基于玉米50 K芯片分析鮮食玉米溫-熱帶雜種優(yōu)勢模式及其育種利用

胡俏強 周玲 潘玖琴 吉善良 黃少華 周安來 孫雪花 郭華 趙涵 戴惠學(xué)

摘要：利用基于Illumina平臺的玉米MaizeSNP50 （50 K） 芯片對90份鮮食玉米自交系材料進行SNP基因分型，獲得11 100個高質(zhì)量SNP變異位點。通過這些位點可以將具有不同遺傳背景的90份鮮食玉米資源劃分為四大類群，分別為熱帶糯玉米群（31份）、熱帶甜玉米群（15份）、溫帶糯玉米群（11份）、溫帶甜玉米群（33份），并對其群體遺傳結(jié)構(gòu)進行PCA分析，二者結(jié)果與自交系譜系來源保持一致。以上述溫、熱優(yōu)勢群劃分結(jié)果為依據(jù)，現(xiàn)已知15個自主選育鮮食玉米品種的組配模式為溫、熱帶優(yōu)勢群間雜交，且各品種在農(nóng)藝性狀、品質(zhì)、抗性等方面均表現(xiàn)出較強的雜種優(yōu)勢，該溫-熱雜優(yōu)模式為今后鮮食玉米品種選育提供了新方向。

關(guān)鍵詞：溫?zé)釒r食玉米;SNP基因分型;類群劃分;雜優(yōu)模式;玉米育種

中圖分類號：S513.03 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）05-0062-05

鮮食玉米是指在乳熟期采摘果穗用于食用，具有特殊風(fēng)味和品質(zhì)的玉米品種。和普通玉米相比它具有甜、糯、嫩、香等特點。從品質(zhì)上可分為甜玉米、糯玉米、甜加糯玉米三大類。因其風(fēng)味獨特、營養(yǎng)豐富、效益顯著，既可即時供應(yīng)，也可冷藏加工，而深受廣大種植者、消費者和加工企業(yè)的歡迎，市場需求越來越大。玉米是異花授粉作物，雜種優(yōu)勢應(yīng)用的典型代表。雜種優(yōu)勢大小主要取決于親本的遺傳組成和遺傳差異，遺傳差異越大則雜種優(yōu)勢越明顯。在不同雜種優(yōu)勢群之間組配雜交組合獲得強優(yōu)勢組合的概率較大，進而可形成雜種優(yōu)勢模式[1]。因此，依據(jù)親緣關(guān)系和遺傳組成將玉米自交系劃分為不同的雜種優(yōu)勢類群是玉米育種的重要研究課題。從20世紀(jì)90年代起，我國玉米雜種優(yōu)勢群劃分經(jīng)歷了從5群（改良Reid、Lancaster、塘四平頭、旅大紅骨和其他群）到3群 （Reid、Lancaster和國內(nèi)群）再到2群 （Reid群和 Non-Reid 群）[8]，最終歸并為2個雜種優(yōu)勢列（alignment），A列即母本陣列或SS（StiffStalk）列，B列即父本陣列或NSS（non-Stiff Stalk）列的復(fù)雜歷程。近些年越來越多的育種家們提出了“溫-熱帶種質(zhì)”綜合育種的新思路。一般而言，溫帶種質(zhì)具有株型優(yōu)良、出籽率高、產(chǎn)量潛力大、配合力高等優(yōu)良特性，熱帶種質(zhì)則具有葉片持綠期長、生物產(chǎn)量高、抗病抗逆性強等突出特點。為充分利用溫、熱帶玉米種質(zhì)的優(yōu)良特性，根據(jù)育種實際，提出了“溫帶種質(zhì)×熱帶種質(zhì)”的雜優(yōu)組配模式，并取得了一系列成果。然而，目前關(guān)于鮮食玉米（尤其是甜玉米）的遺傳基礎(chǔ)和類群劃分等相關(guān)研究仍然較少，本研究以不同遺傳背景的90份鮮食玉米自選系為材料，利用基于Illumina平臺的玉米MaizeSNP50 （50 K） 芯片對其進行基因分型、雜種優(yōu)勢群劃分及群體結(jié)構(gòu)PCA分析，并以前期育成品種組配模式為參考，探究鮮食玉米溫-熱雜優(yōu)新模式，為后續(xù)種質(zhì)改良和雜交組配指引了新方向。

