基于SNP 標記分析玉米品種新科910 的遺傳基礎和雜種優(yōu)勢模式

孫佩 任帥 張培風 張玉紅 王蕊 王文潔 張瑞平 李祥 馬朝陽 李合順 王學軍 周聯(lián)東

（河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學院，新鄉(xiāng) 453000）

雜種優(yōu)勢是選育玉米新品種的重要理論基礎，合理的玉米雜種優(yōu)勢類群劃分以及雜種優(yōu)勢模式研究均對于提高玉米育種效率有重要意義[1-2]。20 世紀80 年代吳景鋒[3]對我國主要玉米雜交種種質(zhì)基礎進行評述，指出國內(nèi)種質(zhì)遺傳基礎較為狹窄，應當盡早重視。黃益勤等[4]利用RFLP 標記進行雜種優(yōu)勢類群劃分，通過聚類分析將45 份玉米自交系劃分為6 個類群，分別為熱帶種質(zhì)類群、Mo17 類群、FRB73 類群、地方類群Ⅰ、地方類群Ⅱ和自330 或OH43 類群。曹永國等[5]利用SSR 分子標記進行聚類分析將17 個玉米自交系劃分為6 個類群。張世煌等[6]將我國玉米種質(zhì)劃分為6 個亞群或3 個雜種優(yōu)勢群，DOM（國內(nèi)種質(zhì)、旅大紅骨和塘四平頭）、Reid（BSSS 和PA）和非Reid（Lancaster 和PB）種質(zhì)。

分子標記技術已成為作物育種中不可缺少的手段。從最初的RFLP（Restriction fragment length polymorphism，限制性內(nèi)切酶片段長度多態(tài)性）等到SNP（Single nucleotide polymorphism，單核苷酸多態(tài)性）標記，為基因定位、分子育種和基因組選擇等作物育種技術奠定了技術基礎[7]。1996 年Lander[8]提出SNP為新一代分子標記。SNP 技術遺傳穩(wěn)定性更高、可靠性更強，易于實現(xiàn)高通量、大規(guī)模的基因型檢測[9]。

目前，SNP（單核苷酸多態(tài)性）標記已被廣泛應用于玉米育種研究[10-12]，包括性狀的基因定位、遺傳多樣性分析、遺傳基礎分析、品種鑒定等玉米育種方面的研究[13]。在玉米雜種優(yōu)勢利用方面，SNP 標記也已廣泛應用于劃分雜種優(yōu)勢類群，成為構(gòu)建雜種優(yōu)勢模式的重要手段。史亞興等[14]利用覆蓋玉米全基因組的1059 個SNP 標記，通過聚類分析，將39 份自交系劃分為5 個類群，劃分結(jié)果與系譜來源基本一致。盧柏山等[15]利用1031 個SNP 標記進行群體劃分，將39 份甜玉米自交系劃分為5 個類群。高嵩等[2]采用3750 個SNP 標記將205 份玉米自交系材料分為瑞德、蘭卡斯特、旅大紅骨、塘四平頭、PA、PB、熱帶血緣共7 個類群。趙久然等[16]采用SNP 芯片技術對344份具有廣泛代表性和時效性的玉米自交系進行類群劃分，可分為8 個類群，分別為旅大紅骨、塘四平頭、Iodent、蘭卡斯特、P 群、改良瑞德、瑞德和X 群。

本研究結(jié)合SNP 標記芯片技術，通過對玉米品種新科910 的雙親進行基因型鑒定和分析，對新科910 的遺傳基礎和雜種優(yōu)勢模式進行深入研究，以期為新科910 雙親后續(xù)的改良和創(chuàng)新奠定基礎，為黃淮海地區(qū)玉米新品種的選育提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料供試材料為玉米品種新科910 的雙親自交系（母本K381、父本H865），新科910 于2014 年通過河北省審定，審定編號：冀審玉2014011號。以45 份國內(nèi)常用玉米骨干自交系作為劃分雜種優(yōu)勢類群的參照（表1）。

