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基于表型性状和SSR标记的山西省青狗尾草资源遗传多样性分析



全 文 :中国农业大学学报 2016,21(10):11-22
Journal of China Agricultural University
http:∥xuebao.cau.edu.cn
DOI:10.11841/j.issn.1007-4333.2016.10.02
基于表型性状和SSR标记的山西省青狗尾草资源遗传多样性分析
张耀元1,3,4 任彦鑫1 禾 璐1 张雁明1 张 彬1 王兴春2,4 李红英2,3 韩渊怀1,2,3,4*
(1.山西农业大学 农学院,山西 太谷030801;
2.山西农业大学 农业生物工程研究所,山西 太谷030801;
3.农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室,太原030031;
4.杂粮种质资源发掘与遗传改良山西省重点实验室,山西 太谷030801)
摘 要 利用表型性状和SSR标记对山西省41份青狗尾草资源进行遗传多样性分析。在表型水平,通过分析每
份资源的株型、穗型、叶型等14个表型性状指标的测定结果,发现山西青狗尾草资源具有较为丰富的表型多样性,
其中叶片绿色的深浅即叶绿素含量遗传多样性指数最高,为2.76,其余性状遗传多样性指数也大多保持在2.0左
右;大多数青狗尾草的穗型为纺锤形,籽粒颜色和形状分别是青色和纺锤形。通过表型聚类可将山西青狗尾草资
源划分为3个类群:第1类主要表现为株高、穗数等整体指标居中;第2类主要表现为植株小,穗数少,单株干重低
等;第3类主要表现为植株高大,穗数多,穗重等。聚类分析发现表型多样性与山西特定生态地理区划有一定相关
性。在分子水平,利用20对SSR引物共检测到102个等位变异,平均每个位点5个,基因多样性与PIC的平均值
分别为0.66和0.61。虽然聚类分析、群体结构分析和主成分分析均将41份青狗尾草资源分为了3类,但3种方法
对狗尾草资源的划分结果并不完全一致,且划分出的3个类群与山西的生态地理区划也不完全一致,表明不同表
型和遗传背景的青狗尾草资源在山西混合分布,区域之间没有明显界限。
关键词 青狗尾草;表型性状;SSR标记;遗传多样性;群体结构
中图分类号 S 554.3   文章编号 1007-4333(2016)10-0011-12   文献标志码 A
收稿日期:2015-12-29
基金项目:国家自然科学基金项目(31371693,31471556,31471502);教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目
(20131403110001);山西农业大学科技创新基金项目(20142-07)
第一作者:张耀元,硕士研究生,E-mail:zhang3576285yy@163.com
通讯作者:韩渊怀,教授,主要从事植物分子生物学研究,E-mail:swgctd@163.com
Genetic diversity analysis of green foxtail germplasm resources in
Shanxi Province based on phenotypes and SSR markers
ZHANG Yao-yuan1,3,4,REN Yan-xin1,HE Lu1,ZHANG Yan-ming1,ZHANG Bin1,
WANG Xing-chun2,4,LI Hong-ying2,3,HAN Yuan-huai 1,2,3,4*
(1.Colege of Agriculture,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China;
2.Institute of Agricultural Bioengineering,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China;
3.Key Laboratory of Crop Gene Resources and Germplasm Enhancement on Loess Plateau,Ministry of Agriculture,Taiyuan 030031,China;
4.Shanxi Key Laboratory of Resources and Genetic Improvement of Minor Crops,Taigu 030801,China)
Abstract The genetic diversity of 41green foxtail resources in Shanxi Province was investigated by phenotypes and
SSR markers.At the phenotype level,14character indicators such as the types of plant structure,shapes of panicle and
leaf were determined.The results showed that the phenotypic diversity of Shanxi green foxtail resources were relatively
abundant.The leaf color represented by chlorophyl content had the highest genetic diversity index(2.76),and the
genetic diversity index for the rest of the characteristics were about 2.0.Most of the green foxtail had spindle panicle,
with grains being cyan in color and spindle-shaped.These resources were divided into three groups by phenotypic
clustering,and each group had its own characteristics:The first group showed average phenotypes among al the
accessions including traits of plant height,panicle number,and etc;the second group mainly contained those of smaler
中 国 农 业 大 学 学 报 2016年 第21卷 
plant height,fewer panicles and lower dry weight;the third group consisted mainly of those with bigger plant height,
more panicles,lower panicle weight and etc.It was discovered that phenotypic diversity had some corelation with
specific eco-geographical regions in Shanxi.At the molecular level,twenty pairs of SSR primers were selected to
analyze the green foxtail resources and a total of 102aleles were detected,with an average of 5aleles per locus.The
average value of gene diversity and polymorphism information content was 0.66and 0.61,respectively.Although these
resources were al divided into three categories by three diferent methods including clustering analysis,population
structure analysis and principal component analysis,the classification of these resources were not completely
consistent.Moreover,these three clusters were also inconsistent with the distribution of eco-geographical regions in
Shanxi,indicating apartialy mixed distribution of green foxtail resources in Shanxi and unclear boundary among regions.
