基于DUS测试性状的向日葵品种遗传多样性分析
Genetic Diversity Analysis of Sunflower (Helianthus annuus L.) Based on DUS Testing
收稿日期: 2019-12-13 修回日期: 2020-03-2 网络出版日期: 2020-07-15
Received: 2019-12-13 Revised: 2020-03-2 Online: 2020-07-15
作者简介 About authors
单飞彪,研究方向为植物品种DUS测试及种质资源保护,E-mail:
利用NY/T 2433-2013中的43个基本测试性状对巴彦淖尔分中心的63个向日葵参试品种进行遗传多样性分析,并与32个近似品种作比较,结果表明:参试品种表型性状中共检测到124个等位变异,平均每个性状检测到3.0244个,变幅为1~8个。Shannon’s多样性指数(H')平均值为0.5582,变幅为0~1.8101,41个有效测试性状中有17.07%的性状存在5个及以上等位变异,有51.22%的性状存在3个及以上等位变异,参试品种的等位变异数、每个性状的等位变异数及其变异幅度、多样性指数平均值等均大于近似品种。在外观形态上,参试品种的遗传多样性比近似品种更丰富。UPGMA聚类分析发现,在相似系数为0.860时,可将95个向日葵品种分为2个类群。主坐标分析结果与UPGMA聚类分析结果基本一致,但是可以通过向日葵品种在主坐标中的位置更加直观地判断95个向日葵品种间的遗传相似性。总体看来,参试品种与近似品种形态差异较小,建议育种家拓宽向日葵亲本选育材料,从而促进向日葵材料创新及新品种选育。
关键词:
Forty-three basic traits in NY/T 2433-2013 were used to evaluate the genetic diversity of 63 sunflower varieties from Bayannur Sub-Center and compared with 32 similar varieties. The results showed that a total of 124 allelic variations were detected in the phenotypic characters traits of the varieties with an average of 3.0244 per trait ranged from 1 to 8. The average shannon’s diversity index (H') of tested varieties was 0.5582, ranged from 0 to 1.8101. Among the 41 valid test traits, almost 17.07% of all the traits had more than 5 allelic variations and 51.22% of all the traits had more than three allelic variations. The genetic diversity of tested varieties was higher than the similar varieties compared to their total alleles, alleles per trait and H'-value. In appearance, the genetic diversity of the tested varieties was more abundant than the similar varieties. The UPGMA clustering analysis showed that 95 sunflower varieties could be divided into two groups when the similarity coefficient was 0.860. The results of principal coordinate analysis were basically consistent with UPGMA cluster analysis but the genetic similarity among 95 sunflower varieties could be judged more vividly by the position of sunflower varieties in the principal coordinate. There was a little differences between the tested varieties and similar varieties. Therefore, it is suggested that breeders should broaden the selection materials of sunflower parents so as to promote the innovation of sunflower materials and the breeding of new varieties.
Keywords:
本文引用格式
单飞彪, 杜瑞霞, 王永行, 杨钦方, 刘春晖, 陈阳.
Shan Feibiao, Du Ruixia, Wang Yongxing, Yang Qinfang, Liu Chunhui, Chen Yang.
