1、河南省 106 个审定花生品种亲缘关系分析 孙子淇 齐飞艳 郑峥 董文召 黄冰艳 张俊 张忠信 汤丰收 张新友 刘志勇 中国农业大学农学院 河南省农业科学院经济作物研究所/农业部黄淮海油料作物重点实验室/河南省油料作物遗传改良重点实验室 摘 要： 利用花生育成品种的系谱和亲缘系数分析了河南省 1982-2016 年间培育和审定的 106 个花生品种的遗传多样性。河南省主要育成花生品种绝大多数含有骨干亲本伏花生的血缘, 约 92%的组合间存在亲缘关系, 亲缘系数 (coefficient of parentage, COP) 变异范围为 00.773, 平均 COP 值为 0.149。COP 值
2、聚类分析结果表明, 除 3 个品种 (开农 53、泛花 3 号、驻花 2 号) 因与其他品种无亲缘关系而各自独成一类外, 其余 103 个品种均有亲缘关系。13 个品种与其他品种亲缘关系较远, 剩余 90 个品种可被分为 10 类, 每类均由特定品种及其衍生系组成。以上结果表明河南省育成花生品种的遗传背景较窄, 遗传多样性较差, 利用新的种质资源, 创新亲本组配方式, 提高育成品种的遗传多样性是今后花生育种工作中需要改进的方向。关键词： 花生; 亲缘系数; 遗传多样性; 系谱; 作者简介：孙子淇 (1988-) , 女, 河南唐河人, 硕士, 研究方向为花生遗传育种, E-mail:作者简介：
3、刘志勇 (1965-) , 男, 河北唐县人, 教授, 博士, 研究方向为小麦遗传育种;E-mail:作者简介：张新友 (1963-) , 男, 河南太康人, 院士, 博士, 研究方向为花生遗传育种, E-mail:收稿日期：2017-08-12基金：河南省重大科技专项 (161100111000) Analysis of parental relationship of 106 peanut cultivars released in Henan ProvinceSUN Zi-qi QI Fei-yan ZHENG Zheng DONG Wen-zhao HUANG Bing-yan ZHA
4、NG Jun ZHANG Zhong-xin TANG Feng-shou ZHANG Xin-you LIU Zhi-yong College of Agronomy, China Agricultural University; Industrial Crops Research Institute, Henan Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Oil Crops in Huanghuaihai Plains, Ministry of Agriculture/Henan Provincial Key Laboratory
5、 for Genetic Improvement of Oil Crops; Abstract： Genetic diversities of 106 peanut varieties released from 1982 to 2016 in Henan Province were analyzed by pedigree and coefficient of parentage ( COP) . The results indicated that the majority of the pedigrees of released varieties could be traced bac
6、k to the same ancestor Fuhuasheng, and about 92% of the cross combinations which generated the released varieties were shared parental relationship. The COP values ranged from 0 to 0. 773 with the average of 0. 149. Cluster analysis suggested that 3 of 106 peanut varieties were clustered into 3 grou
7、ps because they shared no parental relationship with any other varieties, 13 varieties had distant parental relationship with other varieties. The remaining 90 varieties were grouped into 10 clusters, each of which consisted of certain cultivar and its derived lines. Above results indicated that the