Keywords Setaria viridis;phenotypic traits;SSR markers;genetic diversity;population structure
  狗尾草属(Setaria)属于禾本科(Gramineae),
共约125个种,已发现17个种分布在中国[1]。狗尾
草属包括谷子以及谷子的野生近缘种如青狗尾草
(S.viridis)、金色狗尾草(S.glaucu)和法式狗尾草
(S.faberii)等[2]。其中青狗尾草与谷子的亲缘关
系较近,被认为是谷子的祖先种[3]。目前,狗尾草和
谷子逐渐成为新型模式植物[4],而谷子高密度参考
基因组序列图谱和基因组单倍体型图谱的构建,进
一步促进了狗尾草属资源研究的快速发展[5,6]。
青狗尾草(S.viridis)是狗尾草属一年生禾谷
类草本植物,为2倍体自花授粉,具有株型小、基因
组小、生育期短、遗传转化体系可行等特点[7]。其为
C4 植物,正在发展为C4 光合作用的模式植物[8]。
目前,对狗尾草属遗传多样性的研究主要集中
在谷子农艺性状方面。王晓娟等[9]对甘肃省474份
谷子地方种质资源的22个主要性状进行了遗传多
样性分析;闫锋等[10]、陈晓敏等[11]以及李晓宇等[12]
分别对41、52和14份谷子品种的多个农艺性状进
行了遗传多样性分析,结果表明收集于不同地区的
谷子品种在遗传多样性上存在差异;阎洪波等[2]对
我国谷子主产区的11份青狗尾草种质资源的居群,
采用等位酶法分析了其遗传多样性及其与其他种的
关系,并通过统计、聚类分析评价了青狗尾草居群间
在遗传上的亲缘关系。此外,也有不少研究利用简
单重复序列(Simple sequence repeats,SSR)标记对
谷子和狗尾草进行了遗传多样性分析[13-20]。现阶
段,在分子水平对狗尾草属遗传多样性的研究多以
谷子为主,Jia等[7]用77对SSR引物对来自全国各
地的288个青狗尾草资源进行了分析,发现在我国
北方收集的狗尾草资源具有更高的遗传多样性,但
未从形态方面进行表型多样性分析。
山西省地处黄河中游,黄土高原东部,华北平原
西侧,整个地貌是黄土覆盖的山地型高原,大部分地
区海拔在1 000~2 000m。东西两侧为山地和高原,
中部则分布着一系列断陷盆地。韩锦涛等[21]曾根据
各生态地理区的自然条件,通过反映区域生态的15
项指标将山西划分为7大生态地理区,分别为:小型
盆地丘陵区(Ⅰ)、低山丘陵区(Ⅱ)、丘陵区(Ⅲ)、南部盆
地区(Ⅳ)、山地区(Ⅴ)、中东部盆地区(Ⅵ)和盆地山地
区(Ⅶ),特殊的地形和气候赋予了山西特殊的生态区
划。青狗尾草适应性强,山西地形复杂多样,蕴含着
丰富的狗尾草资源,这些资源中可能存在较多有待进
一步发掘的优异基因。所以,对山西狗尾草种质资源
的收集与遗传多样性分析将有助于狗尾草资源抗旱、
抗病等重要基因资源的发掘、保护和利用。
本研究利用表型性状和SSR标记对收集于山
西省各地区(市)的41份青狗尾草资源进行多样性
分析,以期了解山西复杂生境下的青狗尾草资源遗
传多样性特点,为充分开发、保护和利用我国青狗尾
草基因资源提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验在山西农业大学科研试验田进行,供试的
41份山西青狗尾草资源详见表1。为阐述方便,下
文中的狗尾草均指青狗尾草。
1.2 表型性状指标的测定
对成熟期狗尾草资源旗叶叶片气孔密度、叶脉
密度及叶绿素含量进行测定,每个资源设3次重复。
气孔密度的测量采用涂指甲油法;叶脉密度的测量
通过FAA 固定、NaOH 乙醇溶液漂洗、蒸馏水漂
洗,统计2级和3级叶脉数来计算;叶绿素含量的测
定使用SPAD502叶绿素仪。将成熟期狗尾草整株
单收后,再对其株高、穗长、穗粗、穂型、穗数、刚毛
长、千粒重、籽粒颜色、籽粒形状、单株干重等形态指
标进行测定,每份资源测量3次重复。
21
 第10期 张耀元等:基于表型性状和SSR标记的山西省青狗尾草资源遗传多样性分析
表1 供试狗尾草资源概况
Table 1 Resource profile of Setaria viridis in the study
地区
Region
来源
Source
编号
No.
生态地理区
Region
地区
Region
来源
Source
编号
No.
生态地理区
Region
平定县 SX1-2 Ⅰ
阳泉市 SX3 Ⅵ
阳泉 Yangquan 阳泉市 SX7 Ⅵ
盂县 SX8 Ⅰ
盂县 SX80 Ⅰ
河津市 SX10 Ⅳ
运城市 SX12 Ⅳ
运城 Yuncheng
运城市 SX14 Ⅳ
新绛县 SX15 Ⅳ
夏县 SX16 Ⅳ
临漪县 SX18 Ⅳ
浮山县 SX21 Ⅳ
古县 SX23 Ⅳ
临汾Linfen 襄汾县 SX25 Ⅳ
乡宁县 SX93 Ⅶ
洪洞县 SX94 Ⅳ
襄垣县 SX33 Ⅵ
长治Changzhi
襄垣县 SX98 Ⅵ
长治市 SX96 Ⅵ
长治市 SX99 Ⅵ
大同Datong 大同市 SX37 Ⅶ
柳林县 SX41 Ⅱ
兴县 SX42 Ⅰ
吕梁Lvliang
汾阳市 SX47 Ⅵ
汾阳市 SX101 Ⅵ
吕梁市 SX103 Ⅶ
孝义市 SX105 Ⅵ
原平市 SX58 Ⅵ
忻州 Xinzhou 原平市 SX110 Ⅵ
原平市 SX55 Ⅵ
晋中Jinzhong 太谷县 SX65 Ⅵ
太原 Taiyuan
太原市 SX75 Ⅵ
太原市 SX76 Ⅵ
怀仁县 SX106 Ⅶ
怀仁县 SX107 Ⅶ
朔州Shuozhou
怀仁县 SX109 Ⅶ
朔州市 SX50 Ⅶ
