塞内加尔珍珠粟种质资源遗传多样性与群体结构解析：为培育抗旱高产杂交种奠定基础

《PLOS One》：Genetic diversity and population structure of pearl millet in the Senegalese germplasm

本研究通过对169份塞内加尔珍珠粟（Pennisetum glaucum）基因型（包括F3/F5代系谱、PMiGAP自交系及外来种质）进行高通量基因分型（DArTseq平台，获得16,693个高质量SNP标记），系统评估了其遗传多样性与群体结构。利用sNMF算法与主成分分析（PCA）揭示了四个遗传簇，其中大多数F3系集中于簇1，而超过半数的F5系分布于簇2。分子方差分析（AMOVA）显示92.1%的变异存在于簇内。研究观察到中等水平的遗传多样性（平均基因多样性0.30）及清晰的群体结构，为定义杂种优势群、开发抗逆杂交品种及制定更优的种质保护策略提供了关键遗传学依据。

　　

材料与方法

本研究使用的169份基因型材料来源于塞内加尔农业研究所（ISRA）的种质资源库，具体包括94个F₃代系谱（PLS）、58个F₅代系谱（ISMI）、15个珍珠粟自交系种质关联组（PMiGAP）成员及两份分别来源于尼日尔和印度的渗入种质（29AW和ICMR088888）。2023年2月在塞内加尔班贝地区进行种植，采集三周龄叶片样本。利用CTAB法提取基因组DNA后，通过DArTseq技术平台进行基因分型。原始的58,627个SNP标记经过质量过滤（次要等位基因频率MAF > 5%，样本缺失率 < 20%，SNP缺失率 < 10%）和连锁不平衡（LD）修剪后，最终保留了16,693个高质量SNP用于后续分析。

结果

SNP标记分布与群体结构

16,693个SNP标记在珍珠粟的七条染色体上分布相对均匀，平均密度为44个SNP/百万碱基对（Mb），其中着丝粒区域密度较低，而端粒区域（如Chr1， Chr3， Chr6， Chr7）密度最高（>88个SNP/Mb）。利用稀疏非负矩阵分解（sNMF）算法进行群体结构分析，依据最低交叉熵值确定了最优的祖先群体数K=4，将全部基因型划分为四个遗传簇。每个个体根据其Q矩阵中祖先系数最高的成分被分配到相应的簇中。簇1主要由紫色成分主导，簇2以蓝色成分为主，簇3和簇4则分别对应红色和黄色成分。簇2包含的基因型数量最多（n=85），簇1次之（n=62），簇3（n=13）和簇4（n=9）规模较小。簇1主要由PLS系谱（55个）构成；簇2最为多样，包含所有类型的材料（2个渗入种、15个PMiGAP、48个ISMI、20个PLS）；簇3完全由PLS系谱组成；簇4则包含3个ISMI和6个PLS系谱。

系统发育分析与遗传多样性参数

基于SNP标记数据，采用Nei方法计算遗传距离并构建邻接（NJ）系统发育树，结果显示三大进化枝的划分与sNMF分析得出的主要群体结构基本一致，其中蓝色进化枝主要对应簇1（PLS系谱），红绿进化枝对应簇2（ISMI与PMiGAP）。各簇内部的遗传多样性参数存在差异。基因多样性（GD）范围在0.16至0.30之间，簇4最高（0.30），簇3最低（0.22）。多态性信息含量（PIC）在0.18（簇3）到0.24（簇4）之间。所有簇的观测杂合度（Ho）均低于期望杂合度（He），平均Ho和He分别为0.10和0.29，表明该材料存在较高的近交水平。

分子方差（AMOVA）与遗传分化

分子方差分析（AMOVA）表明，遗传变异主要存在于簇内（92.12%），簇间的变异仅占7.88%，这反映了群体内部存在广泛的基因流。群体间的遗传分化指数（F_ST）平均值为0.052，表明簇间存在中等程度的遗传分化。簇2与簇4之间的分化最弱（F_ST= 0.028），而簇3与其他簇（尤其是簇4， F_ST= 0.11）的分化最为显著。Nei遗传距离的结果与F_ST分析一致，簇2与簇4的遗传距离最小（0.023），而簇2与簇3（0.078）、簇3与簇4（0.077）之间的遗传距离最大。

主成分分析（PCA）

主成分分析（PCA）进一步验证了群体结构的结果。前两个主成分（PC1和PC2）共同解释了总遗传变异的23%（分别为13.21%和9.30%）。二维散点图清晰地展示了四个遗传簇，其中簇2和簇4的分离相对不明显。

讨论

塞内加尔珍珠粟种质资源显示出广泛的遗传混合，这在该异花授粉作物中很常见，主要是由基因流、农民间的种子交换以及育种过程中的有意识杂交所驱动。群体结构部分反映了已知的系谱和农艺性状，例如簇3完全由来自塞内加尔地方品种的晚花型PLS系谱构成，而簇2则主要由早花型基因型（ISMI和PMiGAP）组成。这表明，除了地理起源，育种历史、共同系谱、开花时间以及人类介导的选择和交流是塑造群体结构的主要因素。结构分析（sNMF）与系统发育分析（NJ）的结果存在部分差异，这源于两种方法不同的方法论基础：sNMF能更灵敏地检测群体的细微结构和混合，而NJ树基于成对遗传距离，更适合反映整体的进化关系。

研究所获得的平均基因多样性（0.30）和多态性信息含量（PIC， 0.24）处于中等水平，低于之前报道的西非和中非地方品种的多样性。较低的观测杂合度（Ho=0.10）与所研究材料主要为高级自交系（F₃和F₅）的性质相符，表明存在一定程度的近交。平均次要等位基因频率（MAF）为0.21，表明稀有等位基因较少，这可能与育种过程中的选择有关。分子方差分析（AMOVA）显示变异主要存在于簇内（92.12%），再次印证了群体间存在显著的基因流。遗传分化指数（F_ST）和Nei遗传距离均表明，簇3（晚花型PLS系谱）是遗传上最为独特的群体，与其它簇分化明显。这种独特性使其有潜力成为一个独立的杂种优势群，在未来杂交育种计划中具有重要价值。

结论

本研究整合群体结构、遗传多样性和系谱信息，为塞内加尔珍珠粟的遗传改良提供了关键见解。观测到的广泛遗传混合、中等程度的簇间遗传分化以及较低的杂合度，共同反映了异花授粉、种质资源交流和高级品系选育的综合效应。研究强调了在推进育种进程的同时，必须注重遗传多样性的保护。四个遗传簇，特别是由晚花型地方品种衍生的、遗传上独特的簇3的鉴定，为基于遗传信息的亲本选择、杂种优势群构建和种质资源管理提供了明确指导。这些发现有助于优化杂交策略，促进关联分析和数量性状位点（QTL）挖掘，从而提升育种效率并保障长期的遗传增益。