李秀詩 付瑜華 周祥 黎青 劉凡值 楊成龍 周明強
摘 ?要:本研究以收集的248份薏苡種質(zhì)資源為基礎(chǔ),按地理來源將標準化的14表型數(shù)據(jù)分組,采用最短距離逐步取樣法并按一定比例抽樣,共獲得8個候選核心子集,利用變異系數(shù)變化率、均值差異百分率、極差符合率、方差差異百分率、表型保留比例、表型頻率方差和Shannon-Wiener指數(shù)7個參數(shù)進行核心種質(zhì)代表性檢驗和評價。結(jié)果表明:薏苡初級核心種質(zhì)庫包含67份資源,保留了原始種質(zhì)27.02%的樣品(25%組內(nèi)取樣比例),其變異系數(shù)變化率、均值差異百分率、極差符合率、方差差異百分率、表型保留比例、表型頻率方差和Shannon-Wiener指數(shù)的檢驗指標分別為110.05%、0、93.03%、10%、96%、0.655和0.881;t測驗結(jié)果表明,核心種質(zhì)庫14個表型性狀均值與原始種質(zhì)無顯著性差異,僅有3個表型的某一性狀級別丟失,其余11個表型均保留了原始種質(zhì)的所有性狀級別(RPR=1.0),保留表型性狀級別比例為96.49%,且多數(shù)表型性狀的變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)均略高于原始種質(zhì)。其結(jié)果說明,獲得的核心種質(zhì)庫代表性好,遺傳多樣性豐富。該結(jié)果為后期薏苡種質(zhì)資源的收集、保護、創(chuàng)新利用奠定了重要基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:薏苡;種質(zhì)資源;表型性狀;核心種質(zhì)
中圖分類號:S513 ? ? ?文獻標識碼:A
Abstract: A total of 248 accessions of Coix lacryma-jobi L. were grouped by geographical source and least distance stepwise sampling based on 14 phenotypic data. Eight candidate core collections were obtained according to a certain sampling proportion. The candidate core collections were then evaluated by the variable rate of coefficient of variation, mean difference percentage, coincidence rate of range, variance difference percentage, ratio of phenotypic retained, variance of phenotypic frequency and Shannon-Wiener diversity index. The primary core collections of C. lacryma-jobi L. contained 67 accessions with 27.02% of the original germplasm resources retained (25% sampling ratio within the group). The variable rate of coefficient of variation, mean difference percentage, coincidence rate of range, variance difference percentage, ratio of phenotypic retained, variance of phenotypic frequency and Shannon-Wiener diversity index was 110.05%, 0, 93.03%, 10%, 96%, 0.655, 0.881, respectively. Results of t-test showed that no significant difference was found in the mean of 14 phenotypic data between the primary core collections and original collections, with only three phenotypic traits lost some trait levels, 11 phenotypic traits retained all trait levels of the original collection (RPR=1.0), and the proportion of retained phenotypic data levels was 96.49%. The variation coefficient (CV) and Shannon-Wiener diversity index (I) of most traits were slightly higher than those of the original collection. It indicated that the core collection was of more representative and richer genetic diversity. The results laid an important foundation for the collection, protection and innovation of C. lacryma-jobi L. germplasm resources.