朔州市 SX51 Ⅶ
朔州市 SX108 Ⅶ
晋城Jincheng
泽州县 SX119 Ⅳ
高平市 SX120 Ⅳ
1.3 SSR引物及方法
1.3.1 引物来源
参照 Wang等[22]在谷子群体结构及遗传多样
性研究中应用的SSR引物,共设计50对引物,由深
圳华大基因生物科技公司合成,并从中筛选出多态
性较好的20对用于本研究,详见表2。
1.3.2 SSR试验过程
提取41 份山西青狗尾草资源的幼叶基因组
DNA:称取0.2g叶片,液氮充分研磨后置于2mL
离心管中,依次加入65℃预热的溶液A 750μL、溶
液B 375μL和RNase A溶液(10mg/mL)15μL,
静置 5 min。加入 200μL 氯仿,混 匀,12 000
rpm/min离心2min,转移上清液于1.5mL离心管
中,并加入与其同体积的异丙醇于离心管中,混匀,
12 000rpm/min离心3min,弃上清。用1mL 75%
乙醇洗涤沉淀,12 000rpm/min离心3min,弃上
清,重复 1 次操作,室温晾干。最后加入 50~
100μL超纯水溶解DNA沉淀。采用1%的琼脂糖
凝胶电泳检测其完整性,上样量为5μL,紫外凝胶
系统观察并拍照;蛋白核酸分析仪检测其纯度,上样
量为1μL。SSR反应体系为20μL体系:10μL
Mix、1μL Primer F(10μmol/L)、1μL Primer R
(10μmol/L)、1μL狗尾草DNA模板(10ng/μL)
及7μL ddH2O。PCR扩增程序为:94 ℃预变性
5min;94℃变性50s,60℃退火40s,72℃延伸
1min,进行30个循环;72℃延伸10min,最后4℃
保存。采用2%的琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物,
进行引物初筛选。对PCR产物进行聚丙烯酰胺凝
胶电泳以及银染检测,选取扩增条带清晰,浓度较高
的条带进行统计。扩增带在电泳凝胶上的相对位
置,采用0-1系统记录,相同迁移位置上有带记为
1,无带记为0,获得矩阵。
31
中 国 农 业 大 学 学 报 2016年 第21卷 
表2 试验所选SSR引物名称及序列
Table 2 SSR primers used in this study
引物名称
Name
染色体
Chromosome
重复基元
Repeat motif
引物序列
Primer sequence
B186  3 (GA)40
F:CCCGTATAAATGTCATCATCCC
R:GCACCTGGCTTCCCTTT
B166  9 (CT)24
F:CGCCCATACTACCCAACAG
R:ACCTCACCTTCCACTCCTC
B241  9 (GA)35
F:CACGCACGTAGTATTGCTAT
R:GTTCTGGGCTTCTGGCTG
B249 * (GA)32
F:ACCTGGTCTTCGTTTTGG
R:AAAATTCTGCACCCAATGAA
P3  1 (GT)34
F:GCAGAAAGCATGCCGTAGTC
R:GCTTGGAGTCCACATGGATAG
B123  7 (AC)19
F:GGTGTTCTCCTGTGTGC
R:AGAGTTATTTCCAGCATTAGTG
B269  9 (GA)45
F:GTGCGTGCCTCCCTTTA
R:CCAGATGCTTCCACGGT
B102  9 (CT)31
F:CCGTGAAACCCACCACTATT
R:GCACACACAAACCCGTCA
B171  9 (CT)26
F:CACCACCACCCCGTTATATT
R:GGAGGAAGTTTGGAGGGAAG
B174  9 (GA)30
F:TTTCGGGTAAGAATTGAGATGG
R:GGTAGCAAGGTGACAAAGTT
B153  1 (GT)30
F:ACCCAACACATTCTCCTGAA
R:TGCTATCAAAATAGTGCTAGAAT
B236  4 (CT)45
F:TCTGGACCAGCATTCTGTCTT
R:GGTAACTCTGCTTGGACGAG
B242  2 (GA)37
F:CACTACCACTGTTCCAGATCG
R:CAGGGACCTTGCTTGCATAC
B246  9 (GA)29
F:CACGCACGTAGTATTGCTAT
R:GTTCTGGGCTTCTGGCTG
B258  8 (CA)9(GA)35
F:GGGCCAATAATGGTTGCATA
R:TTGCACATCCAAATCTTTCC
P29  7 (GT)42
F:GATGAGCACACGTTGATTGG
R:GGACTTCACCACCGAGATG
P20  9 (CA)33(GA)11
F:GTGCCCGCTTAGCTTTAATC
R:ATGCACGTGGGACCCATAC
P59  7 (AC)22
F:TAATTTTGTGGCGTGGGATG
R:GCACTGGTTTTGTTGAATGG
P88  1 (AC)5(GT)22
F:CAAGCCACCCAGTCTAGAGG
R:TTCATCAGAACTGCGCAAAC
P4  9 (GT)28
F:CGCTAGCTGTAGCAGCCTTC
R:ATTCGCAGCAGCTGAAACTC
  注:*表示该标记未定位于具体染色体,参见参考文献[22]。
Note:*represents the marker is not located on chromosome,please view reference[22].
