追溯北京市1983—2010年90个大豆品种的系谱信息, 计算其亲本间及品种组合间亲缘系数(coefficient of parentage, COP)并据此聚类, 旨在探讨北京市育成大豆品种的遗传多样性特点。结果表明, 19个品种的父母本间存在亲缘关系, 占品种总数的21.11%; 90个品种间共组成4005对组合, 其中63.62%存在亲缘关系, COP平均值为0.031, 表明大部分品种亲缘关系相对较远。随着时间的推移, 品种间亲缘系数呈下降趋势, 但从2005年至2010年亲缘系数值增大。除12个品种各自独为一类外, 其余78个品种被聚成10类, 反映出不同年代的育种特征和品种演化过程; 中品661等9份种质是对北京市大豆品种培育贡献较大的骨干亲本。北京市品种总体的遗传背景丰富, 但随年代推移, 遗传多样性有逐渐降低趋势。
To explore the relationship and genetic diversity of soybean cultivars in Beijing and provide theoretical guidance for soybean breeding, we traced the pedigree information of 90 soybean cultivars released from 1983 to 2010 and calculated the coefficients of parentage (COP) between the parents and between cross combinations. The results showed that 19 of 90 cultivars had relationships in their parents. A total of 4005 cross combinations were made among 90 cultivars, and 63.62% of the combinations shared parental relationship, but their average COP value was only 0.031, showing that there existed abundant genetic diversity because there were not close relationship among most cultivars; COP value between cultivars reduced in the process of time, but increased from 2005 to 2010. Cluster analysis suggested that 78 cultivars could be divided into 10 groups, reflecting breeding characteristics in different times and evolution of cultivars. Nine accessions were found to be core parents which contributed more than the other parents. Therefore, the genetic basis of soybean cultivars in Beijing was abundant but genetic diversity became narrower in the process of time.
1923—1995年, 中国利用348个祖先亲本培育出 651个大豆品种, 其祖先亲本仅占大豆品种资源总数的1%[1]。目前广泛存在利用骨干亲本及其衍生系杂交选育新品种的倾向[2], 另外, 长期对产量、抗性、品质等性状的连续定向选择, 有可能使品种的遗传基础日益狭窄, 遗传多样性下降[3]。因此, 对以前育成品种进行遗传背景分析, 从遗传亲缘关系中筛选出可供育种或生产上利用的种质(或性状)越来越重要。
