第一章 作物种质资源研究
种质资源（ germplasm resource），又称作物育种的原始材料（ original material）、品种资源（variety resource）、遗传资源（genetic resource）、基因资源（gene resource）等。它们是一类内涵大体相同的名词术语，一般是指具有特定种质或基因、可供育种及相关研究利用的各种生物类型，包括地方品种、改良品种、新选育品种、引进品种、突变体、野生种、近缘种，人工创造各种生物类型的植株、种子、无性繁殖器官、单个细胞、单个染色体甚至单个基因等。 20世纪 60年代以前，我国把用以培育新品种的原材料统称为育种的原始材料， 60年代初期改称为品种资源，因为现代育种主要利用的是其遗传物质或种质，所以国际上大都采用种质资源这一术语，种质资源在遗传学上常被称为遗传资源，由于遗传物质是基因，且利用的主要是生物体中的部分或个别基因，因此种质资源又被称作基因资源。
第一节 作物种质资源遗传多样性研究方法及研究进展
作物种质资源是经过长期的自然进化和人工选择后形成的，积累了极其丰富的遗传变异，是作物育种的物质基础。遗传多样性是生物多样性的基本组成部分，是生态多样性和物种多样性的基础，是种内不同群体之间或一个群体内不同个体间遗传变异的总和，代表了一个种群或一个物种中个体之间或群落之间遗传变异的程度（李锡香， 2002）。一个位点上的等位基因变异组成该位点的遗传多样性，而所有位点的变异组成一个群体或一个物种的遗传多样性。遗传多样性是一个物种或种群生存的遗传基础，一个种群遗传多样性越丰富，对环境的胁迫适应能力越强。
遗传多样性可以体现在从形态到 DNA的各个不同水平上，故对其检测的方法可建立在不同层次的研究上，检测遗传多样性的方法随着生物学尤其是遗传学和分子生物学的发展而不断改良和完善，从形态学水平、细胞学染色体水平、生理生化水平逐渐发展到分子水平。无论是利用哪种方法进行研究，目的都是从不同角度揭示植物的遗传变异（夏铭， 1999；季丽静， 2013）。
一、遗传多样性研究的传统方法
（一）形态学水平多样性研究
1．形态学标记概述形态学标记是基因的表现型，是在植物生长发育过程中用肉眼可以观察到的形态特征和特性（李锡香， 2002），具体包括株高、叶形和花色等外部特征，还包括花粉形态、生理特性、生殖特性、抗病虫性等特性。形态学标记有直观、方便等特点，一般采用统一的标准，通过野外釆集、亲子代间长期观察、多元统计分析（如主成分分析、聚类分析）等方法和手段进行研究，所测量的数据除研究遗传变异之外，还可以直接为生产提供理论依据，是一种不可缺少的遗传多样性研究昀基本的方法（田骏， 2012）。表型多样性主要是遗传与环境、结构基因与调控基因综合作用的结果，是多种遗传基础与多种生态环境的综合体现，也是作物遗传变异的重要体现（蒲艳艳等， 2016），但仅运用形态学水平来验证物种的遗传差异，还存在着一定的局限性（马苏力娅， 2019）。
2．形态学多样性研究进展 Dotlacil等（ 2000）及 DeLacy和 Skovmand
（2000）都曾利用形态特征及品质性状来研究分析小麦的遗传多样性，并且研究结果都证明了利用形态学方法解释小麦的遗传多样性的结构和演变是一种可靠有效的方法。刘三才等（2000）利用形态学标记研究发现中国小麦资源在形态学方面具有较广泛的遗传多样性，地方品种遗传多样性比选育品种高。 Faris等（2006）研究埃塞俄比亚不同区域间四倍体小麦农艺性状的遗传变异情况和遗传多样性，发现株高、抽穗期、穗长、穗密度和籽粒颜色等数量性状引起的变异占总变异的 50%。柴永峰等（ 2013）通过对国外引进的 145份小麦种质资源及其杂交后代进行形态学水平的研究和分析，结果显示农艺和品质性状的遗传多样性极其丰富。 Muhamad等（2017）基于 10个形态性状对 1943年以来印度尼西亚水稻改良品种的 Ward’s聚类分析表明，改良品种的遗传变异度较低。