开放科学(资源服务)标识码(OSID):
目前,向日葵种质资源多样性的研究主要通过农艺性状和品质性状的评价[3,4]、RAPD[5]、AFLP[6,7,8,9]以及SSR[10,11,12,13,14,15]等分子标记进行。而利用DUS测试性状对向日葵种质资源进行描述、评价的研究少见。对植物新品种进行特异性(distinctness)、一致性(uniformity)和稳定性(stability)测试简称为DUS测试[16],是农作物新品种种权授予和审定、登记通过的必要条件之一。DUS测试性状是开展DUS测试的基础,是指可遗传表达,能明确识别、区分和描述植物的特征或特性,是特定的基因型或者基因型组合的结果,在特定环境条件下是充分一致的和可重复的[17]。因此,植物性状的表达是基因型表达和环境条件相互作用的结果,反映该资源在特定生态地区的一种表达状态。本研究利用NY/T 2433-2013[18]中的43个基本测试性状对农业农村部植物新品种测试(巴彦淖尔)分中心向日葵材料进行DUS测试,研究其遗传多样性和遗传结构,并依据各性状相应的表达代码对其进行聚类分析和主坐标分析,旨在为向日葵品种改良和新品种选育提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试的95份向日葵种质资源由农业农村部植物新品种测试(巴彦淖尔)分中心提供,包括32个近似品种和63个参试品种(表1)。
表1 测试材料
Table 1
测试编号 Test number | 测试类型 Test type | 编码 Code | 测试编号 Test number | 测试类型 Test type | 编码 Code | 测试编号 Test number | 测试类型 Test type | 编码 Code |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
BYNER20170114B | 近似品种 | JS1 | BYNER20170114A | 参试品种 | SQ001 | BYNER20170151A | 参试品种 | SQ033 |
BYNER20170116B | 近似品种 | JS2 | BYNER20170115A | 参试品种 | SQ002 | BYNER20170152A | 参试品种 | SQ034 |
BYNER20170117B | 近似品种 | JS3 | BYNER20170116A | 参试品种 | SQ003 | BYNER20170153A | 参试品种 | SQ035 |
BYNER20170118B | 近似品种 | JS4 | BYNER20170117A | 参试品种 | SQ004 | BYNER20170154A | 参试品种 | SQ036 |
BYNER20170119B | 近似品种 | JS5 | BYNER20170118A | 参试品种 | SQ005 | BYNER20170155A | 参试品种 | SQ037 |
BYNER20170120B | 近似品种 | JS6 | BYNER20170119A | 参试品种 | SQ006 | BYNER20170156A | 参试品种 | SQ038 |
BYNER20170121B | 近似品种 | JS7 | BYNER20170120A | 参试品种 | SQ007 | BYNER20170157A | 参试品种 | SQ039 |
BYNER20170122B | 近似品种 | JS8 | BYNER20170121A | 参试品种 | SQ008 | BYNER20170159A | 参试品种 | SQ040 |
BYNER20170123B | 近似品种 | JS9 | BYNER20170122A | 参试品种 | SQ009 | BYNER20170160A | 参试品种 | SQ041 |
BYNER20170124B | 近似品种 | JS10 | BYNER20170123A | 参试品种 | SQ010 | BYNER20170161A | 参试品种 | SQ042 |
BYNER20170125B | 近似品种 | JS11 | BYNER20170124A | 参试品种 | SQ011 | BYNER20170162A | 参试品种 | SQ043 |
BYNER20170126B | 近似品种 | JS12 | BYNER20170125A | 参试品种 | SQ012 | BYNER20170163A | 参试品种 | SQ044 |
BYNER20170131B | 近似品种 | JS13 | BYNER20170126A | 参试品种 | SQ013 | BYNER20170164A | 参试品种 | SQ045 |
BYNER20170132B | 近似品种 | JS14 | BYNER20170127A | 参试品种 | SQ014 | BYNER20170166A | 参试品种 | SQ046 |
BYNER20170135B | 近似品种 | JS15 | BYNER20170128A | 参试品种 | SQ015 | BYNER20170167A | 参试品种 | SQ047 |