亲缘系数(coefficient of parentage, COP)是衡量个体之间亲缘关系远近或共占某一特定基因概率的指标。COP的计算依赖于个体的系谱信息, 不受环境因素影响, 既可以研究单个品种的遗传信息, 还可以预测品种间的遗传背景丰富程度, 因此, 对于已知系谱信息的自花授粉植物, COP分析是一种简便的研究遗传多样性的方法[4,5], 并已应用于玉米[6]、小麦[7,8,9,10,11]、燕麦[4]、甘蔗[12,13]、水稻[14]和大豆[15,16,17,18]等作物。在大豆方面, Sneller[15]和Helms等[16]对美国大豆育成品种、Cui等[17]对中国1923—1995大豆育成品种、Zhou等[18]对日本1950—1988年86个大豆育成品种进行了COP分析, Helms等[16]及Zhou等[18]指出, 亲缘关系较近的亲本杂交后代的遗传变异要小于亲缘关系较远的亲本杂交后代, 在亲本选配时要选择COP值较小的亲本组合。
位于北京市的大豆育种单位主要针对黄淮海地区夏大豆生产需要选育丰产、抗病、优质的大豆品种, 并兼顾北方春大豆生产对品种的需要, 所育成品种遍及黄淮海各省市, 取得了较大的成绩。自1983年第一个大豆品种早熟3号审定以来, 至2010年已育成品种90个, 特别是2001—2010年育成品种58个, 占总数的64.44%, 平均每年审定品种约6个; 广适品种中黄13累计种植面积已达400万公顷, 2012年获国家科技进步一等奖; 高产品种中黄35于2010年在新疆创造了6088.4 kg hm-2单产最高记录。为总结育种经验, 促进优异品种选育, 本文采用亲缘系数(COP)分析方法, 对1983—2010年北京市育成的90个大豆品种进行遗传多样性分析, 探讨其品种间的遗传关系和品种演化规律, 以为合理利用种质资源和选配亲本、制定育种方案、培育新品种提供理论依据。
为了便于比较和分析不同年代育成品种的特点, 将北京市科研单位于1983—2010年育成的90个大豆品种(表1)分为4个时期, 1980—1989年为第1时期, 育成品种10个; 1990—1999年为第2时期, 育成品种18个; 2000—2010年育成品种较多, 分为2个时期, 其中2000—2004年为第3时期, 2005—2010年为第4时期, 分别育成品种36个和26个。
追溯品种的系谱直至祖先亲本(指终极的地方品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)。系谱资料来源于崔章林等[1]编著的《中国大豆育成品种系谱分析(1923—1995)》和李卫东主编的《黄淮海大豆种质改良》书稿(尚未正式出版), 2005年以后的系谱资料由育种单位专家提供。
参考Cox等[10,17,18,19]的方法计算90个品种父母本间及成对组合的COP。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)2; (6)一个品种与其自身的 COP = 1; (7)含有部分相同亲本的旁系品种S和品种D间的亲缘系数 COPSD=Σ[(1/2) n], n代表S品种和D品种的共同亲本与品种S间的世代和品种 D间的世代数之和。用(1-COP)表示系谱遗传距离, 采用SAS9.1软件以欧氏距离的类平均法对COP (90×90)亲缘系数矩阵进行聚类分析。
在供试的90个品种中, 7个由单一亲本系选或诱变育成, 64个父母本间的COP值为0, 19个父母本间的COP值为0.001~0.750, 平均值为0.097。在有亲缘关系的19个品种中, 除中黄53 (亲缘系数为0.750)与京豆1号(亲缘系数为0.563)的两亲本亲缘关系较近外, 其他品种亲本间亲缘关系均相对较远, 亲缘系数均小于0.089。可见, 北京市大豆品种除少数品种的父母本间有亲缘关系外, 其余均无亲缘关系, 表明北京市大部分育成品种遗传信息较为丰富。
90份供试品种共组成4005对组合, 其中2548个组合存在亲缘关系, 占组合数的63.62%, 所有组合的COP值变化范围为0~0.781, COP总和为122.855, 平均为0.031, 表明北京市大部分大豆品种间存在亲缘关系, 但其遗传相似程度较低。所有组合中COP值最大的是0.781, 即京豆1号与早熟6号及京豆1号与早熟3号组合, 这是因为早熟3号与早熟6号为姊妹系, 而京豆1号为早熟3号与早熟6号杂交选育后代; COP次大值是0.750, 为中品661与科新7号组合, 这是因为科新7号为中品661化学诱变选育而成; COP第3大值为0.563, 很多姊妹系品种间的COP值为0.563, 如早熟3号与早熟6号等。
