ABSTRACT

In this study using SSR molecular marker technology we carried out the genetic relationship analysis and comparison between the early-maturing variety Hengzao 1 and other eleven early-maturing varieties including eleven late-maturing varieties and seven varieties in regional trial. Genetic relationship map was constructed for Hengzao 1 and other varieties. The results would lay a foundation to the new C4 model plant genotype for Hengzao 1 and make preparations for the functional gene identification. In this study we successfully constructed UPGMA dendrogram according to cluster analysis on thirty different foxtail millet varieties based on the similar coefficients. All the varieties were classified into three major groups and the similar coefficient was in the range of 0.86~0.92. Hengzao 1 had the closest genetic relationship with the regional trial cultivar Jigu 25 and Chengguhuang. Therefore, the elucidation of the genetic relationship between Hengzao 1 and other main cultivars would lay a foundation to the study of the genetic characteristic of Hengzao 1. Meanwhile, it also would give the preparation for the functional gene validation of foxtail millet as C4 model plant.

Keywords:Setaria italic, SSR, Genetic Diversity, Cluster Analysis

谷子早熟品种衡早一号遗传关系分析与 鉴定

陈楠，张泽宁，史慎奎，王春芳^*

河北民族师范学院，河北 承德

收稿日期：2018年4月30日；录用日期：2018年5月11日；发布日期：2018年5月22日

摘 要

本研究主要利用SSR分子标记技术，将谷子早熟品种衡早一号及其他11种早熟品种、11种晚熟品种和7种区试品种的遗传关系进行分析，构建衡早一号与其他品种的遗传关系图谱，为其作为新的C4模式植物候选基因型研究奠定基础，同时也为功能基因验证做准备。本研究通过对30份不同谷子样品进行聚类分析，成功构建UPGMA聚类图。对30份不同谷子品种的遗传分析发现，其相似性系数在0.86~0.92之间，分为3个大类。衡早一号与区试主栽品种尤其是冀谷25和承谷黄的遗传关系最紧密。因此，对衡早一号与其他品种遗传关系的鉴定，为进一步研究衡早一号的遗传特性奠定基础。同时也为谷子作为C4模式植物选择合适的基因型进行功能基因验证做准备。

关键词 :谷子，SSR，遗传多样性，聚类分析

Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

谷子(Setaria italica (L.) Beaur V.)起源于我国 [1] ，其栽培史距今至少7300年。在禾谷类作物中，谷子富含大量的维生素A和E，营养价值丰富 [2] [3] 。谷子被广泛种植于我国北方地区，主要分布在干旱、半干旱的丘陵山区，年种植面积高达25,000万亩左右，是我国重要的出口粮食作物。此外，由于谷子具粮草兼用、耐干旱、水分利用率高等特点 [4] [5] ，被认为是环境友好型作物，同时也是应对未来世界人类将面临的日愈严重的水资源贫瘠和粮食储备不足等状况的优选贮备作物。因此，应该更加重视有关谷子的基础科研发展，让谷子在绿色可持续生态农业建设中发挥重要作用。

模式生物的研究和利用在生命科学领域中起着至关重要的作用，而选择模式植物理想的基因型对其基础研究是至关重要的。河北省农林科学院旱作农业研究所在对夏谷新品种衡谷9号行系的研究过程中发现了衡早一号植株。衡早一号是二倍体作物，疑似衡谷9号的突变体，经多代自交选育成为新品种。早熟品种衡早一号所具有的植株矮小(大约50 cm左右)、生育期短(一般57天左右)、一年可多代种植、自花授粉等特点都有助于为其作为C4模式植物理想基因型的研究。

作为重要的DNA标记技术之一的SSR技术已广泛用于植物遗传多样性、遗传图谱构建以及功能基因定位等研究。本研究利用SSR标记 [6] [7] [8] [9] [10] 对30份不同谷子样品进行遗传关系研究，SSR (Simple Sequence Repeats)标记法能科学有效的鉴定谷子间的亲缘关系，其特点有数量充足、多态性高、可靠性强以及操作简单等 [11] 。

2. 实验材料与方法

2.1. 植物材料

本研究选择30份不同谷子品种，均由河北省农林科学院谷子研究所提供的，其中除谷子早熟品种衡早一号外，还有另外11个早熟品种、11个晚熟品种以及7个区试品种，对这30份不同谷子品种进行遗传多样性分析。

2.2. 实验方法

用CTAB法提取基因组DNA，之后将DNA稀释到100 ng/μl于0.5 μl离心管中。

采用20 μl的PCR反应体系，95℃预变性5 min，95℃变性1 min，退火1 min，72℃延伸1 min，72℃彻底延伸5 min，变性、退火、延伸设置30个循环的PCR程序，根据对应引物设置退火温度。

2.3. 谷子SSR引物来源

本研究所用引物来源如下：种质资源系玉米课题组贾小平博士所开发的谷子SSR引物，本实验室李琳博士根据印度Prasad所开发的引物以及汪浩博士根据美国基因组测序结果设计的引物等。

用6%聚丙烯酰胺凝胶电泳进行基因型检测，数据记录方法是：将扩增出来的条带聚集区用长尺子做平行线，在同一平行线上，长度一样的标记为相同的字母，不一样的基因型标记为不同的字母，从A到Z。如SSR标记引物p61对30份不同谷子材料的扩增结果(见图1)。

2.4. 数据统计与分析方法

2.4.1. SSR条带统计

用Excel的形式，将清晰的条带转换成数字形式，形成“01”矩阵(要求：无带记为“0”，有带记为“1”) [12] 。

2.4.2. 聚类分析

通过NTSYS (Version 2.10e)软件对本研究基因型数据进行分析 [13] ，从而获得30份谷子样品即早熟品种衡早一号、11种早熟品种、11种晚熟品种以及7种区试品种间遗传关系的聚类图。

