中国农业科学 2009,42(6):1901-1910 Scientia Agricultura Sinica doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2009.06.004 中国大豆育成品种群体遗传结构分化和亚群特异性分析 张军 1,2, 赵团结 1, 盖钧镒 1 ( 1 南京农业大学大豆研究所 / 国家大豆改良中心 / 作物遗传与种质创新国家重点实验室, 南京 210095; 2 滨州职业学院, 山东滨州 256603) 摘要 : 目的 研究中国大豆育成品种总群体的遗传结构分化及其地理生态亚群和育成时期亚群的遗传多样性 特异性及其相互关系, 为中国大豆育种主干亲本遴选提供遗传背景依据 方法 从 1923-2005 年育成的 1 300 个品种中抽选 378 份中国大豆育成品种组成代表性样本, 选用大豆核基因组 64 个 SSR 标记, 采用 Structure Version 2.2 软件, 进行群体遗传结构分析 亚群体分化分析和遗传多样性与遗传特异性分析 结果 中国大豆育成品种群体由 7 类血缘组成, 遗传上明显分化为不同的地理生态亚群和育成时期亚群, 各有其不同的血缘构成特点 ; 各地理生态亚群具有其特有 特缺和互补等位变异, 体现了其遗传来源的相对生态特异性 ; 随着品种育成时期的推进, 不同时期有不同血缘的种质加入, 各育成时期亚群具有其特有 特缺和互补等位变异, 体现了育种发展的特点 中国大豆育成品种群体与中国地方品种群体 中国野生大豆群体相比, 其遗传基础因源于有限祖先亲本数的瓶颈效应而相对狭窄 ; 分省亚群中黑龙江 江苏亚群的等位变异数可以向其他亚群提供的补充等位变异数均依次最多, 其亲本来源较宽 遗传基础较广 分时期亚群平均等位变异数随着时期的推移各亚群等位变异数增加, 遗传多样性程度增高, 近期育成品种的遗传基础宽于历史上前期育成的品种 结论 研究结果证明中国大豆育成品种群体存在遗传结构上的地理生态分化和育成时期分化, 因而各亚群具有相对遗传特异性, 体现在血缘构成和特有 特缺及互补等位变异上, 这构成了未来大豆育种中亚群间种质或基因交流的遗传基础 关键词 : 大豆育成品种群体 ; 群体分化 ; 遗传结构 ; 遗传多样性 ; 遗传特异性 Analysis of Genetic Structure Differentiation of Released Soybean Cultivar Population and Specificity of Subpopulations in China ZHANG Jun 1,2, ZHAO Tuan-jie 1, GAI Jun-yi 1 ( 1 Soybean Research Institute of Nanjing Agricultural University/National Center for Soybean Improvement/ National Key Laboratory for Crop Genetics and Germplasm Enhancement, Nanjing 210095; 2 Binzhou Vocational College, Binzhou 256603, Shandong) Abstract: Objective The objective of the present study was to explore the differentiation of genetic structure of the general population of released soybean cultivars in China and the genetic diversity, genetic specificity and genetic relationship of the geo-ecological subpopulations and released period subpopulations for serving the genetic improvement of soybeans in China with relevant genetic background information in selecting key parental materials from the population. Method A total of 64 simple sequence repeat (SSR) markers scattered on the whole genome were used to analyze the differentiation of genetic structure of the population with a sample of 378 out of total 1 300 soybean cultivars released during 1923-2005 in China under the software Structure Version 2.2, to analyze the genetic differentiation of the population into geo-ecological subpopulations and released period subpopulations and to analyze the genetic diversity, specificity and relationship of the subpopulations. Result The Chinese soybean released cultivar population was composed of seven groups of germplasm and obviously differentiated into geo-ecological subpopulations and released period subpopulations with different composition of germplasm groups. Each geo-ecological subpopulation held its own specifically existent, deficient and complementary alleles, which reflected ecological specificity of its 收稿日期 :2008-09-02; 接受日期 :2008-11-12 基金项目 : 国家重点基础研究发展规划项目 (2006CB101708,2009CB118404), 国家 863 项目 (2006AA100104) 国家自然科学基金资助项目 (30490250, 30671266) 国家科技支撑计划项目 (2006BAD13B05-7) 高等学校创新引智计划 (B08025) 作者简介 : 张军 (1967-), 男, 黑龙江巴彦人, 博士研究生, 研究方向为作物遗传育种 E-mail:sd_b@sina.com 通信作者盖钧镒 (1936-), Tel:025-84395405;E-mail:sri@njau.edu.cn