对品种间COP值反映的遗传相似性进行聚类分析(图1), 除中黄26、中黄42、中黄24、中黄40、科丰37、豪彩1号、中黄8号、中黄35、中黄57、中黄29、顺豆92-51及中作引1号等12个品种各自单独成一类外, 其他品种共聚成10个类群(A、B、C、D、E、F、G、H、I和J)。从整体来看, 大多具有相同或相似亲本的品种聚在一起, 表明其亲缘关系近, 且大多同一年代的品种聚在一类, 体现出不同年代的育种特征。A群以早熟3号、早熟6号及其姊妹系及其以它们为主要亲本选育的品种组成; B群是以诱变30、诱变31 (组合为58-161×徐豆1号)及其姊妹系以及以它们为主要亲本选育的品种组成; C群是以品系遗-4和遗-2 (组合均为诱变30×Clack63)为主要亲本选育的品种组成; D群是以科新3号及以其为主要亲本选育的品种组成; E群是以早熟18及以其为主要亲本选育的品种组成; F群是以中品661及以其为主要亲本选育的品种组成; G群是以豫豆8号为主要亲本选育的品种组成; H群是以L81-4590的衍生品系Ti15176为主要亲本选育的品种组成; I群是以鲁豆4号为主要亲本选育的品种组成; I群包括2个品种, 中野1号和中野2号, 为姊妹系, 是利用一年生野生大豆为亲本选育而成。
从聚类图上可以分析北京市品种演化的过程, 20世纪80年代育成品种主要为原中国科学院遗传所选育的早熟3号、早熟6号及其姊妹系、诱变30、诱变31等, 部分品种如早熟3号和诱变30成为20世纪90年代的骨干亲本。20世纪90年代上半时期, 分别以早熟3号及诱变30为主要亲本育成了科新8号、中黄6号、中黄25、科丰35等品种, 这些品种主要包含在A群和B群; 以国外引进种质Clack 63为亲本育成的品系遗-4和遗-2作为主要亲本育成了中黄12、中黄34、中黄36、中黄38等, 这些品种包含在C群; 20世纪90年代后半时期, 以科新3号为主要亲本育成了中黄41、中黄44、中黄48、中黄49等, 这些品种包含在D群内。21世纪的第一个10年, 国外种质L81-4590和中品661 (L83-544)的应用, 育成了中黄30、中黄39、中黄16、中黄46等多个品种, 分别属于F群和H群。
由表2可知第1时期育成的10个品种中, 所有祖先亲本均含有滨海大白花、铜山天鹅蛋和Mamotan, 亲缘关系比率为100%。第2时期和第3时期育成品种存在遗传关系的比率分别为48.37%和49.68%, 因2个时期所用亲本的差异, 使品种间存在遗传关系的比率降低。第4时期因大量使用了中品661及前期育成品种或品系为亲本(表1), 使品种的遗传关系比率升高, 为80.92%。
第1时期与后3个时期的品种亲缘关系比率呈上升趋势, 分别为66.67%、65.83%、83.76%。第2时期与后2个时期存在遗传关系的比率分别为57.78%、70.09%, 比率值也在增加, 说明随着育成品种的增多和育种规模的扩大, 利用前期育成品种或品系作为亲本的趋势在增大, 这与王江春等[
亲缘系数值的大小反映了品种间遗传相似的程度。随着时间的推移, 不同年代内品种的亲缘系数值呈降低的趋势(表3), 如在第1时期、第2时期和第3时期, COP值分别为0.192、0.040和0.026, 但在第4时期COP值又增大为0.044。这说明, 在2005年之前, 随着时间推移, 北京大豆品种的遗传多样性逐渐升高, 但在2005年之后, 遗传多样性开始降低, 其原因可从不同时期内及不同时期间品种间存在遗传关系的比率得到解释。
从不同年代间品种的亲缘系数分析结果可以看出, 同一年代内的品种, 对后代的遗传贡献率随着年代的推移逐渐减小, 如第1时期品种与第2时期、第3时期和第4时期品种的亲缘系数值依次为0.087、0.026和0.014, 这与Sneller [
从品种聚类分析及北京市品种演化过程可见, 诱变30、早熟3号、中品661、鲁豆4号、诱变31、科新3号和早熟18及从美国引进种质Clack 63、L81-4590等9个品种对北京市育成品种贡献较大。分析表明, 上述品种衍生品种数范围为5%~23%, 参与育成品种数占育成品种总数67.78% (61/90), 总核贡献率占32.50% (29.25/90); 与其他品种的COP值总和变化范围为2.000~6.229, 除L81-4590外, 其余均大于所有单一品种与其他品种COP值总和的平均值2.730 (表4)。诱变30作为亲本参与选育品种23个, 占所有育成品种25.56%, 诱变30与其他89个品种平均COP值为0.070。以上结果显示, 诱变30等9个品种在北京市育种中利用效果显著, 发挥了骨干亲本的作用。