1.4 数据处理方法
1.4.1 表型性状统计
利用Excel对14个表型性状进行统计并计算
遗传多样性指数。根据每个性状的平均值(X)和标
准差(S),将资源分为10级,从第1级[xi<(X-
2S)]到第10级[xi>(X+2S)],中间每级间差
41
 第10期 张耀元等:基于表型性状和SSR标记的山西省青狗尾草资源遗传多样性分析
0.5S,每一级的相对频率用于计算多样性指数[9]。
利用DPS软件中的系统聚类 Ward法,计算狗尾草
资源各材料之间的欧式距离,从表型水平对狗尾草
资源进行聚类分析。
1.4.2 SSR遗传多样性指标统计
运用PowerMarkerV3.25软件对一般遗传多
样性指标进行分析,得到等位基因数目、主等位基因
频率、基因型数目、基因多样性指数、Shannon’s多
样性指数、核苷酸杂合度和多态性信 息 含 量
(Polymorphism information content,PIC)等参数
值,并 构 建 其 UPGMA 聚 类 图[23]。 运 用
STRUCTURE V2.11软件对群体结构进行分析,将
资源按照遗传组成划分为不同亚群,并确定每个资
源在各个亚群中的遗传组成[24]。运用 NTSYS-pc
2.10软件对41 份狗尾草资源进行主成分分析
(Principal component analysis,PCA),通过做散点
图,将不同资源划分为不同类群。
2 结果与分析
2.1 青狗尾草表型多样性分析
2.1.1 山西青狗尾草表型性状分析
通过对每个资源株高、单株干重、穗长、穗粗、穂
型、穗数、刚毛长、千粒重、籽粒颜色、籽粒形状、叶片
气孔密度、叶脉密度及叶绿素含量共14个表型指标
的测定,发现山西青狗尾草在株型、穗型、叶型方面
均表现出较高的遗传多样性(表3)。如表3所示,
叶绿素含量遗传多样性指数最高,为2.76;穗数遗
传多样性指数最低,为1.49;其余性状遗传多样性
指数均保持在2.0左右。不同性状变异系数存在较
大差异,变化范围是12.31%~95.25%,变异系数
最大的是单株干重,达95.25%,其次是穗数,达
81.75%,其余则均小于40%,说明各个资源单株干
重和穗数表型有很大变异范围。此外,穗部形态及
籽粒形态方面也表现出了多样性,穂型所占比例最
高的是纺锤形,为51.22%;籽粒颜色大多数为青色
和黄色,分别占56.10% 和26.83%;籽粒形状多为
纺锤形,占97.56%,只有少数为圆锥形,占2.44%。
由此可初步推测,大多数狗尾草资源的穗型为纺锤
形,籽粒颜色和形状分别为青色和纺锤形。
2.1.2 青狗尾草表型聚类与群体特征分析
利用DPS软件中的系统聚类 Ward法,对狗尾
草资源进行表型聚类,结果如图1所示。在欧氏距
离为4.13时,供试狗尾草资源划分为3类。第1类
(Group1)共13份资源,包括:运城(5)、阳泉(3)、朔
州(2)、临汾 (1)、太原 (1)、晋中 (1)。第 2 类
(Group2)共12份资源,包括:朔州(3)、忻州(3)、吕
表3 狗尾草资源表型统计及其遗传多样性指数
Table 3 Phenotypic statistics and diversity index of Setaria viridis resources
性状
Characters
最大值
Maximum
最小值
Minimum
平均值
Mean
标准差
Standard
deviation
变异系数/%
Coefficient of
variation
遗传多样性指数
Genetic diversity
index
株高/cm Height  162.87  71.07  122.61  22.59  18.42  1.93
穗长/cm Panicle length  13.37  5.29  8.32  2.00  24.03  1.98
穗粗/cm Panicle diameter  2.12  0.93  1.57  0.26  16.86  2.00
穗数Panicle number  299  17  81  66.05  81.75  1.49
刚毛长/cm Bristle length  1.18  0.48  0.79  0.18  22.72  1.97
千粒重/g 1 000-grain weight  0.67  0.10  0.34  0.11  33.62  1.86
单株干重/kg Dry weight per plant  0.56  0.02  0.13  0.13  95.25  1.52
叶脉密度/(个/cm)Vein density  71.64  16.68  49.28  11.72  23.79  1.90
叶绿素含量(鲜重)/(mg/g)
Chlorophyl content(FW)
53.67  30.93  42.48  5.82  13.70  2.76
上表皮气孔密度/(个/mm2)
Stomatal density of adaxial epidermis
121.53  50.00  85.21  14.83  17.41  1.97
下表皮气孔密度/(个/mm2)
Stomatal density of abaxial epidermis
106.94  66.67  85.92  10.57  12.31  2.01
51
中 国 农 业 大 学 学 报 2016年 第21卷 
图1 基于表型性状的41份狗尾草资源聚类图
Fig.1 Dendrogram of cluster analysis for 41 Setaria viridis resources based on phenotypes
梁(2)、阳泉 (2)、大同 (1)、临汾 (1)。第 3 类
(Group3)共16份资源,包括:吕梁(4)、长治(4)、临
汾(3)、晋城(2)太原(1)、运城(1)、朔州(1)。
将聚类结果与山西特定生态地理区比较发现,
第1类狗尾草资源主要来自运城盆地、临汾盆地和
太原盆地,属于南部盆地生态地理区;第2类主要来
自大同盆地、忻定盆地和吕梁山地等西部及西北部
地区,属于盆地山地生态地理区;第3类狗尾草集中
于吕梁山脉东南和太行山脉西南之间的长治盆地、
太原盆地及运城和临汾盆地,属于中东部盆地生态
地理区。可见表型多样性与山西特定生态地理区有
一定相关性。将以上3类群体11个数量性状数据
进行整理,结果见表4。通过比较不同群体同一表
型性状平均值与变异系数的大小差异,发现3类群
体表现出不同的群体特征:第1类群体表现为株高,
穗数等整体指标居中,叶脉密度大;第2类群体表
现为株型相对偏小,穗数少,单株干重低,叶绿素
含量高;第3类群体表现为株型高大,穗数多,穗
重,单株干重高、上下表皮气孔密度和叶脉密度
小,刚毛长。
2.2 狗尾草资源SSR标记的遗传多样性分析
2.2.1 SSR标记的遗传多样性特征
利用20个SSR标记对41份狗尾草资源进行
多样性分析,结果如表5所示,共检测到102个等位
变异,平均每个位点5个,基因多样性平均为0.66,
变化范围是0.39~0.84,PIC平均为0.61,变化范
围是0.34~0.82。其中,B102位点检测到8个等
位变异和13个基因型,与其他标记相比最多,PIC
值为0.77;B269位点的多样性指数最大,为1.79;
B269位点PIC最大,为0.82。
2.2.2 群体结构分析
为了较好地研究狗尾草资源的遗传组成与群体
结构,运用STRUCTURE V2.11软件对41份狗尾
草资源进行遗传类群划分。设置K=2~11,每个
K 值运行5次,以每个K 值为横坐标,△K 值为纵
坐标,做折线图。结果如图2、3所示:K值确定为3,
61
 第10期 张耀元等:基于表型性状和SSR标记的山西省青狗尾草资源遗传多样性分析
表4 狗尾草资源的3类群体的群体特征分析
Table 4 Analysis for population characteristics of 3groups of Setaria viridis
性状
Characters
群体1
Group 1
群体2
Group 2
群体3
Group 3
平均值
Mean
变异系数/%
Coefficient of
variation
平均值
Mean
变异系数/%
Coefficient of
variation
平均值
Mean
变异系数/%
Coefficient of
variation
穗长/cm Panicle length  7.81  0.24  6.79  0.17  9.76  0.17
穗粗/cm Panicle diameter  1.49  0.16  1.49  0.19  1.63  0.16
穗数Panicle number  65  0.46  45  0.46  112  0.77
刚毛长/cm Bristle length  0.71  0.12  0.69  0.22  0.92  0.20
单株干重/kg Dry weight per plant  0.10  0.79  0.06  0.38  0.22  0.69
株高/cm Height  122.94  0.19  105.05  0.15  135.52  0.14
千粒重/g 1 000-grain weight  0.30  0.13  0.33  0.31  0.37  0.41
上表皮气孔密度/(个/mm2)
Stomatal density of adaxial epidermis
87.02  0.17  87.50  0.15  82.42  0.20
下表皮气孔密度/(个/mm2)
Stomatal density of abaxial epidermis
87.45  0.12  86.81  0.09  84.03  0.15
叶脉密度/(cm-1)Vein density  54.81  0.15  52.56  0.23  42.33  0.26
叶绿素含量(鲜重)/(mg/g)
Chlorophyl content(FW)
42.06  0.14  44.36  0.13  41.41  0.14
表5 20个SSR标记多样性统计
Table 5 Diversity statistics of 20SSR markers
名称
Name
主等位变异
频率
Major alele
frequency
基因型
数目
Genotype
No.