1902 中国农业科学 42 卷 genetic source. Along with the advance of released period, new germplasm was introduced into the subpopulations, which made specifically existent, deficient and complementary alleles added to the subpopulations and, therefore, made the new subpopulations with their new specificity. In comparison with the Chinese wild soybean population and landrace population, the Chinese released cultivar population has relatively narrow genetic background due to the bottle-neck effect of a limited number of ancestors. Among the province subpopulations, the number of total alleles and that of complementary alleles in Heilongjiang and Jiangsu subpopulations were the first and second largest due to a relatively wide source of ancestors and broad genetic background. The number of total alleles in the 1923-1970 subpopulation was the least; it increased along with the advance of released period and that in the 2001-2004 subpopulation was the largest even only a short period involved, indicating its relatively high genetic diversity and broad genetic background. Conclusion The present results demonstrated that geo-ecological differentiation and released period differentiation existed in Chinese released soybean cultivar population, which caused the subpopulations having their own genetic specificities characterized by their germplasm composition and specifically existent, deficient and complementary alleles. All the subpopulation specificities have laid the genetic bases of germplasm or gene exchange among the subpopulations in future soybean breeding. Key words: released soybean cultivar population; population differentiation; genetic structure; genetic diversity; genetic specificity 0 引言 研究意义 1923-2005 年中国共育成大豆品种 1 300 个, 这是中国大豆育种最重要 最核心的种质资源, 也是未来育种主干亲本的源泉 自 20 世纪 20 年代起, 全国各地 各时期育成的大豆品种可看作为一个 ( 总 ) 群体, 各地理生态区育成的大豆品种可看作为地理生态亚群体, 各育种时期育成的大豆品种可看作为育成时期亚群体 研究总群体和各亚群体的遗传结构, 揭示其遗传多样性 特异性和相互间的遗传关系, 能更深刻地掌握中国大豆育成品种的遗传特点, 将可为各地大豆育种主干亲本的选配提供遗传背景信息, 并为拓宽中国大豆品种的遗传基础提供依据 前人研究进展 以往研究大豆育成品种遗传关系主要通过表型分析和系谱追溯进行的 利用表型性状研究遗传变异易受环境影响, 且可供研究性状的数量非常有限 分析品种间系谱关系前提是品种的系谱要明确, 而表示系谱中品种间遗传关系的亲本系数是平均值, 受分离和选择的影响而常有所偏离 近年来, 利用分子标记技术研究种质资源越来越受到重视 [1-3] 其中,SSR 标记以其具有操作简单 结果稳定 多态性高等特点, 已被广泛应用于大豆遗传结构研究 [4-9] [4] Xie 等选用 158 份中国夏大豆资源, 通过 67 个 SSR 标记分析其遗传变异, 认为黄淮和南方夏大豆种质在特有等位变异 等位变异频率和遗传相似性方面存在不同 ; 通过 UPGMA 聚类分析将黄淮和南方夏大豆种质明显分开 ; 研究结果显示应加强黄淮和南方夏大豆种质间基因交流以拓宽各 [10] 自的遗传基础 文自翔利用 60 个 SSR 标记分析中国野生大豆 地方品种 2 个代表性样本的遗传多样性 群体分化和演化, 野生大豆在遗传丰富度 Simpson 指数都明显高于地方品种, 表明栽培大豆在经历驯化过程后遗传多样性有所下降 本研究切入点 大豆育成品种是继承并综合祖先亲本优异遗传物质的载体, 现时和近期所使用育成的品种虽仅是大豆遗传资源的一个小部分, 但却是生产上最主要的遗传资源, 是现实生产直接利用的遗传资源 对这部分种质的研究与对广泛的遗传资源的研究是不同的 在世界范围内解析大豆生产上利用的核心资源的遗传结构 特异性及其遗传关系对拓宽新品种的遗传基础, 改良现实应用的品种有着直接的指导意义, 而这类研究并不多见 本研究先从解析中国具有生产实用价值的育成品种群体入手, 按地理生态因子和年代生态因子分群, 研究其遗传特异性和互补性 拟解决的关键问题 中国大豆育成品种群体是全国各地在各时期经人工选育所获品种的总称, 其遗传构成受各地 各时期社会经济需求的影响, 它不是自然衍生的群体, 研究的重点在于解析总群体的遗传构成, 各地理生态亚群 各育成时期亚群遗传构成的特异性及其相互关系, 目的在于应用所获的结果去探究这批重点资源在各地利用的潜在可能性 因而本研究利用 SSR 标记在分析总群体和亚群体遗传结构的基础上, 着重从亚群遗传丰富度, 亚群特有 特缺等位变异和亚群间互补等位变异的结果去解析亚群的特异性和互利关系, 为有效利用中国大豆育种最重要的遗传资源提供信息