1 材料與方法

1.1 供試材料及全基因組芯片數(shù)據(jù)

供試材料為具有溫帶或熱帶血緣的90份鮮食玉米自交系（表1），2019年種植于南京市蔬菜科學(xué)研究所試驗田，每株系種植1行，行長4 m，行距 60 cm，每行播種20粒。之后利用基于Illumina平臺的玉米MaizeSNP50 （50 K） 芯片進行SNP基因分型，過濾掉次要等位基因頻率（MAF）<5%和缺失率>20%的SNP的冗余數(shù)據(jù)，最后獲得11 100個高質(zhì)量的SNP位點。

1.2 遺傳組成差異分析

利用TASSEL V5.0 （www.maizegenetics.net/tassel） 使用鄰接算法（N-J）[14]計算90份自交系之間的遺傳距離并構(gòu)建聚類圖，進行類群劃分;依據(jù)Patterson等所描述的操作流程[15]進行主成分分析（PCA）分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建及聚類分析

運用TASSEL V5.0軟件基于11 100個高質(zhì)量的SNP位點，采用N-J法構(gòu)建了系統(tǒng)發(fā)育樹，結(jié)果（圖1）顯示，90份鮮食玉米自交系被劃分為4個不同的類群：第Ⅰ類群為包含了ZN-01、SN-10、ln-02、N15-01、N15-01A、N15-03、N622、J58-28N、J27-6N、J75-1、J75-2、J75-3、J75-6、J68、J69、J70、J71、J72、J73、J74、J76、J77、J78、J79、J80、J81、J82、J83、J84、J85、J86等31份自交系的熱帶糯玉米群;第Ⅱ類群為包含了403-11、403-11A、403-11B、403-11C、ST-08、H152-7D、H162-7B、403325-4、H403-12、Lvh43-01、Lvh43-04、F06-1、TN-12、LTN03-2、T-10等15份自交系的熱帶甜玉米群;第Ⅲ類群為包含了QN-51、ln-01、N612、HN-01、N623、N1301-612、N1301-512、J87、J88、J89、J90等11份自交系的溫帶糯玉米群等;第Ⅳ類群為包含了ST-01、ST-02、ST-03、ST-05、ST-06、ST-09、ST-10、甜-01、甜-01B、甜-02、T-06、T-07、T-08、T-09、T-12、T-13、H147-7A、H17-11、WT-001、WT-006、WT-020、T1205-11-14、326B452-2、187-8、T458-06、Lv甜-001、HT-07、1041-11、TN-06、J59HT-6、J59HT-14、765-4、JN52-28T等33份自交系的溫帶甜玉米群。其劃分結(jié)果與材料來源高度一致。

2.2 群體結(jié)構(gòu)分析

本研究對上述材料進行了PCA分析（圖2），將4個群按PC1（principal component 1）與PC2（principal component 2）的坐標(biāo)軸方向進行顯示，從顯示的結(jié)果來看，4個群基本被劃分開，熱帶材料和溫帶種質(zhì)被明顯推向兩極，其中溫帶群內(nèi)遺傳差異較大，熱帶群內(nèi)遺傳差異較小。熱帶糯玉米群和熱帶甜玉米群之間的關(guān)系較近且重疊分布區(qū)域較多，說明熱帶鮮食玉米群體中的一些自交系有可能由相同或近似血緣玉米選育而來。

2.3 溫?zé)釒ХN質(zhì)雜優(yōu)模式利用

根據(jù)前期品種選育經(jīng)驗及組配模式，結(jié)合樹狀聚類圖分析可知：溫帶優(yōu)勢群與熱帶優(yōu)勢群之間兩兩組合均可形成高雜種優(yōu)勢的雜交組合（品種）。如溫帶Ⅲ群（糯）與熱帶Ⅰ群（糯）組配出糯玉米品種：晶彩糯、萃糯1號;溫帶Ⅲ群（糯）與熱帶Ⅱ群（甜）組配出甜加糯品種：晶白甜糯、晶彩甜糯、萃甜糯608;溫帶Ⅳ群（甜）與熱帶Ⅰ群（糯）組配出甜加糯品種：晶彩花糯5號;溫帶Ⅳ群（甜）與熱帶Ⅱ群（甜）組配出甜玉米品種：晶甜3號、晶甜5號、晶甜6號、晶甜7號、晶甜9號、晶甜10號、晶甜12號、萃甜618、萃甜628。這些品種的育成也從側(cè)面反映出溫、熱帶群體間較強的雜種優(yōu)勢和基于50K芯片SNP標(biāo)記劃分類群的準(zhǔn)確性（表2）。

