基于SSR標記的強雜種優(yōu)勢玉米親本組合的篩選

李 銳，尚 霄，尚春樹，閆 蕾，楊瑞娟，白建榮

（1.山西農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，山西 太原 030031；2.山西強盛種業(yè)有限公司，山西 太原 030031）

雜種優(yōu)勢模式是指2個不同的雜種優(yōu)勢群之間具有較高的特殊配合力，相互配對后產(chǎn)生強雜種優(yōu)勢的模式。雜種優(yōu)勢利用是提高玉米產(chǎn)量和改善品質(zhì)的基礎，因而玉米種質(zhì)雜種優(yōu)勢群的劃分對于雜種優(yōu)勢的利用具有重要意義。育種家們經(jīng)實踐認為，我國玉米種質(zhì)主要來源于瑞德群、旅大紅骨群、蘭卡斯特群、四平頭群和其他雜種優(yōu)勢群五大優(yōu)勢群，此后又將其歸為A、B、D三大優(yōu)勢群[1-2]。當前，商業(yè)育種已成為玉米育種的主要趨勢[3-7]。商業(yè)化育種的共同基礎是統(tǒng)一和簡化的雜種優(yōu)勢模式。張世煌[8]研究認為，如果雜種優(yōu)勢類群數(shù)目過多，育種效率有降低的可能。在明確雜種優(yōu)勢模式下用向2個方向推開的育種策略進行選系是玉米商業(yè)化育種所需[9]。近10 a來，生產(chǎn)上主要推廣的品種以瑞德×蘭卡斯特（先玉品種為代表)和瑞德×塘四平頭（鄭單958為代表）雜種優(yōu)勢模式為主。因此，很多育種家就是基于這2種模式進行大規(guī)模種質(zhì)改良與組配雜交組合。

但是，在雜種優(yōu)勢模式下的改良系很多，按照雜種優(yōu)勢模式能組配的組合更多。目前，大多數(shù)育種人員由于人力、物力、土地等方面的限制因素，只是從各雜種優(yōu)勢群中選擇一定數(shù)量的自交系進行組配，然后觀察F1的表現(xiàn)。在長期大量的育種實踐中，他們偶爾也獲得個別較理想的組合，但絕大多數(shù)的組合表現(xiàn)不突出。這主要是因為在進行親本組配時，只選擇了雜優(yōu)模式，而沒有考慮組配親本間的遺傳差異。因此，多年來，玉米育種處于徘徊狀態(tài)，育種效率低下。很多育種人員只能靠增加組合的數(shù)量來提高優(yōu)勢組合的概率。

玉米組合親本間的遺傳差異是雜種優(yōu)勢利用的重要理論基礎，分析和掌握親本間的遺傳差異可以增加雜交組合組配的目的性和精確性。以DNA為基礎的分子標記能夠在整個基因組范圍內(nèi)對大量親本材料間的遺傳距離進行計算，以此為根據(jù)劃分雜種優(yōu)勢類群并按照雜種優(yōu)勢模式進行親本組配[10-11]。REIF等[12]用SSR標記對生產(chǎn)上廣泛應用的20個亞熱帶玉米雜種優(yōu)勢類群進行測定，其結(jié)果和系譜法劃分的結(jié)果完全一致，他認為，只要能準確地度量親本間的遺傳距離，就可在一定程度上有效地預測具有強優(yōu)勢的雜交組合。多年來，有許多研究用分子標記進行玉米雜種優(yōu)勢群的劃分，很多育種人員清楚所選親本的雜種優(yōu)勢群歸屬，這對于玉米雜種優(yōu)勢的利用非常必要。但要培育出雜種優(yōu)勢模式下的強優(yōu)組合，還必須清楚所選的2個親本間的遺傳差異大小，它們決定著擬配組合的雜種優(yōu)勢強度。因此，在雜種優(yōu)勢模式下，分析和掌握擬組配組合親本間的遺傳差異用來指導親本的選配在育種實踐中具有十分重要的意義。但是很多育種家不分析優(yōu)勢群內(nèi)各改良系間的遺傳差異，也不分析要組配組合的遺傳差異大小，只是簡單地按照雜優(yōu)模式進行大量組配，或者從雜種模式不同優(yōu)勢群中抽選自交系進行組配，結(jié)果沒有達到理想的效果。