8、 genetic background of peanut varieties released in Henan Province was quite narrow and the genetic diversity was relatively poor. Therefore, utilizing novel germplasm resources, innovating parental combinations, and enhancing the genetic diversity should be the focus of peanut breeding in future.Ke
9、yword： peanut; coefficient of parentage; genetic diversity; pedigree; Received： 2017-08-12河南省是中国花生的主要产区, 种植面积和产量均居全国首位, 分别占 22%和28%左右 (http:/ 2010-2015) 。花生是继小麦、玉米之后河南省第三大农作物, 第一大油料作物1。从 1982 年中国实行品种审定制度至 2016 年, 河南省培育并通过审定的花生品种达 106 个, 使花生主产区的良种覆盖率达 90%以上, 促进了河南省花生产量的大幅度提高2。目前花生育种主要利用骨干亲本及其衍生系杂交选育新
10、品种3。据沈一等4统计, 截止 2014 年 7 月 31 日, 花生中间型品种徐州 68-4 至少衍生了 218 个后代品种 (系) 。而且, 现代育种中长期对产量、抗性、品质等性状的连续选择, 使育成品种遗传基础日益狭窄, 遗传多样性下降5。因此, 利用已育成品种的系谱信息分析其亲缘关系有助于育种家了解品种的遗传背景, 从而制定出更加合理的育种方案。亲缘系数 (coefficient of parentage, COP) 衡量两个个体之间遗传关系, 定义为在一个基因座位上, 个体 X 的一个随机等位基因与 Y 的一个随机等位基因后裔同样的概率6。目前常用的亲缘系数计算方法是参考 Cox 等
11、7的公式, 计算原则如下: (1) 一个品种分别从其双亲得到一半的基因; (2) 所有祖先种、亲本及其后代品种都是纯合的; (3) 最早的祖先品种 (系) 间的亲缘系数为 0; (4) 系选品种、自然突变和诱导突变材料与其祖先的亲缘系数为 0.75; (5) 同一亲本组合的后代两品种间的 COP= (0.75) ; (6) 一个品种与其自身的COP=1。该方法在计算的品种数较多, 且系谱相对复杂时, 计算量大, 很容易出错。Emik 等8提出亲缘协方差法计算亲缘系数, 使计算过程简化, 其计算方法如下:式中:COV SD为个体 S 和 D 的亲缘协方差, COV SS和 COVDD分别为个体
12、S 和 D 自身亲缘协方差。范强等9将该法在 Excel 的宏中实现:首先在 Excel 中建立一个应用宏, 取名为“亲缘系数”, 输入 VBA 代码并保存;然后将系谱信息用字母或数字替代, 未知亲本用“0”代替, 输入到 Excel 中 A、B、C 三列;最后点击“执行”即可得到每一对个体的亲缘系数。本研究中 COP 的计算是利用 Excel中宏应用的 VBA 代码完成的。了解所选用种质的遗传多样性是育种工作的基础, 计算 COP 只需要育成品种的系谱信息, 不受环境因素的影响, 也不需要大量的实验室工作, 对于已知系谱信息的自花授粉作物, COP 分析是一种简便的评价遗传多样性方法10,1
13、1, 并已应用于水稻12、玉米13、小麦14、大豆15等作物中。在花生中, 用亲缘系数分析育成品种的遗传多样性也已得到应用, 如王丽丽等16应用亲缘关系指数分析了山东省不同年代主栽的 28 个花生品种的遗传多样性, 陈志德等17分析了江苏省审 (认) 定的 28 个品种的亲缘系数并进行了遗传多样性评价。本文拟利用亲缘系数对河南省 106 个审定的花生品种遗传背景及它们之间的亲缘关系进行了分析, 旨在为今后育种方案的制定提供理论依据。1 材料与方法1.1 材料1982 年至 2016 年间, 河南省培育并通过审定的花生品种总计 106 个, 其中开农白 2 号和新花 1 号通过诱变育成, 豫花
14、6 号和豫花黑 1 号通过系统选育而来, 其他品种均通过品种间杂交育成, 品种编号、名称、审定时间、亲本及育种单位等信息详见表 1。根据这些品种的育成年份, 可以将它们分为 6 个时期:1982-1990 为第 1 时期, 育成花生品种 3 个;1991-1995 为第 2 时期, 育成花生品种 5 个;1996-2000 为第3 时期, 育成花生品种 6 个;2001-2005 为第 4 时期, 育成花生品种 19 个;2006-2010 年为第 5 时期, 育成花生品种 30 个;2011-2016 年为第 6 时期, 育成花生品种 43 个。1.2 方法系谱信息通过国家花生数据中心 ()
