豫谷1 号谷子基因组测序完成，高密度连锁图谱构建，为挖掘更多的优异基因提供了可能。米色尤其是小米的黄色素含量是重要的性状，对于小米的商品性有重要影响[32]。本研究12 个谷子品种的平均黄色素含量为20.5 mg·kg-1，白米品种内金香玉最低，晋谷21 黄色素含量最高；晋谷21 作为优质品种，在培育较高黄色素含量的品种方面有潜在优势。

3.2 品种的等位变异位点多态性

79 对SSR 多态性引物对12 个骨干谷子品种扩增，共检测出258 个等位变异，平均每对引物检测到3.265 8 个等位变异数，PIC 值变异范围0.141 1 ～0.711 6，其中PIC＞0.5 位点有50 个。品种间SSR 基因座变异数相对较少[16-17，33]，可能与本研究骨干品种数量相对较少有关。但是79 个SSR 多态性位点中PIC＞0.5 位点有50 个，说明这些不同生态区来源骨干品种在这些位点上存在较丰富的变异，这些位点可用于品种的真实性鉴定。另外利用谷子的多态性位点挖掘更多的优异基因位点或区段，解析其遗传基础，并鉴定与产量、品质、抗病、株型等重要性状关联基因位点等工作，尚需进一步研究。

3.3 品种的遗传距离、聚类分析和遗传结构

华北夏谷区来源骨干品种间遗传距离和其他生态区来源品种相比相对较小，其遗传基础较其他生态区品种窄，可能与同一生态区内少数骨干亲本的重复利用有关[18]。华北夏谷区品种和其他春谷区品种，尤其西北早熟春谷区品种遗传距离较大，亲缘关系较远，因此要扩大华北夏谷区品种的变异，丰富其变异类型，应加强华北夏谷区品种与西北早熟春谷区品种之间的基因交流，为优质、早熟谷子品种选育提供基础。

聚类分析表明遗传相似系数为0.594 时，12 个谷子品种被分为两大类。华北夏谷区来源的5 个品种聚为一类；其他所有春谷区类型聚为一类，夏谷品种和春谷品种存在较大的差异。这与Jia 等[17]认为我国谷子品种大体可分为春播和夏播两种类型的结论类似，但具体的生态区划分有一定差异。本研究聚类结果和品种的生态类型基本一致，同一生态区类型的品种大体可以聚为一类。这与Wang 等[16]对中国谷子地方品种的研究结果基本一致；而Liu 等[33]研究认为，品种聚类主要与系谱来源有关，而与地理来源没有必然关系，结果的差异与选择的材料有关。综上，谷子遗传多样性聚类与品种系谱以及地域来源有一定的相关性。

运用Structure 软件分析谷子品种的遗传结构，考察品种间基因的交流，12 个品种可分为2 个群。分群的结果与NTSYS-pc 的聚类分析略有差异，可能与不同软件间算法存在差异有关。矮88 和其他7 个春谷区品种具有相似的遗传结构，与来自西北早熟区的品种大同29 和来自东北区的品种龙谷25 归为一亚群，说明矮88 在遗传结构上可能与春谷区的品种相似性较大，其遗传基础和其他夏谷区差异较大。

4 结论

不同生态区骨干谷子品种间在表型性状及遗传基础上具有较大的差异，不同生态区来源品种之间遗传差异较大，同一生态区来源品种之间差异较小；华北夏谷区品种遗传差异较其他生态区品种遗传差异相对较小，华北夏谷区品种和西北早熟春谷区品种间遗传差异较大，华北夏谷区品种要实现品质、产量和抗性的突破，丰富本生态区品种的遗传变异，应加强与西北早熟区品种间的遗传交流。