利用SNP標(biāo)記技術(shù)分析73份玉米自交系的遺傳多樣性

摘要：利用覆蓋玉米全基因組的中玉芯1號芯片，對73份玉米自交系進(jìn)行全基因組掃描。為了提高育種效率，對具有重要育種價(jià)值的玉米自交系進(jìn)行遺傳多樣性分析，從而指導(dǎo)玉米育種實(shí)踐。以73份玉米自交系為材料，其中24份自交系由新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院、鶴壁禾博士晟農(nóng)科技有限公司選育而成，其余49份自交系為目前中國玉米生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛、具有代表性的種質(zhì)資源。利用3 854個(gè)單核苷酸多態(tài)性（SNP）標(biāo)記對供試材料進(jìn)行種質(zhì)遺傳多樣性、雜種優(yōu)勢類群分析。群體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，73份自交系可劃分為6個(gè)類群，分別為改良瑞德（Reid）群、蘭卡斯特（Lancaster）群、塘四平頭群、PB群、旅大紅骨群、其他（歐美、熱帶等種質(zhì)）類群，其中有新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的19份玉米自交系，鶴壁禾博士晟農(nóng)科技有限公司選育的5份玉米自交系，利用的雜種優(yōu)勢模式主要為改良瑞德×塘四平頭和美系種質(zhì)×塘四平頭，這也從分子水平上驗(yàn)證了黃淮海夏玉米區(qū)主要利用的雜種優(yōu)勢模式。

關(guān)鍵詞：玉米；SNP標(biāo)記；自交系；遺傳多樣性

中圖分類號：S513.032" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）13-0089-09

雜種優(yōu)勢是提高農(nóng)作物產(chǎn)量、增強(qiáng)抗性、提高品質(zhì)的一種重要生物學(xué)機(jī)制［1］，作為我國第一大糧食作物，玉米是雜種優(yōu)勢表現(xiàn)最強(qiáng)的作物，中親優(yōu)勢率平均為35％～40％，因此雜種優(yōu)勢的利用是提高玉米產(chǎn)量的重要途徑之一［2］。合理劃分玉米自交系的雜種優(yōu)勢類群是構(gòu)建玉米雜種優(yōu)勢利用模式的前提，也是有效指導(dǎo)玉米自交系的選育、提高組配玉米雜交種效率的重要基礎(chǔ)［3］。20世紀(jì)80年代，我國玉米育種工作者針對我國玉米種質(zhì)基礎(chǔ)等問題開展了大量研究，首次提出玉米種質(zhì)基礎(chǔ)狹窄等問題［4-5］。20世紀(jì)90年代初，我國玉米種質(zhì)改良工作已經(jīng)取得明顯成效，引入了大批國外種質(zhì)，并導(dǎo)入我國近代種質(zhì)，但是卻出現(xiàn)了國內(nèi)種質(zhì)×國外種質(zhì)等簡單雜種優(yōu)勢模式已經(jīng)不能包容我國玉米雜種優(yōu)勢模式利用的現(xiàn)狀［6］。王懿波等提出我國玉米種質(zhì)可以劃分為改良瑞德（Reid）、蘭卡斯特（Lancaster）群（Mo17、自330 2個(gè)亞群）、塘四平頭、旅大紅骨及其他5個(gè)雜種優(yōu)勢群及9個(gè)亞群［7］。21世紀(jì)以來，滕文濤等將84份玉米自交系劃分為Reid、Lancaster、塘四平頭、自330和溫?zé)幄窆?個(gè)主要雜種優(yōu)勢群［8］。Wu等采用單核苷酸多態(tài)性（SNP）分子標(biāo)記技術(shù)對367份玉米自交系進(jìn)行遺傳多樣性分析，將所有材料分為2個(gè)類群，即外來種質(zhì)群和國內(nèi)種質(zhì)群，以及相應(yīng)的5個(gè)亞群，分別為Reid、Lancaster、P群、塘四平頭和溫?zé)幄袢海?］。趙久然等將344份玉米自交系劃分為8個(gè)類群，分別為旅大紅骨群、黃改群（又稱塘四平頭群）、Iodent群、蘭卡斯特群、P群、改良瑞德群、瑞德群和X群［10］。高嵩等以205份玉米自交系為材料，利用SNP標(biāo)記技術(shù)將材料總體分為7個(gè)類群，分別為旅大紅骨群、塘四平頭群、蘭卡斯特群、PA群、PB群、瑞德群和熱帶類群［11］。隨著國內(nèi)優(yōu)異玉米種質(zhì)的不斷培育及玉米新種質(zhì)的應(yīng)用，收集新的玉米種質(zhì)來進(jìn)行雜種優(yōu)勢模式研究顯得尤為重要。本研究利用覆蓋全基因組的SNP標(biāo)記對73份玉米自交系的遺傳多樣性進(jìn)行分析，對雜種優(yōu)勢類群進(jìn)行劃分，以期為雜種優(yōu)勢模式的利用提供理論支撐，為玉米種質(zhì)的改良和創(chuàng)新及玉米新品種的選育提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以73個(gè)玉米自交系作為供試材料，其中19個(gè)自交系（N1～N19）由新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育而成，5個(gè)自交系（N20～N24）由鶴壁禾博士晟農(nóng)科技有限公司選育而成，另外49個(gè)自交系為目前中國玉米生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛、具有代表性的種質(zhì)資源，各自交系的系譜來源見表1。

