基于DUS 測(cè)試性狀的玉米自交系多樣性分析和評(píng)價(jià)

郭 莉 李新彥 馬現(xiàn)斌 胡 飛

（湖北省襄陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，襄陽 441057）

玉米是典型的異花授粉作物，表現(xiàn)出極端的自交衰退和雜種優(yōu)勢(shì)。玉米骨干自交系是育種家對(duì)穗行、產(chǎn)量、抗性等性狀嚴(yán)格考察篩選出的優(yōu)秀親本。分析玉米自交系遺傳多樣性和差異性，可以揭示其遺傳構(gòu)成及其變化，也是玉米自交系改良以及利用的可靠依據(jù)，具有十分重要的指導(dǎo)意義。迄今為止，已有大量關(guān)于玉米自交系及雜交種遺傳多樣性分析的報(bào)道[1-6]。基于玉米DUS 的測(cè)試技術(shù)，DUS 測(cè)試性狀由1 個(gè)基因或基因組合決定，在某一特定環(huán)境下表現(xiàn)足夠的一致性和重復(fù)性[7]，且通過參照品種的矯正，可顯著降低環(huán)境對(duì)性狀表達(dá)的影響，目前DUS 測(cè)試性狀也被廣泛應(yīng)用于遺傳多樣性分析[8-12]和品種鑒定[13]領(lǐng)域。本試驗(yàn)運(yùn)用基于玉米DUS 測(cè)試技術(shù)對(duì)襄陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米團(tuán)隊(duì)14 份玉米骨干自交系進(jìn)行多樣性分析和評(píng)價(jià)，以期為玉米自交系高效利用提供依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料以襄陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米團(tuán)隊(duì)育種材料中常用的14 份玉米骨干自交系為分析和研究對(duì)象（表1）。

表1 材料名稱

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)在襄陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院團(tuán)山基地進(jìn)行，海拔70m。2020-2022 年春進(jìn)行田間種植試驗(yàn)，每份自交系2 次重復(fù)，完全隨機(jī)區(qū)組排列，穴播，4 行區(qū)，行長(zhǎng)3.6m，行距66.7cm，株距30cm，廂間走道1m。

1.3 性狀觀測(cè)基于玉米DUS 測(cè)試表型數(shù)據(jù)的獲得依據(jù)GB/T 19557.24—2018《植物品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南 玉米》進(jìn)行，從中選取具有代表性的表型性狀（表2）37 個(gè)進(jìn)行觀測(cè)。各性狀觀測(cè)時(shí)期、部位、方法嚴(yán)格按照指南觀測(cè)要求進(jìn)行。

表2 觀測(cè)性狀

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 測(cè)量性狀分級(jí)和性狀代碼賦值按照玉米DUS 測(cè)試指南的性狀分級(jí)。群體目測(cè)性狀：對(duì)一批植株或植株的某器官或部位進(jìn)行目測(cè)，獲得一個(gè)一個(gè)群體記錄。直接給予DUS 代碼記錄。測(cè)量性狀：對(duì)各性狀進(jìn)行大田測(cè)量采集，然后依據(jù)劃分的檔級(jí)進(jìn)行代碼賦值，先計(jì)算各測(cè)量性狀的中位數(shù)和品種間的最小顯著差數(shù) LSD0.05，然后以各性狀中位數(shù)（Md）為中點(diǎn)，以LSD0.05為一個(gè)級(jí)別確定各等級(jí)的閾值，如第5 級(jí)的下限和上線分別為 Md-LSD0.05和Md+LSD0.05，以此類推劃分檔級(jí)，然后進(jìn)行各測(cè)量性狀代碼賦值。

1.4.2 多樣性分析將性狀的代碼視為等位變異，對(duì)于每個(gè)品種，單個(gè)性狀中表達(dá)的狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的級(jí)別標(biāo)記為 1，其他未表達(dá)的級(jí)別標(biāo)記為 0，由此構(gòu)建成形態(tài)性狀的原始數(shù)據(jù)矩陣。對(duì)于品種群體，在某一性狀中出現(xiàn)的級(jí)別的總數(shù)，標(biāo)記為該性狀的等位變異數(shù)（Na）。

根據(jù)分級(jí)后的數(shù)據(jù)計(jì)算Shannon-Weaver 多樣性指數(shù)（H′）。

H′=-∑iPiln（Pi）

式中，Pi表示某性狀第i 等級(jí)的品種個(gè)數(shù)占總品種數(shù)的百分比。

1.4.3 聚類分析采用NTSYSpc2.1 軟件進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 性狀多樣性分析14 個(gè)自交系共37 個(gè)性狀的多樣性分析結(jié)果見表3。性狀多樣性分析結(jié)果說明如下。