2.4.3. 遗传多样性分析

本研究通过POPGENE V1.32 (Yeh F，1997)软件来分析数据 [14] ，从而获得有效等位变异数Ne、香农-韦弗(Shannon-Weaver)指数I、观测核苷酸杂合度(Ho)、期望核苷酸杂合度(He)、Nei’s多样性指数以及等位变异数Na。

3. 结果与分析

3.1. 遗传多样性分析

本研究30份不同谷子样品之中，通过不同的SSR引物的基因型检测发现等位变异位点(Na)范围在8~21个之间，平均每对引物扩增出12.1500个，在本研究所有引物之中引物b159、b185和b247位点检测到等位变异都是8个，是最少的；而引物p80位点检测到等位变异是21个，是最多的。有效等位基因数(Ne)的范围是5.4217~16.6667，其中引物b142最少，为5.4217个；引物b165最多，为16.6667个，平均有效等位基因数是9.3761个。Shannon-Weaver多样性指数分布在1.8297~2.9391之间，平均为2.3172。观测杂合度(Ho)范围是0.0441~0.1706，平均为0.0994。期望杂合度(He)变幅在0.8294~0.9559之间。Nei’s多样性指数为0.8156~0.9400。其中，引物p80的6种指数都是最高的，即引物p80显示的多态性信息最丰富(见表1)。

3.2. 聚类分析

通过对基因型数据进行整理，记为了由“0”和“1”组成的原始矩阵，再由NTSYS (Version 2.10e)软件对30份不同谷子样品进行聚类分析(见图2)。30份不同谷子样品的相似性系数在0.86~0.92之间，从遗传距离0.852处可分为3大类。

图1. 引物P61对30份不同谷子样品扩增的结果

表1. 30份不同谷子样品遗传多样性分析结果

第I大类群共包含7个谷子品种，全部为早熟品种，分别是龙爪粘、肯尼亚、粱谷、蜡烛台、耧里莠、石炮谷、红十里香。其中红十里香和龙爪粘的亲缘关系较近，蜡烛台和肯尼亚的亲缘关系较近。

第II大类群较多，共包括16个谷子品种。除了新疆红谷、龙爪谷、绳子头、大青苗这4种早熟品种和承谷红这1种DUS品种以外 [16] ，剩下是包含安錗子、延安大粒、小红谷、花里齐头白、洛阳白银料红白等在内的所有11个品种为晚熟品种。其中该类群在相似性系数为0.856处又可以分为两个亚群。

图2. 30份不同谷子样品聚类图

第1个亚群包括新疆红谷、龙爪子、绳子头、安錗子和延安大粒。其中新疆红谷和延安大粒的遗传相似性指数都很小。第2个亚群包含大青苗、承谷红以及朝鲜满叶黄在内的11个品种，其中大青苗和承谷红、朝鲜满叶黄和晋D1-1、小红谷和花里齐头白分别聚成一类。该亚群中遗传相似性指数最小的是晚熟品种洛阳白银料红白，为0.87，说明它与其他样品亲缘关系较小，可作杂交亲本，利于选择杂种后代 [17] 。

第III类群共包含7个谷子品种，分别是早熟品种衡早一号和6个DUS测试品种，分别为冀谷25、承谷黄、豫谷1号、龙谷35、豫谷18以及冀谷31。在该类群中豫谷1号和龙谷35聚为一类、承谷黄和冀谷25聚为一类、豫谷18和冀谷31聚为一类。其中衡早一号的遗传相似性指数为0.879，与DUS测试品种承谷黄和冀谷25的亲缘关系较接近。

4. 讨论

本研究通过对30份不同谷子品种进行聚类分析，构建了遗传关系图谱。结果分成3类，其中7个早熟品种聚为第I大类，所有的晚熟品种和4种早熟品种以及1种区试品种聚为第II大类，早熟品种衡早一号和6种区试品种聚为第III大类。在第III大类中，早熟品种衡早一号与区试品种冀谷25和承谷黄的遗传关系最为接近。因此，总体来看，早熟品种衡早一号与其他11种早熟品种和11种晚熟品种的遗传多样性差异较大，与主栽品种尤其是冀谷25和承谷黄的遗传关系最紧密，因此对于衡早一号与其他品种关系的鉴定，为进一步研究衡早一号的遗传特性奠定基础，同时也为谷子作为C4模式植物选择合适的基因型进行功能基因验证做准备。

随着功能基因组学的发展，模式生物的研究工作也不可忽视 [18] [19] 。谷子衡早一号虽然是新品种，但却符合谷子作为C4模式植物理想基因型的要求。目前，在国内仅有张丽等对衡早一号有过研究 [20] 。因此，要想使谷子新品种衡早一号作为C4模式植物最佳基因型更早被利用，今后必须在现有的研究基础之上，更全面掌握衡早一号的其他生物学特性。

基金项目

2016年度河北省自然科学基金资助项目(C2016101019)；2014年度河北民族师范学院校级课题(201408)；2017年度承德市科技局科研项目(201706A083)；2016年度河北民族师范学院青年基金项目(QN201601)。

文章引用

陈 楠,张泽宁,史慎奎,王春芳. 谷子早熟品种衡早一号遗传关系分析与鉴定
Genetic Analysis and Identification of the Early-Maturing Variety Hengzao 1[J]. 农业科学, 2018, 08(05): 475-480. https://doi.org/10.12677/HJAS.2018.85073

参考文献