15、 网站查询或育种单位专家提供, 每个品种的系谱追溯至其农家祖先种或无法再进一步追溯其遗传来源的育成品系或品种, 国外引进种质视为祖先亲本。系谱信息收集完成后, 参考范强等9一文中的格式用代码替换系谱信息, 主要包括品种代码 (ID) 、母本代码 (Dam) 和父本代码 (Sire) 。利用 R 语言程序包 nadiv 中的 nadiv:prep Ped 命令对系谱排序, 以确保品种列中的字符出现在亲本列中的字符之前。将排序后的系谱输入到 Excel 中, 并在 Excel 的宏程序中输入范强等9一文中提供的程序, 即可计算出各品种间的 COP。用 (1-COP) 矩阵表示系谱遗传距离矩阵, 利
16、用 NTSYS_2.10e 软件中的不加权成对群算术平均法 (UPGMA) 对 (1-COP) 矩阵 (106106) 进行聚类分析。表 1 育成品种的来源、亲本组合及审定时间 Table 1 Origin, parental combination, and released time of peanut cultivars 下载原表 表 1 育成品种的来源、亲本组合及审定时间 Table 1 Origin, parental combination, and released time of peanut cultivars 下载原表 表 1 育成品种的来源、亲本组合及审定时间 Table
17、 1 Origin, parental combination, and released time of peanut cultivars 下载原表 表 1 育成品种的来源、亲本组合及审定时间 Table 1 Origin, parental combination, and released time of peanut cultivars 下载原表 2 结果与分析2.1 育成品种系谱由表 1 可知, 河南省培育及审定的 106 个品种中, 以豫花 15 为直接亲本育成的品种有 14 个, 以豫花 7 号为直接亲本育成的品种有 9 个, 以豫花 11 为直接亲本育成的品种有 8 个, 以开
18、农 30 为直接亲本育成的品种有 8 个, 以远杂 9102为直接亲本育成的品种有 7 个, 以豫花 1 号为直接亲本育成的品种有 5 个。此外, 还有 25 个品种用已育成品种做直接亲本, 去除重复后, 106 个花生品种中有 59 个是以育成品种为直接亲本选育而成, 占育成品种总数的 55.7%。有 5 组品种由同一亲本组合选育而成:豫花 9 号和豫花 13 的亲本组合为濮阳513/豫花 2 号;豫花 16 和濮科花 9 号亲本组合为濮花 9 号/鲁花 9 号;豫花 11 和豫花 14 的亲本组合为抗青 10/鲁花 3 号;濮科花 5 号和豫大 6 号的亲本组合为鲁花 14/濮 9412,
19、 濮花 9519 和濮花 28 由其反交组合濮 9412/鲁花 14 选育而成;开农 61、开农 176、开农 1715、开农 172、开农 71 和开农 70 共 8 个品种均来源于组合开农 30/开选 01-6。伏花生、徐州 68-4 和狮头企为建国以来我国花生育种上贡献排名前三的骨干亲本4。106 个花生品种中仅有开农 36、开农 53、泛花 3 号、驻花 2 号和开 192这 5 个品种不是伏花生的衍生品种, 其余 101 个均为其衍生品种, 占育成品种总数的 95.3%;徐州 68-4 的衍生品种有 81 个, 占育成品种总数的 76.4%;狮头企的衍生品种有 62 个, 占育成品种
20、总数的 58.5%。由此可以看出, 河南省花生品种在选育过程中有如下特点:已育成品种用作直接亲本选育新品种的现象较普遍, 同一亲本组合选育出多个不同的品种, 95%以上品种含有骨干亲本伏花生的血缘, 一半以上的品种含有骨干亲本徐州 68-4 和狮头企的血缘。这些特点表明河南省已育成的花生品种遗传背景较单一, 遗传多样性较差, 在今后的育种工作中应加强对外来种质和农家种质的开发利用, 亲本的组配方式也应根据育种目标进行多元化选择。2.2 品种间的亲缘系数在 106 个品种所涉及的 5 565 对组合中, 5 124 个组合存在亲缘关系, 占组合总数的 92%, 品种间 COP 值的变异范围为 0
21、0.773, 平均为 0.149, 其中开农53、泛花 3 号、驻花 2 号 3 个品种与其他品种不存在任何亲缘关系, 即与其他品种间的 COP 值均为 0。表明河南省大部分花生品种间存在亲缘关系, 遗传多样性较低。所有组合中 COP 值最大的是 0.773, 即豫花 14 与濮花 17, 是因为豫花 14 是濮花 17 的父本, 且豫花 14 和濮花 17 的母本同为抗青 10 号。2.3 品种亲缘系数的聚类分析对品种间的 COP 值进行聚类分析 (图 1) , 除开农 53、泛花 3 号和驻花 2 号 3个品种因与其他品种不存在亲缘关系各自聚成一类, 其他 103 个品种间都有亲缘关系。开