BYNER20170137B | 近似品种 | JS16 | BYNER20170129A | 参试品种 | SQ016 | BYNER20170168A | 参试品种 | SQ048 |
BYNER20170142B | 近似品种 | JS17 | BYNER20170130A | 参试品种 | SQ017 | BYNER20170169A | 参试品种 | SQ049 |
BYNER20170143B | 近似品种 | JS18 | BYNER20170131A | 参试品种 | SQ018 | BYNER20170170A | 参试品种 | SQ050 |
BYNER20170145B | 近似品种 | JS19 | BYNER20170132A | 参试品种 | SQ019 | BYNER20170172A | 参试品种 | SQ051 |
BYNER20170147B | 近似品种 | JS20 | BYNER20170135A | 参试品种 | SQ020 | BYNER20170174A | 参试品种 | SQ052 |
BYNER20170156B | 近似品种 | JS21 | BYNER20170136A | 参试品种 | SQ021 | BYNER20170175A | 参试品种 | SQ053 |
BYNER20170159B | 近似品种 | JS22 | BYNER20170137A | 参试品种 | SQ022 | BYNER20170176A | 参试品种 | SQ054 |
BYNER20170167B | 近似品种 | JS23 | BYNER20170138A | 参试品种 | SQ023 | BYNER20170177A | 参试品种 | SQ055 |
BYNER20170172B | 近似品种 | JS24 | BYNER20170140A | 参试品种 | SQ024 | BYNER20170178A | 参试品种 | SQ056 |
BYNER20170176B | 近似品种 | JS25 | BYNER20170141A | 参试品种 | SQ025 | BYNER20170179A | 参试品种 | SQ057 |
BYNER20170177B | 近似品种 | JS26 | BYNER20170142A | 参试品种 | SQ026 | BYNER20170180A | 参试品种 | SQ058 |
BYNER20170182B | 近似品种 | JS27 | BYNER20170143A | 参试品种 | SQ027 | BYNER20170181A | 参试品种 | SQ059 |
BYNER20170184B | 近似品种 | JS28 | BYNER20170144A | 参试品种 | SQ028 | BYNER20170182A | 参试品种 | SQ060 |
BYNER20170187B | 近似品种 | JS29 | BYNER20170145A | 参试品种 | SQ029 | BYNER20170183A | 参试品种 | SQ061 |
BYNER20170189B | 近似品种 | JS30 | BYNER20170147A | 参试品种 | SQ030 | BYNER20170184A | 参试品种 | SQ062 |
BYNER20170190B | 近似品种 | JS31 | BYNER20170149A | 参试品种 | SQ031 | BYNER20180010A | 参试品种 | SQ063 |
BYNER20180010B | 近似品种 | JS32 | BYNER20170150A | 参试品种 | SQ032 |
1.2 田间种植及性状观测
表2 向日葵表型性状观测
Table 2
编号Number | 性状Trait | 类型Type | 编号Number | 性状Trait | 类型Type |
---|---|---|---|---|---|
chr1 | 植株:幼茎花青甙显色 | QN | chr23 | 叶片:叶尖高度 | QN |
chr2 | *叶片:颜色 | QN | chr24 | 叶片:叶柄与主茎夹角 | QN |
chr3 | 叶:花青甙显色 | QL | chr25 | 管状花:颜色 | PQ |
chr4 | 植株:主茎叶数 | QN | chr26 | 管状花:柱头花青甙显色 | QN |
chr5 | 植株:茎上部刚毛 | QN | chr27 | 花粉:颜色 | PQ |
chr6 | *开花期 | QN | chr28 | 植株:主盘与最近侧盘的位置 | PQ |
chr7 | 舌状花:形状 | PQ | chr29 | *植株:花盘倾斜度 | QN |
chr8 | *舌状花:颜色 | PQ | chr30 | *花盘:形状 | PQ |
chr9 | 舌状花:密度 | QN | chr31 | *植株:分枝 | QL |
chr10 | 苞叶:密度 | QN | chr32 | *植株:分枝类型 | PQ |
chr11 | 苞叶:形状 | PQ | chr33 | *花盘:大小 | QN |
chr12 | 苞叶:花青甙显色 | QL | chr34 | *植株:高度 | QN |