表1 45 份國內(nèi)常用玉米骨干自交系基本信息

1.2 SNP 分子標記分析每份材料選擇5 株植株的幼嫩葉片混合取樣，DNA 提取采用改良CTAB 法，并進行純化處理。SNP 分子標記檢測在北京中玉金標記生物技術股份有限公司Affymetrix Axiom 平臺完成，所用芯片為玉米育種專用的中玉芯1 號（Maize10K），該芯片含有9573 個SNP 標記，均勻分布在玉米10 條染色體上，相鄰標記間的物理距離平均200kb 左右。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析用Axiom Analysis Suite V5.2 軟件的apt-genotype-axiom、ps-metrics、ps-classification和apt-format-result 模塊進行SNP 基因分型分析，Power Marker V3.25 軟件進行最小等位基因頻率、缺失率、樣品雜合率和基因多樣性分析，Treebest V1.9.2軟件的nj-tree模型構(gòu)建進化樹，Admixture V1.3.0 軟件進行遺傳結(jié)構(gòu)分析，GCTA V1.26.0 軟件進行主成分分析（PCA，Principal component analysis）。

2 結(jié)果與分析

2.1 SNP 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制利用中玉芯1 號芯片對47 份供試材料進行SNP 檢測，通過對dish QC＞0.82和標記檢出率（call rate）＞0.97 的樣品進行SNP 位點質(zhì)控，剩余7389 個標記，占77.2%。然后進行缺失率（miss）＜0.1 和最小等位基因頻率（maf）＞0.05過濾，最終獲得4167 個可用標記，占43.5%。

2.2 群體遺傳相似度分析K381、H865 與45 份我國常用玉米骨干自交系間的遺傳相似系數(shù)（表2）表明，K381 與丹9046、鐵7922、U8112、C8605-2、掖478、鄭58 改良瑞德類群種質(zhì)間的遺傳相似系數(shù)變幅為0.6058～0.7513，分別為0.6058、0.6119、0.6173、0.6439、0.7248、0.7513，說明它們之間遺傳距離較近。H865 與吉單27 母本、吉444、黃野四、黃早四、LX9801、昌7-2 塘四平頭類群種質(zhì)間的遺傳相似系數(shù)變幅為0.6356～0.8556，分別為0.6356、0.7006、0.7305、0.8019、0.8109、0.8556，說明它們之間遺傳距離較近。

表2 K381、H865 與45 份我國常用玉米骨干自交系間的遺傳相似系數(shù)

2.3 群體聚類分析基于篩選出的SNP 標記，利用Treebest 軟件的nj-tree 模型構(gòu)建進化樹，以45 份國內(nèi)常用玉米骨干自交系作為劃分雜種優(yōu)勢類群的參照，所有材料被劃分為6 個類群，如圖1 所示。K381被劃分到Ⅰ類群，Ⅰ類群中有鄭32、B73、U8112、鐵7922、C8605-2、丹9046、鄭58、K381、掖478 和先玉335 母本，該類群多屬于改良瑞德類群。H865被劃分到Ⅱ類群，Ⅱ類群有黃早四、黃野四、吉444、昌7-2、H865、LX9801、吉單27 母本、掖81515 和蘇灣1611，該類群主要是塘四平頭類群種質(zhì)。Ⅲ類群有德美亞3 號母本、KWS9384 母本、德美亞2 號母本、德美亞1 號母本、先玉335 父本、德美亞2 號父本和德美亞1 號父本，該類群多屬于歐洲種質(zhì)。Ⅳ類群有自330、莫群17、OH43、丹340、C052、吉853、綜31 和綜3，該類群屬于自330 和旅大紅骨類群。Ⅴ類群有Mo17ht、Mo17、吉002、合344、獲唐黃、德美亞3 號父本和KWS9384 父本，該類群主要是蘭卡斯特種質(zhì)。Ⅵ類群有沈137、齊319、X178、沈3336、豫自87-1 和吉846，該類群主要是PB 種質(zhì)。

圖1 以45 份我國常用玉米骨干自交系為參照構(gòu)建的K381 和H865 系統(tǒng)進化樹

2.4 主成分分析根據(jù)群體SNP 數(shù)據(jù)對供試材料進行主成分分析。前2 個主成分PC1 和PC2 貢獻率分別為31.43%和26.59%，累積貢獻率58.02%。PC1 和PC2 主成分的二維圖（圖2）顯示。為了便于對比分析，圖2 各自交系材料顏色與圖1 一致。根據(jù)各自交系的集中程度，可清晰地鑒定出6 個類群，這與群體聚類分析結(jié)果基本一致。K381 與掖478、丹9046、C8605-2、先玉335 母本等改良瑞德類群材料距離較近，可歸為一類，H865 與LX9801、昌7-2、吉444、黃野四、黃早四等塘四平頭類群材料距離較近，可歸為一類。