22、农 36 和开 192 由于分别含有狮头企和开选 01-6 的血缘而和其他花生品种聚集在一起, 其他品种由于含有伏花生的血缘而聚集在一起。剩余的 103 个品种中的 90 个可以分为 10 大类 (A、B、C、D、E、F、G、H、I、J) 。A 类群共有 11 个花生品种, 包括开 192、豫花 37、开农 30 以及开农 30 和开选 01-6 衍生出来的 8 个品种, 除开农 30 外, 其他品种都是以开选 01-6 为父本选育出来的高油酸花生品种。B 类群共有 5 个花生品种, 包括开农 8 号以及鲁花 14 和濮 9412 衍生出来的 4 个品种, 鲁花 14号由开农 8 号衍生而来,
23、 所以后 4 个品种在同一距离处先聚在一起后与开农 8号聚合。C 类群的 4 个花生品种是由豫花 2 号衍生而来。D 类群共有 8 个花生品种, 其中豫花 1 号、豫花 5 号和郑农花 7 号是由于共同含有徐州 68-4 的血缘而聚集在一起, 其他 5 个品种均是豫花 1 号的衍生系。E 类群中共有 10 个花生品种, 豫花 11 和豫花 14 来源于抗青 10 号和鲁花 3 号, 濮花 17 号来源于抗青 10号和豫花 14, 所以濮花 17 和豫花 14 的亲缘系数是所有品种间最高的, 二者的遗传距离近至完全聚集在一起;除郑 8159-1 因是郑农花 13 的亲本而聚在此类, 其他 6 个
24、品种均是豫花 11 的衍生系。F 类群共有 7 个花生品种, 均为豫花 9327的衍生系。G 类群共有 11 个花生品种, 是以豫花 7 号及以其为主要亲本选育的品种。H 类群共有 17 个花生品种, 该组是以豫花 15 及其亲本徐 7506-57 为主要亲本选育的品种, 豫花 6 号由徐 7506-57 系选而来, 豫花 9326 为徐 7506-57的衍生系, 且为豫花 47 的亲本, 其他品种均由豫花 15 诱变或衍生而来。I 类群共有 6 个花生品种均为鲁花 9 号的衍生系, 其中豫花 16 和濮科花 9 号分别由鲁花 9 号和濮花 9 号的正反交组合选育而来。J 类群有 11 个花生
25、品种, 主要由远杂 9102 和其亲本白沙 1016 的衍生系组成。图 1 基于亲缘系数的品种聚类 Fig.1 Cultivars clustering based on relationship coefficient 下载原图余下的 13 个花生品种中豫花 3 号为开农 8598 的亲本, 豫花 9931 为豫花 33 的亲本, 豫花 10 号和豫花 12 号有共同的亲本锦交 4 号。其他 6 个品种郑花 5 号、开农白 2 号、商研 9938、濮科花 7 号、宛花 2 号、俊达 66、开农 36 因与其他品种的亲缘关系相对较远而聚合稍晚。2.4 不同育种单位及不同年代品种间的亲缘系数河南
26、省农业科学院经济作物研究所、开封市农林科学研究院和濮阳市农业科学院三个单位育成的花生品种比较多, 分别育成了 40、21、15 个花生品种。这三个单位育成品种间的平均 COP 值分别为 0.196、0.167 和 0.220, 亲缘关系比率分别为 100%、82%和 100%, 表明各单位育成品种亲缘关系较近, 多样性较差。从 1982 年中国实行品种审定制度至 2016 年期间, 按照前面划分的 6 个时期, 对每一个时期内育成品种的 COP 进行了分析。结果表明, 这些年代育成花生品种间的平均 COP 值分别为 0.171、0.274、0.156、0.178、0.164 和 0.131,
27、亲缘关系比率分别为 100%、100%、100%、93.6%、93.3%和 87.4%。前 3 个时期育成的花生品种较少, 因含有共同的祖先亲本, 相互间均有亲缘关系。第 1 时期仅育成了 3 个花生品种, 均含有伏花生的血缘;第 2 时期育成的 5个花生品种中有 3 个是以第 1 时期育成的豫花 1 号或其母本徐州 68-4 为直接亲本育成的, 另两个品种中也含有徐州 68-4 的血缘, 所以这个时期育成品种间的平均 COP 值是几个时期中最高的;第 3 时期育成的 6 个花生品种也都含有共同的祖先亲本伏花生。从第 4 时期开始, 育成花生品种数量快速增长, 育种单位也在逐渐增加, 平均CO
28、P 值和亲缘关系比率在逐渐下降。第 4 时期育成的花生品种比前 3 个时期的总和还多, 第 5、6 时期育成的花生品种数大约分别是第 4 时期的 2 倍和 3 倍。随着育种单位和育成品种数的增加, 河南省花生品种的遗传多样性逐渐升高。3 讨论本研究结果表明, 河南省审定的 95%以上的花生品种都含有骨干亲本伏花生的血缘, 一半以上的品种由已育成的品种做直接亲本选育而成, 亲缘关系比率为92%, 由此可见河南省审定花生品种的亲缘关系较近, 遗传背景较窄。王丽丽16和陈志德17分别分析了山东、江苏 28 个主栽品种间的亲缘系数, 平均COP 值分别为 0.123 和 0.238, 河南的为 0.1
