基于质量和数量性状混合的高粱遗传多样性分析

加依娜·吾永巴衣 胡文明 阿迪里·托乎尼亚孜

摘要：为了解高粱种质资源的遗传多样性，以56份来自不同国家和地区的高粱种质为研究对象，分别对其叶脉色、穗型、穗形、芽鞘色、颖壳色、粒色、颖壳包被度7个质量性状和生育期、株高、穗长、穗粒质量、千粒质量5个数量性状进行鉴定，分析各性状的多样性指数，并利用质量性状和数量性状进行混合数据系统聚类。结果表明，2类性状均具有广泛的遗传变异，数量性状遗传多样性指数高于质量性状，其多样性指数的变异范围为1.639～2.012，而质量性状的多样性指数变异范围为0.879～1.498。系统聚类结果表明，在估计节点AU=95时，所有种质聚为28类，其中38份种质聚为10类，平均每类包含3.8份种质，其余18份种质分别单独归类;在AU=90时，所有种质聚为2类，分别包含13、43份种质。说明收集的56份种质具有丰富的遗传多样性，是进行性状改良和遗传研究理想的原始材料。

关键词：高粱;质量性状;数量性状;遗传多样性;估计节点;系统聚类

中图分类号： S514.032  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）02-0073-04

一般来说，作物的表型性状主要有质量和数量性状2种类型，前者受单基因或寡基因控制，其表达不易受环境的影响，作物的穗型、籽粒的颜色等属于质量性状;后者主要受微效多基因控制，其表达极易受环境的影响，作物的株高、穗长、粒质量、生物量等相关性状属于数量性状。作物质量性状和数量性状的改良均离不开优异种质资源的收集和利用。育种家在进行作物性状改良时，为了解种质资源的遗传背景及亲缘关系，须要考察种质资源的各类性状，分析其遗传多样性和材料间遗传差异的大小;同样，遗传研究者为提高基因挖掘的效率在发掘重要性状QTLs基因时，也要求群体的性状具有较大的遗传变异。遗传差异的大小可利用品种或群体的表型数据和分子标记数据[1-3]进行多样性和聚类分析加以衡量[4-6]，由于利用表型数据进行多样性分析具有简单、便捷等优点而在小麦[7-9]、玉米[10]、绿豆[11]、薏苡[12]、大豆[13]、小豆[14]、旱稻[15]、甜高粱[16]等作物上得以广泛应用。前人的研究大多利用数量性状进行分析，而对于聚类分析中，分类数目的确定尚无统一的标准，大部分研究均根据实践经验来指定分类数目，这往往导致对遗传多样性分析或分类识别的结果不够准确。高粱[Sorghum bicolor （L.） Moench]是继水稻之后的又一禾本科模式作物，它生物产量高，具抗旱、耐盐碱、耐贫瘠等特点，有“高能作物”和作物中的“骆驼”之称[17-18]，因此对高粱种质资源的研究和利用对于今后遗传改良工作的开展具有重要的研究和利用价值。有研究表明，基于“P值系统聚类”的方法利用“自举再抽样”能够无偏估计材料间聚为一类的概率，是一种有效的聚类方法[19-20]。本研究以前期收集到的56份高粱种质为研究对象，基于质量性状和数量性状混合的农艺性状，利用Shannon-Weaver遗传多样性指数对其进行多样性分析，采用R软件进行“P值聚类”和“自助再抽样”估计节点的近似无偏概率（approximate unbiased，AU）、自动再抽样概率（bootstrap probability，BP）概率，采用欧式距离（euclidean distance）和Ward法进行聚类，以期为今后开展有益等位基因的发掘和品种选育提供有价值的参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

56份国内外高粱种质均由国家种质资源库提供，其中有9份种质来自中国，代号分别为X1～X8、X12，其余47份种质原产于美国、印度、日本、墨西哥、埃塞俄比亚、捷克和马里共7个国家（表1）。

1.2 试验设计与性状调查

试验于2015—2016年在塔里木大学植物科学学院农学试验站进行。选择随机区组设计，2次重复，5月1日前后播种，行长5 m，行距0.6 m，株距0.2 m，1叶1心间苗，每穴留苗1株，未去除分蘖。于蜡熟期从小区中间行第3株后连续取样3株，参考《高粱种质资源描述规范和数据标准》[21]进行性状调查。调查的性状为2类：第1类是质量性状，包括叶脉色、穗型、穗形、芽鞘色、颖壳色、粒色、颖壳包被度7个性状;第2类是数量性状，包括生育期、株高、穗长、穗粒质量、千粒质量5个性状，数量性状取2年的平均值。

1.3 数据分析方法

利用Shannon-Weaver遗传多样性指数（Shannon-Weaver index of genetic diversity）来衡量性状遗传多样性大小，计算公式为：H′=-∑PilnPi，其中：Pi为性状第i级别内材料的占比。对于质量性状，分别统计各级别的Pi，计算Shannon-Weaver遗传多样性指数。

数量性状级别的划分标准：根据平均数（x）和标准差（s）将各性状分为10级，第1级为xi     高粱种质的各性状的变异大小、遗传多样性均利用R软件基础包进行分析，并对数量性状类间均值进行差异检验;利用R/pvclust[22]扩展包进行“P值聚类”，1 000次“自助再抽样”估计节点AU、BP，采用欧式距离和Ward法进行聚类。聚类个数的选择及类别内包含的种质材料由指定的AU值确定。

2 结果与分析

2.1 质量性状的频率分布和遗传多样性指数

由表2可见，56份高粱种质的质量性状具有较为广泛的遗传多样性，多样性指数的变化范围为0.879～1.498。其中粒色的遗传多样性指数最大，为1.498;其次为颖壳色，为 1.420;穗形的最小，为0.879。

