１３Ｏ ＣＲＯＰ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
五节芒核心种质的构建研究概述
邓念丹，刘清波 ，蒋建雄，易自力
（湖南农业大学生物科学技术学院，长沙４１０１２８）
摘要：数量庞大的植物种质资源为植物资源和育种研究提供了丰富的遗传基础，但也给植物遗传资源的保存、研究和利 用带来了困难。介绍了五节芒植物遗传资源核心种质的概念及研究进展，包括核心种质研究的步骤、方法以及核心种质的 检验指标及相关研究，希望为种质资源评价、开发和选育改良新品种等提供参考。 关键词：五节芒；种质资源；核心种质 中图分类号：￥５８０．２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—５２８０（２０１０）０２～０１３０—０５
Ｓｕｍｍａｒｙ Ｏｎ Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｒｅ ＣｏＩＩｅｃｔｉｏｎ
ｏｆ Ｍｉｓｃａｎｔｈｕｓ ｆＩｏｒｉｄｕｌｏｕｓ
ＤＥＮＧ Ｎｉａｎ—ｄａｎ，ＬＩＵ Ｑｉｎｇ－ｂｏ，ＪＩＡＮＧ Ｊｉａｎ～ｘｉｏｎｇ，ＹＩ Ｚｉ－ｌｉ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｓｓｉｖｅ ｐｌａｎｔ ｇｅｒｍｐｌａｓｍ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ｉｎｈｅｒｉｔｅｄ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｐｌａｎｔｓ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ｂｒｅｅｄｉｎｇ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｈｉｌｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｍａｎｙ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ｉｎ ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｎｔｓ ｇｅｒｍｐｌａｓｍ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｃｏｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｇｅｒｍｐｌａｓｍ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ Ｍｉｓｃａｎｔｈｕｓ ｆｌｏｒｉｄｕｌｏｕｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｅｐｓ，ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃｏｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｎｅｗ ｃｕｈｉｖａｒ ｂｒｅｅｄｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍｉｓｃａｎｔｈｕｓ ｆｌｏｒｉｄｕｌｏｕｓ；Ｇｅｒｍｐｌａｓｍ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ；Ｃｏｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ
五节芒（Ｍｉｓｃａｎｔｈｕｓ ｆｌｏｒｉｄｕｌｏｕｓ）属于禾本科
（Ｐｏａｃｅａｅ）黍亚科（Ｓｕｂｆａｍ．Ｐａｎｉｃｏｉｄｅａｅ Ａ．Ｂｒａｕｎ）须 芒草族（Ｔｒｉｂ．Ａｎｄｒｏｐｏｇｏｎｅａｅ Ｄｕｍｏｒｔｉｅｒ）甘蔗亚族