6 期张军等 : 中国大豆育成品种群体遗传结构分化和亚群特异性分析 1903 1 材料与方法 1.1 材料供试 378 份中国大豆育成品种, 按生态区来源划分为中国东北 中国黄淮 中国南方亚群, 各有 188 124 和 66 份, 其比例大体与育成品种数相当 ; 又依据大豆品种育成的时间先后顺序, 结合育成品种数量划分为祖先亲本 1923-1970 年 1971-1980 年 1981-1990 年 1991-2000 年和 2001-2004 年分时期亚群, 它们的材料数分别为 34 35 37 46 104 和 122 份 ( 表 1) 表 1 供试的 378 份中国大豆育成品种 Table 1 The tested 378 soybean cultivars released in China 时期 Period 材料 Materials 祖先种 Ancestor (34) 1923-1970 (35) 1971-1980 (37) 1981-1990 (46) 1991-2000 (104) 2001-2004 (122) 大白眉, 白眉, 蓑衣领, 小粒黄, 逊克当地种, 珲春豆, 铁荚四粒黄, 一窝蜂, 小金黄, 雄岳小黄豆, 铁荚子, 科系 8 号, 沁阳水白豆, 滨海大白花, 海白花, 沛县大白角, 铜山天鹅蛋, 泗豆 2 号, 邳县软条枝, 即墨油豆, 历城小粒青, 古田豆, 大方六月早, 猫儿灰, 猴子毛, 黄毛豆, 泰兴黑豆, 浦东大黄豆, 奉贤穗稻黄, 上海六月白, 成都田坎豆, 自贡青皮豆, 上虞坎山白, 五月拔 Dabaimei, Baimei, Suoyiling, Xiaolihuang, Xunkedangdizhong, Hunchundou, Tiejiasilihuang, Yiwofeng, Xiaojinhuang, Xiongyuexiaohuangdou, Tiejiazi, Kexi 8, Qinyangshuibaidou, Binhaidabaihua, Haibaihua, Peixiandabaijiao, Tongshantianedan, Sidou 2, Pixianruantiaozhi, Jimoyoudou, Lichengxiaoliqing, Gutiandou, Dafangliuyuezao, Maoerhui, Houzimao, Huangmaodou, Taixingheidou, Pudongdahuangdou, Fengxiansuidaohuang, Shanghailiuyuebai, Chengdutiankandou, Zigongqingpidou, Shangyukanshanbai, Wuyueba 黄宝珠, 满仓金, 元宝金, 小金黄 1 号, 集体 1, 2, 3, 4, 5 号 ; 丰收 1, 2, 6, 10 号 ; 荆山扑, 东农 4 号, 吉林 5 号, 群选 1 号, 黑河 3 号, 铁丰 3 号, 丰收 11, 12; 丹豆 1 号, 宿县 647, 新黄豆, 齐黄 1, 5, 10 号 ; 莒选 23, 58-161, 齐黄 13, 丰收黄, 为民 1 号, 金大 332, 南农 493-1, 苏豆 1 号 Huangbaozhu, Mancangjin, Yunbaojin, Xiaojinhuang 1, Jiti 1, 2, 3, 4, 5; Fengshou 1, 2, 6, 10; Jinshanpu, Dongnong 4, Jinlin 5, Qunxuan 1, Heihe 3, Tiefeng 3, Fengshou 11, 12; Dandou 1, Suxian 647, Xinhuangdou, Qihuang 1, 5, 10; Juxuan 23, 58-161, Qihuang 13, Fengshouhuang, Weimin 1, Jinda 332, Nannong 493-1, Sudou 1 黑农 10 号, 黑农 11, 26; 北呼豆, 九农 6, 7, 9 号 ; 绥农 3 号, 丹豆 2 号, 合丰 22, 钢 201, 吉林 13, 凤交 66-12, 通农 5 号, 嫩丰 9 号, 文丰 5, 6, 7 号, 晋豆 1, 4 号 ; 蒙庆 6 号, 徐豆 1, 2, 3 号 ; 郑州 135, 临豆 3 号, 跃进 5 号, 阜豆 1 号, 周 7327-118, 商丘 7608, 鲁豆 1 号, 齐黄 22, 南农 1138-2, 湘豆 3 号, 湘秋豆 1 号, 矮脚青, 矮脚早 Heinong 10, Heinong 11, 26; Beihudou, Jiunong 6, 7, 9; Suinong 3, Dandou 2, Hefeng 22, Gang 201, Jilin 13, Fengjiao 66-12, Tongnong 5, Nenfeng 9, Wenfeng 5, 6, 7, Jindou 1, 4; Mengqing 6, Xudou 1, 2, 3; Zhengzhou 135, Lindou 3, Yuejin 5, Fudou 1, Zhou 7327-118, Shangqiu 7608, Ludou 1, Qihuang 22, Nannong 1138-2, Xiangdou 3, Xiangqiudou 1, Aijiaoqing, Aijiaozao 绥农 4 号, 黑河 4 号, 北丰 3, 4 号 ; 长农 4 号, 黑农 28, 建丰 1 号, 九农 17, 鲁豆 2,4 号 ; 皖豆 1, 6, 9 号 ; 诱变 30,31; 早熟 6 号, 徐豆 135, 淮豆 1 号, 冀豆 5 号, 豫豆 2, 3, 8 号 ; 灌豆 1 号, 徐豆 7 号, 中豆 19, 泗豆 11, 烟豆 4 号, 科丰 6 号, 菏 84-5, 中黄 4 号, 苏协 19-15, 4-1, 18-6; 苏协 1 号, 苏 7209, 皖豆 3 号, 7106, 宁镇 1, 2 号 ; 湘春豆 10 号, 淮豆 2 号, 宁青豆 1 号, 浙春 1 号, 南农 73-935, 87C-38; 贡豆 2 号 Suinong 4, Heihe 4, Beifeng 3,4; Changnong 4, Heinong 28, Jianfeng 1, Jiunong 17, Ludou 2,4; Wandou 1,6,9; Youbian 30,31;Zaoshu 6, Xudou 135, Huaidou 1,Jidou 5,Yudou 2,3,8;Guandou 1,Xudou 7,Zhongdou 19, Sidou 11, Yandou 4, Kefeng 6, He 84-5, Zhonghuang 4, Suxie 19-15,4-1,18-6; Suxie 1, Su 7209,Wandou 3, 7106, Ningzhen 1,2;Xiangchundou 10, Huaidou 2, Ningqingdou 1, Zhechun 1, Nannong 73-935, 87C-38; Gongdou 2 黑农 37, 38, 40, 41; 吉林 29, 30, 32, 33, 34, 36; 合丰 34, 35, 38, 39, 40; 黑河 11, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23; 绥农 10, 11, 12, 15, 16; 丹豆 7 号, 红丰 9 号, 抗线虫 2, 3 号 ; 辽豆 11, 长农 8, 9 号 ; 垦丰 3, 4, 5, 6 号 ; 铁丰 29, 30; 蒙豆 5, 6 号 ; 兴豆 4 号, 北丰 15, 垦农 16, 白农 8, 9 号, 吉农 7, 8 号 ; 九农 22, 23; 新大豆 1 号, 长农 11, 早熟 18, 豫豆 12, 16, 19, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29; 中黄 7 号, 鲁豆 10 号, 皖豆 13, 16, 19, 20, 21; 诱处 4 号, 冀豆 12, 淮豆 3, 4, 5 号 ; 徐豆 8, 9 号 ; 山宁 8 号, 鲁豆 12, 中豆 26, 科丰 36, 跃进 10 号, 晋豆 23, 沧豆 4 号, 贡豆 4, 5, 6 号 ; 黔豆 2, 3, 6 号 ; 中豆 8 号, 川豆 2 号, 中豆 20, 南农 86-4, 88-48, 128, 88-31; 浙春 3 号, 苏豆 3 号, 赣豆 4 号 Heinong 37, 38, 40, 41; Jilin 29, 30, 32, 33, 34, 36; Hefeng 34, 35, 38, 