表3 性狀多樣性分析結(jié)果

（1）整體來看，這14 個(gè)自交系共37 個(gè)性狀的多樣性一般，各性狀的最大Shannon-Weaver 多樣性指數(shù)（H′）為1.55，即C22 莖稈：支持根花青甙顯色強(qiáng)度，各性狀多樣性指數(shù)都未超過2.00。需進(jìn)一步加強(qiáng)種質(zhì)資源改良與創(chuàng)新，以豐富種質(zhì)資源多樣性。

（2）從自交系各性狀的表現(xiàn)來看，株型方面各自交系株型偏緊湊，體現(xiàn)為C6 植株：上部葉片與莖稈夾角性狀表達(dá)代碼范圍2（1），3（6），4（6），5（1），夾角大小在5 以內(nèi)；C23 葉片：長(zhǎng)度（最長(zhǎng)處）性狀表達(dá)代碼范圍2（1），3（6），4（5），5（2），葉偏短；C24 葉片：寬度（最寬處）性狀表達(dá)代碼范圍為1（3），2（3），3（7），4（1），葉窄。該結(jié)果與本團(tuán)隊(duì)近年來玉米自交系選育走向趨勢(shì)基本吻合，目前團(tuán)隊(duì)育種側(cè)重黃淮海夏玉米區(qū)，在株型的選擇上偏中稈緊湊型。

（3）從這些自交系各性狀的表現(xiàn)來看，生育期偏中晚熟，早熟基本沒有，體現(xiàn)為C4 散粉期性狀表達(dá)代碼范圍5（8），6（3），7（3）；C5 抽絲期性狀表達(dá)代碼范圍4（1），5（7），6（2），7（4），說明在進(jìn)行夏播選育或早熟品種的選育方面使用這些自交系就要慎重了。

2.2 聚類分析14 個(gè)自交系聚類結(jié)果如下：在遺傳系數(shù)閾值為0.844 時(shí)，14 個(gè)自交系大致分為四類（圖1）：Ⅰ類：自1、自2、自27、自8、自6、自14；Ⅱ類：自7、自30、自16、自23、自20、自28；Ⅲ類：自12；Ⅳ類：自15。

圖1 14 個(gè)自交系聚類結(jié)果

具體說明：（1）Ⅰ類中自1 和自2 在遺傳相似系數(shù)閾值為0.92 時(shí)直接聚為一類，從表1 中可知自1 和自2 這2 個(gè)自交系均是改良昌7 黃改類的；自6和自14 在遺傳相似系數(shù)閾值為0.88 時(shí)直接聚為一類，均為（XY3/登海618 二環(huán)系）/XY3 回交選系回交改良姊妹系，這些聚類結(jié)果均與系譜來源一致。

（2）Ⅱ類中自7 和自30 聚為一類，自7 為（鄭58/登海618 二環(huán)系）雜交后選系，自30 為（XY3/登海618 二環(huán)系）/（登海618 二環(huán)系）回交了一代后自交選系；自16、自23、自20 三者聚為一類，這三者均來自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)育種者湯繼華老師改良自交系，這些聚類結(jié)果與系譜來源一致。需要注意的是：自7 和自30 這兩者直接聚為一類，自7 為（鄭58/登海618 二環(huán)系）雜交后選系，可能在選系時(shí)偏向了登海618 二環(huán)系方向；自30 為（XY3/登海618 二環(huán)系）/（登海618 二環(huán)系）回交了一代然后自交選系，回交了一代登海618 二環(huán)系的權(quán)重增加了，自7和自30 聚為一類也可以解釋得通。那么需要關(guān)注的是如自7 直接2 個(gè)自交系鄭58 和登海二環(huán)系雜交后進(jìn)行選系，雜交后進(jìn)行分離選育作用效果有多大，雖然改良的初衷為改良鄭58，但實(shí)際聚類結(jié)果偏登海618 二環(huán)系，說明2 個(gè)自交系雜交可能不太容易交換或整合累積到兩者或單個(gè)自交系如鄭58的優(yōu)良基因，即2 個(gè)自交系雜交改良選育自交系，后代分離方向不確定。

（3）Ⅲ類中自12（XY90418）選系單獨(dú)聚為一類，與其他類群距離較遠(yuǎn)，可能與其他自交系存在雜種優(yōu)勢(shì)，就多年來自12 組配測(cè)產(chǎn)實(shí)踐表明，自12 與其他自交系組配，果穗和產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)確實(shí)明顯，但因其生育期較長(zhǎng)，一直作為本團(tuán)隊(duì)春播的骨干自交系，目前該自交系作為親本已成功審定了2 個(gè)湖北丘陵春播品種襄玉655 和襄玉853。

