旱地区域试验小麦品系的遗传多样性分析

陈祥萍+宋婵媛+李夕梅

摘要：區域试验是小麦品种审定和新品种推广的重要环节，区试材料能在一定程度上反映小麦育种的水平和发展趋势。本研究对2014年山东省小麦旱地区试的40个小麦品系进行初步的遗传多样性分析，结果显示：（1）42对引物共检测出113个等位基因变异，平均等位变异丰富度（2.69）、基因多样性（0.27）、多态性信息含量（0.22）等指标显示群体遗传多样性较低。（2）在小麦三个亚基因组遗传多样性比较分析中，其平均等位变异丰富度表现为：AB>D。进一步对七个同源群进行遗传多样性分析发现，在平均等位变异丰富度上，7<3<1=4<6<5<2；而在基因多样性和多态性信息含量上，均是3<7<2<4<5<6<1。对三个指标进行权衡之后，研究认为该群体遗传多样性水平在三个亚基因组间或七个同源群间没有明显差异。（3）40个小麦品系间遗传相似系数的平均值高达0.43，说明材料间的遗传差异较小，亲缘关系较近。（4）40个参试品系与鲁麦21、青麦6号的遗传相似系数分别为0.45、0.46，均明显高于与济麦22的遗传相似系数（0.41）。（5）聚类分析表明供试群体没有明显的亚群分类。总体而言，研究结果对山东省旱地小麦育种具有一定的理论指导意义。

关键词：小麦：旱地区试：遗传多样性：SSR标记

中图分类号：S512.103文献标识号：A文章编号：1001-4942（2017）03-0021-06

AbstractRegional trial is an important step during variety certification and popularization of wheat. The regional trial material can reflect the level and development tendency of wheat breeding to some extent. The genetic diversity analysis of 40 wheat lines from dryland regional trials in 2014 was conducted in this study. The results showed that 113 allelic variations were detected by 42 SSRs. The average genetic richness （2.69）， genetic diversity （0.27）， and polymorphic information content （0.22） all showed that the population genetic diversity level was relatively low. The genetic diversity analysis among the three subgenomes showed that the average genetic richness was arranged in the order of AB>D. The genetic diversity analysis among the seven homoeologous groups showed that the average genetic richness was arranged in the order of 7<3<1=4<6<5<2， while the genetic diversity and polymorphic information content were both arranged in the order of 3<7<2<4<5<6<1. Integrating the three indexes， the population genetic diversity level had no obvious difference among the three subgenomes or the seven homoeologous groups. The genetic similarity index among the 40 lines reached up to 0.43， which indicated that the genetic difference was relatively little and the genetic relationship was relatively close. The genetic similarity index between 40 lines with Lumai 21 and Qingmai 6 was 0.45 and 0.46 respectively， which were both higher than that between tested lines with Jimai 22 （0.41）. The cluster analysis showed that there was no obvious subpopulations in the tested population. In conclusion， this study had some guidance meaning for the dryland wheat breeding in Shandong Province.

KeywordsWheat； Dryland regional trial； Genetic diversity； SSR marker

小麦（Triticum aestivum L.）是世界上种植面积最大、总产量最高的粮食作物，同时也是中国重要的粮食作物。但是，作为中国小麦主产区的北方冬麦区，干旱问题日趋严重，已成为小麦生产的主要限制性因素[1]。抗旱节水优良小麦品种的培育是解决该问题最经济有效的途径。

区域试验是小麦品种审定和新品种推广的重要环节，是推动小麦品种更新换代的源动力[2]。参加山东省小麦旱地组区域试验的品系代表了山东旱地小麦育种的水平和发展趋势。因此，构建旱地组区域试验品系的DNA指纹图谱，揭示其遗传多样性，可以客观地反映当前山东省旱地小麦育种的现状，对于品种选育、审定与管理均有重要意义。