39, 40; Heihe 11, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23; Suinong 10, 11, 12, 15, 16; Dandou 7, Hongfeng 9, Kangxianchong 2, 3; Liaodou 11, Changnong 8, 9; Kenfeng 3, 4, 5, 6; Tiefeng 29, 30; Mengdou 5, 6; Xingdou 4, Beifeng 15, Kennong 16, Bainong 8, 9, Jinong 7, 8; Jiunong 22, 23; Xindadou 1, Changnong 11, Zaoshu 18, Yudou 12, 16, 19, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29; Zhonghuang 7, Ludou 10, Wandou 13, 16, 19, 20, 21; Youchu 4, Jidou 12, Huaidou 3, 4, 5; Xudou 8, 9; Shanning 8, Ludou 12, Zhongdou 26, Kefeng 36, Yuejin 10, Jindou 23, Cangdou 4, Gongdou 4, 5, 6; Qiandou 2, 3, 6; Zhongdou 8, Chuandou 2, Zhongdou 20, Nannong 86-4, 88-48, 128, 88-31; Zhechun 3, Sudou 3, Gandou 4 合丰 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47; 黑河 24, 27, 28, 29, 32, 33; 垦丰 7, 8, 9, 10, 11, 12; 嫩丰 16, 绥农 17, 18, 19, 20, 21; 垦农 17, 吉农 9, 10 号 ; 集 1005, 九农 24, 25, 26, 27, 28, 29; 通农 13, 辽首 1 号, 铁丰 31, 32, 33; 石大豆 1, 2 号 ; 北丰 16, 17; 黑农 42, 43, 44, 45, 46; 长农 15, 16, 17; 吉农 11, 12, 13, 14, 15; 丹豆 10 号, 辽豆 14, 15, 16, 17; 蒙豆 11, 12, 13, 14, 15; 蒙豆 7, 9 号 ; 抗线虫 4 号, 垦鉴豆 25, 26, 27; 丹豆 12, 岫豆 94-11, 新大豆 2 号, 长农 10 号, 兴抗线 1 号, 科新 4, 6, 8 号 ; 中黄 13, 14, 15, 19, 24, 25; 科丰 15, 37, 53; 濮海 10 号, 郑 90007, 92116; 淮豆 6 号, 徐豆 10 号, 地神 21, 22; 滑豆 20, 商丘 1099, 东辛 2 号, 徐豆 11, 12; 齐茶豆 2 号, 皖豆 24, 郑交 107, 9525; 周豆 11, 12; 鲁宁 1 号, 中豆 31, 鄂豆 7 号, 贡豆 11, 12; 南农 242, 99-10, 99-6; 通豆 3 号, 川豆 6 号, 合豆 2, 3 号 ; 南豆 5 号, 福豆 234 Hefeng 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47; Heihe 24, 27, 28, 29, 32, 33; Kenfeng 7, 8, 9, 10; Kenfeng 11, 12; Nenfeng 16, Suinong 17, 18, 19, 20, 21; Kennong 17, Jinong 9, 10; Ji 1005, Jiunong 24, 25, 26, 27, 28, 29; Tongnong 13, Liaoshou 1, Tiefeng 31, 32, 33; Shidadou 1, 2; Beifeng 16, 17; Heinong 42, 43, 44, 45, 46; Changnong 15, 16, 17; Jinong 11, 12, 13, 14, 15; Dandou 10, Liaodou 14, 15, 16, 17; Mengdou 11, 12, 13, 14, 15; Mengdou 7, 9; Kangxianchong 4, Kenjiandou 25, 26, 27; Dandou 12, Xiudou 94-11, Xindadou 2, Changnong 10, Xingkangxian 1, Kexin 4, 6, 8; Zhonghuang 13, 14, 15, 19, 24, 25; Kefeng 15, 37, 53; Puhai 10, Zheng 90007, 92116; Huaidou 6, Xudou 10, Dishen 21, 22; Huadou 20, Shangqiu 1099, Dongxin 2, Xudou 11, 12; Qichadou 2, Wandou 24, Zhengjiao 107, 9525; Zhoudou 11, 12; Luning 1, Zhongdou 31, Edou 7, Gongdou 11, 12; Nannong 242, 99-10, 99-6; Tongdou 3, Chuandou 6, Hedou 2, 3; Nandou 5, Fudou 234 括号内的数字为材料数 ; 常规体 粗体和下划线分别代表中国东北 黄淮和南方大豆材料 The number in parentheses is that of materials. Northeast China, Huanghuai China and Southern China are denoted in general case, boldface, and underline, respectively
1904 中国农业科学 42 卷 以上供试材料分别作为中国大豆育成品种群体和地理生态亚群体 育成时期亚群体的代表性样本, 通过群体遗传分析对群体 亚群体作出推论 1.2 基因组 DNA 提取及 SSR 扩增本研究选用 64 对 SSR 引物, 其中 52 对 SSR 引物较均匀覆盖大豆 20 条连锁群, 另外在 C2 F I 连锁群共增选 12 对与主要农艺性状相关的引物 所用引物名称 基因组 DNA 提取和 SSR 扩增的方法 条件均和参考文献 [11] 中说明的一样, 此处从略 1.3 数据分析方法中国大豆育成品种群体及地理 分时期亚群体的遗传多样性分析, 以及群体特异性 遗传关系 遗传结构分析 所涉及的方法分述如下 : (1) 群体 ( 亚群体 ) 的多样性测度遗传丰富度 (genetic richness) 指群体内遗传类型的多少, 用群体内等位变异的总数表示 多态性信息量 (bolymorphism information content) 为等位变异数及其频率离散性的综合测度, PIC l = 1 k u = 1 ~ p k 1 k 2 2 2 2 ~ ~ lu plu plv u = 1 v = u + 1 其中 : PIC l 为第 l 位点 PIC 均值,l=1, 2,, 64, p~ lu 为第 l 位点等位变异 u 在群体的频率, p~ lv 为第 l 位点 等位变异 v 在群体的频率,k 为该位点等位变异总数, u=1, 2,, k-1,v=u+1,, k 以上两项指标是在软件 PowerMarker version 3.25 [12] 