Cui等[17]于2000年对1923—1995年中国651个大豆育成品种的COP分析表明, 22%的品种组合间有亲缘关系, 平均COP值较低, 仅为0.020, 说明此阶段大豆育成品种具有较高的遗传多样性及改良潜力。其中, 330个来源于东北的品种平均COP值为0.058, 210个黄淮海品种平均COP值为0.027, 111个南方品种平均COP值为0.016, 这三大区品种间COP值较低, 说明其品种间几乎没有亲缘关系。这与不同生态区之间很少有近交品种以及国外种质的引进和利用有关。
Zhou等[18] 于2002年对日本1950—1988年86个大豆育成品种的COP分析表明, 约20%的品种组合间有亲缘关系, 平均COP值也较低, 为0.04, 可能有几个原因, 一是较多的利用来自本土的地方品种, 二是引进和利用国外种质, 三是限制种质在国内的交流。
本研究分析的90个供试品种, 组成了4005对组合, 63.62%组合存在亲缘关系, 表明大部分品种间存在亲缘关系, 此比率均大于Cui等[17]和Zhou等[18]的研究结果, 这与品种的育成单位较少, 亲本来源相对比较集中有关。北京市大豆品种平均COP值为0.031, 大于Cui等[17]的研究结果而小于Zhou等[18]的研究结果, 说明北京市大豆品种的遗传多样相对较高, 其原因之一是引进和利用了中品661、Clark 63, Williams、Mamotan、Amsoy、Century-2.3等国外种质; 另外, 北京市90个大豆品中, 63个品种父母本间的COP值为0, 说明育种家在育种实践 中, 有意识地选择亲缘关系较远的亲本进行杂交, 从而提高了大豆品种的遗传多样性。
大豆[17]、小麦[9,10,11]品种根据亲缘系数进行聚类, 其结果能很好地反映种质资源的利用情况及遗传多样性程度, 来自同一祖先种或亲缘关系较近的品种大多聚为一类。 本研究结果也反映了上述特点, 除12个品种单独自成一类外, 其他品种根据其主要亲本来源分别聚成10类, 同时, 大部分的主要亲本也构成了北京育成品种的骨干亲本。与亲缘关系较近的亲本组配相比, 亲缘关系较远两亲杂交产生的后代, 遗传变异更大[16], 因此, 可利用亲缘关系聚类图选择合适的亲本, 一般而言, 不同类别的品种杂交更易选育出优良品种[17,18]。建议根据北京大豆品种聚类特点, 选择分别聚在不同类的亲本进行杂交, 并评价后代产量性状表现, 以检验利用COP值选配亲本在育种实践中的成效。
从本文的研究方法可看出, COP亲缘系数分析受品种系谱的清晰程度、原始亲本的亲缘关系等影响(如原始亲本间可能有亲缘关系, 但目前无法查证), 利用分子标记进行遗传分析则可不受上述因素的干扰, 已有许多研究者利用SSR等标记对大豆育成品种的遗传多样性进行了比较研究[20,21,22]。目前, 尚无利用分子标记研究北京市育成品种遗传关系的报道, 因此, 将COP分析与分子标记相结合, 可能会更好的揭示北京育成品种的遗传关系。
骨干亲本的利用加速了新品种培育。一般骨干亲本农艺性状优异, 具有较好配合力, 合理地利用可提高育种效率。如中品661具有植株高大健壮、透光性好、丰产、抗倒、高抗大豆花叶病毒病、适应性广等特点。从2001—2010年, 中国农业科学院作物科学研究所利用该品种作亲本共选育品种12个, 其中10个以中品661为亲本直接杂交选育, 3个品种通过国家审定, 2个品种同时通过国家和天津审定, 4个品种通过北京审定, 1个品种通过辽宁审定, 2个品种通过河北审定, 其亲本中品661同时通过北京和云南审定, 中品661衍生的品种中黄30现正被西北地区大面积示范推广, 尤其适合于间作套种。黄淮海大面积推广品种中黄13, 其系谱中含有2个骨干亲本诱变30和Clack 63, 其直接亲本豫豆8号来源于河南省的优异种质, 中黄13则集中了3个优异种质的优点, 所以高产而适应性广。
组合配制中高频率使用骨干亲本会降低品种的遗传多样性, 所以应挖掘地方品种潜力, 加强引进和利用国外优良种质。研究表明, 国外种质的利用可以扩大育成品种的遗传基础[17,18]。从北京市大豆品种的演化中可以看出, 国外种质如L81-4590、Clack 63等在北京市大豆育种中发挥了骨干亲本的作用。另一方面, 骨干亲本的广泛利用, 也会降低大豆品种的遗传多样性[23], 因此, 今后大豆 育种工作不仅要关注现有的育成品种和创新种质, 还 要广泛挖掘地方品种潜力, 积极引进和利用国外种质, 拓宽现有大豆育成品种的遗传基础, 以加快优良新品种的培育。