基于SNP標記的玉米遺傳多樣性與雜優(yōu)模式分析

摘要：為揭示我國玉米核心種質(zhì)的遺傳多樣性和育種實踐中所用的雜種優(yōu)勢模式，利用58個北方春玉米自交系的全基因組重測序數(shù)據(jù)，鑒定并篩選了2 559 400個高質(zhì)量SNP用于解析供試材料的遺傳特性。分析結(jié)果顯示，核心自交系中的多態(tài)性信息含量在0.09～0.38之間，平均值僅為0.21，說明該群體的遺傳多樣性程度較低。玉米自交系間的親緣關(guān)系系數(shù)范圍在-0.21～1.75，其中自交系丹598與吉1037的親緣關(guān)系系數(shù)最大，而自交系PH6WC與GS01的親緣關(guān)系系數(shù)最小。聚類分析結(jié)果表明，供試群體明顯地被劃分為6個亞群，分別為SS、NSS、PA、蘭卡斯特、塘四平頭和旅大紅骨。進一步對東北地區(qū)主要玉米品種的雜種優(yōu)勢模式進行分析得出，SS×NSS、NSS×PA、NSS×蘭卡斯特及SS×塘四平頭可作為東北地區(qū)主要推廣的雜種優(yōu)勢模式。以上結(jié)果為自交系的改良創(chuàng)新及強優(yōu)勢玉米雜交種的組配提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玉米；SNP；遺傳多樣性；群體結(jié)構(gòu)；雜種優(yōu)勢模式

中圖分類號：S513.03" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）13-0068-06

玉米（Zea mays L.）是我國種植面積最大的糧食作物，同時也是飼料和能源等工業(yè)的主要原料［1］。取得玉米育種的突破性進展對促進國民經(jīng)濟生產(chǎn)具有積極意義。東北地區(qū)作為我國重要的玉米生產(chǎn)基地，無論是播種面積還是單產(chǎn)水平都位于全國前列［2］。然而，近年由于玉米種質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)狹窄，推廣品種的同質(zhì)化嚴重，導致灰斑病、莖腐病等在該區(qū)域連年偏重發(fā)生。因此，亟需加強對玉米種質(zhì)資源進行遺傳多樣性與群體結(jié)構(gòu)研究，揭示和評估玉米核心自交系群體的遺傳特性，不僅能使育種家有的放矢地選配雜交組合，同時也能為玉米種質(zhì)改良及創(chuàng)新提供理論依據(jù)。

迄今為止，已有研究主要采用隨機擴增多態(tài)性DNA（random amplification polymorphic DNA，RAPD）、簡單重復序列（simple sequence repeats，SSR）和單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）-等分子標記對玉米的遺傳多樣性進行研究。其中SNP作為最新一代標記技術(shù)以其位點豐富、遺傳穩(wěn)定性好、易于自動化檢測等優(yōu)點得到越來越多的應用［3］。van Inghelandt等分別利用SNP和SSR標記對1 537個玉米自交系進行群體結(jié)構(gòu)及遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)應用2種標記技術(shù)得到的結(jié)論基本一致［4］。吳金鳳等利用1 041個SNP對51份玉米自交系進行遺傳多樣性與聚類分析得出，供試材料具有較好的多態(tài)性，并劃分為7個雜種優(yōu)勢群［5］。王文斌等利用2 846個SNP對選自陜A和陜B群體的23個玉米自交系進行基因型分析，發(fā)現(xiàn)2個群體選育的自交系間遺傳基礎(chǔ)廣泛并劃歸為2個雜種優(yōu)勢群［6］。Zhang等利用40 697個SNP對222個玉米自交系進行研究得出，供試群體被劃分為4個亞群，聚類結(jié)果與系譜來源基本吻合［7］。

然而，盡管前人利用不同標記技術(shù)對玉米自交系進行了遺傳多樣性研究，但利用SNP標記對我國北方核心種質(zhì)的分析報道還較少，提供的可參考信息有限。因此，本研究利用58個北方春玉米自交系的全基因組重測序數(shù)據(jù)，鑒定并篩選超高密度的SNP用于這些種質(zhì)的遺傳多樣性與雜種優(yōu)勢模式分析。研究結(jié)果以期能為育種家對現(xiàn)有種質(zhì)進行改良創(chuàng)新提供參考，同時也為進一步挖掘控制玉米重要性狀的功能基因奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 植物材料

