我國主推玉米品種親本的遺傳結(jié)構(gòu)解析

李晶晶,張文洋,王利鋒,王 浩,李會勇

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，河南 鄭州 450002； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河南 鄭州 450002)

玉米是重要的糧食作物、飼料作物和工業(yè)原料，是商業(yè)化程度最高和雜種優(yōu)勢利用最成功的作物。目前，我國玉米育種中應(yīng)用的種質(zhì)資源主要來源于瑞德(Reid)種質(zhì)、蘭卡斯特(LAN)種質(zhì)、唐四平頭(SPT)種質(zhì)、旅大紅骨(LRC)種質(zhì)、P群種質(zhì)、歐洲種質(zhì)、熱帶種質(zhì)等[1]。Reid種質(zhì)與LAN種質(zhì)是美國玉米雜交種最常用的種質(zhì)來源[2]。我國的Reid種質(zhì)主要來源于M14、W24、W59E、B73等自交系，育成了掖107、U8112、掖478、鐵7922、鄭58等一批優(yōu)良的國內(nèi)玉米自交系[3]。LAN種質(zhì)主要來自Mo17、A619Ht、Va35等自交系，培育了自330、PHB1M等一批國內(nèi)常用的骨干自交系，選育了中單2號等主要雜交種。SPT種質(zhì)和LRC種質(zhì)是我國玉米雜交種最常用的自交系，其中，LRC種質(zhì)分別與Reid種質(zhì)以及Mo17等自交系組配了大量的玉米雜交種，如丹玉13、東單60等；SPT種質(zhì)具有配合力高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，其衍生的玉米自交系組配了鄭單958、安玉5號等雜交種。P群種質(zhì)是從先鋒雜交種P7859或其相似雜交種中培育出來的自交系，又稱為溫?zé)釒ХN質(zhì)，其衍生的自交系87-1組配的玉米雜交種豫玉22，自交系齊319組配的玉米雜交種魯單981，在我國玉米生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用。P群種質(zhì)具有產(chǎn)量潛力高、抗逆性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、持綠性好等特點(diǎn)，代表性材料包括Tuxpeno、Suwan、ETO等種質(zhì)[4-6]。歐洲種質(zhì)具有早熟、耐密、抗倒等適宜機(jī)械化收獲的特點(diǎn)。近些年，德國KWS種業(yè)公司培育的德美亞系列在我國東北地區(qū)大面積推廣，推進(jìn)了歐洲種質(zhì)在我國玉米育種中的應(yīng)用。

玉米是一種典型的異交作物，表現(xiàn)極端的雜種優(yōu)勢，有效利用雜種優(yōu)勢對提高玉米單產(chǎn)具有重大意義，劃分合理的雜種優(yōu)勢群，建立相應(yīng)的雜種優(yōu)勢模式，可有效提高選配雜交組合的效率[7]。研究者對我國玉米種質(zhì)的遺傳評價(jià)從未停止。比較前人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于所用材料的差異、分子標(biāo)記類型和數(shù)量的差異，對不同玉米種質(zhì)的遺傳評價(jià)和聚類分析結(jié)果存在稍微差異[8-10]，一般都會有LRC種質(zhì)、Reid種質(zhì)、LAN種質(zhì)等，還有一些研究劃分出P群種質(zhì)、改良Reid種質(zhì)等。目前，我國玉米生產(chǎn)上推廣的雜交種數(shù)量繁多、雜種優(yōu)勢模式錯(cuò)綜復(fù)雜，在玉米育種實(shí)踐過程中，多種雜種優(yōu)勢模式并存、不同來源的玉米種質(zhì)沒有融合成核心應(yīng)用種質(zhì)，不能形成有效的競爭力。隨著玉米育種實(shí)踐的不斷推進(jìn)，大量優(yōu)異玉米種質(zhì)被不斷培育、釋放和應(yīng)用。因此，對目前主推玉米品種親本自交系的血緣關(guān)系進(jìn)行遺傳解析，對已有雜種優(yōu)勢模式和創(chuàng)新雜種優(yōu)勢模式的各類群玉米自交系進(jìn)行系統(tǒng)分析，可促進(jìn)玉米優(yōu)異種質(zhì)資源利用效率的提高，加快玉米遺傳改良進(jìn)程；同時(shí)對主要雜交種的親本自交系相關(guān)單核苷酸多態(tài)性(SNP)位點(diǎn)進(jìn)行分析，可促進(jìn)預(yù)測玉米雜種優(yōu)勢的分子標(biāo)記的開發(fā)與利用。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)共收集國內(nèi)外常用玉米骨干自交系71份(表1)，包括我國主推玉米品種的親本自交系和歐美熱帶自交系，涵蓋我國目前主要玉米自交系的雜種優(yōu)勢群。

