李志華 穆婷婷 李會霞 田 崗 劉 鑫 景小蘭

（1山西省農(nóng)業(yè)科學院高粱研究所，晉中030600；2山西省農(nóng)業(yè)科學院谷子研究所，長治046011；3山西省農(nóng)業(yè)科學院，太原030006）

谷子種質(zhì)遺傳多樣性研究進展

李志華1穆婷婷1李會霞2田 崗2劉 鑫2景小蘭3

（1山西省農(nóng)業(yè)科學院高粱研究所，晉中030600；2山西省農(nóng)業(yè)科學院谷子研究所，長治046011；3山西省農(nóng)業(yè)科學院，太原030006）

中國是谷子起源中心，具有豐富的種質(zhì)資源。為了揭示谷子遺傳多樣性遺傳背景、遺傳結(jié)構、多態(tài)性水平及品種間的親緣關系等，為種質(zhì)資源的收集、保存、評價和開發(fā)利用提供依據(jù)，國內(nèi)外學者對谷子開展了大量的遺傳多樣性研究，取得了豐富的研究成果。從形態(tài)學標記、細胞學標記、生化標記和DNA分子標記技術4個方面綜述谷子種質(zhì)資源遺傳多樣性研究進展，為谷子種質(zhì)資源全面系統(tǒng)研究提供理論基礎。

谷子；遺傳多樣性；研究進展

我國谷子栽培歷史悠久，距今已有7500多年，擁有世界上最豐富的谷子種質(zhì)資源，被認為是谷子的栽培起源中心。谷子作為一種小作物，曾經(jīng)由于其種植經(jīng)濟效益較低，費工費時等原因，種植面積逐漸萎縮[1]。但近年來，隨著對谷子全方位的深入研究，尤其是谷子配套簡化栽培技術[1-2]的日趨成熟完善，大大地解決了生產(chǎn)中制約谷子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題，調(diào)動了人們種植的積極性；加之人們越來越注重自身身體健康，特別是注重自身的飲食健康，意識到谷子去殼后獲得的“小米”具有豐富的營養(yǎng)價值，谷子重新受到人們的重視。

1 遺傳多樣性及其在育種中的研究意義

遺傳多樣性有廣義和狹義之分。廣義的遺傳多樣性是指“遺傳信息的總和，蘊藏在地球上植物、動物和微生物個體的基因中”。狹義的遺傳多樣性則是從群體遺傳學角度來講，指種內(nèi)不同群體之間及其群體內(nèi)不同個體間遺傳變異的總和。我們一般講的多指狹義的遺傳多樣性，它是生物進化和適應環(huán)境變化的基礎，種內(nèi)遺傳多樣性越豐富或遺傳變異越高，說明其對環(huán)境變化的適應能力也就越強。

作物種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究，對了解種質(zhì)遺傳變異的大小、時空演化的進度及其所處的生態(tài)環(huán)境、地理分布和氣候條件的關系，加深對種質(zhì)進化和分類的認識，尤其對于確定作物育種方案進行作物遺傳育種改良都有重要意義。在作物育種中，為了廣泛深入地了解、解決制約種質(zhì)資源有效利用的問題，更好、更有效地選擇利用種質(zhì)資源，一方面要盡可能地豐富種質(zhì)資源的遺傳多樣性，另一方面要深入地對種質(zhì)資源進行全面的了解。只有這樣才能更好地研究、利用種質(zhì)資源，為種質(zhì)的創(chuàng)制，品種的遺傳改良，新品種的選育等提供合理可行的理論數(shù)據(jù)及物質(zhì)基礎材料。

近年來，谷子育種家們利用不斷發(fā)展的科學技術手段對谷子種質(zhì)資源的遺傳多樣性開展了較為全面而系統(tǒng)的研究，促進了谷子的生產(chǎn)發(fā)展和育種成效，但尚缺系統(tǒng)的歸納和總結(jié)。本文在搜集相關文獻的基礎上，結(jié)合作者對谷子的相關研究工作及認識，對谷子種質(zhì)資源遺傳多樣性研究進展進行了總結(jié)，提出一些看法，以期為進一步開展谷子種質(zhì)資源的收集、保存、鑒定、利用及谷子品種改良及選育提供依據(jù)。

2 谷子遺傳多樣性的研究歷程及進展

多年來，谷子遺傳多樣性研究和其他作物相同，先后經(jīng)歷了形態(tài)標記、細胞學標記、生化標記和DNA分子標記4個階段。對不同階段的研究結(jié)果進行綜合，從不同層面和角度了解谷子遺傳多樣性的特點。