目前，遗传多样性的研究可从形态标记、细胞学标记、生化标记以及直接检测DNA水平的分子标记等方面入手。SSR（simple sequence repeats）标记因其数量丰富且覆盖整个基因组、共显性遗传、多态性信息含量高、操作简单、稳定性好等优点[3]而被广泛应用于玉米、水稻、小麦、棉花和大豆等作物的遗传多样性分析中[2]。自Devos等[4]首次成功地将SSR标记技术应用于小麦遗传研究后，利用SSR标记对小麦种质资源、育种亲本、省审品种以及区试材料等遺传多样性和群体结构分析的报道日新月异。如郝晨阳等[5]对我国小麦核心种质的研究结果显示，地方品种的遗传多样性明显高于育成品种。王升星等[6]以190个分布于黄淮冬麦区、长江中下游冬麦区及西南冬麦区三大麦区的小麦品种为试验材料，发现三大麦区品种间遗传差异较为明显，研究结果为小麦亲本选配提供了有用的遗传信息和重要参考依据。赵檀等[7]对169个河北省审小麦品种的遗传多样性分析表明，品种的等位基因频率在下降，但多样性水平基本呈现上升趋势；聚类结果既反映出河北省小麦品种多样性水平的复杂多样，也反映出品种的地域性分布特征。刘丽华等[2]对2009—2014年参加国家冬小麦区域试验的430个品系进行遗传多样性和群体结构分析，结果显示，遗传多样性从2012年开始略有下降，参试品系的遗传多样性自北向南（北部冬麦区组至长江流域冬麦区组）呈明显下降趋势。

本研究利用均匀分布小麦21条染色体的42对SSR标记对2014年参加山东省小麦旱地组区域试验的40个品系及其对照品种鲁麦21、旱地小麦优良品种青麦6号、当前主推小麦品种济麦22共43个品系（种）进行遗传多样性分析，以期了解山东省旱地小麦的育种水平、发展趋势及存在问题，进而为旱地小麦品种选育提供理论指导。

1材料与方法

1.1试验材料

参加2014年山东省小麦旱地组区域试验的40个小麦品系（名称均为区试代号：2—11、22—31、42—51、62—71）及其对照品种鲁麦21、青岛农业大学选育的旱地小麦优良品种青麦6号、山东省农业科学院作物研究所选育的当前推广面积最大的小麦良种济麦22，合计43个小麦材料。

1.2引物

本研究所用的SSR引物是从绘制中国小麦品种指纹图谱所用引物中挑选出的42对核心SSR引物[8]，每条染色体各挑选2对引物，引物详细信息见表1。

1.3DNA提取、PCR扩增及基因型分析

DNA的提取参考简化的CTAB法[9]。PCR扩增体系与扩增程序参见文献[2]。扩增产物的基因型分析采用6%变性聚丙烯酰胺凝胶电泳[2]和银染检测技术[9]。

1.4遗传多样性和亲缘关系分析

利用Power Marker V3.25软件[10]对40个参试小麦品系进行遗传多样性分析，利用NTSYS-pc 2.1软件[11]进行43个小麦材料的亲缘关系及聚类分析。

2结果与分析

2.1SSR引物扩增情况

根据王立新等[8]提供的绘制中国小麦品种指纹图谱的105对核心引物，结合实验室现有引物进行筛选后，挑选出多态性高、稳定性好、均匀分布在小麦21条染色体上的42对引物，对43个材料进行了群体基因型分析（图1）。

42对SSR引物在43个小麦材料中共检测到115个等位变异，每对引物等位变异数的变幅为0～10，平均等位变异丰富度为2.74。42对SSR引物在40个区试品系中共检测到113个等位变异，每对引物等位变异数的变幅为0～9，平均等位变异丰富度为2.69（表1）。产生等位变异最多的是位于2D染色体上的引物Xgwm261，产生了9个等位变异；其次是位于5D染色体上的引物Xcfd8和7D染色体上的引物Xgwm44，各产生5个等位变异；位于3D染色体上的引物Xgdm72没有产生等位变异（表1）。

2.240个旱地区试小麦品系的遗传多样性分析

利用Power Marker V3.25软件[10]对40个区试品系进行分析得知，113个多态性位点的主基因频率介于0.50～0.98之间，平均值为0.80，其中小于平均值的位点有50个（44.25%）。基因多样性介于0.05～0.50之间，平均值为0.27，其中大于平均值的位点有57个（50.44%）。多态性信息含量介于0.05～0.38之间，平均值为0.22，其中大于平均值的位点有60个（53.10%）。