Keywords: Coix lacryma-jobi L; germplasm resources; phenotypic characters; core collection
DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.04.006
薏苡(Coix lacryma-jobi L.)為禾本科玉蜀黍族薏苡屬1年生或多年生草本植物,在中國至少有6000年以上的栽培馴化歷史[1],是我國傳統(tǒng)的藥食兼用經(jīng)濟作物,具有較高的營養(yǎng)價值和藥用價值[2-4]。其被開發(fā)成薏苡仁油注射液、薏苡仁油軟膠囊、薏苡酒、薏苡仁餅干、唇膏、面膜等商業(yè)產(chǎn)品在市場上推廣應用[5-8]。目前,貴州是我國薏苡種植、加工和銷售的第1大省,已有近百年的栽培歷史[9-12]。但是由于多年來科研者們對薏苡種質(zhì)資源收集、保護、創(chuàng)新利用意識淺薄,導致生產(chǎn)上栽培品種單一,主要以興仁小白殼作為主栽品種[13-14],野生薏苡資源也銳減[15-16]。尤其是近年隨著我省經(jīng)濟的迅速發(fā)展和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,薏苡種植面積逐步擴大,栽培品種單一的問題日益凸顯,而種質(zhì)資源是作物優(yōu)良基因的載體,是作物遺傳改良、創(chuàng)新種質(zhì)的重要前提[17-18]。因此,基于現(xiàn)有薏苡種質(zhì)資源挖掘出一批具有潛在優(yōu)勢的薏苡新品種成為當前勢在必行的工作。
核心種質(zhì)是以最小的資源數(shù)量和遺傳重復最大程度地代表整個遺傳資源的多樣性,其建立既保證了遺傳多樣性,又減少了資源數(shù)量,也是種質(zhì)資源高效管理和有效利用的重要方法[19-20]。自Frankel等[21]首次提出核心種質(zhì)(core collection)的概念以來,國內(nèi)外有關(guān)核心種質(zhì)庫的研究逐步增多,尤其是基于某作物或某一地區(qū)收集的種質(zhì)資源構(gòu)建核心種質(zhì)庫成為研究的熱點。例如一些研究者基于表型或分子數(shù)據(jù)構(gòu)建了辣椒[22]、煙草[23]、小麥[24]、甜瓜[25]、廣西野生水稻[26]、山西普通菜豆[27]等多種農(nóng)作物的核心種質(zhì)庫,為遺傳育種中選擇特異基因型材料、保護種質(zhì)資源、種質(zhì)創(chuàng)新等奠定了重要基礎(chǔ)。目前,國內(nèi)外關(guān)于薏苡的研究報道局限于部分材料的遺傳多樣性、親緣關(guān)系、營養(yǎng)組成、藥用成分等方面的研究較多[28-30],關(guān)于薏苡種質(zhì)資源的收集、保存、鑒定的報道相對較少,而基于薏苡種質(zhì)資源構(gòu)建核心種質(zhì)庫的研究還鮮見報道。本研究以產(chǎn)地分組+逐步聚類法對本單位(貴州省農(nóng)業(yè)科學院亞熱帶作物研究所)在貴州、云南、四川、廣西、湖南、湖北、福建等地區(qū)收集保存的248份薏苡種質(zhì)資源的14個重要表型性狀進行鑒定和評價,旨在剔除重復種質(zhì),構(gòu)建薏苡初級核心種質(zhì)庫,保護現(xiàn)有薏苡種質(zhì)資源,擴大貴州薏苡育種的基因資源庫,為今后薏苡種質(zhì)的遺傳改良、創(chuàng)新利用奠定基礎(chǔ)。
1 ?材料與方法
1.1 ?材料
供試248份薏苡種質(zhì)是貴州省農(nóng)業(yè)科學院亞熱帶作物研究所自2012年以來在貴州、云南、廣西、江蘇、浙江、四川、湖南、湖北、福建等10個?。▍^(qū))收集獲得,供試材料地理來源和樣本量詳見表1。
1.2 ?方法
1.2.1 ?表型性狀鑒定 ?供試材料于2018年種植在貴州省亞熱帶作物研究所資源圃中,按采取地點+序號,每份材料種植5行,行長4 m,行距0.6 m,株距0.4 m,每穴1株。按照石明等[31]《薏苡種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》和《薏苡新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南》對薏苡表型變異較大的株高、莖粗、葉長、葉寬、總分蘗數(shù)、主莖分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、粒長、粒寬、百粒重等10個數(shù)量性狀和果殼顏色、總苞形狀、總苞光澤、總苞條紋等4個質(zhì)量性狀進行統(tǒng)計和賦值。