本研究群體為58個我國北方玉米核心自交系（表1），主要包括在春玉米育種中應用較多的基礎(chǔ)材料和近年來在東北地區(qū)推廣面積較大的玉米雜交種親本。將上述自交系進行群體結(jié)構(gòu)劃分后，用于分析雜種優(yōu)勢模式的玉米品種分別為先玉335、先玉696、迪卡516、天農(nóng)九、德美亞1、德美亞2、良玉99、良玉66、宏育29、宏育416、吉東28、利民33、吉農(nóng)玉309和吉玉301。

1.2 高質(zhì)量SNP的鑒定和篩選

玉米自交系的全基因組重測序數(shù)據(jù)從美國國立生物技術(shù)信息中心網(wǎng)站（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）下載，登錄號為PRJNA495031。采用BWA軟件（參數(shù)： mem-t 4-k 32-M）將各材料的核酸序列比對到玉米自交系B73的參考基因組RefGen_v4 （https：//ftp.ensemblgenomes.ebi.ac.uk/pub/plants/release-40/gtf/zea_mays/）［8］，比對結(jié)果經(jīng) SAMTOOLS軟件去除重復（參數(shù)：rmdup）并利用貝葉斯模型提取群體SNP［9］。最后，采用最小等位基因頻率＞0.05、錯誤率＜0.01、缺失率＜0.1及相鄰多態(tài)性位點距離＞5 bp等過濾條件進行篩選，共得到2 559 400個高質(zhì)量SNP用于后續(xù)分析。這些SNP分布在玉米的全部10條染色體上，標記間平均物理距離僅為0.81 kb。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

結(jié)合篩選的高質(zhì)量SNP，利用PowerMarker v3.25軟件統(tǒng)計這些標記的最小等位基因頻率和缺失率，計算各標記的期望雜合度、觀測雜合度及多態(tài)性信息含量等［10］。利用GCTA v1.92.1軟件計算玉米自交系間的親緣關(guān)系系數(shù)［11］，隨后使用SPSS 24.0軟件繪制親緣關(guān)系系數(shù)的頻率分布圖。采用MEGA-X軟件計算各玉米材料間的遺傳距離矩陣，在此基礎(chǔ)上，使用鄰接法在Bootstrap重復1 000次時構(gòu)建系統(tǒng)進化樹［12］。

2 結(jié)果與分析

2.1 群體遺傳多樣性分析

為了探究我國北方玉米核心種質(zhì)的遺傳多樣性，對篩選到的2 559 400個高質(zhì)量SNP進行多態(tài)性分析。統(tǒng)計結(jié)果（表2）顯示，58個自交系中SNP的最小等位基因頻率和缺失率均值分別為0.17、0.05。標記的多態(tài)性信息含量（PIC）在0.09～0.38之間，其中PIC＜0.25的標記有1 667 554個，占比為65.15%。全部標記的PIC均值僅為0.21，根據(jù)Botstein等提出的多態(tài)性信息含量衡量標準［13］，本研究得到的數(shù)據(jù)均值＜0.25，說明這些SNP呈現(xiàn)出低度多態(tài)性。此外，SNP標記的期望雜合度范圍在0.10～0.50之間，平均值為0.25，高于觀測雜合度均值0.18，進一步證實了該群體的遺傳多樣性相對不足。

2.2 親緣關(guān)系分析

根據(jù)群體SNP的等位基因情況計算供試材料的親緣關(guān)系系數(shù)。統(tǒng)計結(jié)果顯示，各材料間的親緣關(guān)系系數(shù)變幅在-0.21～1.75，其中75.32%的系數(shù)＜0（圖1），說明這些種質(zhì)間無任何交集。其余約25%的親緣關(guān)系系數(shù)在0～1.75的范圍內(nèi)，證實這些材料存在著不同程度的血緣關(guān)系。進一步對供試群體進行分析，發(fā)現(xiàn)玉米自交系丹598與吉1037的親緣關(guān)系最近，系數(shù)達到了1.75，說明可能在選育它們的基礎(chǔ)材料中有相同或相似種質(zhì)。此外，玉米自交系PH6WC與GS01的親緣關(guān)系系數(shù)僅為 -0.21，為所有材料中最小，表明這2個材料無親緣關(guān)系且它們之間的遺傳距離較遠。