2.1關于形態(tài)水平上的研究 形態(tài)學標記是那些在植物生長發(fā)育過程中，用肉眼能觀察到的外部特征、特性，如穗長、穗型、株高、百粒重等，對某些病蟲害的抗耐性也可作為形態(tài)標記。在形態(tài)水平上，谷子具有明顯的遺傳多樣性變化，其廣泛的變異是基因型與環(huán)境互作的結(jié)果，在實際育種工作中非常有用，可以作為親本材料選擇的依據(jù)，是谷子種質(zhì)資源遺傳多樣性研究的主要方法。

在國外，M．Sato等[3]從形態(tài)學上研究世界各地的谷子種質(zhì)，結(jié)果表明所有谷子材料在數(shù)量性狀上存在地理來源間顯著差異，證實谷子的遺傳多樣性是基因?qū)Φ乩憝h(huán)境的一種適應性變異。在我國，王曉娟等[4]、閆鋒等[5]利用形態(tài)學標記分別對甘肅省種質(zhì)庫保存的谷子種質(zhì)資源和黑龍江省的谷子種質(zhì)資源進行形態(tài)學上的遺傳多樣性分析。結(jié)果顯示，在形態(tài)學上這些種質(zhì)資源性狀存在地區(qū)及品種上的多樣性，有明顯的性狀分化和表型變異，具有豐富的遺傳多樣性，指出這種表型變異的豐富性是谷子種質(zhì)資源自身遺傳對不同生態(tài)環(huán)境適應的結(jié)果，與M．Sato等[3]研究結(jié)果一致；其中株高的多樣性指數(shù)最高，穗長的多樣性指數(shù)最低，且外在條件及自身條件一致，試驗材料數(shù)越多，越能真實地表現(xiàn)種質(zhì)資源的遺傳多樣性。田伯紅[6]、王海崗等[7]分別對不同地區(qū)的谷子地方品種、農(nóng)家品種和選育品種進行形態(tài)性狀和農(nóng)藝性狀遺傳多樣性的分析，指出谷子資源在形態(tài)學方面具有較廣泛的遺傳多樣性，地方品種的廣泛變異類型是現(xiàn)代谷子育種的重要遺傳資源；地方品種形態(tài)性狀的多樣性指數(shù)大多高于育成品種，育成品種在性狀上株高顯著降低，穗重、穗粒重和出谷率等性狀則顯著提高，這些性狀上的差異應該是谷子育種者在育種長期定向選擇目標性狀的結(jié)果；同時，王海崗等[7]還根據(jù)谷子種質(zhì)資源的生育期將我國谷子種質(zhì)劃分為春播型、春夏兼播型和南方型3類型。

2.2基于細胞學標記及生化水平上的遺傳多樣性研究 谷子細胞學標記及生化標記研究，是隨著作物細胞遺傳學研究及生化技術研究的快速發(fā)展而展開的谷子遺傳多樣性研究。

對谷子細胞學研究主要是對谷子核型和帶型的研究[8-9]，結(jié)果表明不同谷子品種雖存在核型組成、核型分類等方面的分化，但整體變化相對較小，差異不大；不同品種帶型存在較大差異，同種帶型間也存在較大差異。

生化標記是在蛋白質(zhì)多態(tài)性的基礎上發(fā)展起來的標記方法，按照標記載體的不同，主要分為同工酶標記和種子貯藏蛋白（主要指醇溶蛋白）標記2種。谷子同工酶標記[10]指明，中國不同地區(qū)谷子品種同工酶酶譜類型多少不一，品種變異豐富，進化程度高，且認為品種間酶帶的相同是主要的，酶帶的差異是次要的，種內(nèi)不同品種間的同工酶譜差異性主要表現(xiàn)為少數(shù)酶帶的差異及相應酶帶相對活性的不同。谷子貯藏蛋白的遺傳多樣性研究[11-12]表明，谷子種內(nèi)的蛋白質(zhì)變異較小，但種間變異則大，可作為品種鑒定與評價的重要依據(jù)。在谷子育種中，為了拓寬谷子種質(zhì)資源遺傳多樣性，在對谷子進行遺傳育種改良時，要注重利用種質(zhì)資源地理親緣關系較遠品種及野生的近緣種，如合理利用“狗尾草”等野生近緣種。