表1 71份玉米自交系基本信息Tab.1 The basic information of 71 maize inbred lines

續(xù)表1 71份玉米自交系基本信息Tab.1(Continued) The basic information of 71 maize inbred lines

1.2 DNA提取及基因分型

用CTAB法提取71份玉米自交系幼嫩葉片的DNA并進(jìn)行質(zhì)量檢測。采用中玉金標(biāo)記(北京)生物技術(shù)股份有限公司開發(fā)的玉米56K SNP芯片進(jìn)行基因型分析，依據(jù)質(zhì)量評估值DQC>0.82和標(biāo)記檢出率CR>0.97對樣品質(zhì)控，使用Axiom Analysis Suite軟件進(jìn)行SNP聚類的基因分型。

1.3 SNP數(shù)據(jù)分析

用Tassel 5.0對基因型進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)，包括每個(gè)樣品的缺失率(Missing rate)、雜合率(Hybrid rate)以及SNP的最小等位基因頻率(Minor allele frequency,MAF)[11]。以缺失率<10%和MAF>0.05的標(biāo)準(zhǔn)篩選高質(zhì)量的SNP標(biāo)記用于后續(xù)分析。利用Power Marker 3.25軟件對上述SNP位點(diǎn)進(jìn)行遺傳多樣性分析，包括位點(diǎn)多態(tài)性信息含量(Polymorphism information content，PIC)[12]，用UPGMA算法計(jì)算兩兩自交系之間的遺傳距離，采用R軟件里的hclust進(jìn)行聚類分析，并利用Figtree軟件進(jìn)行聚類圖的美化與顯示[13]。

1.4 主推玉米品種親本的多態(tài)位點(diǎn)和保守位點(diǎn)分析

針對16個(gè)主推玉米品種(表2)，選取其對應(yīng)親本的基因型數(shù)據(jù)進(jìn)行雜種優(yōu)勢位點(diǎn)分析，即多態(tài)位點(diǎn)和保守位點(diǎn)。多態(tài)位點(diǎn)分析主要是通過分析雙親間的多態(tài)位點(diǎn)，然后確立這些多態(tài)位點(diǎn)在整個(gè)玉米基因組上的明顯富集；保守位點(diǎn)是指雙親同態(tài)標(biāo)記，并確立這些保守位點(diǎn)在整個(gè)玉米基因組上的富集區(qū)域。

表2 我國16個(gè)主推玉米品種及其雜種優(yōu)勢模式Tab.2 Sixteen main maize varieties and their heterotic patterns in China

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米自交系SNP分析

利用玉米56K SNP芯片對71份玉米自交系進(jìn)行了全基因組掃描，共篩選出35 261個(gè)高質(zhì)量的SNP標(biāo)記。檢測結(jié)果(表3)顯示，SNP標(biāo)記缺失率為0～9.52%，平均值為0.52%。SNP的缺失率低，芯片獲得的SNP質(zhì)量較好。SNP標(biāo)記雜合率變幅為0～20.00%，平均為2.60%。這表明本研究所選用的玉米自交系均高度純合。MAF平均值為0.28，其中0.45≤MAF≤0.50的SNP位點(diǎn)(4 430個(gè))占12.56%，具有較高的多態(tài)性水平(圖1)。

PIC為0.10～0.50，平均值為0.37。其中，PIC<0.25的SNP位點(diǎn)為7 892個(gè)，占22.38%；0.45

表3 71份玉米自交系SNP標(biāo)記基本信息Tab.3 Basic information of SNPs in 71 maize inbred lines