上完成的 (2) 群体 ( 亚群体 ) 间遗传差异的测度 [11] 群体 ( 亚群体 ) 特有等位变异和特缺等位变异此处特有等位变异是指某群体 ( 亚群 ) 具有的而其他各群体 ( 亚群 ) 都没有的等位变异 特缺等位变异是某群体 ( 亚群 ) 没有的而其他各群体 ( 亚群 ) 都有的等位变异 特有 特缺等位变异表示了群体的特异性和群体间的分化 群体 ( 亚群 )A 对群体 ( 亚群 )B 的补充等位变异数和群体 ( 亚群 )A 与群体 ( 亚群 ) B 间互补等位变异数 [11] 比较两个群体 ( 亚群 ) 的等位变异时,A 有而 B 没有的等位变异称为 A 对 B 的补充等位变异数, 也是群体间遗传差异的测度, 可以作为用 A 拓宽 B 遗传基础的潜力 A 对 B 与 B 对 A 的补充等位变异数之和称为 A 与 B 间互补等位变异数, 也是群体间遗传差异的测度, 可以衡量 A 与 B 实际相差的等位变异数 也可 以评价 A 和 B 遗传关系的远近 Nei 等的 D 遗传距离为 : A a m j 1 D A = 1 pijqij m j = 1 i = 1 其中 :p ij,q ij 分别是两群体在 j 位点第 i 个等位变异的频率,a j 是在 j 位点等位变异数,m 是检测位点总数 在软件 PowerMarker 3.25 [12] 上, 根据 Nei 等 (1983) 的遗传距离, 通过 Neighbor-Joining 算法进行无根树状遗传关系聚类 (3) 群体遗传结构分析 [13-15] 应用 Pritchard 等的基于模型的多位点基因型数据聚类分析方法 ( 软件 Structure 2.2) 对供试大豆品种聚类 ( 假定每类内都遵循 Hardy-Weinberg 平衡 ), 并确定材料的血缘组成 具体分析过程, 先设定群体数目 (K) 为 2~10, 并假定位点都是独立的, 本文从 64 个位点选用距离大于 47 cm 的 37 个位点参加分析, 将 MCMC(Markov chain Monte Carlo) 开始时的不作数迭代 (Length of burn-in period) 设为 10 000 次, 再将不作数迭代后的 MCMC 迭代设为 100 000 次, 然后依据似然值最大的原则选取一个合适的 K 值并且画出基于模型的群体遗传结构图 2 结果与分析 2.1 中国大豆育成品种群体的遗传结构及其分化 2.1.1 中国大豆育成品种群体的遗传结构利用 SSR 标记和 Structure 2.2 软件对中国大豆育成品种进行群体遗传结构分析, 在 K=2~10 中,K=7 时似然值最大, 即中国大豆育成品种遗传结构由 7 类血缘组成 ( 图 1-(a)), 分别以红色 鲜绿 蓝色 黄色 粉红 青绿 橙色 7 种颜色表示, 表明中国大豆育成品种群体种质来源明显的异质性和多元特性 2.1.2 中国大豆育成品种群体的地理生态分化大豆是短日照作物, 地理位置所决定的光温反应特性是大豆品种群体最主要的生态特性, 决定了各地理生态区的复种制度特点 宏观上中国可分为 3 个大豆生态区 本研究首先要明确, 中国大豆育成品种群体的这种地理生态划分是否有其遗传依据 图 1-(b) 表明 7 类血缘在中国 3 大生态区分布 : 鲜绿 蓝 橙色 3 种颜色代表的血缘几乎都在中国东北而在其它 2 大生态区很少 ; 粉红血缘几乎都在中国黄淮而在其它 2 大生态区很少 ; 红 黄 2 种颜色代表的血缘绝大多数在中国黄淮和南方而在中国东北生态区几乎没有 ; 青绿色血缘在 3 大生态区都有分布 因而不同生态区育成的
6 期张军等 : 中国大豆育成品种群体遗传结构分化和亚群特异性分析 1905 品种其遗传来源具有相对的地理生态特异性 同样图 1-(c) 反映了 7 种血缘在中国分省亚群的分布情况, 鲜绿 橙色血缘分别几乎都在黑龙江 吉林 ; 蓝色血缘绝大部分在黑龙江, 吉林 辽宁等省有少量分布 ; 青绿血缘在以辽宁 北京材料为主, 安徽等省有一些分布 ; 粉红色血缘以河南 安徽 北京材料为主 ; 黄色血缘占江苏绝大部分, 河南 山东 安徽等省有少部分存在 ; 红色血缘占山东绝大部分, 江苏等省有部分存在 河南与安徽遗传组成较相似, 黑龙江与吉林遗传组成相似较多 与辽宁次之而与其它省份遗传组成相似较少 因而不同省区育成品种遗传组成除具有相对地理生态特异性外, 还受行政区划的影响, 这是因为以往育种按生态区设置, 近年则受省行政管理的影响, 各省选育 推广本省自己的品种 2.1.3 中国大豆育成品种群体的育成时期分化 1923 年起中国育成了最早的两个大豆品种黄宝珠和金大 332, 这以后随着时间的推移, 逐步加快了新品种的选育进程, 到 2005 年已共育成 1 300 个 这一进程中, 各地目标不一, 育种进展不同, 带有鲜明的时代特色 本研究希望明确这种时代特色的分群是否伴随有遗传上的特点 图 1-(d) 反映了 7 种血缘在中国分时期群体的分布情况, 红色 蓝色 黄色血缘绝大部分分别在 1991-2000 和 2001-2004 时期群体 ; 鲜绿血缘大部分在 1991-2000 时期群体 ; 粉色血缘大部分在 2001-2004 时期群体 ; 青绿血缘在 1981-1990 1991-2000 2001-2004 时期群体较多 ; 橙色血缘多数在祖先种 1971-1980 时期群体, 表明随着品种育成时期的推进不同时期有不同血缘的种质加入, 确有其各 (a) 基于模型的 7 类血缘 ;(b)7 类血缘在中国 3 大生态亚群的分布 ;(c)7 类血缘在分省亚群的分布 ;(d)7 类血缘在分时期亚群体的分布 (a) Seven germplasm groups based on genetic modeling; (b) Distribution of the seven germplasm groups in three eco-region subpopulations; (c) Distribution of the seven germplasm groups in province subpopulations; (d) Distribution of the seven germplasm groups in released period subpopulations 图 1 中国大豆育成品种群体的遗传结构 Fig. 1 The genetic structure of Chinese released soybean cultivar population 自的遗传特点 2.2 中国大豆育成品种地理亚群遗传结构的特异性中国大豆育成品种群体的地理生态分化将进一步体现在各地理生态亚群的遗传多样性 特异性和互补性上 2.2.1 地理亚群的遗传多样性 64 个 SSR 位点在中国大豆育成品种群体中共检测到 572 个等位变异, 平均每个位点等位变异数为 8.94 个, 变化范围为 4~17 个 ( 表 2) 3 个生态区遗传丰富度由高到低依次是黄淮 东北和南方 ;PIC 由大到小依次是黄淮 南方和东北 ( 表 2) 中国大豆育成品种分省亚群中黑龙江和江苏大豆亚群等位变异数和 PIC 值相对最大 ( 表 3), 说明这些省份大豆育成品种的亲本来源更宽 遗传基础更广些 2.2.2 地理亚群的遗传特异性和互补性 3 个地理生态亚群特有等位变异数由高到低依次是东北 黄淮和南方 ; 特缺等位变异数由多到少顺序是东北 南方和黄淮 ( 表 3) 主要分省亚群中黑龙江大豆亚群特有等位变异数最多, 辽宁大豆亚群特缺等位变异数最多 ( 表 3) 以上结果说明东北育成品种具有相对更强的特异性, 当然这也可能与育成的品种数多有关 分省亚群间补充等位变异数最多的是黑龙江对安徽亚群的补充 ( 表 4) 对黑龙江亚群补充等位变异数最多的是江苏亚群, 利用江苏材料来增加黑龙江群