2.3分子標記遺傳多樣性研究 隨著遺傳多樣性研究的深入發(fā)展，遺傳多樣性標記已從傳統(tǒng)的以表型識別為基礎的形態(tài)標記，以染色體的核型和帶型分化為特征的細胞學標記，以及以同工酶標記和種子貯藏蛋白為主的生化標記拓展到了目前廣泛開展的以DNA多態(tài)性為基礎的DNA分子標記，并成為谷子遺傳多樣性研究最有效的技術手段之一。

K. Fukunaga等[13]利用RFLP技術對亞、歐國家的62份谷子材料進行遺傳多樣性聚類分析，分成5類，指出中國的谷子品種具有很高的遺傳多樣性，大部分屬于IV類中，該類主要由尼泊爾、緬甸和部分東亞地區(qū)的品種構成，其余各類分別為I、II類主要包括東亞地區(qū)的品種，III類主要由日本、中國臺灣、菲律賓和印度的品種構成，V類主要由歐亞的中部和西部地區(qū)的品種構成。楊天育等[14]、楊延兵等[15]都曾利用RAPD標記對國內(nèi)不同生態(tài)區(qū)谷子品種的遺傳變異進行研究，結(jié)果指出，不同生態(tài)區(qū)的谷子品種間存在一定的遺傳差異，且遺傳差異程度并不高，在這點上面二者研究結(jié)果相同，但聚類類群結(jié)果卻稍有出入：楊天育等[14]研究聚類與生態(tài)類型有很大的一致性，而楊延兵等[14]聚類則認為不同生態(tài)區(qū)的品種可以歸為一類，而同一生態(tài)區(qū)的品種也可以歸為不同的類，得出基于RAPD的遺傳相似性和品種來源地沒有必然的一致性的結(jié)果。M. Le Thierry d′Ennequin等[16]應用AFLP標記對谷子品種遺傳多樣性進行了研究，認為中國谷子的遺傳多樣性豐富，東歐和非洲谷子的遺傳基礎狹窄，再次肯定了中國栽培谷子起源中心說的觀點。

SSR作為第2代分子標記與RFLP、RAPD等分子標記技術相比，由于其具有更加有效的標記手段，近年來在作物遺傳學研究中的應用和發(fā)展迅速。將其應用于谷子遺傳多樣性的研究屢見報道，成為研究谷子品種遺傳多樣性的理想標記。

E.J. Kim等[17]利用28個SSR引物對37個來自中國、韓國和巴基斯坦的谷子品種進行分析，指出來自中國的谷子品種的遺傳多態(tài)性最高，谷子的起源地為中國；朱學海等[18]、孫加梅等[19]利用SSR標記分別對國內(nèi)不同地區(qū)谷子材料進行遺傳多樣性研究，從分子水平證實我國的谷子種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性，有很高的育種潛力；各地谷子種質(zhì)基因多樣性指數(shù)高低參差不齊，但聚類結(jié)果與生態(tài)型一致。賈小平等[20]、楊天育等[21]通過SSR標記對我國各地谷子農(nóng)家種、育成種進行遺傳多樣性研究，結(jié)果表明谷子材料遺傳背景復雜，具有一定的多態(tài)性；谷子農(nóng)家種聚類群與生態(tài)類型比較一致，育成種則表現(xiàn)較為復雜，證明農(nóng)家種具有原始的遺傳背景，遺傳多樣性大于育成種，育成種是育種者對谷子種質(zhì)資源有利基因創(chuàng)制、改良的利用。但王姍姍等[22]利用SSR標記法對來自遼西地區(qū)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的8份谷子品種進行分析，結(jié)果顯示多態(tài)性并不高，分析原因可能是由于當前谷子育種手段的單一性和局限性，特別是對重點骨干親本過度的集中利用，使得區(qū)域性谷子育成品種遺傳背景較相似，造成谷子遺傳多樣性降低。沈琰等[23]利用SSR標記對照黑龍江、吉林省的谷子典型品種，發(fā)現(xiàn)吉林省谷子品種基因多樣性略比黑龍江省豐富，但吉林省內(nèi)谷子品種遺傳相似系數(shù)較大，親緣關系較黑龍江省更近，遺傳多樣性不高且多源于本省內(nèi)，兩省間交流較少，得出加強兩省種質(zhì)資源的交流和配合使用，有助于提升各地區(qū)谷子遺傳多樣性及新品種的育成。