本研究在以SSR分子標記劃分玉米種質(zhì)雜優(yōu)類群的基礎上，在雜種優(yōu)勢模式下，將在基因型水平上分析親本間的遺傳差異對組合的基因雜合性做出準確分析，進而準確地預測組合的雜種優(yōu)勢，旨在為育種單位推薦強優(yōu)勢組合以及為玉米有的放矢地定向育種、精準育種提供有效策略。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試300份玉米自交系由山西強盛種業(yè)有限公司提供。經(jīng)SSR標記分析后，選擇了每份材料在每個位點都是擴增單位點的材料224份，其中包括目前生產(chǎn)上主要推廣品種先玉335、先玉508、先玉696和鄭單958的親本自交系PH6WC（先玉335、先玉508、先玉696的母本）、PH4CV（先玉335父本）、PHB1M（先玉696的父本）、PH5AD（先玉508的父本）、鄭58（鄭單958母本）和昌7-2（鄭單958父本）。SSR引物采用中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準（NY/T 1432—2014 玉米品種鑒定DNA指紋方法）的20對核心引物和20對輔助核心引物[13]。

1.2 試驗方法

采用CTAB法[14]提取群體DNA，每個群體包括2個樣本，每個樣本由30個單株（隨機取樣）的黃化芽苗混合而成。采用CTAB法提取并純化DNA，經(jīng)純度和濃度檢測后，-20℃保存?zhèn)溆?。擴增反應在C1000擴增儀上進行，擴增條件及產(chǎn)物分析參照文獻[12]。利用NTSYS-PC 2.1軟件按照UPGMA方法對各材料進行聚類分析。

在所有材料聚類分析的基礎上，去掉完全相同的材料，篩選與標準種質(zhì)最近分群的材料。按照雜優(yōu)模式進行電子組配親本組合，然后將組合的雜合位點數(shù)與對照品種的雜合位點數(shù)進行比較，選擇等于或大于對照品種雜合位點數(shù)的組合入選初步組合。然后，再篩選與對照的差異位點數(shù)等于或大于4的組合作為候選組合。最后再從中挑選雜合位點數(shù)差異較大的組合作為重點組合推薦給公司進行定向組配和生產(chǎn)試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚類分析

利用40個SSR標記的171個等位變異，對224個自交系進行遺傳距離聚類，在相似系數(shù)大約為0.71處可分為四大聚類群，結(jié)合各聚類支中是否含有不同種質(zhì)類群的代表性自交系，確定類群的名稱分別為瑞德群、蘭卡斯特群、塘四平頭群和其他群（圖1）。從圖1可以看出，瑞德群、蘭卡斯特群是2個最大的群，二者數(shù)量之和超過了總材料數(shù)的90%；有10份材料屬于塘四平頭群；另有10份自交系的類群歸屬不明確，定為其他群。其中蘭卡斯特群又可分為三大亞群：335父本群、696與508父本群和其他蘭卡斯特群。

2.2 候選自交系的篩選

在所有材料聚類分析的基礎上，在0.92處劃線，篩選與QS-001（先玉335母本）、QS-002（先玉335父本）、QS-003（先玉696父本）、鄭58、昌7-2同類群的材料，并去掉完全相同的材料，得到29份基本入選自交系。再對總共35份（29份自交系材料+6份標準種質(zhì)）自交系進行聚類分析，結(jié)果顯示（圖2），同樣在0.92處劃線，得到先玉335母本組18份材料、先玉335父本組7份材料、先玉696父本組3份材料、昌7-2組2份材料。

然后，根據(jù)遺傳距離和遺傳關系的雜優(yōu)類群劃分，從各類群中挑選與標準種質(zhì)有2~4個位點差異的自交系，得到先玉335母本組14份材料，先玉335父本組6份材料，先玉696父本組2份材料，昌7-2組1份材料（表1）。

2.3 候選電子組配親本組合

按照雜優(yōu)模式進行電子組配親本組合，形成先玉335雜優(yōu)模式組合84個（14×6），先玉696雜優(yōu)模式組合28個（14×2）。先玉335的雜合位點數(shù)為25個，先玉696雜合位點數(shù)為21個，鄭單958雜合位點數(shù)為29個。然后將組合的雜合位點數(shù)與對照品種的雜合位點數(shù)進行比較，挑取先玉335雜優(yōu)模式、先玉696雜優(yōu)模式組合的雜合位點數(shù)都大于等于25個的初步組合，共入選初步組合41個，其中先玉335雜優(yōu)模式候選組合28個，先玉696雜優(yōu)模式候選組合13個，這些組合與對照的位點差異均在6個以上（表2）。后續(xù)再從中挑選雜合位點數(shù)差異較大的組合作為重點組合推薦給公司進行定向組配和生產(chǎn)試驗。