2.2 玉米自交系聚類分析

聚類分析(圖3)結(jié)果表明，71份玉米自交系間遺傳距離為0.302～0.998，平均值為0.525。其中，自交系B73與Mo17之間遺傳距離最大，自交系KWS9384父本與KWS3376父本之間遺傳距離最小。71份玉米自交系被劃為5個(gè)類群。Ⅰ類群中，PH6WC和先玉987母本、先玉047母本、先玉111母本、PHB47的遺傳相似度很高，迪卡517母本與迪卡516母本的遺傳相似度很高，華美1號母本與PHB47的遺傳相似度很高，U8112和鐵7922遺傳相似度很高。該類群主要是堅(jiān)稈綜合種(BSSS)類種質(zhì)。Ⅱ類群中，主要有PH4CV、迪卡517父本和登海505父本等自交系及其改良系，以及德美亞系列母本自交系。Ⅲ類群中，掖478、沈5003、鐵C8605-2、丹9046遺傳相似度很高，屬于經(jīng)典Reid種質(zhì)；豫自87-1、齊319，X178、沈137、P138遺傳相似度很高，屬于經(jīng)典的P群種質(zhì)；另外，德美亞3號父本、KWS3376父本、KWS9384父本等歐洲父本群自交系的遺傳相似度較高，也被聚于該類群中。Ⅳ類群中，綜31、綜3、自330、OH43遺傳相似度很高，鄭58、吉853、丹340、C052遺傳相似度很高。Ⅴ類群中，黃早四、黃野四、昌7-2、魯單818父本遺傳相似度很高，屬于經(jīng)典SPT種質(zhì)；另外，還包括Suwan 1611種質(zhì)以及來源國際玉米小麥改良中心CIMMYT的CML539、CML52等種質(zhì)。

2.3 主推玉米品種親本自交系的多態(tài)位點(diǎn)和雜合位點(diǎn)分析

由表4可知，在BSSS×LAN的雜種優(yōu)勢模式中篩選出8 809個(gè)多態(tài)位點(diǎn)和8 665個(gè)保守位點(diǎn)；在SPT×Other的雜種優(yōu)勢模式中篩選出8 216個(gè)多態(tài)位點(diǎn)和8 290個(gè)保守位點(diǎn)；在EUROM×EUROF的雜種優(yōu)勢模式中篩選出8 334個(gè)多態(tài)位點(diǎn)和8 383個(gè)保守位點(diǎn)。這些多態(tài)位點(diǎn)和保守位點(diǎn)在玉米10條染色體上分布不均勻，主要分布在第1—5染色體上，SNP位點(diǎn)數(shù)為853～1 397個(gè)；第6—10染色體上多態(tài)位點(diǎn)和保守位點(diǎn)較少，SNP位點(diǎn)數(shù)為517～783個(gè)，其中第10染色體上分布最少。

針對16個(gè)主推玉米品種親本間多態(tài)位點(diǎn)和保守位點(diǎn)進(jìn)行染色體區(qū)域富集(圖4)，共得到多態(tài)位點(diǎn)7 615個(gè)、保守位點(diǎn)7 592個(gè)，其中第1染色體上最多，其次是第5染色體，第9和第10染色體上較少。同時(shí)，未發(fā)現(xiàn)16個(gè)主推玉米品種親本間存在共同的多態(tài)位點(diǎn)，但有8個(gè)多態(tài)位點(diǎn)是在15個(gè)主推玉米品種親本間篩選到的，集中分布在第1染色體(6個(gè))和第3染色體(2個(gè))上(表5)。在第1染色體上的多態(tài)位點(diǎn)，涉及GRMZM2G005844和GRMZM2G158446基因，其中GRMZM2G005844編碼甲基轉(zhuǎn)移酶MT-A70家族蛋白。第1染色體上，除AX-86323755和AX-86310392以外的其余5個(gè)SNP位點(diǎn)均在吉單27的雙親(四287和四144)中沒有多態(tài)性，而在其余14個(gè)主推玉米品種的雙親中具有多態(tài)性。同時(shí)，在16個(gè)主推玉米品種親本間也未篩選到共同存在的保守位點(diǎn)，但有3個(gè)保守位點(diǎn)在15個(gè)主推玉米品種親本間篩選到，涉及基因GRMZM2G006763和GRMZM2G030877，它們分別編碼PPR(Pentatricopeptide repeat)超家族蛋白、bZIP(Basic leucine zipper)轉(zhuǎn)錄因子超家族蛋白(表6)。

表4 主推玉米品種的雜種優(yōu)勢模式的多態(tài)性位點(diǎn)和保守位點(diǎn)的染色體分布情況Tab.4 The chromosome distribution of polymorphic locus and conserved locus of different heterotic modes of main maize varieties

表5 15個(gè)主推玉米品種親本間多態(tài)位點(diǎn)分析Tab.5 Polymorphic sites among parents of 15 main maize varieties

表6 15個(gè)主推玉米品種親本間保守位點(diǎn)分析Tab.6 Conservative sites among parents of 15 main maize varieties

