西南地区薏苡种质资源遗传多样性分析和核心种质库构建

Coix lacryma-jobi L. is a Chinese traditional herb and crop. The planting areas and yield of Coix lacryma-jobi L. in Guizhou ranks first in the nation and the products of Coix lacryma-jobi L. from Guizhou are exported to Southeast Asia. The germplasm resource of Coix lacryma-jobi L. in Guizhou are rich and diversity due to its karst landscape and various microclimates, in which there is a Southwestern Coix lacryma-jobi L. Germplasm Resources Nursery. However, the germplasm diversity of Coix lacryma-jobi L. from Guizhou and southwest of China remains unclear. Besides, the narrow genetic basis of varieties and the problem of single leading variety are not conducive to the healthy development of Coix lacryma-jobi L. industry. In order to promote the protection and management of Coix lacryma-jobi L. germplasm from southwest of china, discover and utilize excellent germplasm and accelerate breeding process, our research aims to use Amplified Fragment SNP and Methylation (AFSM) simplified resequencing technology to mine SNP, InDel and methylation sites along Coix lacryma-jobi L. genome and evaluate 14 phenotypes. Though the assessment of 14 phenotypes and the genetic diversity analysis based on SNP and InDel of all Coix lacryma-jobi L. germplasm from southwestern China, a core collection of Coix lacryma-jobi L. from southwestern China is successfully constructed followed by evaluating three strategies of core collection construction. Moreover, genome-wide association study is performed to Coix lacryma-jobi L. core collection to obtain SNP loci and InDel for yield-related traits in Coix lacryma-jobi L..

薏苡是我国传统的药食两用作物，贵州薏苡的种植面积、产量以及加工产品均居全国首位，并外销东南亚地区。贵州喀斯特地貌和小区域气候条件使薏苡种质资源多样化，建有我国西南地区薏苡种质资源圃，但贵州及西南地区薏苡种质资源多样性尚不十分明确，生产品种遗传基础狭窄，主栽品种单一，不利于薏苡产业的健康发展。为促进我国西南地区薏苡资源的保护、管理和优异种质的发现和利用，加速薏苡杂交育种进程，本研究利用基于高通量测序技术的基因组随机扩增序列SNP多态性及甲基化多态性(AFSM)简化测序方法对薏苡进行全基因组SNP、InDel和甲基化位点的发掘，同时进行产量等14个表型性状的评价，通过表现型与基因型SNP及InDel遗传多样性的分析，探讨三种核心种质库构建策略，建立西南地区薏苡核心种质库，并对薏苡核心种质库进行产量相关性状全基因组关联分析，获得薏苡产量相关性状SNP和InDel位点。

薏苡是传统药食两用作物，也是贵州特色产业和助力黔西南州脱贫攻坚的产业之一。贵州薏苡种植面积、产量、加工均居全国第一，但生产上薏苡主栽品种单一。薏苡遗传基础研究、优异种质利用、品种选育进程远远落后于其他杂粮作物和药用植物。本项目系统评价了贵州薏苡资源圃内收集保存的248份薏苡资源的14个表型性状，其中，10个数值型性状变异丰富，变异系数顺序为总分蘖数>百粒重>主茎分枝数>主茎节数>茎粗>叶长>株高>叶宽>总苞宽度>总苞长度。利用AFSM技术开发了薏苡全基因组标记232,835个，分析了289份薏苡资源的遗传基础，结果表明，西南地区薏苡资源遗传多样性较低(Pi=0.39, Nei’s index=0.39)。利用表型数据和基因型数据，3种聚类方法（产地-聚类分组、逐步随机聚类分组和逐步优先聚类分组）及5种取样比例（10%、15%、20%、25%和30%）构建了30个薏苡初级核心种质库。对于表型数据，产地-聚类分组法结合25%取样比例的方法最为合适，该初级核心种质库的变异系数变化率、均值差异百分率、极差符合率、方差差异百分率、表型保留比例分别为110.05%、0、93.03%、10%和96%，包含67份资源；对于基因型数据，逐步随机聚类分组结合10%取样比例最为合适，该初级核心种质库具有最大的Pi值和Nei’s指数（Pi=0.441，Nei’s index=0.433），包含30份资源。整合两种数据构建的初级核心种质，确定薏苡核心种质库，共包含91份薏苡资源。利用全基因组关联分析策略，分别确定了株高、主茎分枝数、叶片长、叶片宽、分蘖数、百粒重、总苞长和总苞宽共8个性状的每个性状显著性最大的200个位点。本项目的研究结果有利于开展薏苡种质资源保护，筛选获得一批产量高、株型优的优异种质资源，加快薏苡种质创新和分子标记辅助育种进程，为我国西南地区，尤其是贵州地区薏苡的品种选育和遗传改良工作提供了重要的数据和理论基础，有利于薏苡产业的可持续发展。