從各品種區(qū)試數(shù)據(jù)分析可知，15個鮮食玉米品種的果穗長度為18.1～20.5cm、穗粗為4.6～

5.1 cm，穗行數(shù)為12-16行，是鮮食玉米品種較為理想的果型（表3）。15個品種的產(chǎn)量均高于對照（CK），其中萃甜628產(chǎn)量最高為1 045.4 kg/667 m2;萃糯1號增產(chǎn)幅度最大，較CK增產(chǎn)24.0%（表3）。15個品種中除晶彩花糯5號、晶甜9號品質(zhì)綜合評分與對照相當(dāng)外，其他品種均高于對照，其中晶彩甜糯品質(zhì)最好，綜合評分達到88.1分（表4、表5）。田間自然發(fā)病調(diào)查結(jié)果顯示，除晶甜12號、萃甜618、晶彩甜糯、晶白甜糯4個品種外，其余品種對小斑病的抗性均達到抗病以上;15個品種對大斑病、莖腐病、紋枯病的抗性均達到抗病以上（表4、表5）。經(jīng)接種鑒定，15個品種莖腐病均達抗病以上;除晶彩糯外，其余品種對大斑病抗性均達抗病以上;7個品種感小斑病，5個品種感紋枯病，其他品種對小斑病和紋枯病的抗性均達到抗病以上（表4、表5）。由此可見，溫、熱帶群間雜交選育出的鮮食玉米品種具有植株、穗位高適中，抗性好，品質(zhì)優(yōu)等特點，表現(xiàn)出較強雜種優(yōu)勢，可作為今后鮮食玉米品種選育中的新雜優(yōu)模式。

3 結(jié)論與討論

為提高育種效率，了解材料遺傳背景，準(zhǔn)確劃分玉米自交系雜種優(yōu)勢群，從而有針對性地組配雜交組合，是玉米育種的基本程序。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，分子標(biāo)記已成為作物遺傳育種研究的重要手段，在玉米種質(zhì)的遺傳多樣性分析中被廣泛應(yīng)用，其中SNP因具有數(shù)量多、分布廣泛、適于快速規(guī)?；Y查、等位基因頻率容易估計、易于基因分型等優(yōu)點，發(fā)揮著它的巨大作用。本研究以90份鮮食玉米自交系為材料，開發(fā)出11 100個高質(zhì)量的SNP分子標(biāo)記，基于這些標(biāo)記將90份自交系劃分為4個雜種優(yōu)勢群，分別為熱帶糯玉米群、熱帶甜玉米群、溫帶糯玉米群、溫帶甜玉米群，并對其群體遺傳結(jié)構(gòu)進行了PCA分析，4個群基本被劃分開，其中溫帶群內(nèi)遺傳差異較大，熱帶群內(nèi)遺傳差異較小。熱帶群之間的關(guān)系較近且重疊分布區(qū)域較多，說明一些自交系有可能由相同或近似血緣材料選育而來。如J75-1、J75-2、J75-3、J75-6是姊妹自交系;F06-1是由ZN-01改良轉(zhuǎn)育而來;ln-02與TN-12均具京科糯2000的血緣。溫帶優(yōu)勢群中自交系N15-01A是由N15-01改良而來，JN52-28T、TN-06與N15-01均具有彩甜糯6號的血緣，故四者相鄰重疊。聚類與PCA分析結(jié)果均與材料來源高度吻合，相比傳統(tǒng)的系譜分析法、配合力分析法，該方法不僅準(zhǔn)確率更高，還可以有效減少自交系之間的組配工作量，大幅提高育種效率。此外，以育成品種的農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)及組配模式為參考，本研究明確了鮮食玉米溫-熱雜優(yōu)新模式，現(xiàn)已育成晶甜9號、萃甜618、晶白甜糯、晶彩糯等優(yōu)質(zhì)廣適鮮食玉米新品種15個，為后續(xù)鮮食玉米育種工作提供了明確的雙親選擇及雜交組配方向。

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