甜玉米自交系的表型形狀和SSR聚類分析

(通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，吉林 海龍 135007)

甜玉米是玉米屬的一個亞種，又被賦予蔬菜玉米之稱。外形與普通玉米基本無差異，但籽粒相對較小，可營養(yǎng)成分和商用價值卻比普通玉米高得多，是一些發(fā)達(dá)國家主要的蔬菜之一，因口感軟糯香甜，吃起來像水果一樣，被稱為“水果玉米”，深受現(xiàn)代人的喜愛。其籽粒中含有水溶性多糖、蛋白質(zhì)和多種維生素等物質(zhì)，其有一定的加工、經(jīng)濟(jì)和營養(yǎng)價值[1]。美國是甜玉米開展研究最早的國家，直至20世紀(jì)50年代中國才開始對甜玉米開展研究，研究初期的一些優(yōu)質(zhì)甜玉米材料均從美國引進(jìn)[2]?，F(xiàn)有的甜玉米自交系也多是從國外品種中選育而來的，由于中國對甜玉米的研究起步晚，發(fā)展遲緩等，導(dǎo)致種質(zhì)資源狹窄、遺傳背景不明確、類群劃分不合理等。中國甜玉米的育種技術(shù)以及發(fā)展水平與國外相比還存在一定距離，中國已采用異隱純合體雜交法對甜玉米進(jìn)行選育，并取得了一定效果[3]，但對育種材料的選育還存在著很多不合理之處。

本研究利用甜玉米自交系之間的雜種優(yōu)勢，從表型初步判定自交系間的遺傳關(guān)系，來驗證遠(yuǎn)緣雜交更親和的特性，從而對甜玉米自交系進(jìn)行分類，主要目的是提高甜玉米育種的效率，使甜玉米的改良及選育更有針對性。不僅加快了育種步伐，而且提高了育種效率。試驗采用分子標(biāo)記技術(shù)(SSR)[4]，對50份甜玉米親本材料進(jìn)行聚類分析。為選擇有代表性的親本組配雜交組合提供參考，為雜種優(yōu)勢的利用、配合力的分析及遺傳相關(guān)分析等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料由吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)大試驗田甜玉米課題組提供。選擇遺傳差異較大的甜玉米自交系50份。對其進(jìn)行編號處理，分別為Y 1～Y 50。

1.2 試驗方法

隨機選取50份遺傳性狀具有較大差異的甜玉米自交系進(jìn)行分組，以5株自交系材料為一份，2016年將供試自交系種于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗地，按照56 000株·hm-2的密度，3行區(qū)，行長5 m，行距0.65 m，并做好田間管理，成熟期對株高、穗位高和莖粗進(jìn)行調(diào)查，收獲期對果穗進(jìn)行室內(nèi)考種，每份材料考種3穗，對穗重、穗長等7個考種性狀進(jìn)行記錄并分別取其平均值整理匯總，數(shù)據(jù)用DPS軟件進(jìn)行表型聚類分析(表1)。秋收后將50份甜玉米自交系材料每顆果穗中選擇籽粒10粒，做好記錄編號后放在培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)，按時灑水和調(diào)節(jié)光照直至長出3～5片葉片。相應(yīng)的每份甜玉米材料取幼葉用CTAB法[7-8]提取DNA，PCR擴(kuò)增和PAGE凝膠電泳。并做好對照，直至有明亮條帶顯現(xiàn)，利用GS=2Nij/(Ni+Nj)，GD=1-GS公式計算遺傳距離(Genetic distance, GD)和遺傳相似系數(shù)(Genetic similarity,GS)[9]，并按PIC=1-∑fi2公式計算多態(tài)性含量(PIC)[10-11]，統(tǒng)計結(jié)果并采用UPGMA方法對甜玉米自交系進(jìn)行SSR聚類分析。所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析均使用 DPS 軟件進(jìn)行。

表1 50份甜玉米自交系表型性狀聚類分析

分類樣品編號ⅠY1;Y2;Y3;Y4;Y6;Y7;Y8;16;Y10;Y11;Y12;Y15;Y17;Y19;Y20;Y24;25;Y26;ⅡY5;Y9;Y13;Y14;Y18;Y21;Y22;Y23;Y27;Y28;Y30;Y31ⅢY29;Y33;Y35;Y40;Y41;Y43ⅣY32;Y34;Y36;Y37;Y38;Y39;Y42;Y44;Y45;Y46;Y47;Y48;Y49;Y50;

圖2 引物bnlg 1940在50份甜玉米自交系上的擴(kuò)增條帶圖

2 結(jié)果與分析

2.1 表型聚類

表型性狀是對試驗甜玉米的10個性狀進(jìn)行田間調(diào)查及室內(nèi)考種，整理數(shù)據(jù)取其平均值記錄，由圖1可見，以7.8為閾值，可將其分成4大類(表1)，分別是具有18個親本的第Ⅰ大類，12個親本的第Ⅱ大類，6個親本的第Ⅲ大類，剩余的14個親本的第Ⅳ大類。根據(jù)系譜記載，第一大類多為從國外引進(jìn)的一些甜玉米種質(zhì)資源，第二大類多為我國各部分地區(qū)獨有環(huán)境形成的甜玉米種質(zhì)資源，第三大類多為通過二環(huán)系多代自交獲得的甜玉米種質(zhì)資源，第四大類多為一些本地的農(nóng)家品系。