等位变异
数目
Alele No.
Shannon’s
多样性指数
Shannon’s
diversity index
基因多样性
Gene
diversity
杂合度
Heterozygosity
多态信
息含量
PIC
B186  0.50  7  5  1.31  0.65  0.33  0.60
B166  0.45  10  7  1.62  0.72  0.51  0.68
B241  0.76  4  5  0.71  0.39  0.02  0.34
B249  0.44  4  4  1.23  0.68  0  0.62
P3  0.33  11  6  1.51  0.75  0.8  0.71
B123  0.39  10  6  1.29  0.73  0.63  0.68
B269  0.24  15  7  1.79  0.84  0.83  0.82
B102  0.28  13  8  1.71  0.80  0.76  0.77
B171  0.33  5  5  0.94  0.73  0.89  0.68
B174  0.38  9  7  1.66  0.75  0.63  0.72
B153  0.40  12  6  1.47  0.73  0.66  0.69
B236  0.68  5  3  0.83  0.46  0.13  0.39
71
中 国 农 业 大 学 学 报 2016年 第21卷 
表5(续)
名称
Name
主等位变异
频率
Major alele
frequency
基因型
数目
Genotype
No.
等位变异
数目
Alele No.
Shannon’s
多样性指数
Shannon’s
diversity index
基因多样性
Gene
diversity
杂合度
Heterozygosity
多态信
息含量
PIC
B242  0.40  5  4  1.17  0.66  0.03  0.59
B246  0.33  13  6  1.62  0.77  0.59  0.73
B258  0.37  7  4  1.24  0.68  0.4  0.61
P29  0.46  13  7  1.59  0.72  0.61  0.68
P20  0.53  4  3  1.00  0.61  0.06  0.54
P59  0.64  4  3  0.68  0.47  0.22  0.37
P88  0.56  3  3  0.78  0.51  0  0.40
P4  0.48  4  3  1.01  0.61  0.07  0.53
平均值 Mean  0.45  8  5  1.26  0.66  0.41  0.61
图2 狗尾草资源群体结构的最优K值确定
Fig.2 Determination of the optimal value of Kfor population
structure of Setaria viridis resources
图3 41份狗尾草资源的群体遗传结构
Fig.3 Population structure of 41 Setaria viridis resources
即将所有狗尾草资源划分为3个亚群,不同颜色代
表不同群体,不同颜色所占的比例越大,则该资源被
划分到相应群体的可能性就越大。红色代表第1类
群体(Pop1),包括17份资源:吕梁(4)、阳泉(3)、朔
州(3)、临汾(2)、长治(2)、忻州(1)、晋城(1)、大同
(1);绿色代表第2类群体(Pop2),包括11份资源:
阳泉(2)、运城(2)、长治(2)、太原(2)、朔州(1)、晋城(1)、
临汾(1);蓝色代表第3类群体(Pop3),包括13份
资源:运城(4)、临汾(2)吕梁(2)、忻州(2)、朔州(2)、
晋中(1)。通过对不同群体狗尾草来源的分析,发现
大多数来自同一地区的资源在3类群体中均有分
布,即使是来源同一生态区划的狗尾草资源,也没有
完全聚为一类,没有表现出明显的群体分类特征。
2.2.3 主成分分析
运用NTSYS-pc 2.10将41份材料进行主成分
分析,结果如图4所示,狗尾草资源分为3个类群,
群体A(PopA)、群体B(PopB)和群体C(PopC),其
中A类群中包含的资源较多,主要分布于朔州、忻
州、吕梁、临汾、运城等地,分析表明 A类群的狗尾
草资源主要来自盆地山地区和南部盆地区这2大生
态地理区。
2.2.4 基于SSR标记的聚类分析
运用PowerMarker V3.5软件,对供试狗尾草
资源进行UPGMA聚类。结果如图5所示,41份狗
尾草资源聚为3类。第1类群体共3份资源,包括
吕梁(1)、大同(1)、长治(1);第2类群体共12份资
源,包括运城(2)、长治(2)、阳泉(2)、临汾(2)、太
原(2)、朔州(1)、晋城(1);第3类群体共26份资源,
包括吕梁(5)、朔州(5)、运城(4)、阳泉(3)、临汾(3)、
忻州(3)、晋中(1)、晋城(1)、长治(1)。根据聚类结
果可以看出,同一生态区划的狗尾草资源在3个类
群中均有分布,表明41份狗尾草资源在山西省无明
显地域聚类特征。
81
 第10期 张耀元等:基于表型性状和SSR标记的山西省青狗尾草资源遗传多样性分析
  PC1、PC2和PC3分别表示主成分1、2和3;SX表示狗尾草资源收集地山西,其后阿拉伯数字表示各个资源对应的编号。下图同。
PC1,PC2and PC3represent principal component 1,2and 3,respectively;SX represents the Setaria viridis resources were colected
from Shanxi and the numeral folowed represent corresponding number of each resource.The same below.
