玉米自交系的遺傳多樣性分析及雜種優勢群劃分

林峰　梁帥強　周玲等

摘要：收集具有豐富遺傳多樣性的種質資源是玉米育種的前提，通過對資源進行雜種優勢群的劃分可以顯著提高育種效率。本研究利用135對InDel分布在玉米10條染色體上的分子標記引物，系統分析了491份玉米自交系的遺傳多樣性，結果顯示標記多態性信息量變化范圍為0.255～0.678。通過計算遺傳相似值（GS），上述材料被劃分成8個包括Reid群、Lancaster群、四平頭群和PB群的雜種優勢群。本研究結果為組配優良玉米雜交種提供了遺傳信息。

關鍵詞：玉米；分子標記；遺傳多樣性；雜種優勢群；遺傳相似性；InDel標記

中圖分類號： S513.03文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0107-03

收稿日期：2015-08-24

基金項目：江蘇省自然科學基金（編號：BK20141385）；江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（13）3060]。

作者簡介：林峰（1978—），男，博士，助理研究員，主要從事遺傳育種研究。E-mail：flinlc@hotmail.com。

通信作者：趙涵，博士，研究員，主要從事作物遺傳育種研究。Tel：（025）84390751；E-mail：zhaohan@jaas.ac.cn。雜種優勢是指2個遺傳組成不同的生物體雜交后的雜種一代在生長勢、生活力、抗逆性、產量及品質等方面優于雙親的現象。利用雜種優勢獲得總體性狀優于親本的雜交種是現代育種的重要手段之一。而雜種優勢群集中了大量有利基因，群間自交系雜交時往往可以獲得較大的雜種優勢。因此，雜種優勢群的劃分有助于自交系改良和雜交種選配，對雜交育種具有重要意義。

玉米是典型的異交作物，雜種優勢明顯。玉米中最早的一對雜種優勢模式是Reid×Lancaster，2003年，Hallauer提出了BSSS-Tuxpeno和non-BSSS-non-Tuxpeno兩個雜種優勢列（Heterotic Alignment）的概念，又稱SS和NSS群[1]，這一模式大大促進了玉米種質的擴增、改良和創新，得到了廣泛應用。根據系譜關系和配合力等，王懿波等將我國玉米主要種質劃分為五大雜種優勢群：改良Reid、Lancaster、四平頭、旅大紅骨以及其他雜種優勢群[2]。分子標記的發展為玉米雜種優勢群的劃分提供了新的工具。利用RFLP和SSR標記，袁力行等將供試材料劃分為四平頭、旅大紅骨、LSC、BSSS和PA等5個類群，劃分結果與系譜分析基本一致[3]。利用SSR標記對玉米自交系進行分析，大多將其劃分為6～8個雜種優勢群[4-6]。

InDel標記是新一代共顯性遺傳標記，具有數量多、擴增產物穩定和易于檢測等優點。本研究利用筆者所在研究室開發的135個InDel標記分析了491份玉米自交系的遺傳多樣性，并進行了雜種優勢群劃分，以期為這些材料的高效利用提供理論基礎。

1材料與方法

1.1供試材料

所用材料為491份玉米自交系，包括X178、Q319、P138、昌7-2、黃早四、Mo17、B73、鄭58等標準測驗種。2014年種植于南京市蔬菜科學研究所試驗地，每株系種植1行，行長 2 m，行寬40 cm，每行播種10粒。

1.2玉米InDel的發掘與標記開發

根據Romay等開發的SNP標記[7]，在多態位點附近與玉米B73基因組序列（v3）比對，利用Primer3[8]設計引物。通過電子PCR的策略在Mo17、B73、鄭58、昌7-2間進行模擬PCR擴增，進一步通過cPCR軟件（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/e-pcr/）分析標記位點的多態性，模擬中堿基錯配值Mismatch≤3 bp，電子多態性篩選的候選多態性位點即可能存在1個InDel[9]。利用該引物即可作為InDel標記用于該位點的基因型檢測。

1.3基因型檢測

將所有自交系單株取樣，植物葉片用低溫真空干燥儀干燥后，采用Karroten植物基因組DNA提取試劑盒抽提DNA，具體步驟詳見試劑盒說明書。DNA加適量TE溶解后，4 ℃或-20 ℃貯藏待用。PCR反應體系為25 μL，包含5 pmol兩側引物，2.5 μL 10×buffer，1.25 nmol dNTP，1 U Taq聚合酶和40 ng模板DNA。擴增程序為94 ℃預變性3 min，然后進入擴增循環：94 ℃ 30 s，55 ℃或60 ℃ 30 s，72 ℃ 40 s，35個循環；72 ℃反應5 min。擴增產物在2%瓊脂糖凝膠上電泳分離，溴化乙錠顯色，凝膠成像儀上觀察、照相并記錄。