2.2 SSR聚類分析

從玉米SSR中篩選出14條具有明顯擴(kuò)增結(jié)果和穩(wěn)定擴(kuò)增條帶的代表性核心引物。總共檢測出了58個等位基因變異點，不同檢測位點上的等位基因變異為2～6個，平均每個檢測位點上的等位基因變異數(shù)約為4個。并利用58個SSR位點對50份甜玉米自交系進(jìn)行檢測，檢測到其平均多態(tài)性信息含量(PIC)為0.594，其變化范圍為0.473～0.709。以引物bnlg 1940為例，可清晰地看出在50份甜玉米自交系上的明顯穩(wěn)定的擴(kuò)增結(jié)果(圖2)。根據(jù)50份甜玉米自交系遺傳相似系數(shù)的矩陣及圖2，以0.65的相似系數(shù)為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，按UPGMA方法可以將這50甜玉米自交系直觀的分為4大類(表3)分別是具有10個親本的第Ⅰ大類、14個親本的第Ⅱ大類、13個親本的第Ⅲ大類、13個親本的第Ⅳ大類。第Ⅰ大類多為通過二環(huán)系多代自交獲得的甜玉米種質(zhì)資源，第Ⅱ大類多為一些本地的農(nóng)家品系，第Ⅲ大類多為從國外引進(jìn)的一些甜玉米種質(zhì)資源，第Ⅳ大類多為我國各部分地區(qū)獨有環(huán)境形成的甜玉米種質(zhì)資源。

3 討論與結(jié)論

表型聚類是基于自交系品種的農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行測量以及室內(nèi)考種數(shù)據(jù)的表觀整理，從而將自交系劃分為不同的類群。SSR聚類是利用SSR分子標(biāo)記法對雜種優(yōu)勢類群的劃分，從分子水平分析其遺傳距離的遠(yuǎn)近，揭示了自交系間遺傳多樣性的特點。從本實驗的表型聚類和SSR聚類的結(jié)果中可以看出，表型聚類的第Ⅰ大類親本數(shù)與SSR聚類的第Ⅲ大類的分類上基本相同，表型聚類的第Ⅱ大類親本數(shù)與SSR聚類的第Ⅳ大類的分類上基本相同，表型聚類的第Ⅲ大類親本數(shù)與SSR聚類的第Ⅰ大類的分類上基本相同，表型聚類的第Ⅳ大類親本數(shù)與SSR聚類的第Ⅱ大類的分類上基本相同。兩者聚類分析所得的結(jié)果基本一致，但自交系在歸類上也有相互矛盾，如Y 23和Y 25，在表型聚類里Y 23屬于第Ⅱ大類而Y 25屬于第Ⅰ大類里，但在SSR聚類中均屬于第Ⅰ大類。同樣地，Y 36和Y 39在表型聚類里均屬第Ⅳ大類，但在SSR聚類中分別屬于第Ⅳ大類和第Ⅱ大類。由此說明，在對甜玉米的選育過程中不能僅依照分類結(jié)果對其進(jìn)行組配，還需要考慮到環(huán)境因素，本試驗只對現(xiàn)象進(jìn)行了闡述和驗證，具體遺傳機理并沒有深入研究，所以還有待繼續(xù)研究。因此，有必要對其遺傳特性進(jìn)行下一步分析[12]。

圖1 50份甜玉米自交系的表型聚類分析圖

表2 50份甜玉米自交系SSR聚類分析

分類編號ⅠY5;Y9;Y23;Y25;Y32;Y37;Y38;Y48;Y49;Y50ⅡY6;Y8;Y12;Y15;Y24;Y29;Y35;Y39;Y40;Y41;Y43;Y44;Y45;Y47ⅢY1;Y2;Y4;Y7;Y10;Y16;Y17;Y20;Y28;Y33;Y34;Y42;Y46ⅣY3;Y8;Y11;Y13;Y14;Y18;Y21;Y22;Y26;Y27;Y30;Y31;Y36

圖3 50份甜玉米自交系的SSR聚類聚類分析圖

綜上所述，本實驗通過對甜玉米的一些表型數(shù)據(jù)的考擦記錄和分析，初步可以分為4大類，根據(jù)系譜記載，表型聚類的第Ⅰ大類多數(shù)為從國外引進(jìn)的一些甜玉米種質(zhì)資源，表型聚類的第Ⅱ大類多為我國各部分地區(qū)獨有環(huán)境形成的甜玉米種質(zhì)資源，表型聚類的第Ⅲ大類多為二環(huán)系，表型聚類的第4大類多為來自本地的農(nóng)家品系。通過從DNA分子水平對這些材料進(jìn)一步的論證，做SSR聚類分析，SSR聚類的第Ⅰ大類多為通過二環(huán)系多代自交獲得的甜玉米種質(zhì)資源，SSR聚類的第Ⅱ大類多為一些本地的農(nóng)家品系，SSR聚類的第Ⅲ大類多為從國外引進(jìn)的一些甜玉米種質(zhì)資源，SSR聚類的第Ⅳ大類多為我國各部分地區(qū)獨有環(huán)境形成的甜玉米種質(zhì)資源。2種聚類分析的結(jié)果基本一致，具有一定的可信度，對材料本身的確定有一定的參考價值，加快了育種進(jìn)程，也對以后組配出更優(yōu)秀的雜交組合提供了一定的理論參考，但也不能因此就確定各自交系的關(guān)系。其中表型聚類根據(jù)親本的表現(xiàn)型進(jìn)行劃分，但表現(xiàn)型會受到環(huán)境因素影響，而且在調(diào)查中也會有一定的誤差，在很大程度上影響親本聚類的結(jié)果，同時，聚類分析時所選材料群體的數(shù)量也會對聚類結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差，因此，表型聚類尚有不足之處。SSR聚類是利用分子標(biāo)記法對親本進(jìn)行劃分，由于本試驗引物數(shù)量過少，不能代表整個基因群，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差受到影響。