73份供試材料于2023年6月22日種植在新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院輝縣試驗(yàn)基地，種植密度為 67 500株/hm2，行距0.6 m，行長4 m，每個(gè)材料種植4行，管理同常規(guī)大田生產(chǎn)。

1.2 基因型的鑒定

利用中玉金標(biāo)記（北京）生物技術(shù)股份有限公司研發(fā)的玉米育種專用芯片——中玉芯1號對供試材料進(jìn)行基因型分析。待玉米長至6張葉片時(shí)，每個(gè)樣品取10株材料的葉片進(jìn)行等面積混合取樣。按照改進(jìn)的十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）法提取基因組DNA［12］。

通過對DQC（數(shù)據(jù)質(zhì)量管理控制）gt;0.82和CR（標(biāo)記檢出率）gt;97的樣品進(jìn)行SNP位點(diǎn)質(zhì)控，剩余6 694個(gè)標(biāo)記，進(jìn)行 miss（缺失率）lt;0.1、maf（最小等位基因頻率）gt;0.05過濾，最終獲得3 854個(gè)可用標(biāo)記。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Treebest軟件的NJ-tree模型構(gòu)建進(jìn)化樹，進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析。系統(tǒng)進(jìn)化樹是描述群體間進(jìn)化順序的分支圖或樹，用來表示群體間的進(jìn)化關(guān)系。每個(gè)分支代表一個(gè)樣品，分支分離得越早，代表遺傳關(guān)系越遠(yuǎn)。根據(jù)群體的物理或遺傳學(xué)特征等方面的共同點(diǎn)或差異，可以推斷出它們的親緣關(guān)系遠(yuǎn)近［13］。

主成分分析（PCA）是一種純數(shù)學(xué)的運(yùn)算方法，可以將多個(gè)相關(guān)變量經(jīng)過線性轉(zhuǎn)換后選出較少數(shù)量的重要變量。PCA是基于個(gè)體基因組SNP差異程度，按照不同性狀特征將個(gè)體按主成分聚類成不同的亞群。本研究用全基因組復(fù)雜性狀分析（genome-wide complex trait analysis，GCTA）對樣品進(jìn)行PCA［14］。

群體遺傳結(jié)構(gòu)指遺傳變異在物種或群體中的一種非隨機(jī)分布。群體結(jié)構(gòu)分析有助于理解進(jìn)化過程，并且可以通過基因型和表型的關(guān)聯(lián)研究確定個(gè)體所屬的亞群。本研究采用Admixture進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析［15］。

2 結(jié)果與分析

2.1 SNP標(biāo)記在玉米染色體上的分布情況

圖1為SNP標(biāo)記在玉米10條染色體上的分布情況?？梢钥闯?，標(biāo)記基本均勻覆蓋全基因組，且每條染色體上2個(gè)標(biāo)記間的物理距離平均都在 200 000 bp 左右。在第1染色體上分布的標(biāo)記數(shù)最多，有1 444個(gè)，其次為第3染色體，標(biāo)記數(shù)為1 104個(gè)。第8染色體的標(biāo)記間平均距離最短，為208 423 bp，其次為第1染色體，標(biāo)記間平均距離為212 632 bp。