（Ｓｕｂｔｒｉｂ．Ｓａｃｃｈａｒｉｎａｅ Ｇｒｉｓｅｂａｃｈ）芒属（Ｍｉｓｃａｎｔｈｕｓ Ａｎｄｅｒｓｓｏｎ）［１ ］。五节芒为中生性热地牧草，生长在岩
石缝隙、石砾堆以及矿业废弃地上Ｌ３ ］。五节芒根系发 达、生物量大、生长快速、抗逆性强。在我国主要分布在 热带、亚热带地区［５］。天然分布在安徽、湖北、贵州、福
建、江苏、广东、广西、江西、湖南等省。秆粗大，高２～４ ｍ，径粗达１ ｃｍ，花果期５～１１月。其茎及叶可为造纸原
料，叶幼嫩时可做饲料。须根粗壮发达，可做防沙固土 的材料［２］。在我国五节芒作为低成本的原料，用于栽培 玉木耳、茶薪菇等［６ ］。近年来，由于生物质可再生能源
得到欧美等国家的广泛关注，五节芒作为一种高光效
Ｃ 植物具有生物质产量高、抗逆性强、纤维素含量高、
燃烧充分以及灰分含量低等特点，被视为颇具开发潜
收稿日期：２０１０—０３—２４ 作者简介：邓念丹（１９８３一），男，湖北仙桃人，硕士研究生。 ＊通讯作者。 基金项目：美国Ｍｅｎｄｅｌ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．合作项目。 力的能源植物之一。
１ 国内外五节芒研究进展
目前五节芒种质资源的研究主要集中在种质资源
调查、形态学分类、新品种选育、生态习性、细胞学、分
子标记、栽培管理与应用等方面。随着科技的发展，五
节芒种质资源鉴别、分类的指标也从最初的形态学性 状发展到现在深入的ＤＮＡ分子研究，并在应用中不断
得到充实和完善。
１．１形态分类学研究
五节芒为多年生高大草本植物。秆粗壮，叶扁平宽
大，叶面叶背无毛。顶生圆锥花序大型，由多数总状花
序沿一延伸的主轴排列而成，具多级分枝。
ＡｎｄｅｒｓｓｏｎＩｓ］命名的Ｍｉｓｃａｎｔｈｕｓ属包括５个种，其中五
节芒（Ｍ．ｆｌｏｒｉｄｕｌｕｓ（Ｌａｂｉｌ１．）Ｗａｒｂ．Ｅｘ Ｓｃｈｕｍ．ｅｔ
Ｌａｕｔ）和芒（Ｍ．ｓｉｎｅｎｓｉｓ Ａｎｄｅｒｓｓ．）的地理分布（日本、
中国、印度尼西亚和太平洋群岛）基本相同，形态较相 似，但仍可细心地加以区分。五节芒的花序主轴伸长，
叶片光滑无毛，叶色常绿，分枝较多，小穗长２．５～３．５
ｎｌｍ，而芒的小穗长５～６ ｍｍ。
２０１０年第２４卷第１期 作物研究
１．２细胞学研究 Ａｄａｔｉ Ｌ９ 在１９５８年报道日本产五节芒的染色体数 目２ｎ＝３８。陈少风ＥｌＯ］对芒、五节芒和荻的核型作了比
较细致的研究，结果表明，芒的体细胞中期染色体数目 为２ｎ一３８，核型公式为２ｎ…２ｘ ３８ ２８ｍ＋１０ｓｍ；五 节芒的体细胞中期染色体数目为２ｎ一３８，核型公式为 ２ｎ一２ｘ一３８—２４ｍ＋１４ｓｍ；荻（ ．ｓａｃｃｈａｒｉｆｌｏｒｕｓ）的 体细胞中期染色体数目为２ｎ一３８，核型公式为２ｎ一２ｘ
一３８—２２ｍ＋１６ｓｍ。芒和五节芒均无随体染色体出 现，核型都属于２Ｂ类型。芒和五节芒的核型均为首次 报道。
１．３生化及分子标记研究 黄家雍等［１ 用同工酶分析了五节芒与甘蔗的遗
传同源关系。金琳等 优化了五节芒的ＩＳＳＲ—ＰＣＲ 反应体系。
１．４生物学特性研究 萧运峰等［１。］对五节芒的生物学特性进行了研究，
结果表明，五节芒能用种子繁殖，但结实率仅千分之８， 实生苗生长缓慢，分蘖和再生力较强，适度ＸｔＪ－￣Ｕ可提高 生产力，能耐一２３℃至一２９℃短时低温和４１．５℃短期 高温。朱邦长等Ｆ“ 对五节芒茎芽繁殖技术的研究表
明，五节芒种子繁殖成活率低，传统的繁殖方法是分蔸 繁殖，繁殖系数很低，运输量大，成本高。茎芽繁殖技术
繁殖系数成倍提高，降低了运输成本，一年四季均可进 行，在老蔸上挖取部分具有萌发能力的茎芽即可繁殖， 不必挖老蔸，不损伤老蔸。
２核心种质的概念及意义
种质资源收集多，规模大，反而是种质利用的一种 障碍，为此，Ｆｒａｎｋｅｌ提出了核心样品（Ｃｏｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）