1.2.2 ?薏苡初級核心種質(zhì)構(gòu)建 ?聚類分析的表型性狀共14個。根據(jù)前人的研究結(jié)果[25],按平均值(X)和標準差(δ)將株高、莖粗、葉長、葉寬、總分蘗數(shù)、主莖分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、粒長、粒寬和百粒重10個數(shù)值性狀分為10級,1級≤X?2δ,10級>X+2δ,中間每級間相差0.5δ;果殼顏色、總苞形狀、總苞光澤和總苞脊4個描述性狀按表2賦值。參照李自超等[32]的方法,將供試材料按地理來源分組,來源地不詳?shù)姆N質(zhì)單獨劃為1組,組內(nèi)采用標準化的表型數(shù)據(jù)按5%~40%比例進行系統(tǒng)聚類(最短距離法)[33]抽樣,根據(jù)聚類圖從遺傳距離最短的2個遺傳材料中隨機取1個材料進入下一輪聚類,通過抽樣材料和原始材料的表型遺傳多樣性比較篩選確定薏苡初級核心種質(zhì)。
1.2.3 ?核心種質(zhì)取樣方法 ?各組種質(zhì)的取樣數(shù)量通過比例法確定,即:Si=Ai×a,其中,Si是第i組所要抽取的樣品數(shù),Ai是第i組的樣品總數(shù),a是總體取樣百分數(shù)。按照5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%的取樣比例分別提取種質(zhì),構(gòu)建候選核心樣本。取樣原則根據(jù)各組實際情況靈活掌握,種質(zhì)數(shù)量大的組按取樣比例確定種質(zhì),種質(zhì)規(guī)模小的組至少保留1份。借鑒Hu等[34]和張洪亮等[35]的研究經(jīng)驗,用變異系數(shù)變化率(variable rate of coefficient of variation, VR, %)、極差符合率(coincidence rate of range, CR, %)、方差差異百分率(variance difference percentage, VD, %)、均值差異百分率(phenotypic indexes of mean difference percentage, MD, %)、表型保留比例(ratio of phenotypic retained, RPR, %)、表型頻率方差(variance of phenotypic frequency, VPF)和多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener diversity index, I)等檢驗參數(shù)對候選核心樣本進行評價。
2 ?結(jié)果與分析
2.1 ?種質(zhì)資源表型性狀的統(tǒng)計分析
對供試種質(zhì)資源的4個描述性狀進行統(tǒng)計分析,結(jié)果表明,薏苡種質(zhì)資源中果殼顏色以黑褐色為主,占全部材料的34.68%,黃白色、灰色、棕色和深棕色分別占23.39%、6.05%、22.18%和13.70%;總苞形狀以卵圓形為主,占全部材料的66.53%,近圓柱形、橢圓形、近圓形和扁圓形分別占6.86%、4.03%、19.76%和2.82%;供試資源的總苞多數(shù)表現(xiàn)為有條紋和無光澤,占全部材料的66.53%,無條紋和有光澤種質(zhì)資源占全部材料的33.47%。另外,通過對薏苡種質(zhì)資源10個數(shù)值性狀的進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)(表3),供試薏苡種質(zhì)資源數(shù)值性狀變異豐富,變異系數(shù)(CV)大小順序為總分蘗數(shù)>百粒重>主莖分枝數(shù)>主莖節(jié)數(shù)>莖粗>葉長>株高>葉寬>總苞寬度>總苞長度,變異范圍最大的是株高,為93~330 cm,總苞寬度的變異范圍最小,為5.01~8.92 mm;Shannon- Wiener指數(shù)(I)最大的是葉長,為0.91,最小的是總分蘗數(shù),為0.65。