1906 中国农业科学 42 卷 表 2 中国大豆育成品种 3 个地理生态亚群及主要分省亚群的遗传多样性 Table 2 Genetic diversity of geographic ecotype subpopulations and province subpopulations of soybean cultivars released in China 遗传多样性 Genetic diversity 中国 C 东北 NC 0.687 (7.52) 黄淮 HC 0.739 (7.55) 南方 SC 0.705 (6.91) 多态性信息量 ( 等位变异数 ) 黑龙江 HL 0.657 (6.56) 吉林 JL 0.604 (5.45) PIC value (Allele number) 平均 Mean 0.752 (8.94) 合计 Total (572) (481) (483) (442) (420) (349) (320) (324) (358) (313) (347) (395) 辽宁 LN 0.591 (5.00) 河南 HN 0.608 (5.06) 山东 SD 0.662 (5.59) 安徽 AH 0.627 (4.89) 北京 BJ 0.673 (5.42) 江苏 JS 0.674 (6.17) 最小值 Minimum 0.494(4) 0.422(3) 0.353(2) 0.369(2) 0.345(3) 0.174(2) 0.080(2) 0.314(2) 0.241(2) 0.227(2) 0.340(2) 0.269(2) 最大值 Maximum 0.886(17) 0.894(15) 0.875(14) 0.861(14) 0.857(11) 0.796(10) 0.847(10) 0.844(9) 0.878(11) 0.868(10) 0.858(9) 0.855(13) PIC: polymorphism information content; C: China; NC: Northeast China; HC: Huanghuai China; SC: Southern China; HL: Heilongjiang; JL: Jilin; LN: Liaoning; HN: Henan; SD: Shandong; AH: Anhui; BJ: Beijing; JS: Jiangsu. 下同 The same as below 表 3 中国大豆育成品种各亚群的特有和特缺等位变异数 Table 3 Number of specifically existent and deficient alleles in subpopulations of soybean cultivars released in China 等位变异 Allele 东北 NC 黄淮 HC 南方 SC 黑龙江 HL 吉林 JL 辽宁 LN 河南 HN 山东 SD 安徽 AH 北京 BJ 江苏 JS 祖先种 Ancestor 特有 SEA 73 22 10 22 4 7 0 7 1 3 5 11 4 4 3 7 5 特缺 SDA 59 5 35 6 11 20 16 11 11 8 2 15 16 14 20 3 2 SEA: specifically existent allele; SDA: specifically deficient allele 1923-1970 1971-1980 表 4 大豆育成品种分省亚群间的补充等位变异数 Table 4 Complementary number of alleles among province subpopulations of soybean cultivars released in China 等位变异数 Allele number 黑龙江 HL 吉林 JL 辽宁 LN 河南 HN 山东 SD 安徽 AH 北京 BJ 江苏 JS 黑龙江 HL 113 135 166 137 168 137 115 吉林 JL 42 (155) 90 126 98 122 97 75 辽宁 LN 35 (170) 61 (151) 120 90 113 94 75 河南 HN 70 (236) 101 (227) 124 (244) 73 76 60 33 山东 SD 75 (212) 107 (205) 128 (218) 107 (180) 109 91 51 安徽 AH 61 (229) 86 (208) 106 (219) 65 (141) 64 (173) 50 33 北京 BJ 64 (201) 95 (192) 121 (215) 83 (143) 80 (171) 84 (134) 46 江苏 JS 90 (205) 121 (196) 150 (225) 104 (137) 88 (139) 115 (148) 94 (140) 表中所列的数字为行亚群对列亚群的补充等位变异数 ; 括号内的数字为 2 个群体间互补等位变异数 The number listed in the table is complementary number of alleles from the row subpopulation to the column subpopulation; the number in parentheses is mutual complementary number of alleles between the two populations 1981-1990 1991-2000 2001-2004 体等位变异数是最有潜力的 同理, 分别对河南 山东 安徽 北京和江苏亚群补充最多等位变异都是黑龙江亚群, 也可利用黑龙江亚群来提高其它亚群的遗传多样性 分省亚群间互补等位变异数最多 ( 即遗传关系最远的 ) 的是辽宁与河南亚群, 其次为黑龙江与河南大豆群体 ; 最少的 ( 即遗传关系最近的 ) 是北京与安徽亚群, 其次为江苏与河南亚群 ( 表 4) 看来地理远距一定程度上反映了遗传远距, 也一定程度上反映了遗传互补的潜力 2.2.3 地理分群与遗传聚类的关系根据 Nei 遗传距离, 用 Neighbor-Joining tree 方法进行中国大豆 育成品种遗传关系无根树状聚类, 将中国大豆品种分为 Ⅰ~Ⅵ 共 6 个群体, 地理亚群与聚类亚群两向分布情况见表 5 χ 2 检验结果,SSR 标记聚类因子与地理因子间有极显著相关, 说明地理分群确有其相应的遗传基础 每一遗传聚类亚群以某些分省亚群材料为主, 不同遗传聚类亚群包含的分省亚群材料有所差异, 不同省份包含的聚类亚群构成不同, 尤以东北 3 省为突出, 黄淮和南方各省间主要体现在分布频率的差异, 说明大豆品种各分省亚群间在遗传上存在较大差异 中国大豆育成品种 3 大生态区 6 个聚类亚群 8