Beyene等（2006）利用 15个形态性状对包含 62个埃塞俄比亚高原传统玉米品种的代表性群体进行分析，结果表明，该群体在所有的 15个形态性状上均具有较大的变异范围；进一步利用扩增片段长度多态性（ amplified fragment length polymorphism， AFLP）标记进行分析，发现基于形态性状和 AFLP标记的遗传距离呈显著正相关。石海春等（2014）采用 15个形态性状标记对 82份玉米自交系进行遗传多样性分析，结果表明供试自交系遗传多样性丰富，在欧氏距离 38.06处可将供试自交系分为 6类，但其聚类结果与其系谱来源的吻合程度较低；而采用 63个简单重复序列（ simple sequence repeat，SSR）分子标记得到的聚类结果与其系谱来源的吻合程度较高。 Thakur等
（2017）利用 11个形态指标、4个生化指标和 29个 SSR标记对喜马拉雅山脉 48份玉米材料进行遗传多样性和结构分析， 48个玉米基因型在 11个形态指标间表现出广泛的变异且被划分为两个亚群；基于 SSR数据的聚类分析虽然也将 48份玉米基因型划分为两个亚群，但是不同于基于形态指标的分析结果。
（二）细胞学染色体水平多样性研究
1．细胞学标记概述细胞学标记是指通过染色体的变异研究细胞学水平的遗传多样性，常见的细胞学标记包括染色体的数目变异（整倍性或非整倍性）、结构变异以及形态、着丝点位置、缢痕和随体等核型特征变异（王舰， 2017）。染色体是遗传物质的载体，是基因的携带者，染色体一旦发生变异将会直接引起遗传物质的变异。因此，染色体变异是生物遗传多样性的重要来源（李清莹， 2018）。细胞学染色体水平上的研究主要包括核型分析法（karyotype analysis）、染色体组分析法（ genome analysis）、荧光原位杂交（ FISH）以及 C带（C band）、G带（G band）等。细胞学标记避免了形态学标记易受生态环境影响的缺点，但是该方法需要特定的工具材料，耗费大量的人力和物力，而且染色体的数量少、结构变异有很大局限性，即标记数量较少，并且难以分析染色体内部基因水平的变化，在染色体数量一致和外部形态相似的情况下，种或种群的个体难以分辨（蒲艳艳等， 2016）。因此，细胞学标记技术在分析和研究作物遗传多样性中具有较大的应用局限性。
2．细胞学多样性研究进展 杨瑞武等（ 2001）对矮秆波兰小麦进行带型分析，发现其非同源染色体之间 C带的带型存在较大差异。窦全文等（ 2003）研究发现中国甘肃、青海地区的圆锥小麦地方品种与普通小麦在 A、B组染色体带型间存在较显著的多态性，遗传多样性丰富。杨瑞武等（ 2003）采用改良的 Giemsa C带技术分析了小麦族披碱草属（ Elymus L.）、鹅观草属（ Roegneria C.Koch）和猬草属（ Hystrix Moench）等三个模式种的染色体 C带带型，发现这三个属模式种染色体的 Giemsa C带带型存在明显的差异，且 E. sibiricus和 H. patula之间的染色体相似性大于它们与 R. caucasica之间的染色体相似性。郭旺珍等（ 1997a）研究发现陆地棉与毛棉种间 F1花粉母细胞在减数分裂中期Ⅰ配对正常，说明两者亲缘关系比较相近，仅在部分染色体间发生分化，存在染色体结构上的差异。詹秋文等（ 2006）采用去壁低渗火焰干燥法对 6个高粱品种和 4个苏丹草进行核型比较研究，结果表明，两者体细胞染色体数均为 20，染色体长度也相差不大，但在着丝粒位置、随体上存在显著差异。
（三）生理生化水平多样性研究