2.2.1A、B、D三个亚基因组的遗传多样性40个参试小麦品系A、B、D三个亚基因组中，平均等位变异丰富度依次增大。A组染色体产生了33个等位变异，平均等位变异丰富度为2.36；B组染色体产生了39个等位变异，平均等位变异丰富度为2.79；D组染色体产生了41个等位变异，平均等位变异丰富度为2.93（表1、图2）。而基因多样性在三个亚基因组中却表现为依次降低，分别为0.31、0.28和0.25（图2）。多态性信息含量在三个亚基因组中也表现为依次降低，分别为0.25、0.22和0.20（图2）。

2.2.2七个同源群的遗传多样性40个参试小麦品系在七个同源群的遗传多样性表现为：（1）平均等位变异丰富度变幅为2.17～3.50，大小顺序为7<3<1=4<6<5<2（表1、图3）；（2）基因多样性变幅为0.18～0.39，大小顺序为3<7<2<4<5<6<1（图3）；（3）多态性信息含量变幅为0.16～0.30，大小顺序为3<7<2<4<5<6<1（图3）。

2.343个小麦材料的亲缘关系及聚类分析

利用NTSYS-pc 2.1软件[11]计算40个参试品系和3个小麦品种的遗传相似系数。结果表明：（1）40个参试小麦品系间遗传相似系数最小值为0.18（品系5与品系71），最大值为0.77（品系46与品系62），小麦品系两两之间遗传相似系数的平均值为0.43。（2）鲁麦21与40个区试品系中品系5的遗传相似系数最小，为0.27；与品系62的遗传相似系数最大，为0.68；与40个品系遗传相似系数的平均值为0.45。（3）青麦6号与品系30的遗传相似系数最小，为0.33；与品系48的遗传相似系数最大，为0.59；平均值为0.46。（4）济麦22与品系10的遗传相似系数最小，为0.27；与品系62的遗传相似系数最大，为0.54；平均值为0.41。（5）鲁麦21与济麦22的遗传相似系数为0.46，青麦6号与济麦22的遗传相似系数为0.47，鲁麦21与青麦6号的遗传相似系数为0.60。

根据小麦材料两两间的遗传相似系数，对40个参试小麦品系和3个小麦品种进行了聚类分析。结果显示，该群体没有明显的亚群分类（图4）。但是，可以看出鲁麦21和青麦6号更趋于同一类群，且均与济麦22相距較远。

3讨论与结论

3.1 所选引物的适用性

赵檀等[7]利用231对多态性SSR引物，从170个河北省审定小麦品种（含1个对照品种）中共检测到831个等位变异，平均每对引物产生3.56个等位变异；刘丽华等[2]利用21对核心SSR引物，从430个参加国家冬小麦区域试验的品系中共检测到236个等位变异，平均每对引物产生的等位变异数高达11.24个。本研究中，42对SSR引物在40个区试品系中共检测到113个等位变异，平均每对引物产生2.69个等位变异。虽然本研究所用引物均选自绘制中国小麦品种指纹图谱的核心引物[8]，但是与前人研究相比，平均等位变异丰富度偏低。

究其原因，一方面可能是试验设计时过于注重引物在小麦染色体的均匀分布，导致所选部分引物本身多态性信息含量就不高（42对SSR引物PIC值的变幅为0.36～0.84）。另一方面，本研究的试验群体偏小，且均为2014年参加山东省旱地组区域试验的小麦品系，不能排除等位变异位点检出的偶然性，即多态性信息含量高的引物不一定能检测出更多的等位变异位点（如引物Xgdm72的PIC值为0.71，但是在本试验群体中却没检测到多态性位点；再如，当将40个参试品系与3个已审品种综合分析时，42对引物可检测到115个等位变异，平均每对引物产生的等位变异数提高到2.74）。因此，虽然本研究利用均匀分布于小麦21条染色体的42对SSR引物在一定程度上对40个旱地组参试品系做了较好的遗传多样性分析，但是为了提高分析的准确性与精确性，尤其针对较小群体，应尽可能选用均匀分布的更多标记进行全基因组的分析。