2.3 聚類分析

采用MEGA-X軟件計算玉米自交系的遺傳距離矩陣，以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建系統(tǒng)進化樹用于這些種質(zhì)的群體結(jié)構(gòu)劃分。如圖2所示，58個核心自交系明顯地劃分為6個亞群，分別為SS、NSS、PA、蘭卡斯特、塘四平頭和旅大紅骨。其中SS和NSS種質(zhì)主要來自于美國先鋒公司的玉米育種體系，它們分別包含了8、11個核心材料，代表性自交系PH6WC、PH09B以及PH4CV和PHB1M等均分布在上述群內(nèi)；PA群為國內(nèi)改良Reid種質(zhì)，包含了14個玉米自交系，代表性材料主要有K10、鐵7922和7884等；蘭卡斯特群為蘭卡斯特及其改良系，包括13個玉米材料，自交系Mo17、自330及丹1324等均被劃分在這個群內(nèi)；最后為塘四平頭和旅大紅骨等國內(nèi)地方種，這2個亞群分別包含了7、5個自交系，代表性種質(zhì)吉853和丹598等分別被劃分在這2個亞群內(nèi)。

2.4 雜種優(yōu)勢模式分析

2000年以來，東北地區(qū)以上述玉米核心自交系為基礎(chǔ)材料或作為直接親本，培育出一系列優(yōu)良的玉米雜交種。本研究根據(jù)聚類分析結(jié)果對近年來在該地區(qū)推廣面積較大的14個玉米品種的親本組合進行分析，結(jié)果如表3所示。跨國種企選育和推廣的玉米品種雜種優(yōu)勢模式主要為SS×NSS和 NSS×PA，代表性品種主要有先鋒公司的先玉335和先玉696，以及KWS公司的德美亞1和德美亞2。此外，孟山都公司選育的品種迪卡516所利用的雜種優(yōu)勢模式為SS×蘭卡斯特，與美國玉米帶最典型的雜種優(yōu)勢模式吻合。國內(nèi)區(qū)域性優(yōu)勢較強的自主品種良玉99和良玉66等利用的均是NSS×蘭卡斯特雜種優(yōu)勢模式，該類型品種耐密植、抗逆性較好。同時，在遼寧北部和吉林部分區(qū)域推廣面積較大的品種天農(nóng)九采用的是SS×塘四平頭。吉林省地方品種宏育29和吉農(nóng)玉309利用的模式分別為NSS×塘四平頭、PA×蘭卡斯特。說明在東北地區(qū)跨國公司品種選育的雜種優(yōu)勢模式比較穩(wěn)定，而國內(nèi)玉米品種的雜種優(yōu)勢模式較多且復雜，缺乏占據(jù)絕對優(yōu)勢的模式類型。因此，本研究根據(jù)上述品種的推廣范圍及面積大小，最終確定SS×NSS、NSS×PA、NSS×蘭卡斯特及SS×塘四平頭作為東北地區(qū)主要的雜種優(yōu)勢模式。

3 討論與結(jié)論

3.1 北方核心種質(zhì)的遺傳多樣性

種質(zhì)資源是開展育種工作的基礎(chǔ)，探究自交系的遺傳多樣性，了解材料間的親緣關(guān)系遠近，對加快培育突破性玉米品種具有重要的實際意義。目前，國內(nèi)外已有利用SNP對玉米遺傳多樣性進行分析的報道［14-15］，但由于所用的標記數(shù)目有限，較難全面地反映種質(zhì)資源的遺傳背景，致使不同研究得出的結(jié)論有所差異。Richard等利用129個SNP對來自非洲南部和北美洲的45個玉米自交系進行遺傳多樣性分析，結(jié)果顯示SNP的多態(tài)性信息含量在0.04～0.37之間，其中多數(shù)標記的PIC值在0.30～0.37之間，展現(xiàn)出了較好的多態(tài)性［16］。Lu等利用1 034個SNP對770個CIMMYT、巴西和國內(nèi)的玉米自交系進行檢測，結(jié)果表明所用標記的多態(tài)性信息含量變異范圍在0.003～0.375之間，平均值為0.259，證實了供試群體的遺傳多樣性中等偏低［17］。本研究利用2 559 400個高質(zhì)量SNP對58個我國北方核心自交系進行分析，得出群體SNP的期望雜合度均值為0.25，多態(tài)性信息含量在0.09～0.38之間，平均值僅為0.21，低于前人的研究結(jié)果［16-19］，說明該核心群體的遺傳基礎(chǔ)較狹窄，遺傳多樣性程度較低。究其原因主要有以下2個方面：一是這些自交系均來自我國北方的玉米育種體系，由于多年來不斷地對部分核心種質(zhì)進行改良和利用，致使各育成系的遺傳距離不足；二是本研究利用超高密度SNP用于群體的遺傳多樣性分析，更加深入全面地探究了供試材料間的遺傳差異，可能是得出自交系多樣性偏低的另外一個重要原因。