2.2 自交系的聚類分析及類群劃分

采用Treebest軟件的NJ-tree模型對73份玉米自交系進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果見表2，構(gòu)建73份玉米自交系聚類分析圖（圖2）；結(jié)合玉米自交系在育種中的實(shí)際應(yīng)用情況，對73份玉米自交系進(jìn)行類群劃分，結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，新Z7C8、B73、9046、C8605-2、鐵7922、U8112、掖478、鄭32、鄭58屬于改良瑞德群，合344、獲唐黃、吉002、Mo17、Mo17ht、KWS49、KW1A139、6F576、KW6F513屬于蘭卡斯特群，新01A3、新4095、新69、新6、H7898、H7235、H7875S、H7875A、L719、昌7-2、黃野四、黃早四、四-287、吉444、Lx9801、掖81515屬于塘四平頭群，新26221、鄭8713、齊319、沈137、X178、豫自87-1、沈3336屬于PB群，Oh43、吉846、吉853、C052、丹340、莫群17、自330、綜3、綜31屬于旅大紅骨群，LP269、新美026、新Y56221、新XF806、新8911、新DM26、新H1653、新026Y23、新5831、新CW1523、新569、新6WL632、新美09、Z33-1、172M、PH4CV、PH6WC、KWS10×KWS73、KW5G321、9F592、KW9F534屬于歐美種質(zhì)亞群，QB5739、蘇灣1611屬于熱帶種質(zhì)亞群。

2.3 自交系的主成分分析

PCA結(jié)果實(shí)際上是一個(gè)很多維的數(shù)據(jù)，而前3個(gè)維度是能夠解釋所有材料、遺傳變異最多的3個(gè)維度。分別將維度1vs維度2、維度1vs維度3、維度2vs維度3提取出來并作成二維圖，其中PCA1vsPCA2最能代表所有材料的遺傳變異情況。PC1和PC2的二維主成分聚類結(jié)果見圖3，可以看出，塘四平頭血緣群與蘭卡斯特血緣群、旅大紅骨血緣群、PB群、改良瑞德血緣群、歐美及熱帶等種質(zhì)群間均有較遠(yuǎn)距離，說明塘四平頭類群與以上5個(gè)類群均有較強(qiáng)的雜種優(yōu)勢；改良瑞德血緣群與旅大紅骨血緣群、蘭卡斯特血緣群的關(guān)系均較遠(yuǎn)，說明也有較強(qiáng)的雜種優(yōu)勢。

2.4 玉米雜交種的雜種優(yōu)勢模式分析

利用新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院與鶴壁禾博士晟農(nóng)科技有限公司選育而的共24份玉米自交系，目前已組配出一系列雜交種并通過國家黃淮海夏玉米區(qū)審定。根據(jù)24份玉米自交系群體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果和類群劃分結(jié)果，對雜交種的雜種優(yōu)勢模式進(jìn)行分析。

新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的19份玉米自交系中，新Z7C8屬于改良瑞德群，新01A3、新4095、新69、新6屬于塘四平頭群，新26221屬于PB群，LP269、新美026、新Y56221、新XF806、新8911、新DM26、新H1653、新026Y23、新5831、新CW1523、新569、新6WL632、新美09屬于美系種質(zhì)群。由表4可以看出，利用上述自交系，目前已組配出新單61、新單68、新單65、新單58、新單88，這些雜交種利用的雜種優(yōu)勢模式均為美系種質(zhì)×塘四平頭。

由鶴壁禾博士晟農(nóng)科技有限公司選育而成的5個(gè)玉米自交系中，H7898、H7235、H7875S、H7875A屬于塘四平頭群，Z33-1屬于美系種質(zhì)群。由表4可以看出，利用上述自交系，目前已組配出雜交種碩育668、碩育172、碩育173、寶景186，其中碩育668、碩育172利用的雜種優(yōu)勢模式為改良瑞德×塘四平頭，碩育173、寶景186利用的雜種優(yōu)勢模式為美系種質(zhì)×塘四平頭。

3 討論

3.1 玉米新品種的雜種優(yōu)勢模式利用

本研究采用SNP芯片技術(shù)，對73份玉米自交系進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析和類群劃分，其中，19份玉米自交系由新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育。目前已組配出一系列雜交種新單61、新單68、新單65、新單58、新單88，所用的雜種優(yōu)勢模式均為美系種質(zhì)×塘四平頭。此外，本研究采用鶴壁禾博士晟農(nóng)科技有限公司選育的5個(gè)玉米自交系，已組配出玉米雜交種碩育668、碩育172、碩育173、寶景186，所用雜種優(yōu)勢模式為改良瑞德×塘四平頭和美系種質(zhì)×塘四平頭，這也是近年來黃淮海夏玉米區(qū)主要利用的雜種優(yōu)勢模式［16］，與國內(nèi)公認(rèn)的結(jié)論“中國玉米單交種最主要的雜種優(yōu)勢模式均屬于國內(nèi)種質(zhì)×國外種質(zhì)”［17-18］相符合。