的概念。核心样品为以最少数量的种质材料代表一个 作物种及其近缘野生种最大限度的遗传多样性［１引。以
后，Ｆｒａｎｋｅｌ和Ｂｒｏｗｎ又进一步发展了这一概念［１ 叫引。 建立作物核心样品，不仅可以提高种质库种质的利用
效率，而且将有利于种质库管理、新种质收集、种质创 新及种质资源的深层次研究［１ 。核心样品概念一经提
出，就引起了全球广泛的兴趣，并先后在西非秋葵Ｉ２ 、 澳洲一年生大豆 拢］、野生稻 ∞ 等作物上得以实践。近
年发展迅速。
３五节芒核心种质构建的研究内容
３．１初级核心种质取样方案的研究
选择合理的分组原则、取样方法以及取样比例是
保障核心种质的代表性及有效性的重要因素。首先确 定分组原则，其次确定取样方法，最后确定取样比例。 通过比较不同取样方案抽样所得样本群体对总体种质
的代表性来评价取样方案的优劣。
３．２初级核心种质的构建及代表性检测研究 初级核心种质是构建核心种质很重要的一步。根
据优化分组原则、取样方法以及总体取样比例从五节 芒总体种质中抽取一定的样本数，构建成初级核心种
质。通过比较初级核心种质与总体种质在表型水平的 多样性，检测所构建的代表性。同时采用分子标记技术
（ＲＡＰＤ，ＲＦＩ Ｐ，ＩＳＳＲ等）检测初级核心种质在分子水
平上的遗传多样性。 ３．３核心种质的构建及代表性检测研究 主要根据形态学数据与分子标记数据对初级核心
种质按不同比例进行进一步的压缩，获得五节芒的核
心种质。通过检测各候选核心种质的表型性状与等位
基因的保留比例，表型性状遗传多样性与分子水平遗 传多样性，确定核心种质。主要从表型水平检测所构建
核心种质对总体种质的代表性。
４采取的研究方案
４．１总的技术路线 五节芒资源一基本数据和形态数据一取样方案一 抽样一初级核心种质一表型数据和分子标记数据聚类
代表性检测 压缩一核心种质
代表性检测
４．２种质数据和特征的收集与整理 目前用于核心种质构建的基础数据类型有分类
学、地理起源、生态起源、遗传标记和农艺性状等资料， 不同类型的数据各有优缺点。构建核心种质所用的数
据包括基本数据（ｐａｓｓｐｏｒｔ ｄａｔｅ）、特征数据 （ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ ｄａｔｅ）和鉴定评价数据（ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｄａｔｅ）等３类［１ 。基本数据是指有关材料收集地、起源
地的生态地理状况或育种体系、分类体系等有关信息。
特征数据是指包括形态、生化、分子标记在内的表征某 材料特征的数据。其中作物的质量性状由于不受田间 环境条件的影响，具有稳定、准确和直观的优点，是作
物种质资源基因型在表现型上的直观反映，因此应该
是构建作物核心种质的重要参考［２ 。获得种质评价的 完整记录是构建核心种质的理想基础。然而，没有必要
因缺乏完整的数据而拖延构建核心种质［２引。
基础数据的收集：记录采集的地点（经度、纬度、海 ＣＲＯＰ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
拔、地形、地貌、土壤类型等）、采集时间（开花植物一般
选植物开花时）、天气（温度、日照长短及强度、湿度） 等。遗传标记：记录基本的形态性状（株高、花序总长、 花序主轴长、基盘毛长、颖毛、花柱大小、柱头颜色、花
药颜色、花丝大小、子房大小、节毛、最大节长、茎蜡粉、
茎径、茎壁厚、叶背柔毛、叶面柔毛、最大叶片大小等）， 重复测３次或３次以上。生育期的观测：如果该植物没
有确定记录标准，可参照同科、属的植物进行记录、修 正。对于表现多个类型的质量性状，可通过赋值、分级、
数个数的方法统计，并拍清晰的相片。收集样本，一部 分制作成标本。分子标记：包括基因组ＤＮＡ的提取、反
应体系的构建、引物的设计、引物的筛选、数据统计分
析。细胞生物学中的染色体包括染色体制片方法、染色 体制片的影响因素、核型分析。生化标记：主要指同工