6 期张军等 : 中国大豆育成品种群体遗传结构分化和亚群特异性分析 1907 表 5 中国大豆育成品种分省亚群与 SSR 聚类亚群间关联分析 Table 5 Association between provincial subpopulations and SSR-clusters 分省亚群 Province subpopulation 聚类亚群 Clustered subpopulation Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 合计 Total 黑龙江 HL 98 98 吉林 JL 46 1 2 3 52 辽宁 LN 3 2 18 23 河南 HN 28 2 30 χ 2 测验 χ 2 test χ 2 =715 P<0.0001 (χ 2 0.00540=67) 山东 SD 17 9 1 27 安徽 AH 4 11 15 北京 BJ 10 12 22 江苏 JS 14 36 50 其它 Other 1 18 23 6 1 12 61 个主要分省亚群分别以 Nei 遗传距离利用 Neighbor- Joining tree 方法进行聚类 图 2-1 中 3 大生态区中国东北 黄淮 南方群体间遗传关系彼此都保持一定距离, 未出现 2 个亚群间较近而与第 3 个亚群较远的情况 图 2-2 中,6 个聚类亚群以吉林大豆为主的 Ⅰ 与以黑龙江大豆为主的 Ⅵ 位置相近, 以山东 江苏大豆为主的 Ⅱ 与以江苏 河南大豆为主是 Ⅲ 位置也较近, 而以 6 份大豆育成品种的 Ⅳ 与其他聚类亚群相距都较远 图 2-3 为 8 个主要分省亚群的聚类树状分布, 黑龙江与吉林大豆亚群遗传关系较近, 而安徽 河南与 图 2 中国大豆育成品种 3 大地理生态亚群 聚类亚群 分省亚群 分时期亚群的 SSR 聚类关系 Fig. 2 The SSR marker clustered relationship among three geographic eco-type subpopulations, clustered subpopulations, province subpopulations and released period subpopulations of soybean cultivars released in China 其它亚群遗传关系较远 2.3 中国大豆育成品种育成时期亚群遗传结构的特异性中国大豆育成品种群体的育成时期分化将进一步体现在各分时期亚群的遗传多样性 特异性和互补性上 2.3.1 育成时期亚群的遗传多样性各分时期亚群平均等位变异数最多的是 2001-2004 和 1991-2000 亚群, 最少的是 1923-1970 亚群 ( 表 6), 这时期育种单位少, 育成品种也少 随着时期的推移中国大豆育成品种除了 1981-1990 亚群等位变异数略有降低, 其他亚群均逐期增加 PIC 值的动态变化与丰富度大体相同 中国大豆育成品种不同时期亚群有着明显遗 传差异,1923-1970 与 2001-2004 大豆育成品种亚群间遗传差异更明显,2001-2004 年虽然时期短, 但育成品种数量多, 遗传多样性程度高, 说明近期育成品种的遗传基础宽于历史上前期育成的品种 2.3.2 育成时期亚群的遗传特异性和互补性分时期亚群中祖先亲本亚群特有等位变异数最多,1981-1990 大豆亚群特缺等位变异数最高 ( 表 3) 中国大豆育成品种的分时期亚群间补充等位变异数最多的是 2001-2004 对 1923-1970 亚群 ( 表 7) 亚群间互补等位变异数最多的 ( 即遗传关系最远的 ) 是 1981-1990 与祖先亲本亚群 ; 最少的 ( 即遗传关系最近的 ) 是 2001-2004 与 1991-2000 亚群 ( 表 7) 这些说明相近时期育成的品种遗传组成差异较小, 而近期育
1908 中国农业科学 42 卷 表 6 中国大豆育成品种及分时期亚群的遗传多样性 Table 6 Genetic diversity of released period subpopulations of soybean cultivars released in China 遗传多样性 Genetic diversity 多态性信息量 ( 等位变异数 ) PIC value (Allele number) 中国 China 祖先种 Ancestor 1923-1970 1971-1980 1981-1990 1991-2000 2001-2004 平均 Mean 0.752 (8.94) 0.707 (6.98) 0.703 (6.77) 0.728 (7.03) 0.721 (6.88) 0.746 (8.00) 0.738 (8.03) 合计 Total (572) (447) (433) (450) (440) (512) (514) 最小值 Minimum 0.494 (4) 0.245 (3) 0.382 (3) 0.260 (2) 0.421 (3) 0.490 (3) 0.462 (4) 最大值 Maximum 0.886 (17) 0.870 (12) 0.857 (12) 0.871 (12) 0.863 (12) 0.874 (16) 0.896 (16) PIC: polymorphism information content 成品种的遗传组成比之早期育成品种有了很大的改变 中国大豆育成品种的分时期亚群随着时间的推移, 旧的等位变异在消失而新的等位变异不断增加, 多数亚群新增加的多于消失的旧等位变异 ; 祖先亲本亚群随着时间的推移可为其他亚群补充的等位变异数, 除了 1981-1990 亚群增加, 其他亚群已在逐渐减少 ( 表 7) 2.3.3 育成时期分群与遗传聚类的关系分时期亚 群与聚类亚群分布情况 ( 数据未显示 ), 和分省亚群与聚类亚群分布情况研究结果类似, 分时期因子和 SSR 遗传聚类因子间的关联经 χ 2 测验非常显著 图 2-4 说明了分时期亚群间遗传关系远近, 祖先亲本与 1971-1980 1981-1990 与 1991-2000 亚群遗传关系较近, 而 2001-2004 与其它大豆亚群遗传关系较远 遗传聚类结果支持了上述遗传多样性和特异性分析的结果 表 7 中国大豆育成品种分时期亚群间补充等位变异数 Table 7 Complementary number of alleles among time subpopulations of released soybean cultivar in China 育成时期 Released period 祖先种 Ancestor 1923-1970 1971-1980 1981-1990 1991-2000 2001-2004 祖先种 Ancestor 66 52 68 31 28 1923-1970 52 (118) 44 54 19 20 1971-1980 55 (107) 61 (105) 69 25 24 1981-1990 61 (129) 61 (115) 59 (128) 15 10 1991-2000 96 (127) 98 (117) 87 (112) 87 (102) 26 2001-2004 95 (123) 101 (121) 88 (112) 84 (94) 28 (54) 表中所列的数字为行亚群对列亚群的补充等位变异数 ; 括号内的数字为 2 个群体间互补等位变异数 The number listed in the table is complementary number of alleles from the row subpopulation to the column subpopulation; the number in parentheses is mutual complementary number of alleles between the two populations 3 讨论 3.1 中国大豆育成品种的人工进化特点 [16] Abe 等利用 20 个 SSR 标记研究亚洲 131 份大豆种质, 平均每个位点等位变异数为 11.9 个, 平均基 [8] 因多样性为 0.782 Wang 等选用 60 个 SSR 标记研究中国 129 份大豆种质, 平均每个位点等位变异数为 12.2 个, 平均 PIC 为 0.78 本研究的 64 个 SSR 标记在 378 个中国大豆育成品种中共检测到 572 个等位变异, 平均每个位点等位变异数为 8.94 个,PIC 为 0.75 [10] 文自翔利用与本文基本相同的 60 个 SSR 标记得到中国大豆地方品种 野生大豆群体平均每个位点等位 变异数和 Simpson 指数分别为 16.3 个 0.74 及 17.6 个 0.86 中国大豆育成品种群体的遗传基础与其它供试群体不同, 来源于 670 个祖先亲本 ( 熊冬金等 [17] ), 瓶颈效应使其遗传基础窄于地方品种群体, 更窄于野生群体, 这是容易理解的, 因为人工选择朝着人类需求的方向 ( 如早熟 直立 大粒 高油等 ) 集中, 性状改良了, 但变异却减小了 因而要拓宽中国大豆品种的遗传基础, 地方品种群体和野生群体是其后盾 另一方面, 本文结果, 各个亚群均持有特有或特缺的等位变异, 说明亚群在人工选择的作用下向着不同的选择方向分化, 这为未来的育种又在目标性状上增加了变异 这种变异可能是原育种亲本中早有的, 也可