由供试种质的质量性状频率分布可知，叶脉色、穗型、穗形、芽鞘色、颖壳色、粒色、颖壳包被度7个质量性状中，叶脉色、颖壳色、粒色的种类最多，均可分成6类，穗型、穗形、芽鞘色、颖壳包被度均可分成4类。叶脈色有白、白蜡、淡黄、黄白、蜡、绿蜡之分，其中白、蜡的种质分别有22、24份，占种质总数的39.29%、42.86%;白蜡、淡黄、绿蜡的种质均有3份，均占总数的5.36%;黄白的种质仅有1份，占总数的 1.79%。穗型以中紧为主，散和紧次之，中紧也有少量分布。穗形以纺锤居多，其次为伞形，圆筒和杯形最少。芽鞘色的频率分布比较分散，其中红色所占比例最多，白色、绿色和紫色也有不少分布。颖壳色以紫色居多，其次为黑色和红色，黄色、灰色和白色的种质较少。粒色以黄色最多，其次为白色和红色，白带斑点、褐色及其他颜色也有较少分布。颖壳包被度以1/2居多，其次是3/4和<1/4，也有少部分种质是全包。

2.2 数量性状的基本统计描述和遗传多样性指数

由表3数量性状的基本统计描述可以看出，供试种质数量性状的平均值、极值、标准差、极差、变异系数和多样性指数均存在较大的变异，变异系数范围为0.120～0.463，其值由大到小顺序为穗粒质量>穗长>株高>千粒质量>生育期。多样性指数的变化范围为1.639～2.012，其值由大到小顺序为生育期>株高>穗粒质量>千粒质量>穗长，说明供试材料的生育期和株高具有最大的遗传多样性，可作为高粱品种选育和遗传改良的主要参考指标。

2.3 聚类分析

对56份高粱种质进行聚类分析，结果表明大部分供试种质具有较远的遗传距离（图1），说明供试材料具有较为丰富的遗传多样性。按照无偏估计节点AU=95的概率（表4），其中有38份种质可聚为10类，占种质总数的 67.86%，大多分类中包含的种质数为2～5份，最多的一类中包含的种质数为12份。剩余18份种质未能归为以上任何一类，均可单独一类， 占种质总数的32.14%。以AU=90概率（表5），56份种质可聚成2类：Ⅰ类和Ⅱ类。第Ⅰ类包含13份高粱种质，占种质总数的23.21%;第Ⅱ类包括43份种质，占种质总数的76.79%。值得注意的是，供试材料包括的9份国内种质中有8份（X1～X7、X12）归到第Ⅱ类，1份杂交选育种质（X8）归到第Ⅰ类中。

2.4 AU=90类间数量性状均值差异检验

对AU=90时2类种质间的数量性状均值进行差异检验，结果表明，除株高差异不显著外，2类种质间的穗长、穗粒质量、千粒质量和生育期4个数量性状均存在极显著差异（表6）。Ⅰ类种质具有较短的穗长，较大的穗粒质量和千粒质量，较长的生育期，是选育晚熟、粮饲兼用高粱的宝贵资源;Ⅱ类种质具有较长的穗长，较小的穗粒质量和千粒质量，较短的生育期，是选育早熟抗倒伏品种的宝贵资源。

3 讨论与结论

种质资源的遗传多样性是进行品种改良和遗传研究的基础，通过遗传多样性分析可以从整体上把握种质的利用价值。同时，遗传多样性也是作物长期进化适应环境的结果：遗传多样性越高，作物对环境适应力越强。对生物遗传多样性的研究方法经历了形态水平、细胞水平、生化水平、分子水平等不同的阶段，但形态学遗传多样性研究因其直接、简便等特点仍然得到广泛应用[12]。本试验对收集的56份国内外高粱种质的形态学遗传多样性进行初步研究，结果表明，这些种质资源的质量性状和数量性状均具有较为广泛的遗传变异，质量性状的多样性指数的变化范围为0.879～1.498，大小顺序为粒色>颖壳色>芽鞘色>穗型>颖壳包被度>叶脉色>穗形。

数量性状的多样性指数的变化范围为1.639～2.012，大小顺序为生育期>株高>穗粒质量>千粒质量>穗长。显然，数量性状遗传多样性指数高于质量性状的多样性指数，说明本研究所掌握的高粱种质资源的遗传多样性较为丰富，其中生育期和株高是决定高粱利用价值的重要指标性状，具有较大的遗传多样性，是进行高粱品种改良和遗传研究的重要参考性状。

在聚类分析过程中确定分类数目始终是研究的难点和主要关切点。目前大部分的聚类研究对分类数的划分往往是随意的或根据经验指定，这往往不能精确反映种质资源真实的遗传多样性。本研究利用R软件的pvclust包，对种质资源进行P值系统聚类，根据“自举再抽样方法”计算种质间聚为一类的近似无偏概率AU，进而根据选定的AU水平确定类别数目，是进行种质资源遗传多样性和分类数目划分的有益尝试。对56份高粱种质进行聚类分析，结果表明，大部分种质具有较远的遗传距离。按照无偏估计节点AU=90概率，所有种质可聚成2类，分别有13、43份种质。对AU=90时2类种质间的数量性状均值进行差异检验，结果表明，除株高差异不显著外，2类种质间的穗长、穗粒质量、千粒质量和生育期4个数量性状均存在极显著差异，表明其pvclust聚类是有效的，其分类的数目是较为合理的。

致谢：感谢国家种质资源库为本研究提供种质材料，感谢国家自然科学基金委对本研究提供资助。

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