图4 41份狗尾草资源的主成分分析
Fig.4 Principal component analysis(PCA)for 41 Setaria viridis resources
图5 基于SSR标记的41份狗尾草资源聚类图
Fig.5 Dendrogram of cluster analysis for 41 Setaria
viridis resources based on SSR markers
3 讨 论
3.1 表型多样性分析
本研究首次从株型、穗型以及叶型方面共14个
表型指标对山西41份狗尾草资源进行了表型多样
性分析。叶型方面,叶绿素含量遗传多样性指数最
高(2.76),高于任彦鑫[23]研究的全国185份青狗尾
草资源叶绿素含量多样性指数(2.02),同时也高于
所调查的其他表型性状多样性指数(均不高于
2.10),究其原因除了山西狗尾草本身该指标遗传多
样性较高外,还可能由于二者供试的狗尾草资源数
目差异较大,使得山西41份资源的代表性相对较
高,进而表现出了较高的遗传多样性;此外,与光合
特性密切相关的另外2个表型性状叶脉密度和上下
表皮气孔密度也表现出了较高的遗传多样性,多样
性指数依次为1.90、1.97和2.01。遗传多样性越
丰富,其可利用性就越大,因此可为高光合基因资源
的发掘提供丰富材料来源。其次,穗型方面,与穗型
相关的一些农艺性状如穗数、穗长、穗粗以及千粒重
91
中 国 农 业 大 学 学 报 2016年 第21卷 
等性状变异系数都较高,尤其是穗数(81.75%),可
见这些材料在产量性状上有较高的变异潜力,可为
定位相关基因提供丰富的材料。因为青狗尾草与谷
子亲缘关系较近[3],所以将山西青狗尾草表型多样
性研究结果与已有的谷子表型遗传多样性相关研究
结果进行比较,发现一些共同调查的农艺性状如株
高、穗长、千粒重等,在变异系数上,野生遗传背景的
狗尾草要明显高于谷子育成品种甚至地方种;山西
狗尾草上述性状的多样性指数与全国范围的谷子资
源相应表型性状的多样性指数并无明显差异,个别
还高于后者[11-12,25]。可见,山西狗尾草资源具有较
高的表型多样性。同时,本研究也发现同一性状的
多样性指数和变异系数表现趋势并不一致,这与闫
峰等[10]在谷子农艺性状遗传多样性研究中得到的
结果一致,因为二者虽均可描述性状变异情况,但多
样性指数着重反映某一性状多样性的丰度和均匀
度,而变异系数则反映的是某一性状的变异范围。
3.2 表型聚类及群体特征分析
本研究依据14个表型指标将狗尾草资源聚为
3类:第1类主要来自南部盆地生态地理区,狗尾草
群体表现为株高、穗数等整体指标居中;第2类主要
来自盆地山地生态地理区,群体表现为植株较小、穗
数少、单株干重低和叶脉密度大等;第3类主要集中
于中东部盆地生态地理区,群体表现为植株高大、穗
数多、穗重和单株干重高等。可见表型多样性与山
西特定生态地理区有一定相关性。因为表型易受环
境条件影响,不同生态区划降雨量、热量、光照等气
候条件的差异造成了山西狗尾草资源的表型多样
性,如盆地山地生态地理区的全年大风日数与平均
风速均高于南部盆地与中东部盆地区[21],狗尾草株
型偏小可能利于其生长及其对环境的适应;中东部
盆地区全年日照时数要高于南部盆地区[21],光照时
间的延长利于狗尾草光合产物的积累,从而提高其
穗重及单株干重,这与阎洪波等[2]在狗尾草遗传多
样性研究中得出的青狗尾草间遗传差异同地理区域
相关的结论一致。但部分来自同一市区的狗尾草资
源并未完全聚为一类,如6份收集于吕梁地区的资
源,在第2、第3类群体中均有分布,可能因为吕梁
山脉贯穿全境,左侧主要为山地(包括离石区,柳林
县等),右侧为太原盆地(包括汾阳市、孝义市等),使
得同一地区分属不同的生态地理区划,进而造成了
分类上的差异。此外,个别来源于同一生态区划的
狗尾草资源,未完全聚为一类,表明狗尾草资源分布
广泛,虽表型多样性与特定生态地理区之间存在一
定联系,但并不严格,地区与地区之间的界限并不
明显。
3.3 SSR标记遗传多样性及群体结构分析
利用筛选出的谷子的20对SSR引物,从分子
水平对41份狗尾草资源遗传多样性进行了分析。
通过群体结构分析、主成分分析和UPGMA聚类分
析3种方法,均将其分为3类。
首先,这20对谷子的SSR引物在狗尾草资源
中得以成功扩增,表明青狗尾草与谷子亲缘关系近,
这与狗尾草被认为是谷子祖先种的理论相一致[26]。
20对SSR引物共检测到102个等位变异,平均每个
位点5个,基因多样性与PIC的平均值分别为0.66
和0.61。该结果小于Jia等[7]用77对SSR引物对
全国各地的288个青狗尾草资源进行分析所得到的
等位变异数(2 312个),平均基因多样性值(0.9)与
PIC值(0.9)等SSR多样性指标。造成这种差异的
原因一方面可能是由于2项研究所用的试验材料在
数量和来源范围上差异较大;另一方面则可能由于
本研究所选的20个SSR标记本身多态性要低于
Jia等[7]所筛选出的引物,因此揭示的狗尾草资源的
遗传变异水平有所局限。其次,表型聚类与SSR标
记聚类并不一致。可能供试品种所适应的环境复杂
多样,导致表型性状与DNA水平遗传相似性有所
差异,这与张冬玲等[27]研究相似,当研究群体分布
较广,其外界生态环境复杂多样时,表型水平可能不
能真实地反映DNA水平,而呈现出表观遗传学特
征;另一方面由于本研究所选用的SSR标记多分布
于谷子第9、7、1号染色体,其他染色体标记并未涉
及或涉及较少,难以较全面地反映狗尾草资源的遗
传差异,可能是造成表型与标记聚类结果不一致的
原因之一。因此,在后续研究中,需收集更多的狗尾
草资源,并充分利用谷子中已经开发的大量SSR标
记,增加试验所选标记数量,尽可能使其在各染色体
的分布趋于均匀,来更加全面地揭示狗尾草资源遗
传多样性。最后,山西青狗尾草群体结构与地理分
布不一致,每一类所包含的资源没有明显的地区性
特点,分布较为分散,这与Jia等[7]在狗尾草群体结
构研究中得到的结果一致,即来自全国的288份狗
尾草资源也未呈现出明显地理区划的群体结构划
分,由此猜测青狗尾草混合的地理分布可能与人类
或动物活动以及自然选择引起的种质混杂有关,但
目前证据尚不充足。
02
 第10期 张耀元等:基于表型性状和SSR标记的山西省青狗尾草资源遗传多样性分析
参 考 文 献
[1] 王永强,智慧,李伟,李海权,王永芳,刁现民.狗尾草属野生近
缘种的染色体鉴定[J].植物遗传资源学报,2007,8(2):159-
164
Wang Y Q,Zhi H,Li W,Li H Q,Wang Y F,Diao X M.