29、49, 表明我国育成花生品种的遗传多样性都比较低。因此, 我国花生育成品种的遗传背景和遗传多样性有待进一步拓宽和提高。从亲缘系数聚类的结果看, 各个育种单位和不同年代的育成品种没有明显的聚集现象, 表明不同育种单位、不同年代育成的品种互为亲本、相互渗透。从不同育种单位育成的品种来看, 三个主要育种单位育成品种的平均 COP 值均高于河南省的平均值, 表明育种单位内部品种间的遗传多样性较低, 且从育成品种的系谱来看, 各育种单位育成的品种互为亲本, 表明不同育种单位间合作、交流较多。从不同育种年代来看, 第 2 时期的育成品种间的平均 COP 值最高为0.274, 从第 4 时期开始, 平均 C
30、OP 值有下降趋势, 第 6 时期的值最低为0.131。表明河南省虽然已经开始注重提高花生育种中的遗传多样性, 但目前效果仍不太理想, 挖掘新的种质资源或多样性合理组配育成品种用于品种选育是当前重要工作之一。不同时期育成的品种也反映了不同时期的育种目标和生产与市场需要。为适应河南省不同的种植模式, 不但选育了生育期较长适于春播和麦套的大果花生品种, 如豫花 1 号、豫花 15、豫花 9326 等, 还选育了生育期较短适于麦后夏直播的小果花生品种如远杂 9102、豫花 9327、豫花 40 等, 为河南省花生面积的稳步提高作出了重要贡献。为满足不同的市场需要, 第 4、5 时期育成了一批高油的花
31、生品种如豫花 15、远杂 9102、豫花 9326 等花生品种, 第 6 时期育成了开农 61、豫花 37、开农 70 等一批高油酸花生品种。育种目标的多元化促进了亲本选配的多样性, 也一定程度上提高了育成品种的遗传多样性。通过追踪品种的系谱不难看出, 河南省现有主推品种均对前期审定品种进行改良而成, 由于对以往审定品种引入了新的优异血缘, 使河南花生品种的早熟性、抗性、品质性状得到显著改善。尤其是远缘杂交技术的应用, 将野生资源优良性状引入审定的栽培种, 显著改变了品种的性状, 适应了市场需求, 这些品种得到快速推广。本团队利用 14 个 SSR 标记对河南省 2015 年之前选育的 90
32、个花生品种进行了聚类分析18, 可能是由于构建指纹图谱所用的标记数较少, 导致分子标记聚类结果与本研究中系谱分析的聚类结果不完全一致, 仅有第 4 类与本文中的第 J类大致一样, 但整体趋势一致, 即亲缘关系近的品种聚集在一起。亲缘系数和SSR 标记是从两个不同方面分析花生品种的遗传多样性。SSR 标记聚类分析聚集在一起的品种亲缘关系较近, 如豫花 11 和濮科花 4 号, 漯花 6 号和豫花9327。而亲缘关系较远的品种如豫花 15 和泛花 3 号, SSR 标记分析结果却聚在了一起, 可能是因为泛花 3 号的系谱信息不全导致的。亲缘系数和分子标记均可以分析花生品种的遗传多样性, 了解已育成
33、品种的遗传背景, 为今后花生育种亲本选配奠定基础。参考文献1董文召, 张新友, 汤丰收, 等.河南省育成花生品种的产量、品质、抗性及农艺性状分析J.中国农学通报, 2011, 27 (7) :158-165. 2臧秀旺, 张新友, 汤丰收, 等.河南省花生种子繁育存在的问题及发展建议J.现代农业科技, 2012, 20:78-78. 3孙贵荒, 张仁双, 孙恩玉, 等.辽宁省主要大豆品种系谱构成和细胞质来源分析J.辽宁农业科学, 1998 (1) :32-35. 4沈一, 鄂志国, 刘永惠, 等.中国花生品种及其系谱数据库的构建J.中国油料作物学报, 2015, 37 (4) :571-575
34、. 5Committee on Genetic Vulnerability of major crops.Genetic vulnerability of major cropsC.Washington D C, 1972. 6翟虎渠, 王建康.应用数量遗传学 (第二版) M.北京:中国农业科技出版社, 2007. 7Cox T S, Lookhart G L, Walker D E, et al.Genetic relationship among hard red winter wheat cultivars as evaluated by pedigree analysis and gliadin polyacrylamide gel electrophoretic patternsJ.Crop Sci, 1985, 25:1 058-1 063. 8Emik L O, Terrill C E.Systematic procedures for calculating inbreeding coefficientsJ.The Journal of Heredity, 1949, 40 (2) :51-55.