chr13 | 苞叶:尖长度 | QN | chr35 | 瘦果:大小 | QN |
chr14 | *叶片:大小 | QN | chr36 | 瘦果:形状 | PQ |
chr15 | 叶片:形状 | PQ | chr37 | 瘦果:厚度 | QN |
chr16 | *叶片:锯齿 | QN | chr38 | *瘦果:主色 | QL |
chr17 | 叶片:锯齿规则性 | QL | chr39 | 瘦果:色斑 | QL |
chr18 | 叶片:横截面形状 | QN | chr40 | 瘦果:条纹 | QL |
chr19 | 叶片:叶翼 | QL | chr41 | 瘦果:条纹颜色 | PQ |
chr20 | *叶片:叶耳 | QN | chr42 | *瘦果:边缘条纹 | QN |
chr21 | *叶片:泡状程度 | QN | chr43 | *瘦果:边缘间条纹 | QN |
chr22 | *叶片:侧脉角度 | PQ |
Note: QL represent quality trait, PQ represent pseudo-quality trait, QN represent quantitative trait. The traits marked with "*" are important for the national harmonization of variety descriptions and should always be examined for DUS and included in the variety description by all members of The International Union for the Protection of New Varieties of Plants, except when the state of expression of a preceding trait or regional environmental conditions render this in appropriate
注:QL:质量性状;PQ:假质量性状;QN:数量性状。“*”标注的性状为国际植物新品种保护联盟用于统一品种描述所需要的重要性状,除非受环境条件限制性状的表达状态无法测试,所有UPOV成员都应使用这些性状
1.3 数据分析
依据NY/T 2433-2013[18]对向日葵种质资源的每个性状记录其相应的代码,构成原始数据矩阵,缺失数据用“..”记录,不同代码视为该性状的等位变异,利用PopGen 32软件,用Shannon-weaver多样性指数(H')对向日葵43个性状的多样性进行分析,H'=-ΣPiln(Pi),式中P为某个性状第i个代码出现的概率。用NTSYSpc 2.10e中的SM法计算其形态相似系数,用SAHN clustering和UPGMA进行聚类分析;主坐标分析(PCO)利用数据中心化(dcenter)对系数矩阵进行转换,通过Eigen模块计算特征值和特征值向量,并进行二维作图。
2 结果与分析
2.1 参试向日葵品种多样性分析
表3 63个参试品种和32个近似品种43个基本测试性状的多样性统计
Table 3
性状 Trait | 参试品种Tested variety | 近似品种Similar variety | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
Na | Ne | H' | Na | Ne | H' | |
chr1 | 8 | 5.3419 | 1.8101 | 5 | 3.3247 | 1.3914 |
chr2 | 2 | 1.3243 | 0.4101 | 3 | 1.2104 | 0.3708 |
chr3 | 2 | 1.9183 | 0.6717 | 2 | 1.6787 | 0.5941 |
chr4 | 4 | 2.4822 | 1.0309 | 3 | 2.4976 | 0.9810 |
chr5 | 6 | 2.3009 | 1.1334 | 4 | 1.5950 | 0.7614 |
chr6 | 4 | 2.7931 | 1.1566 | 3 | 2.0898 | 0.8724 |
chr7 | 2 | 1.0322 | 0.0815 | 2 | 1.2800 | 0.3768 |
chr8 | 1 | 1.0000 | 0 | 1 | 1.0000 | 0 |
chr9 | 6 | 4.0050 | 1.5287 | 5 | 3.9084 | 1.4721 |
chr10 | 6 | 3.1178 | 1.3257 | 3 | 2.2165 | 0.8753 |
chr11 | 3 | 1.8643 | 0.7413 | 2 | 1.6787 | 0.5941 |
chr12 | 1 | 1.0000 | 0 | 1 | 1.0000 | 0 |
chr13 | 4 | 2.0900 | 0.8992 | 3 | 1.9617 | 0.7691 |
chr14 | 6 | 4.1387 | 1.5149 | 6 | 4.1290 | 1.5663 |