3.2 利用SNP標(biāo)記劃分雜種優(yōu)勢的可靠性及下一步研究的方向

利用SNP標(biāo)記進(jìn)行玉米種質(zhì)資源的雜種優(yōu)勢群劃分，能夠獲得相對比較理想的劃群結(jié)果，通過類群劃分指導(dǎo)雜交種組配，從而提高材料的利用效率，根據(jù)SNP標(biāo)記劃分雜種優(yōu)勢類群的原理，試驗(yàn)中用的玉米自交系樣品越多，劃分結(jié)果會越精確［19］。

本研究采用73份玉米自交系進(jìn)行雜種優(yōu)勢類群劃分，反映了本研究雜種優(yōu)勢類群劃分的合理性，但仍然存在個(gè)別與育種實(shí)際應(yīng)用中類群劃分不太相符的情況。根據(jù)群體結(jié)構(gòu)和聚類分析圖結(jié)果，蘇灣1611中塘四平頭血緣種質(zhì)所占比例相對較大（46.8%），而蘇灣（Suwan）種質(zhì)是熱帶、亞熱帶種質(zhì)的典型代表，瑞德×蘇灣雜種優(yōu)勢利用模式是西南玉米育種區(qū)當(dāng)前應(yīng)用廣泛的1個(gè)優(yōu)勢模式［20］。貴州省旱糧研究所選育的玉米自交系QB5739，屬于蘇灣-蘭卡斯特（Suwan-Lancaster）類群［21］。本研究所用的玉米自交系中，僅有QB5739、蘇灣1611這2個(gè)自交系來源于熱帶、亞熱帶種質(zhì)，因此將QB5739、蘇灣1611都?xì)w類為熱帶種質(zhì)亞群。

劉興貳等研究發(fā)現(xiàn)，吉853是利用黃早四與自330為基礎(chǔ)材料選育而成，是塘四平頭類群改良最成功的玉米自交系之一，與Lancaster、Reid、旅大紅骨類群等均具有很高的雜種優(yōu)勢［22］，黃早四屬于塘四平頭類群，自330屬于旅大紅骨類群，根據(jù)群體結(jié)構(gòu)和聚類分析結(jié)果，吉853中全部為旅大紅骨血緣種質(zhì)（100.0%），本研究認(rèn)為將吉853劃分為塘四平頭類群更切合育種實(shí)際應(yīng)用情況。

21世紀(jì)初，以先玉335為典型代表的一系列美國先鋒公司玉米品種進(jìn)入我國市場后，因其品種具有產(chǎn)量增幅大、莖稈堅(jiān)韌、品質(zhì)優(yōu)良、脫水速率快等優(yōu)點(diǎn)，改變了傳統(tǒng)種植模式，在我國得以大面積推廣應(yīng)用［23-24］。先玉335的母本是PH6WC，父本為PH4CV，為典型的Reid×lancaster、硬粒×馬齒雜種優(yōu)勢模式，也是美國雜交種典型的雜種優(yōu)勢類群劃分模式［25］。群體結(jié)構(gòu)結(jié)果顯示，PH6WC中改良瑞德群、歐美種質(zhì)群分別占47.2%、52.8%，PH4CV中蘭卡斯特群、歐美種質(zhì)群分別占21.2%、78.8%，本研究所用玉米自交系多數(shù)為我國本土選育，因此針對本研究中玉米自交系的雜種優(yōu)勢類群劃分，將PH6WC和PH4CV按照群體結(jié)構(gòu)結(jié)果劃分，即均屬于歐美種質(zhì)亞群，更為合適。

在下一步的研究中，應(yīng)采用更多的國內(nèi)有代表性的玉米自交系，再用SNP標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行雜種優(yōu)勢類群劃分，將更有利于指導(dǎo)玉米新品種的選育。

4 結(jié)論

利用覆蓋玉米全基因組的中玉芯1號芯片，對73份玉米自交系進(jìn)行全基因組掃描。群體結(jié)構(gòu)分析將73份自交系劃分為6個(gè)類群，分別為改良瑞德群、蘭卡斯特群、塘四平頭群、PB群、旅大紅骨群、其他（歐美種質(zhì)、熱帶、亞熱帶種質(zhì)等）類群。其中，位于黃淮海夏玉米區(qū)的新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的19份玉米自交系及鶴壁禾博士晟農(nóng)科技有限公司選育的5份玉米自交系，利用的雜種優(yōu)勢模式主要為改良瑞德×塘四平頭和美系種質(zhì)×塘四平頭，這也是近年來黃淮海夏玉米區(qū)主要利用的雜種優(yōu)勢模式。

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