Chromosome number identification of some wild Setaria
species[J].Journal of Plant Genetic Resources,2007,8(2):
159-164(in Chinese)
[2] 阎洪波,黎裕,王天宇,石云素,宋燕春,马峙英,周世良.中国谷
子主产区谷子近缘种狗尾草的遗传多样性[J].西北植物学报,
2003,23(6):926-932
Yan H B,Li Y,Wang T Y,Shi Y S,Song Y C,Ma Z Y,Zhou S
L.Genetic diversity of wild relatives of foxtail milet
distributed in the major foxtail milet production regions of
China[J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2003,23
(6):926-932(in Chinese)
[3] 李伟,智慧,王永芳,李海权,刘小静,刁现民.SRAP标记技术
在谷子及其近缘野生种青狗尾草的应用分析[J].河北农业科
学,2010,14(11):68-72
Li W,Zhi H,Wang Y F,Li H Q,Liu X J,Diao X M.
Application of SRAP technology on foxtail milet and its wild
relative green foxtail[J].Journal of Hebei Agricultural
Sciences,2010,14(11):68-72(in Chinese)
[4] Diao X M,Schnable J,Bennetzen J L,Li J Y.Initiation of
Setariaas a model plant[J].Frontier of Agricultural Science
and Engineering,2014,1(1):16-20
[5] Bennetzen J L,Schmutz J,Wang H,Percifield R,Hawkins J,
Pontaroli A C,Estep M,Feng L,Vaughn J N,Grimwood J,
Jenkins J,Barry K,Lindquist E,Helsten U,Deshpande S,
Wang X W,Wu X M,Mitros T,Triplett J,Yang X H,Ye C Y,
Herrera M M,Wang L,Li P H,Sharma M,Sharma R,Ronald
P C,Panaud O,Kelogg E A,Brutnel T P,Doust A N,Tuskan
G A,Rokhsar D,Devos K M.Reference genome sequence of
the model plant Setaria[J].Nature Biotechnology,2012,30
(6):555-561
[6] Jia G Q,Huang X H,Zhi H,Zhao Y,Li W J,Chai Y,Yang L
F,Liu K Y,Lu H Y,Zhu C R,Lu Y Q,Zhou C C,Fan D L,
Weng Q J,Guo Y L,Huang T,Zhang L,Lu T T,Feng Q,Hao
H F,Liu H K,Lu P,Zhang N,Li Y H,Guo E H,Wang S J,
Wang S Y,Liu J R,Zhang W F,Chen G Q,Zhang B J,Wang Y
F,Li H Q,Zhao B H,Li J Y,Diao X M,Han B.A haplotype
map of genomic variations and genome-wide association studies
of agronomic traits in foxtail milet(Setaria italica)[J].
Nature Genetics,2013,45(8):957-961
[7] Jia G Q,Shi S K,Wang C F,Niu Z G,Chai Y,Zhi H,Diao X
M.Molecular diversity and population structure of Chinese
green foxtail [Setaria viridis (L)Beauv]revealed by
microsatelite analysis[J].Journal of Experimental Botany,
2013,64(12):3645-3655
[8] Brutnel T P,Wang L,Swartwood K,Goldschmidt A,Jackson
D,Zhu X G,Kelogg E,Eck J V.Setaria viridis:A model for
C4photosynthesis[J].Plant Cell,2010,22(8):2537-2544
[9] 王晓娟,祁旭升,王兴荣,苏俊阳.甘肃省谷子地方种质资源遗
传多样性分析[J].干旱地区农业研究,2009,27(6):129-133
Wang X J,Qi X S,Wang X R,Su J Y.Analysis of genetic
diversity of local germplasm resources for foxtail milet in
Gansu[J].Agricultural Research in the Arid Areas,2009,27
(6):129-133(in Chinese)
[10]闫锋,崔秀辉,李清泉,王成,曾玲玲,刘峰,季生栋.谷子农艺性
状的遗传多样性分析[J].湖南农业科学,2010(3):8-9,12
Yan F,Cui X H,Li Q H,Wang C,Zeng L L,Liu F,Ji S D.