表1 候選自交系與不同雜優(yōu)類群標準種質(zhì)相差位點數(shù)Tab.1 The number of different loci between candidate inbred lines and standard germplasm from different heterotic groups

表2 先玉335雜優(yōu)模式、先玉696雜優(yōu)模式候選組合Tab.2 Candidate combinations of Pioneer 335 and Pioneer 696 of heterotic model

3 結(jié)論與討論

準確地度量親本間的遺傳距離是預測雜優(yōu)親本組合的基礎。王偉等[15]用85個SSR位點分析了貴州50個審定品種的雜合位點，由于采用常規(guī)電泳和染色方法，因而，分析結(jié)果準確性不高；另外，選取的位點和全國玉米品種鑒定使用的位點不一致，所以無法和全國的品種進行對比。因此，建議同類研究采用國家《玉米品種鑒定DNA指紋方法》中的引物，電泳采用毛細管電泳技術，同時對照品種擴增產(chǎn)物大小與國家標準一致，保證分析結(jié)果的準確度與國家標準一致，這樣用親本間的遺傳距離預測雜優(yōu)親本組合才有意義。

分析親本間的雜合位點數(shù)（雜合率）是預測雜優(yōu)親本組合的關鍵。先玉335的雜合位點數(shù)為25個，鄭單958的雜合位點數(shù)高達29個，這也就解釋了高產(chǎn)品種的基因型組成。每年全國參試組合達8 000份以上，李銳等[16-19]對2014—2019年的2 949份國家玉米品種試驗參試組合進行了指紋檢測和遺傳多樣性分析，結(jié)果顯示，大部分的雜合度在0.6以上。這就說明，新組合的雜合位點數(shù)在24個以上才有可能大幅度地利用雜種優(yōu)勢。因此，本研究在親本選配上，雜合位點數(shù)的閾值設置在25個，這樣可以減少大量的盲目組配。由于從鄭58亞群和塘四平頭亞群中沒有選到候選自交系，因而沒有推薦鄭單958雜優(yōu)模式的組合，反映了鄭單958適合于黃淮海區(qū)域的玉米夏播區(qū)，而先玉模式比較適合山西的中晚熟玉米生態(tài)區(qū)。所以獲得的優(yōu)異改良系較多，推薦的組合也較多。

玉米親本組合的特異性是新品種選育的標準。隨著少數(shù)骨干親本的集中應用，審定玉米品種數(shù)量日益增多，品種間的遺傳差異越來越小[20]。如何從親本組配就控制遺傳差異小的近似品種，也是提高親本組配效率的有效途徑。首先親本間的差異位點數(shù)在2個以上，那么組合間的差異位點數(shù)就在4個以上，這樣就能保證品種的特異性。

育種家在育種工作中，要考慮選用哪些種質(zhì)，如何去組配，組配多少的問題，它決定了投入的人力、物力、土地和成本，也決定了組配和選擇的效率。目前，由于很多育種家不分析優(yōu)勢群內(nèi)各改良系間的遺傳差異，也不分析要組配組合的遺傳差異大小，育種人員只是簡單地按照雜優(yōu)模式進行大量組配，或者從雜種模式不同優(yōu)勢群中抽選自交系進行組配，結(jié)果很不理想。

本研究基于SSR標記，根據(jù)各自交系的遺傳差異劃分雜種優(yōu)勢群，在各個優(yōu)勢群內(nèi)選擇候選自交系，再根據(jù)雜種優(yōu)勢模式將不同優(yōu)勢群中獲得的候選自交系進行電子組合，在分析它們的雜合位點數(shù)并與對照品種的雜合位點數(shù)進行比較后，為強雜種優(yōu)勢玉米親本組合的篩選提供了研究方法并推薦了候選強優(yōu)勢組合，這些組合需要經(jīng)過田間組配，對其抗病蟲性、抗倒伏、生態(tài)適應性、產(chǎn)量性狀及機械化收獲性進行綜合考慮，最終確定目標組合。該研究策略可以減少隨機選擇自交系進行組配的盲目性，大大減少大量組配及后代篩選所投入的人力、物力、土地，增加育種工作的目的性和預測性，加快育種進程，這是很多育種家所期望的。