圖2 二維主成分分析

2.5 群體結(jié)構(gòu)分析基于篩選出的SNP 標記，利用Admixture 軟件分析47 份玉米自交系材料的遺傳結(jié)構(gòu)，測試K=6 時最適合，47 份玉米自交系材料可分為6 個類群（圖3），這與群體聚類分析和主成分分析結(jié)果基本一致。

Ⅰ類群中有德美亞2 號父本、KWS9384 父本、德美亞3 號父本、獲唐黃、Mo17ht、吉002、合344 和Mo17，該類群主要是蘭卡斯特種質(zhì)。K381 被劃分到Ⅱ類群，Ⅱ類群有先玉335 母本、K381、C8605-2、掖478、丹9046、B73、U8112、鄭32 和鐵7922，該類群主要是改良瑞德類群種質(zhì)。H865 被劃分到Ⅲ類群，Ⅲ類群有德美亞1 號父本、蘇灣1611、掖81515、吉單27 母本、黃野四、LX9801、黃早四、H865、吉444 和昌7-2，該類群主要是塘四平頭類群種質(zhì)。Ⅳ類群有吉846、沈3336、豫自87-1、X178、沈137 和齊319，該類群主要是PB 群種質(zhì)。Ⅴ類群有先玉335 父本、德美亞1 號母本、KWS9384 母本、德美亞3 號母本和德美亞2 號母本，該類群屬于歐洲種質(zhì)。Ⅵ類群有鄭58、綜3、綜31、丹340、OH43、吉853、C052、自330 和莫群17，該類群屬于自330 和旅大紅骨。表3 為群體遺傳結(jié)構(gòu)分析所得的6 類群血緣在新科910 雙親中占有的比例。由圖3和表3 可以看出，K381 遺傳背景相對復雜，屬于改良瑞德類群，H865 遺傳背景比較單純，屬于塘四平頭類群。

表3 K381 和H865 的群體結(jié)構(gòu)分析

圖3 47 份自交系的群體結(jié)構(gòu)分析

3 結(jié)論與討論

本研究以45 份國內(nèi)常用玉米骨干自交系作為劃分雜種優(yōu)勢類群的參照，分析玉米品種新科910的雙親自交系（母本K381、父本H865）的遺傳基礎?；赟NP 標記出現(xiàn)的頻率計算材料間的遺傳相似系數(shù)，分析材料間的遺傳相似程度，為分群提供依據(jù)。同一血緣材料的遺傳相似系數(shù)一般會在0.60或0.70 以上，0.50 左右或者以下的遺傳相似系數(shù)一般代表材料間沒有明顯的血緣聯(lián)系[17]。遺傳相似度分析結(jié)果表明：K381 與掖478（0.7248）、鄭58（0.7513）等改良瑞德類群材料之間的遺傳相似系數(shù)較高，遺傳距離較近。H865 與LX9801（0.8109）、昌7-2（0.8556）等塘四平頭類群材料之間的相似系數(shù)較高，遺傳距離較近。

玉米主要利用的雜種優(yōu)勢模式有瑞德×塘四平頭、蘭卡斯特×旅大紅骨等[18-19]。本研究群體聚類分析結(jié)果表明，47 份玉米自交系材料被劃分為6 個類群，利用SNP 標記對新科910 雙親K381 和H865 進行群體遺傳相似度分析、聚類分析、主成分分析和遺傳結(jié)構(gòu)分析，K381 屬于改良瑞德類群，父本H865 屬于塘四平頭類群，新科910 的雜種優(yōu)勢模式為改良瑞德×塘四平頭，針對近年來黃淮海地區(qū)異常災害天氣的頻繁發(fā)生[20]，下一步將會引進新的種質(zhì)材料，以此雜種優(yōu)勢模式為理論依據(jù)，對新科910 的雙親進行改良和創(chuàng)新，為抗生物脅迫與非生物脅迫玉米新品種的選育奠定基礎。