chr15 | 1 | 1.0000 | 0 | 1 | 1.0000 | 0 |
chr16 | 1 | 1.0000 | 0 | 2 | 1.0644 | 0.1391 |
chr17 | 1 | 1.0000 | 0 | 2 | 1.0644 | 0.1391 |
chr18 | 2 | 1.0322 | 0.0815 | 2 | 1.0644 | 0.1391 |
chr19 | 2 | 1.8000 | 0.6365 | 2 | 1.8221 | 0.6435 |
chr20 | 4 | 2.1078 | 0.9845 | 3 | 1.9922 | 0.8449 |
chr21 | 4 | 1.3377 | 0.5078 | 3 | 1.2104 | 0.3708 |
chr22 | 3 | 2.5361 | 1.0024 | 3 | 2.5990 | 1.0130 |
chr23 | 4 | 2.0857 | 0.8233 | 3 | 2.1070 | 0.8060 |
chr24 | 3 | 1.0661 | 0.1628 | 1 | 1.0000 | 0 |
chr25 | 2 | 1.0322 | 0.0815 | 1 | 1.0000 | 0 |
chr26 | 2 | 1.0322 | 0.0815 | 1 | 1.0000 | 0 |
chr27 | 1 | 1.0000 | 0 | 1 | 1.0000 | 0 |
chr28 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
chr29 | 3 | 1.0661 | 0.1628 | 2 | 1.0644 | 0.1391 |
chr30 | 2 | 1.1711 | 0.2772 | 1 | 1.0000 | 0 |
chr31 | 1 | 1.0000 | 0 | 2 | 1.1327 | 0.2338 |
chr32 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
chr33 | 2 | 1.7279 | 0.6122 | 2 | 1.8221 | 0.6435 |
chr34 | 6 | 2.8575 | 1.3103 | 7 | 2.7978 | 1.4151 |
chr35 | 5 | 1.7174 | 0.8361 | 4 | 2.9942 | 1.2075 |
chr36 | 3 | 1.6300 | 0.6260 | 2 | 1.5193 | 0.5253 |
chr37 | 2 | 1.2082 | 0.3145 | 3 | 1.7239 | 0.6922 |
chr38 | 4 | 1.2149 | 0.3971 | 3 | 1.2104 | 0.3708 |
chr39 | 2 | 1.0998 | 0.1914 | 2 | 1.1327 | 0.2338 |
chr40 | 1 | 1.0000 | 0 | 1 | 1.0000 | 0 |
chr41 | 2 | 1.3644 | 0.4376 | 3 | 1.8893 | 0.7482 |
chr42 | 3 | 1.2907 | 0.4285 | 3 | 1.7239 | 0.6922 |
chr43 | 3 | 1.6300 | 0.6260 | 3 | 1.7239 | 0.6922 |
平均 Average | 3.0244 | 1.7663 | 0.5582 | 2.5854 | 1.7129 | 0.5442 |
Note: Na is observed number of alleles; Ne is effective number of alleles; H'is Shannon’s information index
注:Na为等位变异数;Ne为有效等位变异数;H'为多样性信息指数
植株:幼茎花青甙显色(chr1)的多样性最高,达到了8个等位变异,植株:茎上部刚毛(chr5)、舌状花:密度(chr9)、苞叶:密度(chr10)、叶片:大小(chr14)和植株:高度(chr34)均达到了6个等位变异;瘦果:大小(chr35)达到了5个等位变异。上述7个性状均为数量性状,在与植株相关的性状上有较丰富的多态性。舌状花:颜色(chr8)、苞叶:花青甙显色(chr12)、叶片:形状(chr15)、*叶片:锯齿(chr16)、叶片:锯齿规则性(chr17)、花粉:颜色(chr27)、植株:分枝(chr31)和瘦果:条纹(chr40)8个性状只有1个表达状态,未出现多态性。41个有效测试性状中有17.07%的性状存在5个及以上等位变异,有51.22%的性状存在3个及以上等位变异,说明参试品种的多样性不够丰富。
2.2 参试品种与近似品种形态多样性比较
利用41个有效测试性状在32个近似品种中检测到106个等位变异,平均每个测试性状检测到2.5854个,变幅为1~7,平均有效等位变异数为1.7129,变幅为1.0000~4.1290,多样性指数平均值为0.5442,变幅为0~1.5663。近似品种检测到的等位变异数、每个测试性状检测到的等位变异数及其变异幅度、有效等位变异数及其变异幅度、多样性指数平均值等均小于参试品种,这说明在外观形态上,参试品种的遗传多样性比近似品种相对丰富(表3)。