3.2旱地区试品系较低的遗传多样性

在遗传多样性评价体系中，平均等位变异丰富度、基因多样性、多态性信息含量都被普遍应用。本研究中，42对SSR引物对40个旱地区试小麦品系的遗传多样性分析表明，平均等位变异丰富度（2.69）、基因多样性（0.27）、多态性信息含量（0.22）均较低，说明供试群体的遗传多样性水平较低，这可能与试验材料均来源于同一年同一地区同一育种目标（2014年山东省小麦旱地组区域试验）密切相关。众所周知，丰富的遗传变异对于提高作物的环境适应性和遗传改良进度至关重要[7]，而作物遗传多样性的降低与品种选育过程中高强度的人工选择以及品种系谱中地方品种所占比例下降有关[12-14]。Rajaram[15]研究发现，通过人工杂交实现春性小麦基因库与冬性小麦基因库的相互渗透，可以拓宽小麦的遗传基础，育成品种的单产和适应性均得到了提高。因此，育种家们应尽量扩大亲本选择范围，尤其注意优良地方品种的选用，以提高育成品种的遗传多样性，从而更好地应对小麦生产中可能出现的不同生长环境。

在小麦三个亚基因组遗传多样性比较分析中，在平均等位变异丰富度上，AB>D。进一步对七个同源群进行遗传多样性分析发现，在平均等位变异丰富度上，7<3<1=4<6<5<2；而在基因多样性和多态性信息含量上，均是3<7<2<4<5<6<1。赵檀等[7]研究认为仅仅用平均等位变异丰富度或基因多样性、多态性信息含量作为遗传变异程度的评判标准都是不全面的；张学勇等[16]研究认为对于种质资源遗传多样性的评价，有必要对各指标进行权衡。因此，本研究初步认为，由40个旱地区试小麦品系组成的试验群体，其遗传多样性水平在三个亚基因组间或七个同源群间没有明显差异。但前人研究认为，B亚基因组分化较快，呈现的遗传多样性优于其它两个亚基因组[3， 17]。研究结果间有所差异，一方面可能是因为分子标记毕竟只是一段较小的DNA序列，不能完全代表作物的染色体组特征，当用数量不同的标记时，分析的结果可能不同[7]。如李远等[18]用86对多态性SSR引物与赵檀等[7]用231对多态性SSR引物对河北省小麦品种遗传多样性的分析结果间就存在明显差异。另一方面可能是由于本研究所用试验材料的特殊性，均为旱地小麦区试品系，而小麦抗旱性是由多基因控制的复杂数量性状。前人研究表明，小麦抗旱相关QTLs遍布于小麦整个基因组[19-23]。因此，育种家在开展旱地小麦育种工作时，小麦不同亚基因组或同源群的选择压力相差不大，最终表现为供试旱地小麦品系在不同亚基因组或同源群间的遗传多样性水平差异较小。

3.3品种（系）间亲缘关系的相关讨论

Plaschke等[3]对40个小麦材料的SSR分析显示，其遗传相似系数仅为0.31，说明这些材料间的遗传差异很大。而本研究中，40个小麦品系间遗传相似系数的平均值高达0.43，说明材料间的遗传差异较小，亲缘关系较近。这与前者的研究材料源自不同国家或地区，而本研究供试材料源自同一年同一地区密切相关。品系间较近的亲缘关系再次说明当前小麦育种亲本选择的局限性，而为了提高育成小麦品种的环境适应性，应注意从丰富的种质资源中挖掘重要基因，通过引进省外甚至国外优异种质资源，使其在山东省旱地小麦育种中发挥作用。

研究显示，山东省审定的旱地小麦优良品种鲁麦21和青麦6号间的遗传相似系数高达0.60，与水浇地优良品种济麦22的遗传相似系数分别为0.46、0.47。说明本研究可在一定程度上将旱地品种和水浇地品种区分开来。40个参试品系与鲁麦21、青麦6号的遗传相似系数分别为0.45、0.46，均明显高于与济麦22的遗传相似系数（0.41）。说明山东省旱地小麦育种与水浇地育种在亲本选择、育种中间材料的去留等方面应该存在明显差异，这在一定程度上为干旱、半干旱地区的小麦种植提供了品种保证，有利于小麦总产的稳步提升，进而有利于保障国家粮食安全。

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