1．生化标记概述生化标记是以蛋白质的多态性为基础发展起来的检测物种遗传多样性的标记方法，因为蛋白质是基因表达的产物，所以直接表现了基因产物的差异，且具有经济方便、数量丰富等特点。按照其载体的不同可分为同工酶标记和贮藏蛋白（如醇溶蛋白、清蛋白和球蛋白等）标记两种。同工酶标记就是针对同种酶不同分子形式同工酶的电泳谱带分析，来识别控制这些谱带表达的基因位点和等位基因，从而达到在基因水平上研究生物体的目的，已在遗传变异研究中得到广泛应用。但随着研究工作的大量开展以及研究的不断深入，同工酶电泳技术的一些弱点或局限也被人们逐渐认识到，酶带的产生既有它的遗传背景，也会受生理（如发育阶段和存在的组织器官）、各种实验因素（如染色方法、酶的浓度、电泳分辨率等）的影响，故同工酶标记可能会低估遗传变异的水平。在贮藏蛋白标记中，用得较多的是种子贮藏蛋白，周延清等
（2008）研究发现在遗传多样性的分析中，贮藏蛋白比同工酶更稳定。总体而言，由于生化标记的各种指标反应均是编码区的信息，而在基因中非编码区占了绝大多数，非编码区中可能蕴含着更多的多样性，并且这些指标还容易受环境以及试验条件的影响，因此生化标记的应用受到了限制（贾子昉等， 2014）。
2．生化水平多样性研究进展 Wendel等（1992）利用同工酶谱在达尔文氏棉中检测出了大量陆地棉等位基因，分析表明这些等位基因不是来自与陆地棉的直接杂交，而是来自陆地棉渐渗的海岛棉。 Metakosky等（2000）用醇溶蛋白分析法研究发现 100份西班牙普通小麦醇溶蛋白等位基因的遗传多样性较丰富，尤其西班牙本地小麦品种的遗传多样性更高。郎明林等（ 2001）利用改良的 pH3.2酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳（acid polyacrylamide gel electrophoresis，A-PAGE）方法分析中国北方冬麦区新中国成立后不同时期的 51个主栽品种和 21个骨干亲本的醇溶蛋白及其演化规律，结果表明主栽品种醇溶蛋白的遗传多样性较丰富，主栽品种的多态性呈逐代增加的趋势，尤其是对产量性状有利的多态性。齐冰洁等（ 2010）利用醇溶蛋白标记分析了 74份燕麦种质资源的遗传多样性，结果表明供试燕麦种质资源的醇溶蛋白变异较大，遗传多样性丰富。
二、分子水平的遗传多样性研究
1．分子标记概述分子标记是以核酸分子的多态性为基础的遗传标记，可以直接反映 DNA分子水平上的遗传变异，具有标记数量多、分布广、多态性高、不受环境限制等优点（张俊卫和包满珠， 1998），被普遍认为是研究生物遗传差异的昀理想手段（白玉，2007）。分子标记技术发展迅猛，根据标记特点和检测手段的不同，大致可划分为三代，第一代是基于 DNA杂交技术的 DNA分子标记，即限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）标记。第二代是基于聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）技术的分子标记。根据 PCR扩增时使用的引物类型不同又分为两类：一类是基于随机引物 PCR的分子标记，包括随机扩增多态性 DNA（random amplified polymorphic DNA，RAPD）标记、扩增片段长度多态性（ amplified fragment length polymorphism，AFLP）标记、简单重复序列区间（ inter-simple sequence repeat，ISSR）标记和相关序列扩增多态性（ sequence-related amplified polymorphism， SRAP）标记等，另一类是基于特异引物的 PCR分子标记，以简单重复序列（ simple sequence repeat，SSR）标记为代表。第三代是基于单碱基差异的分子标记，包括单核苷酸多态性（ single nucleotide polymorphism，SNP）标记和碱基的插入或缺失（ insert-delete，In-Del）标记等（蔡长福， 201
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