（4）Ⅳ類中自15（XY06/XY7298）選系單獨(dú)聚為一類，需要注意的是自15（XY06/XY7298）選系，自改良穩(wěn)定后，一直作為XY7298 類黃改良系來使用，但明顯未與Ⅰ類中黃改系聚為一類，有可能在進(jìn)行雜交后二環(huán)選系時(shí)已偏離XY7298 黃改系方向，并不能憑主觀意愿把該自交系作為黃改類使用。下一步，準(zhǔn)備仔細(xì)觀察該自交系，調(diào)整使用方向。同時(shí)，自15 類似自7，為2 個(gè)自交系雜交選系，再次說明了2 個(gè)自交系雜交改良選育自交系，后代分離方向的不確定性。

育種中還需要關(guān)注的是：XY3/登海618 二環(huán)系雜交后進(jìn)行回交，選擇的輪回親本不同，后代自交系走向也不同，XY3/登海618 二環(huán)系回交XY3 的自6 和自14 聚在Ⅰ類中，XY3/登海618 二環(huán)系回交登海618 二環(huán)系的自7 和自30 聚在Ⅱ類中，輪回親本不同，分別聚在不同類，所以在回交時(shí)輪回親本和后代的選擇上還是要緊跟選育目標(biāo)——類優(yōu)良輪回親本，并進(jìn)行目標(biāo)性狀的選擇，以達(dá)到回交選育的目的。

3 結(jié)論與討論

3.1 基于DUS 測(cè)試性狀了解自交系特征特性和遺傳多樣性對(duì)玉米種質(zhì)資源進(jìn)行改良、創(chuàng)新和利用，是目前玉米育種的重要課題，了解種質(zhì)資源的特征特性和遺傳多樣性是改良和利用的前提和必需。在了解種質(zhì)資源的特征特性方面，DUS 是品種的基本屬性[14]，DUS 測(cè)試性狀除關(guān)注一些育種者只關(guān)注的經(jīng)濟(jì)性狀外，還關(guān)注非經(jīng)濟(jì)性狀，可以較為系統(tǒng)和全面地了解種質(zhì)的特征特性；在遺傳多樣性研究方面，DUS 測(cè)試性狀已被證實(shí)非常靈敏和準(zhǔn)確[10]。本研究基于DUS 測(cè)試性狀的玉米自交系多樣性分析和評(píng)價(jià)，對(duì)本團(tuán)隊(duì)14 個(gè)骨干自交系系統(tǒng)整體地給予了評(píng)價(jià)，這14 個(gè)自交系共37 個(gè)性狀的多樣性一般，需進(jìn)一步加強(qiáng)種質(zhì)資源改良與創(chuàng)新，以豐富種質(zhì)資源多樣性。從這些自交系性狀的表現(xiàn)來看，株型選擇上偏中稈緊湊型；但生育期方面整體偏中晚熟，在進(jìn)行夏播選育或早熟品種的選育方面使用這些自交系需慎重。

3.2 基于DUS 測(cè)試性狀自交系聚類分析和評(píng)價(jià)聚類結(jié)果表明，聚類結(jié)果與系譜來源一致，其中Ⅲ類中自12 XY90418 和Ⅳ類中自15 XY06/XY7298 選系分別單獨(dú)聚為一類，且與其他類群距離較遠(yuǎn)，可能與其他自交系存在雜種優(yōu)勢(shì)，本團(tuán)隊(duì)可以將這2 個(gè)自交系進(jìn)行重點(diǎn)測(cè)配使用。根據(jù)聚類結(jié)果，自7 和自15 為2 個(gè)自交系雜交選系，說明2 個(gè)自交系在雜交改良二環(huán)選育自交系時(shí)，后代分離方向具不確定性，一是需要仔細(xì)觀察和研究，只有后代選系目標(biāo)越集中，才有可能達(dá)到改良的目的，二是同一些學(xué)者觀點(diǎn)，2 個(gè)自交系雜交二環(huán)選系時(shí)，基礎(chǔ)材料標(biāo)準(zhǔn)要高，在分離過程中，由于廣泛的基因交換和重組，除有針對(duì)性的性狀得到改良外，還可能有顯性有利基因進(jìn)一步得到積累[15]。同時(shí)聚類結(jié)果也表明，自6和自14 聚在Ⅰ類，自7 和自30 聚在Ⅱ類，因輪回親本不同，分別聚在不同類群，這點(diǎn)與一些研究回交改良效果的學(xué)者觀點(diǎn)相同，回交法能快速地向輪回親本導(dǎo)入其優(yōu)良性狀的基因，但不同供體和回交次數(shù)所創(chuàng)制的玉米自交系遺傳差異較大[16-17]。所以在回交時(shí)輪回親本和后代的選擇上還是要緊跟選育目標(biāo)——類優(yōu)良輪回親本，并進(jìn)行目標(biāo)性狀的選擇，以達(dá)到回交選育的目的。