3 結(jié)論

綜合谷子遺傳多樣性的4種標記，其遺傳多樣性的標記方法不同，研究層面不同，水平利用不同，所用研究原理、結(jié)果也各不相同，但研究結(jié)果總體有以下幾個特點：（1）谷子遺傳多樣性生化標記和分子標記的研究都進一步證實中國谷子起源中心說。中國有最多的谷子種質(zhì)資源，是世界上谷子遺傳多樣性最豐富的國家。（2）基于表型的遺傳多樣性和基于分子標記的遺傳多樣性都表明谷子的遺傳多樣性變異是基因遺傳對生態(tài)環(huán)境適應性的變異，也正是由于自身基因遺傳和環(huán)境的相互影響，使得谷子種質(zhì)資源存在品種多樣性和地區(qū)多樣性，多樣性指數(shù)高低不同；地區(qū)間的差異遠遠大于品種間；聚類結(jié)果幾乎都是谷子來源地生態(tài)類型聚為同類。（3）地方品種、農(nóng)家種的廣泛遺傳變異類型是現(xiàn)代谷子育種的重要遺傳資源。地方品種、農(nóng)家種與育成品種比較，無論在形態(tài)上還是在基因上，遺傳多樣性都遠遠高于育成品種，這可能是育種者在選育谷子新品種時，過度注重對重點骨干親本的集中利用及過度追求高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗、適應性廣的目標性狀的結(jié)果。

4 討論

我國是世界上谷子資源保存量最豐富的國家。目前，已被鑒定并編錄的谷子種質(zhì)資源有27059份，其中國內(nèi)26536份，國外523份；粳質(zhì)品種24225份，占89.5%，糯質(zhì)品種2834份，占10.5%[24]。我國谷子種質(zhì)有豐富的遺傳多樣性，具有很高的研究和利用價值。

4.1繼續(xù)加強對我國現(xiàn)有谷子農(nóng)家種、地方種種質(zhì)資源的收集與保存利用 目前，我國雖每年都在不斷地增加谷子種質(zhì)資源的數(shù)量，但仍有部分地方品種、農(nóng)家種未被發(fā)現(xiàn)、收集、鑒定、保存，造成許多種質(zhì)資源的流失，亟待發(fā)掘；對外來種質(zhì)資源重視不足，缺少有效的引進辦法，以后應在加強種質(zhì)資源的收集、保存利用的同時，注重對外來種質(zhì)的引進利用。

4.2繼續(xù)深入了解谷子資源現(xiàn)狀，打破遺傳基礎相對狹窄的局面 在對現(xiàn)有谷子種質(zhì)資源的研究與利用當中，農(nóng)民、育種者在對種質(zhì)資源進行種植、基礎材料應用、新品種選育及谷子生產(chǎn)利用時，過分地青睞一些優(yōu)異種質(zhì)，過度注重對目標性狀的選擇，不斷地重復研究一些優(yōu)異的種質(zhì)資源，忽略甚至淘汰了一些含有其他方面優(yōu)良基因的種質(zhì)資源，使得谷子遺傳基礎越來越狹窄、單一。這種現(xiàn)狀導致對其他種質(zhì)資源利用不足，研究不深不廣，開發(fā)力度遠遠不夠，嚴重地限制了谷子遺傳多樣性的利用，以后應加強對現(xiàn)有谷子種質(zhì)及野生近緣種質(zhì)的研究、改良、創(chuàng)造和利用，拓展谷子遺傳基礎，豐富谷子可利用遺傳基礎，打破我國谷子種質(zhì)資源遺傳多樣性雖豐富，但遺傳基礎相對狹窄的局面。

4.3多種技術手段相結(jié)合，拓寬谷子遺傳基礎利用以科技為支撐，采用常規(guī)育種與理化誘變、生物技術等多種技術手段相結(jié)合的方式，加快谷子基因挖掘、改良及性狀鑒定等基礎研究。不斷擴大谷子遺傳變異背景，挖掘有益基因及潛在的優(yōu)質(zhì)谷子種質(zhì)資源進行種質(zhì)創(chuàng)新研究，提高谷子種質(zhì)創(chuàng)新和新品種培育的水平。

4.4加強國內(nèi)、國際交流與合作，打破谷子生態(tài)區(qū)域限制 在選育適應性廣、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的優(yōu)質(zhì)谷子新品種，進行谷子遺傳性狀定向改良時，為克服重復研究誤工費時的局面，要加強國內(nèi)外的技術、信息交流與合作。要打破谷子生態(tài)區(qū)域的偏見，本著互助互補的原則，合理開發(fā)利用谷子種質(zhì)資源，有助于拓寬谷子遺傳多樣性研究與利用。

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2017-04-03）

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