6 期张军等 : 中国大豆育成品种群体遗传结构分化和亚群特异性分析 1909 能是在育种过程中新出现的 对于育种工作者来说, 要充分利用已有的有利变异, 更有价值的是创造出新的有利变异 育种工作的这种既使变异向育种目标集中又在目标性状上扩展变异是一个过程的两个方面, 育种工作者要能把握住这个特点 3.2 中国大豆育成品种地理亚群和育成时期亚群分化对育种的启迪中国大豆育成品种地理分群与 SSR 标记无根树状遗传距离聚类间有显著相关性, 地理分群有其相应的遗传基础 这与盖钧镒等 [18] [19] 谢华的研究结果一致 随着大豆育种工作在地理区域和时期尺度上的延伸, 相应于育种要求的拓宽和加深, 采用的亲本不断增加和异化, 因而导致育成品种存在地理和时期的分化 本研究结果表明东北尤其黑龙江大豆的等位变异数最多, 可以向其它地区提供的补充等位变异数也最多 ; 各分省亚群中, 除黑龙江亚群外, 江苏亚群的等位变异数和可以向其它地区提供的补充等位变异数均较多 ; 这两个分省育成品种亚群所用过的祖先亲本较广, 积累的变异较多, 可从中遴选育种用的亲本, 为其他分省亚群提供相对较多的遗传变异 本研究结果还表明近期 (2001-2004 年 ) 育成的大豆品种亚群等位变异数和可以向其他时期育成品种亚群提供的补充等位变异数均最多, 说明以近期育成的品种作为遗传背景进行品种改良的策略是有理由的 需要说明的是本文应用了中性的遗传标记来讨论群体 亚群体的遗传特异性和互补性, 是泛指的遗传分析与推论, 是从遗传可能性上做的探讨 至于联系到育种目标性状的分析将在另文中报道 4 结论 中国大豆育成品种群体遗传结构由 7 类血缘组成, 遗传上明显分化为不同的地理生态亚群和育成时期亚群, 各有其不同的血缘构成特点 ; 各地理生态亚群具有其特有 特缺和互补等位变异, 体现了其遗传来源的相对生态特异性 ; 随着品种育成时期的推进, 不同时期有不同血缘的种质加入, 各亚群具有其特有 特缺和互补等位变异, 体现了育种发展的特点 中国大豆育成品种群体与中国地方品种群体 中国野生大豆群体相比, 其遗传基础因源于有限的祖先亲本数的瓶颈效应而相对狭窄 ; 分省亚群中黑龙江 江苏亚群的等位变异数可以向其他地区提供的补充等位变异数均依次最多, 其亲本来源较宽 遗传基础较广 分时期亚群平均等位变异数随着时期的推移各亚群等位变 异数增加, 遗传多样性程度增高, 近期育成品种的遗传基础宽于历史上前期育成的品种 研究结果证明中国大豆育成品种群体的遗传结构存在地理生态分化和育成时期分化, 各亚群具有相对特异性, 体现在血缘结构和特有 特缺及互补等位变异上, 这构成了亚群间种质或基因交流的遗传基础 致谢 : 本试验得到刘正才 陈俊辉 周慧琴 文自翔 黄中文 邢光南 熊冬金 卢坤陇 吴可菁 杨占花 江南屏等同学帮助, 在此谨表衷心感谢 References [1] 李宏伟, 高丽锋, 刘曙东, 李永强, 贾继增. 用 EST-SSRs 研究小麦遗传多样性. 中国农业科学, 2005, 38(1): 7-12. Li H W, Gao L F, Liu S D, Li Y Q, Jia J Z. Study on the genetic diversity of wheat by EST-SSRs. Scientia Agricultura Sinica, 2005, 38(1): 7-12. (in Chinese) [2] Thomson M J, Septiningsih E M, Suwardjo F, Santoso T J, Silitonga T S, McCouch S R. Genetic diversity analysis of traditional and improved Indonesian rice (Oryza sativa L.) germplasm using microsatellite markers. Theoretical and Applied Genetics, 2007, 114: 559-568. [3] Andersen J R, Zein I, Wenzel G, Krützfeldt B, Eder J, Ouzunova M, Lübberstedt T. High levels of linkage disequilibrium and associations with forage quality at a Phenylalanine Ammonia-Lyase locus in European maize (Zea mays L.) inbreds. Theoretical and Applied Genetics, 2007, 114: 307-319. [4] Xie H, Guan R X, Chang R Z, Qiu L J. Genetic diversity of Chinese summer soybean germplasm revealed by SSR markers. Chinese Science Bulletin, 2005, 50(6): 526-535. [5] Lee G J, Boerma H R, Villagarcia M R, Zhou X, Carter T E Jr, Li Z, Gibbs M O. A major QTL conditioning salt tolerance in S-100 soybean and descendent cultivars. Theoretical and Applied Genetics, 2004, 109: 1610-1619 [6] 关媛, 鄂文弟, 王丽侠, 关荣霞, 刘章雄, 常汝镇, 曲延英, 邱丽娟. 以湖南和湖北大豆 [Glycine max (L. ) Merr. ] 为例分析影响遗传多样性评价的因素. 作物学报, 2007, 33(3): 461-468. Guan Y, E W D, Wang L X, Guan R X, Liu Z X, Chang R Z, Qu Y Y, Qiu L J. Analysis of factors influencing the genetic diversity evaluation using two soybean [Glycine max (L.) Merr. ] collections from Hunan and Hube. Acta Agronomica Sinica, 2007, 33(3): 461-468. (in Chinese) [7] Brown-Guedira G L, Thompson J A, Nelson R L, Warburton M L.
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