3 結(jié)論與討論

種質(zhì)資源是玉米育種的物質(zhì)基礎(chǔ)，而玉米骨干親本更是種質(zhì)資源中最優(yōu)良的一類，具有極其重要的育種價(jià)值[3]。追溯玉米骨干親本自交系的形成歷史，解析其遺傳特征，對指導(dǎo)新型種質(zhì)創(chuàng)新具有重要借鑒意義。近年來，隨著分子標(biāo)記技術(shù)的快速發(fā)展，在分子水平上研究玉米遺傳的多樣性越來越方便。已有諸多學(xué)者利用SSR標(biāo)記對玉米的遺傳多樣性進(jìn)行分析并劃分類群[15-16]。相比于SSR標(biāo)記，SNP標(biāo)記擁有更高的質(zhì)量和數(shù)量，利用其對種質(zhì)資源劃分雜種優(yōu)勢群，特別是對于系譜不清的自交系，為還原骨干親本形成提供了重要遺傳信息[17-18]。本研究通過玉米56K基因芯片對71份玉米骨干自交系進(jìn)行聚類分析，劃分結(jié)果同其他研究者的類群劃分結(jié)果整體一致[19-21]，但略有不同。鄭58選自掖478的田間雜株，掖478被認(rèn)為是其一個(gè)親本，但在本研究中鄭58與吉853、丹340、C052等遺傳相似度較高，與掖478遺傳相似度較低，可能是由于鄭58中來源掖478的染色體片段相對較少造成的。本研究在聚類分析中還發(fā)現(xiàn)，以PH4CV、Mo17和先玉047父本為代表的美系自交系，與德美亞系列母本以及KWS9384母本等歐洲血緣自交系的遺傳關(guān)系較近，在育種實(shí)踐中可將這2類血緣進(jìn)行融合從而對自交系進(jìn)行改良。

滕文濤等[22]依據(jù)84個(gè)玉米自交系雜種優(yōu)勢群劃分結(jié)果，以及不同雜種優(yōu)勢群自交系組配雜交種的配對關(guān)系，將我國廣泛利用的玉米雜交種歸納出15個(gè)主要雜種優(yōu)勢模式，其中Reid群×溫?zé)岱N質(zhì)、Reid群×自330系、Reid群×SPT群、自330系×溫?zé)岱N質(zhì)和LAN群×SPT群等為我國主要的雜種優(yōu)勢模式。特別是Reid×溫?zé)岱N質(zhì)和自330×溫?zé)岱N質(zhì)已成為全國主要的雜種優(yōu)勢模式[23]。獲2007年國家科技進(jìn)步一等獎的鄭單958(鄭58×昌7-2)，作為我國種植最廣泛的品種，其雜種優(yōu)勢模式為改良Reid群×SPT群，目前仍是黃淮海主產(chǎn)區(qū)最重要的雜種優(yōu)勢模式之一。此外，獲1984年國家發(fā)明一等獎的中單2號(Mo17×自330)、2004年國家發(fā)明二等獎的豫玉22(綜3×87-1)以及獲2009年國家科技進(jìn)步二等獎的魯單981(齊319×Lx9801)，上述3個(gè)雜交種的雜種優(yōu)勢模式分別屬LAN群×自330系、自330系×P群、P群×SPT群，均是利用國內(nèi)群×國外群雜種優(yōu)勢模式組配的優(yōu)良雜交種。利用SNP標(biāo)記對種質(zhì)資源的雜種優(yōu)勢群進(jìn)行劃分，可以指導(dǎo)雜交種組配，避免大量的盲目測配，從而提高新自交系利用效率[12,21]。

對3種雜種優(yōu)勢模式的主推品種的親本進(jìn)行多態(tài)位點(diǎn)和保守位點(diǎn)篩選，發(fā)現(xiàn)在BSSS×LAN雜種優(yōu)勢模式篩選出的多態(tài)位點(diǎn)和保守位點(diǎn)最多，且多態(tài)位點(diǎn)數(shù)目高于保守位點(diǎn)，而SPT×Other和EUROM×EUROF雜種優(yōu)勢模式的多態(tài)位點(diǎn)和保守位點(diǎn)略少，且多態(tài)位點(diǎn)與保守位點(diǎn)的數(shù)目接近，這可能是因?yàn)锽SSS×LAN雜種優(yōu)勢模式的遺傳基礎(chǔ)來源更廣，使其比另外2種雜種優(yōu)勢模式的玉米品種具有更豐富的多樣性位點(diǎn)。