基于KASP-SNP标记的津巴布韦高粱（*Sorghum bicolor* L. Moench）基因型遗传多样性分析

《International Journal of Agronomy》：Genetic Diversity Analysis of Sorghum (Sorghum bicolor L. Moench) Genotypes in Zimbabwe Based on KASP-SNP Markers

　　

分子表征对任何成功的育种计划都是可取的。本研究旨在利用80个单核苷酸多态性（SNP）标记确定192个高粱基因型的遗传多样性和群体结构。标记间的平均次要等位基因频率为0.293，香农信息指数为0.558。期望杂合度（He）范围为0.052至0.583，平均值为0.343。多态信息含量（PIC）值范围为0.051至0.504，平均值为0.298。本研究表明，研究中使用的SNP标记具有信息性和区分性。群体结构分析揭示了两个不同的亚群（K=2），K表示亚群数量。层次聚类揭示了存在于两个不同遗传亚群中的基因型，并根据基因型来源进一步将亚群划分为不同的更小簇。分组确认了所研究种质中存在高遗传变异，并发现了14个重复。这些重复意味着种质在遗传上相同，要么是由于从不同地点收集了同一品系，要么是被赋予了不同名称。识别重复种质能够更准确地评估遗传多样性，并帮助育种者使用一个缩小但更具遗传信息性的种质集合。分子方差分析（AMOVA）显示，总变异的90%存在于亚群内部，而10%存在于两个不同亚群之间。高粱基因型表现出高遗传多样性，可用于开发亲本育种材料和品种。本研究的信息为高粱育种计划中的种质利用和保存奠定了基础。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

高粱（*Sorghum bicolor* L. Moench）是全球第五大重要粮食作物，在撒哈拉以南非洲（SSA）地区是主粮作物，富含必需氨基酸、膳食纤维、维生素B及多种矿物质。然而，气候变化导致的热害和干旱胁迫日益频繁和剧烈，严重制约了该地区高粱生产。津巴布韦高粱平均产量仅为0.32 t·ha^-1，远低于潜在国家平均产量（2–4 t·ha^-1）和世界平均产量（1.45 t·ha^-1）。农民主要种植地方品种，这些品种虽产量低但具有适应性、稳定性、抗病虫害等优良特性。然而，缺乏能应对气候冲击的改良品种导致高粱种植面积减少和产量低下。同时，国际和国家基因库中SSA地区的种质资源表征不足，尤其缺乏对本地地方品种的分子鉴定，这限制了育种计划中遗传多样性资源的有效利用。

**研究目的与意义**

为启动津巴布韦VN Seeds Pvt Ltd的高粱改良计划，研究人员从国际半干旱热带作物研究所（ICRISAT）津巴布韦基因库获取了基于早熟性、抗病性和抗旱性筛选的种质。然而，这些种质间的遗传关系信息有限。因此，本研究旨在利用竞争性等位基因特异性PCR（KASP-SNP）标记，评估所选SNP标记的质量，并确定：（i）亚群数量；（ii）异源组；（iii）重复数量；（iv）192个津巴布韦和外来种质内部及亚群间的变异。该研究为高粱育种计划中的种质利用和保存提供了基础信息，有助于开发适应气候变化的品种。论文发表在《International Journal of Agronomy》。

**关键技术与方法**

研究人员从ICRISAT津巴布韦基因库获取380份种质，经初步筛选和种子繁殖后，保留182份基因型，并加入8个地方品种和2个商业品种，共192份基因型用于研究。采用改良CTAB法提取DNA，从LGC Group Ltd的SNP数据库中选择80个成功分型的KASP-SNP标记，这些标记均匀分布于10条染色体（染色体1–10分别有11、11、9、9、5、6、7、8、7、7个标记）。使用GenAlEx 6.5和RStudio 4.3.1软件计算期望杂合度（He）和多态信息含量（PIC）；利用Structure 2.3.4软件（burn-in=5000，MCMC=50,000）进行群体结构分析，并通过Structure Selector在线软件基于Evanno方法确定最佳K值；使用RStudio进行层次聚类（Gower距离和邻接算法）；通过AMOVA评估亚群间和亚群内的变异；利用GenAlEx识别重复种质。