酶（蛋白质、抗体）类的标记。 ４．３初级核心种质的取样方案研究 参考邱丽娟等［２ ］大豆核心种质和微核心种质的 构建与验证。第一步确定分组原则并进行分组，第二步
确定取样方法，第三步确定取样比例。
４．３．１ 分组原则 分组就是将遗传上相似的样品归在一起。由于作 物种质的遗传结构特点存在差异，研究目的和深度不
同，掌握数据情况各异，优先考虑的因素不同，不同作 物分类的原则也各不相同。常见的分组标准及方法包
括按地理及农业生态分组、按分类体系分组、按育种体
系分组和多数据组合分组等。 第一层是根据地上部分纤维含量等重要的育种目
标性状进行分组；第二层是根据采集地地理环境分组； 第三层按花序长／花絮主轴长，芒长／颖壳长，颖毛，叶
鞘蜡粉，叶背柔毛等几个重要的分类及质量性状构成 的多数据组合分组。通过不同分层，将总体种质分成不
同的组。
４．３．２取样方法 将种质材料分组后，从每个组中以合理的取样方 法及取样比例选择进入核心种质的样品，这是构建核
心种质的关键一步。在上一步分组的基础上，根据各组 的遗传特点来确定取样方法及比例。通常选用简单比
例法、遗传多样性法、对数法、平方根法等４种方法，确 定组内的取样份数，再选择随机或聚类２种方法选择
组内个体，并以完全随机法或人工选择法作为对照。这 样就有３层×４种抽样数×２种组内个体＋２种对照一
２６种取样方法。另外，对遗传变异较大的样本，适当增 加材料的人选量；重复性较大的样本，取相对较少份数
的材料。 取样方法的评价：参考张洪亮等［２ ］的研究结果，
对五节芒选用Ｓｈａｎｎｏｎ Ｗｉｅｎｅｒ多样性指数，表型方
差，表型频率方差，等位基因频率，均值，变异系数，表 型保留比例及样本间平均欧式距离。分别计算出抽样 群体的上述参数值，然后对各参数排秩求和，根据参数
秩和高低确定最佳的取样方法。 ４．３．３总体取样比例 创建种质资源核心库，目的是为了更加有效方便
的保存和利用种质资源。但需要多大的样品规模才能 使最小的样本容量保存最大的遗传信息，这是一个值 得深入研究的问题。分别选择５％，１０ ｏ／．，１５％，２０ ｏＡ，
２５％，３０％，３５ ，４Ｏ％的总体种质取样比例进行抽样，
筛选出适宜取样比例。对取样比例的评价参考张洪
亮 ，邱丽娟等 。 的研究。选用变异系数，表型方差， 表型频率方差，表型保留比例及样本间平均欧式距离
作为初级核心种质与核心种质的表型性状评价参数。 ４．４初级核心种质的构建及代表性检测研究 对建成的核心种质的有效性进行检验，必须对核 心种质遗传多样性的代表性进行分析，对其在生产上
的实用性进行评价。对质量性状，同工酶和分子标记等
离散型描述数据，常用等位基因频率、Ｎｅｉ ｓ多样性指 数、Ｓｈａｎｎｏｎ Ｗｉｅｎｅｒ多样性指数等评价指标。数量性 状的遗传基础复杂，环境因子影响大，因此对数量性状
常用最大值、最小值、方差、极差、均值和变异系数来衡 量。对质量性状的频率分布和表型符合度进行显著性
检验。构建的核心种质是否能够很好地代表原种质资
源群体的遗传多样性，对方差进行Ｆ测验，对均值进行 ｔ测验。对于在初级核心种质与总体核心种质之问存
在显著差异的表型性状，可通过补充或删减具有该表 型性状的样本进行调整。
对于通过分子标记聚类做出的聚类图中被单独聚 成一类的初级核心种质样本可优先选人核心种质。对
特殊表型、抗性或来源地的样本进行人工选择补充。 ４．５核心种质的构建及代表性检测研究 将初级核心种质的表型数据和分子标记的数据合 并成一个表型和分子数据的矩阵，按３Ｏ ，４Ｏ ，５Ｏ ９，６，
６Ｏ ，７Ｏ ，８０ 的取样比例，使用ＳＰＳＳ软件以 ＵＰＧＭＡ聚类分析，对初级核心种质进一步压缩。将
组内两个差异最小的一个剔除，如果只有一个材料就
直接进入下一轮聚类，保留的样本再进入下一轮聚类， 直到达到所设比例要求，构建成五节芒的候选核心种
质群体。然后通过检测各候选核心种质群体在表型水
平和分子水平上对初级核心种质的代表性。确定核心
种质，再用同样的方法，检测核心种质对总体种质的代