1.4聚類分析

篩選擴增單一條帶的引物對491份玉米材料進行檢測，比較不同材料里面的帶型差異。InDel標記位點的多態性信息量（polymorphism information content，PIC）利用公式PIC=1-∑P2i 計算，Pi為i位點的基因頻率。自交系的遺傳相似值（genetic similarity，GS）由簡單相配系數（simple matching coefficient，SM）計算：GS=m/（m+n），m表示基因型間共有條帶的數目，n表示基因型間有差異的條帶數目。利用Tassel 5.0軟件（www.maizegenetics.net/tassel），根據自交系標記遺傳相似矩陣，通過UPGMA（unweighted pair group method）方法進行遺傳距離聚類分析。

2結果與分析

2.1InDel的發掘及多態性分子標記的開發

根據B73和Mo17的測序信息，共開發135對引物，分別位于玉米的10條染色體上，平均每條染色體12.2個標記（圖1）。這些標記在491份玉米材料中的多態性信息量變化范圍為0.255～0.678，平均0.489，其中ID196最大，HG20最小（表1）。

2.2遺傳變異分析及聚類分析

使用135個InDel標記計算491份玉米自交系之間的遺傳相似系數，其范圍在0.004～0.967之間，平均為0.469。根據491份玉米自交系材料的遺傳相似系數矩陣，利用UPGMA 方法對上述材料進行聚類分析，將491份材料分為8個大群（圖2）。根據標準測驗種所代表的中國玉米生產上主要應用的雜種優勢群，在聚類分析劃分的群中包括Reid群（B73）、Lancaster群（Mo17）、四平頭群（昌7-2，黃早四）、PB

群（X178，Q319，P138）。

3結論與討論

玉米種質資源是育種的前提，了解其親緣關系、劃分雜種優勢群有助于自交系的改良和雜交種選配，能夠大大減少育種的盲目性。雜種優勢群的劃分一般通過系譜法、表型聚類、同工酶以及分子標記等方法。隨著分子生物學的迅猛發展，DNA分子標記技術得到廣泛應用。

InDel標記是指由于核苷酸插入或缺失引起的多態性標記。通過重測序比較發現，玉米不同基因型間存在著大量 InDel 變異。Lai等分析了6個中國玉米優良自交系，估算大約存在30 178個InDel，其中571個InDel位于功能基因內[10]。這些變異導致了玉米的多樣性，并提供了更多的標記位點。呂遠大等利用玉米基因組重測序信息，建立了大規模開發分子標記并對其進行電子多態性篩選的流程[9]。根據測序信息，筆者共開發出135對InDel標記引物，這些標記在491份玉米材料中的多態性信息量變化范圍為0.255～0678，可以用于分析不同玉米材料的遺傳多樣性。

通過系譜或SSR標記分析，我國玉米主要種質可劃分為6～8個雜種優勢群[2-3]。利用InDel分子標記對491份材料進行分析后，筆者得到的分群結果與上述結果一致。主要將491份材料分為8個大群，根據標準測驗種所代表的中國玉米生產上主要應用的雜種優勢群，筆者在聚類分析劃分的群中包括Reid群、Lancaster群、四平頭群和PB群，以及一些不清楚系譜來源的材料組成的亞群。對于新劃入群的材料可以根據所在雜種優勢群進行有選擇的交配組合。

參考文獻：

[1]Hallauer A. Introgression of elite subtropical and tropical germplasm with us corn belt germlasm[C]. North Central Regional Corn Breeding Meeting，American，2003.

[2]王懿波，王振華，陸利行，等. 中國玉米種質基礎、雜種優勢群劃分與雜優模式研究[J]. 玉米科學，1998，6（1）：9-13，28.

[3]袁力行，傅駿驊，張世煌，等. 利用RFLP和SSR標記劃分玉米自交系雜種優勢群的研究[J]. 作物學報，2001，27（2）：149-156.

[4]鄭淑云，王守才，劉東占. 利用SSR標記劃分玉米自交系雜種優勢群的研究[J]. 玉米科學，2006，14（5）：26-29.

[5]李新海，袁力行，李曉輝，等. 利用SSR標記劃分70份我國玉米自交系的雜種優勢群[J]. 中國農業科學，2003，36（6）：622-627.

[6]趙旭，方永豐，王漢寧. 玉米SSR標記雜優類群劃分及群體遺傳結構分析[J]. 核農學報，2013，27（12）：1828-1838.

[7]Romay M C，Millard M J，Glaubitz J C，et al. Comprehensive genotyping of the USA National maize inbred seed bank[J]. Genome Biology，2013，14（6）：R55.

[8]Rozen S，Skaletsky H. Primer3 on the www for general users and for biologist programmers[M]//Bioinformatics methods and protocols. Berlin：Springer，1999：365-386.

[9]呂遠大，李坦，石麗，等. 基于全基因組重測序信息開發玉米H99自交系特異分子標記[J]. 作物學報，2014，40（2）：191-197.

[10]Lai J S，Li R Q，Xu X，et al. Genome-wide patterns of genetic variation among elite maize inbred lines[J]. Nature Genetics，2010，42（11）：1027-1030.梁劍. 重金屬鎘脅迫對油橄欖幼苗生長的影響[J]. 江蘇農業科學，2015，43（11：110-112.