**研究结果**

**3.1 SNP遗传多态性与表征**
80个KASP-SNP标记均匀覆盖高粱基因组，染色体6上多态性最低。标记的期望杂合度（He）范围为0.052至0.583，平均值为0.343，表明标记具有高信息性。多态信息含量（PIC）平均值为0.298，其中69%的标记PIC>0.25，属于中等信息性，具有高区分能力。该结果与Yahaya等（9516个SNP标记，He=0.32）和Sejake等（110个KASP-SNP标记，He=0.30）的研究一致，证实了所用标记的有效性。

**3.2 群体结构分析**
基于Evanno方法，Delta K值在K=2时达到峰值，表明192个高粱基因型存在两个遗传亚群（K=2）。层次聚类树状图（红色切割线）显示两个亚群，并进一步分为更小的簇，多数基因型按来源聚类（如博茨瓦纳的ICR107、ICR23、ICR110聚为一组，莱索托的ICR37、ICR94等聚为另一组）。也门来源的基因型在第二亚群中与其他基因型遗传距离较远。AMOVA结果显示，总变异的90%存在于亚群内部，10%存在于亚群之间，这与Afolayan等（6%与94%）和Tadesse等的研究一致，表明种质尚未经历显著选择压力，农民保留的不同适应性和亲本的地方品种促进了亚群内高遗传多样性。群体结构条形图（K=2）显示，超过61%的基因型为纯合类型，证实高粱异交率较低（0–26%）。

**3.3 重复种质鉴定**
共鉴定出48个重复种质，经合并后减少为14个独特品系。重复种质可能因同一品系从不同地点收集或命名不同造成。识别重复有助于提高种质利用效率，在杂交育种中避免因重复导致资源浪费，并可加速优良性状的筛选（如将具有理想性状的重复品系合并，快速进行种子繁殖）。

**讨论与结论**

**讨论部分总结**：遗传多样性研究对高效利用种质至关重要。本研究中高He和PIC值证实了SNP标记的有效性，且69%的标记可用于未来多种应用。群体结构分析揭示的两个亚群及层次聚类进一步细分的簇，为育种者选择来自不同群体的基因型进行杂交以利用杂种优势提供了依据。树状图信息可指导种质保存（如经济地保持少数高遗传多样性基因型）和利用（如选择亚簇内任一基因型即可最大化变异）。重复种质虽在机构层面消耗资源，但在国家或区域层面可作为备份（如ICARDA叙利亚种子库因战争失效后，斯瓦尔巴备份启动了育种活动）。AMOVA表明亚群内变异高于亚群间，与自花授粉作物预期的高异交率（最高26%）及农民严格选择产生的变异一致。条形图确认多数基因型纯合，符合高粱自交特性。

**结论部分翻译**：总之，SNP遗传标记在本研究中成功应用，具有信息性并区分了高粱种质。观察到的平均He和PIC值较高，证实了SNP标记对遗传多样性研究和未来用途的有效性。群体结构分析显示了两个不同的亚群，AMOVA揭示了亚群内的遗传变异高于亚群间，且研究中的大部分种质是纯合的。存在14个重复，集中在一个亚群中。本研究获得的所有关于遗传多样性存在以及为产量和理想农艺性状选育的高粱基因型关联性的宝贵信息，可用于将种质分类为不同组。对高粱组的了解促进了种质的有效利用和保存，从而及时提高津巴布韦的高粱产量。未来高粱育种应优先整合分子多样性数据与多环境条件下的详细表型评价，通过全基因组关联研究和多环境试验鉴定与干旱耐受性、热胁迫抗性、主要病虫害抗性等关键适应性性状相关的遗传位点，从而开发强健的标记辅助选择和基因组选择策略，加速气候适应性高粱品种的选育。