2.2 ?薏苡初級核心種質(zhì)構(gòu)建
根據(jù)前人研究經(jīng)驗及本研究實際情況,按40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%和5%的取樣比例篩選出薏苡初級核心種質(zhì)的最佳組合,通過對地理來源組進行表型逐步聚類分析,種質(zhì)數(shù)量較少的組,至少保留1份資源,最終獲得8個薏苡初級候選樣本,所含種質(zhì)數(shù)分別為103、90、79、67、55、42、30和19份(表4),其實際取樣比例為41.53%、36.29%、31.85%、27.02%、22.18%、16.94%、12.10%和7.66%。
為確定最終的核心種質(zhì),利用變異系數(shù)變化率(VR)、均值差異百分率(MD)、極差符合率(CR)、方差差異百分率(VD)、表型保留比例(RPR)、表型頻率方差(VPF)、Shannon-Wiener指數(shù)(I)等7個表型檢驗指標對8個候選核心樣本進行評價(表5)。結(jié)果表明,8個候選核心樣本的MD變化范圍為0%~20%,CR變化范圍為70.39%~95.30%,根據(jù)“核心種質(zhì)均值差異百分率小于20%,同時極差符合率大于80%可認為能夠代表原種質(zhì)遺傳多樣性”的經(jīng)驗標準,說明除5%取樣比例外(CR小于80%),其余候選核心樣本均保留原始種質(zhì)性狀的變異幅度;VR均超過100%,而且隨著取樣比例的減少呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,說明將原始群體中一些冗余的樣品排除后,獲得的核心樣本性狀變異量得到顯著提高,過分篩選會使核心樣本各性狀的變異量降低;RPR隨著取樣比例的減少而減少,以40%取樣比例的候選樣本最高(99%),5%取樣比例的候選樣本最低(68%),15%~40%取樣比例的候選樣本均超過90%,說明取樣比例越大,能較好的保留原始種質(zhì)各性狀的表現(xiàn)型;VD和VPF是評估群體的均度、表型的分布情況、材料的異質(zhì)性等,其值越小,表明所得核心種質(zhì)中各性狀的分布越均勻,遺傳冗余度越小[36],在8個候選核心樣本中,以25%取樣比例的VD和VPF表現(xiàn)值最低,分別為10%和0.655;Shannon-Wiener指數(shù)(I)在各候選核心樣本的變化較小,以25%取樣比例的核心樣本I最大(0.881),5%取樣比例的核心樣本I最小(0.75)。綜合分析7個檢驗指標發(fā)現(xiàn),25%取樣比例的候選核心樣本展現(xiàn)為多樣性水平高、變異豐富、表型頻率方差低、方差差異百分率低、種質(zhì)規(guī)模適宜、與原始種質(zhì)表型差異小等特點,在8個候選核心樣本中綜合表現(xiàn)最好。因此,以25%取樣比例(取樣量為67份種質(zhì))最適宜于構(gòu)建薏苡核心種質(zhì)。
2.3 ?薏苡初級核心種質(zhì)評價
為明確原始種質(zhì)和核心種質(zhì)的各性狀特征值之間的差異,分別統(tǒng)計了2個樣本14個性狀的最大值、最小值、均值、CV和I,以及核心種質(zhì)的RPR(表6)。從表中可以看出,獲得的薏苡核心種質(zhì)有8個表型性狀(主莖分枝、主莖節(jié)數(shù)、百粒重、總苞寬度、果殼顏色、總苞形狀、總苞光澤和總苞條紋)與原始種質(zhì)的最大值和最小值完全相同,其余6個表型性狀的最大值或最小值與原始種質(zhì)的差異較小,均值與原始種質(zhì)也基本一致(t檢驗差異不顯著),但核心種質(zhì)多數(shù)表型性狀的變異系數(shù)(CV)和Shannon-Wiener指數(shù)(I)略高于原始種質(zhì)(除總分蘗數(shù)、果殼顏色、總苞光澤和總苞條紋外),說明初選核心種質(zhì)的多樣性更豐富;在RPR檢驗指標上,核心種質(zhì)除莖粗(RPR=0.9)、總分蘗數(shù)(RPR=0.8)和主莖分枝(RPR=0.9)3個表型的某一性狀級別被丟失外,其余表型均保留了原始種質(zhì)的所有性狀級別(RPR=1.0)。以上分析說明,核心種質(zhì)與原始種質(zhì)的大部分性狀的基本特征值相等或差異較小,核心種質(zhì)保留了原始種質(zhì)絕大部分性狀級別(96.49%),具有很好的代表性。