2.3 95个向日葵品种的聚类分析
利用UPGMA法对95个向日葵品种进行聚类分析,根据图1可以看出,在相似系数为0.860时,可将95个品种分为2个类群,第I个类群包含2个近似品种JS27和JS28,相似系数为0.993,第II个类群在相似系数为0.870时,又被分为2个亚群,II-1包括参试品种SQ049和SQ061,遗传相似系数为0.877,II-2包括剩余的91个品种,遗传相似系数范围为0.878~1.000,参试品种之间可以区分,而近似品种中有些品种无法区分,其中JS1和JS10,JS4和JS12、JS17,JS14和JS31,JS24和SQ063,JS9和JS16,JS13和JS29、JS30均无法区分。对第I个类群的形态性状数据进行分析发现,JS27和JS28品种瘦果:大小(chr35)和瘦果:主色(chr38)均表现为极小到小和黑色,与其他品种存在明显差异。
图1
图1
基于形态性状相似系数的95个向日葵品种聚类图
Fig.1
Cluster map of 95 sunflower varieties based on the similarity coefficients
2.4 95个向日葵品种的二维主坐标分析
图2
图2
基于形态性状的95个向日葵品种的二维主坐标分析
Fig.2
Two-dimensional principal coordinate analysis of 95 sunflower varieties based on morphological traits
3 讨论
3.1 利用DUS测试方法开展向日葵遗传多样性研究
分子标记技术因其在DNA水平上具有丰富的多态性而被广泛用于遗传多样性研究与分析,而利用表型性状进行遗传多样性研究也是很有必要的。齐永文等[19]利用SSR分子标记和表型性状分析了水稻的遗传多样性,翟立娟等[20]利用CDDP(conserved DNA-derived polymorphism,保守DNA序列衍生多态性)分子标记和表型性状分析了延安万花山牡丹的遗传多样性,均表明采用分子标记和表型性状2种分析方法得出的遗传多样性结果具有高度一致性。DUS测试性状以作物表型、形态学特征为主,是开展DUS测试工作的基础。目前,利用向日葵表型进行遗传多样性研究主要集中在产量[4,21]、抗性[22,23]和品质[24]等相关性状上,而利用DUS测试性状和方法对向日葵品种进行遗传多样性分析的报道十分少见。王永行等[25]利用DUS测试性状对普通小麦的形态进行遗传多样性分析,表明不同品种间质量性状的遗传多样性相对较丰富,在DUS测试“三性”判定时要更多依据质量性状的差异进行判定。黄志城等[16]利用DUS测试性状对水稻地方品种进行遗传多样性分析,发现水稻地方品种具有丰富的多样性,可为今后粳稻育成品种的改良提供更多的形态基础。
本研究采用NY/T 2433-2013[18]中的43个测试性状对向日葵参试品种和近似品种进行描述和研究。基于DUS测试性状的形态相似系数对品种进行聚类分析和主坐标分析,发现参试品种植株:幼茎花青甙显色(chr1)、植株:茎上部刚毛(chr5)和苞叶:密度(chr10)比近似品种有更好的多态性。
3.2 利用其他方法开展的向日葵遗传多样性研究
本研究参试品种中没有向日葵分枝品种,故未对植株:主盘与最近侧盘位置(chr28)和植株:分枝类型(chr32)这2个性状进行分析,下一步将对NY/T 2433-2013[18]中的所有性状进行观测研究,更加全面地对向日葵遗传多样性进行评价。
3.3 基于DUS测试性状的向日葵品种遗传多样性分析
随着新的《非主要农作物品种登记办法》的实施和第十一批农业植物品种保护名录的发布,建议应以向日葵DUS测试性状为基础,加强我国向日葵已知品种资源的收集、保存、整理和评价工作。向日葵DUS测试分中心应加强对地方品种、农家种的收集、保存和评价,以DUS测试性状为基础,逐步完善和更新已知品种数据库,并适时将其对外开放,供我国广大育种者、育种机构、企业和科研单位等参考和使用,对遗传背景不同的、遗传基础丰富的向日葵品种应鼓励开发和利用。
4 结论
参试品种表型性状中共检测到124个等位变异,平均每个性状检测到3.0244个,多样性指数平均值为0.5582,变幅为0~1.8101;近似品种中检测到106个等位变异,平均每个性状检测到2.5854个,多样性指数平均值为0.5442,变幅为0~1.5663。参试品种的等位变异数、每个性状的等位变异数、多样性指数平均值及其变异幅度等均大于近似品种。在外观形态上,参试品种的遗传多样性比近似品种更丰富。总体来看,参试品种与近似品种形态差异较小,建议育种家拓宽向日葵亲本选育材料,从而促进向日葵材料创新及新品种选育。
参考文献
Comparison of genetic diversity of the germplasm resources of confectionary sunflower (Helianthus annuus) in China based on RAPDs and AFLPs
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