3.2 玉米自交系的群體結(jié)構(gòu)

迄今為止，我國育種家先后采用表型聚類、同工酶和分子標記等對玉米種質(zhì)資源進行研究，得出的結(jié)果大多將自交系劃分為3～6個雜種優(yōu)勢群，有效地提高了育種效率［20-22］。劉志齋等利用40個SSR標記將820個玉米自交系劃分為5個類群，分別為瑞德、蘭卡斯特、塘四平頭、旅大紅骨和P群［23］。石玲艷等利用31個SRAP標記對33個玉米自交系進行群體結(jié)構(gòu)分析得出，供試材料可分為4個亞群，依次為瑞德、塘四平頭、旅大紅骨和PB群［24］。值得注意的是，在該報道中并未出現(xiàn)蘭卡斯特亞群，其原因可能與所選用的供試材料和分子標記數(shù)量較少等有關(guān)。在本研究，系統(tǒng)進化樹結(jié)果顯示58個核心自交系明顯地劃分為6個亞群，分別為SS、NSS、PA、蘭卡斯特、塘四平頭和旅大紅骨。其中完全是由本土資源經(jīng)過選育與改良形成的塘四平頭和旅大紅骨種質(zhì)，與外來自交系的遺傳距離相對較遠，故被單獨劃分到2個亞群；SS和NSS亞群種質(zhì)主要來自美國先鋒公司的玉米育種體系及其衍生系，先玉335母本PH6WC就被劃分到SS亞群，針對該自交系的定向改良對東北玉米近20年的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。此外，在本研究劃分的NSS亞群中并未包括蘭卡斯特種質(zhì)，蘭卡斯特血緣的自交系被單獨成群。通過分析發(fā)現(xiàn)，美國中部玉米帶先鋒公司的NSS種質(zhì)很多來自Iodent和Minnesota13，很少來自蘭卡斯特［25-26］，這可能是本研究將NSS和蘭卡斯特種質(zhì)分別成群的重要原因。最后，PA群為國內(nèi)改良Reid種質(zhì)，利用本土資源對外來自交系進行改良，從而提高組配雜種的抗逆性和穩(wěn)產(chǎn)能力。其中，代表性材料鐵7922和K10等PA系在東北玉米迭代中曾均發(fā)揮了不可替代的作用。以上分群結(jié)果與研究材料的系譜來源基本一致［23-24，27］，但也有少數(shù)自交系的遺傳背景與所在類群有所出入，例如：玉米雜交種鄭單958母本鄭58登記為選自自交系掖478的變異株，按照推理應歸屬于P群，但本研究結(jié)果卻將其劃分到蘭卡斯特群，這可能和鄭58模糊的系譜來源有關(guān)，還需要進一步深入研究。

3.3 雜種優(yōu)勢模式分析

雜種優(yōu)勢模式和循環(huán)育種策略關(guān)系到商業(yè)育種的效率［28-29］。早在2003年，Hallauer就率先提出了SS×NSS的二群論雜優(yōu)模式，這一模式極大地促進了玉米種質(zhì)的擴增、改良和創(chuàng)新，并在美國得到了廣泛應用［30］。本研究通過對我國北方核心自交系進行聚類分析，結(jié)合東北主要玉米品種的親本情況得出，該區(qū)域利用的雜優(yōu)模式較多且復雜。進一步根據(jù)育成品種的推廣范圍和面積，篩選SS×NSS、NSS×PA、NSS×蘭卡斯特及SS×塘四平頭作為該地區(qū)應重點應用的雜優(yōu)模式。此外，利用SS×NSS組配出的先玉335和先玉696等系列品種在我國累計推廣面積已達數(shù)億畝（1 hm2=15畝）。因此，在未來可以借用美國種企對種質(zhì)資源劃分的手段，將上述的PA、蘭卡斯特和國內(nèi)種質(zhì)（塘四平頭和旅大紅骨）分別歸納到SS或NSS群中。隨后利用現(xiàn)有資源分別進行種質(zhì)改良創(chuàng)新，不僅要保留國外自交系籽粒脫水速率快、耐密、早熟、抗倒伏等明顯優(yōu)點［31-32］，也要結(jié)合本土自交系的抗病性和適應性，不斷擴大SS和NSS群的種質(zhì)數(shù)量及其遺傳距離，形成具有區(qū)域特色的二群論，達到簡化雜種優(yōu)勢群及雜種優(yōu)勢模式的目的，這樣才能有效推動我國北方玉米育種的研發(fā)進程。

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