3 ?討論
近年來,薏苡(薏仁米)作為藥食兩用的重要作物,深受國內(nèi)外廣大消費者的青睞,但由于目前薏苡種質(zhì)資源遺傳基礎(chǔ)狹窄,育種進程緩慢,導致生產(chǎn)上栽培品種比較單一,缺乏特色、優(yōu)質(zhì)的薏苡品種,因此加強薏苡資源的收集、整理、評價成為當前研究的重點工作。而核心種質(zhì)庫是以最少的遺傳資源份數(shù)代表該物種最大的遺傳多樣性,是種質(zhì)資源高效管理和利用的重要方法。目前,國內(nèi)外關(guān)于構(gòu)建核心種質(zhì)庫的方法已經(jīng)比較成熟,尤其利用表型數(shù)據(jù)構(gòu)建核心種質(zhì)庫是最常用的方法之一,且多數(shù)研究均采用先分組、后聚類、再取樣的策略,如顏小文[37]選用24個分類性狀指標對1002份芝麻種質(zhì)資源進行篩選評價,建立了含有203份芝麻品種的核心種質(zhì);胡建斌等[25]以國家甜瓜種質(zhì)資源庫中的1200份甜瓜種質(zhì)為材料,根據(jù)19個表型性狀遺傳變異,采用15%的取樣比例構(gòu)建了包含189份甜瓜的核心種質(zhì)庫;徐寧等[38]基于地理來源分組和利用表型數(shù)據(jù)對中國國家種質(zhì)庫的4877份小豆種質(zhì)資源進行鑒定評價,構(gòu)建了包含435份小豆資源的核心種質(zhì)。
核心種質(zhì)構(gòu)建中聚類方法和取樣比例選擇是關(guān)鍵,但不同作物的具體構(gòu)建方法或取樣比例也存在一定的差異。據(jù)報道,當前最小距離逐步取樣法被認為是豌豆[39]、苦瓜[40]、甘薯[41]等作物構(gòu)建核心種質(zhì)庫的最佳取樣策略,取樣比例大小由原始種質(zhì)樣本量、表型數(shù)據(jù)有效性(考察性狀數(shù)的多少)等決定[32, 42],范圍約為原始種質(zhì)的5%~ 40%[43-45]。本研究以248份薏苡資源的收集地理來源分組,利用最短距離法逐步取樣法對14個表型性狀進行聚類構(gòu)建核心種質(zhì)庫,與水稻[46]、玉米[47]等傳統(tǒng)作物相比,供試資源數(shù)量、調(diào)查性狀偏少,為此擴大了本研究組內(nèi)取樣比例(5%~ 40%),獲得8個候選核心樣本,最終建立包含67份資源的薏苡初級核心種質(zhì)庫,保留原始種質(zhì)27.02%的樣品(組內(nèi)抽樣比例為25%),表型保留比例為96%,很好的反映了原始薏苡資源的表型變異,既保證了表型數(shù)據(jù)的有效性,又減少了資源數(shù)量,為后期薏苡資源的研究和利用奠定了基礎(chǔ);而且核心種質(zhì)庫多數(shù)表型性狀的變異系數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)略高于原始種質(zhì),說明核心種質(zhì)庫包含的薏苡資源的多樣性更豐富、遺傳冗余度較小,與原始種質(zhì)基本一致,代表性好,這與劉子記等[40]、馬洪文等[48]的研究結(jié)果一致。
4 ?結(jié)論
基于248份薏苡種質(zhì)的地理來源進行分組,組內(nèi)表型數(shù)據(jù)按系統(tǒng)聚類(最短距離法)獲得固定抽樣比例的8個候選核心樣本,并利用VR、MD、CR、VD、RPR、VPF、I等7個表型檢驗指標進行評價,構(gòu)建薏苡初級核心種質(zhì)庫。獲得的薏苡初級核心種質(zhì)庫包含67份資源,保留了原始種質(zhì)27.02%的樣品(組內(nèi)25%抽樣比例),其VR、MD、CR、VD、RPR、VPF和I等檢驗指標分別為110.05%、0、93.03%、10%、96%、0.655和0.881,而且核心種質(zhì)庫14個表型性狀均值與原始種質(zhì)無顯著性差異,保留原始種質(zhì)表型性狀級別比例為96.49%,能夠較好的代表原始薏苡資源的多樣性,該結(jié)果為后期薏苡種質(zhì)資源的收集、保護、創(chuàng)新利用奠定了重要基礎(chǔ)。
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