Genetic diversity analysis of milet based on agronomic traits
[J].Hunan Agricultural Sciences,2010(3):8-9,12 (in
Chinese)
[11]陈晓敏,赵云昆,郭世华.谷子农艺性状的聚类和主成分分析
[J].内蒙古农业科技,2013(2):30-32
Chen X M,Zhao Y K,Guo S H.Cluster and principal analysis
of agronomic characteristics on foxtail milet[J].Inner
Mongolia Agricultural Science and Technology,2013(2):30-
32(in Chinese)
[12]李晓宇,王昆鹏,刘迎春,张一波.谷子主要农艺性状分析[J].
内蒙古农业大学学报,2015,36(2):26-30
Li X Y,Wang K P,Liu Y C,Zhang Y B.Analysis on the
agronomic traits of milet [J].Journal of Mongolia
Agricultural University,2015,36(2):26-30(in Chinese)
[13]Jia X P,Zhang Z B,Liu Y H,Zhang C W,Shi Y S,Song Y C,
Wang T Y,Li Y.Development and genetic mapping of SSR
markers in foxtail milet[Setaria italica (L)P Beauv][J].
Theoretical and Applied Genetics,2009,118(4):821-829
[14]Wang C F,Chen J F,Zhi H,Yang Lu,Li W,Wang Y F,Li H
Q,Zhao B H,Chen M S,Diao X M.Population genetics of
foxtail milet and its wild ancestor[J].BMC Genetics,2010,11
(1):90
[15]Zhang S,Tang C J,Zhao Q,Li J,Yang L F,Qie L F,Fan X K,
Li L,Zhang N,Zhao M C,Liu X T,Chai Y,Zhang X,Wang H
L,Li Y T,Li W,Zhi H,Jia G Q,Diao X M.Development of
highly polymorphic simple sequence repeat markers using
genome-wide microsatelite variant analysis in foxtail milet
[Setaria italica(L)P Beauv][J].BMC Genomics,2014,15:78
[16]杨天育,牟平,孙万仓,何继红,董孔军.中国北部高原地区谷子
品种遗传差异的SSR分析[J].西北植物学报,2010,30(9):
1786-1791
Yang T Y,Mou P,Sun W C,He J H,Dong K J.Genetic
variation of foxtail milet cultivars in north plateau region of
China by SSR markers[J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia
Sinica,2010,30(9):1786-1791(in Chinese)
[17]朱学海,张艳红,宋燕春,赵治海,刘志斋,石云素,黎裕,王天
宇.基于SSR标记的谷子遗传多样性研究[J].植物遗传资源
学报,2010,11(6):698-702
Zhu X H,Zhang Y H,Song Y C,Zhao Z H,Liu Z Z,Shi Y S,
12
中 国 农 业 大 学 学 报 2016年 第21卷 
Li Y,Wang T Y.Genetic diversity analysis of foxtail milet
accessions revealed by SSR markers[J].Journal of Plant
Genetic Resources,2010,11(6):698-702(in Chinese)
[18]Kim E J,Sa K J,Park K C,Lee J K.Study of genetic diversity
and relationships among accessions of foxtail milet[Setaria
italica(L)P Beauv]in Korea,China and Pakistan using SSR
markers[J].Genes &Genomics,2012,34(5):529-538
[19]Lin H S,Chiang C Y,Chang S B,Kuoh C S.Development of
simple sequence repeats (SSR)markers in Setaria italica
(Poaceae)and cross-amplification in related species[J].
International Journal of Molecular Sciences,2011,12(11):
7835-7845
[20] Pandey G,Misra G,Kumari K,Gupta S,Parida S K,
Chattopadhyay D,Prasad M.Genome-wide development and
use of microsatelite markers for large-scale genotyping
applications in foxtail milet[Setaria italica (L)][J].DNA
Research,2013,20(2):197-207
[21]韩锦涛,韩黄英,李素清.山西省生态地理区划[J].中国农业资
源与区划,2008,29(1):17-20
Han J T,Han H Y,Li S Q.Regional planning for ecological
and geographic regions of Shanxi Province[J].Chinese Journal
of Agricultural Resources and Regional Planning,2008,29
(1):17-20(in Chinese)
[22]Wang C F,Jia G Q,Zhi H,Niu Z G,Chai Y,Li W,Wang Y F,
Li H Q,Lu P,Zhao B H,Diao X M.Genetic diversity and
population structure of Chinese foxtail milet[Setaria italica
(L)Beauv]landraces[J].G3-Genes Genomes Genetics,2012,2
(7):769-777
[23]任彦鑫.中国青狗尾草遗传多样性研究[D].太谷:山西农业大
学,2014
Ren Y X.Genetic diversity of green milet in China[D].Taigu:
Shanxi Agricultural University,2014(in Chinese)
[24]Pritchard J K,Stephens M,Donnely P.Inference of population
structure using multilocus genotype data[J].Genetics,2000,
155(2):945-959
[25]田伯红.谷子地方品种和育成品种的遗传多样性研究[J].植物
遗传资源学报,2010,11(2):224-228
Tian B H.Genetic diversity of landrace and improved cultivars
in foxtail milet[J].Journal of Plant Genetic Resources,2010,
11(2):224-228(in Chinese)
[26]Li H W,Li C H,Pao W K.Cytogenetical and genetical studies
of the interspecific cross of the cultivated foxtail milet,Setaria
italica(L)Beauv and the green foxtail milet S viridis(L)
Beauv[J].Journal of American Society Agronomy,1945,37:
32-54
[27]张冬玲,张洪亮,魏兴华,齐永文,王美兴,孙俊立,丁立,汤圣
祥,裘宗恩,曹永生,王象坤,李自超.贵州栽培稻的遗传结构及
其遗传多样性[J].科学通报,2006,51(23):2747-2754
Zhang D L,Zhang H L,Wei X H,Qi Y W,Wang M X,Sun J
L,Ding L,Tang S X,Qiu Z E,Cao Y S,Wang X K,Li Z C.
Genetic structure and genetic diversity of Oryza sativa Lin
Guizhou[J].Chinese Science Bulletin,2006,51(23):2747-2754
(in Chinese)
责任编辑:杨爱东
22