中國玉米骨干親本黃早四雜種優勢形成的遺傳基礎解析

李永祥，李春輝，楊俊品，楊華，程偉東，汪黎明，李鳳艷，李會勇，王延波，李淑華，扈光輝0，劉成，黎裕，王天宇

（1中國農業科學院作物科學研究所，北京 100081；2四川省農業科學院作物研究所，成都 610066；3重慶市農業科學院玉米研究所，重慶 401329；4廣西農業科學院玉米研究所，南寧 530007；5山東省農業科學院玉米研究所，濟南 250100；6西北農林科技大學農學院，陜西楊凌 712100；7河南省農業科學院糧食作物研究所，鄭州 450002；8遼寧省農業科學院玉米研究所，沈陽 110161；9吉林省農業科學院玉米研究所，吉林公主嶺 136100；10黑龍江省農業科學院玉米研究所，哈爾濱 150086；11新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830000）

0 引言

【研究意義】雜種優勢是指雙親雜交產生的后代在一種或多種性狀上表現優于雙親的現象。玉米是利用雜種優勢最為有效的作物之一，基于雜種優勢群進行群內改良、群間組配是實現玉米高產的重要育種途徑[1-2]。在中國玉米長期育種實踐中，以骨干親本黃早四為代表的黃改系雜種優勢群的形成和廣泛利用，極大地推動了中國玉米生產的發展。因此，開展黃早四雜種優勢形成的遺傳基礎研究，對指導玉米骨干親本高效利用和高產育種具有重要理論研究與生產利用價值?！厩叭搜芯窟M展】玉米育種的歷史可追溯到 19世紀中后期，該時期主要通過混合選擇的方法進行品種改良。在大量的育種實踐中，人們發現，玉米品種間雜交種的產量比親本品種具有明顯的增產作用。SHULL[3]在 1908年首次提出了選配自交系間雜交組合的思路和方法，隨后雜種優勢的利用在玉米品種選育中逐步成為主流途徑。例如，1934年美國玉米種植面積中雜交種僅占0.4%，但到1956年在全美已普及玉米雜交種。在中國，玉米雜種優勢的利用開始于20世紀30年代，新中國成立后，得到迅速發展，并在育種實踐中，逐步形成了中國的玉米雜種優勢類群和雜種優勢利用模式[1-2]。在玉米雜交育種的前期，國內地方品種是自交系培育的重要種質資源。其中，以地方品種四平頭選育出自交系塘四平頭，之后中國玉米育種家以塘四平頭天然雜株（或以塘四平頭為母本的雜種分離后代）培育出高配合力自交系黃早四[4]。以黃早四為基礎材料，又進一步選育出444、吉853、K12、Lx9801、昌7-2等一批優良衍生自交系，利用這些衍生系組配出近百個推廣面積在4 000萬hm2以上的優良玉米雜交品種[5]。在這個過程中，黃早四以其配合力高、株型緊湊、花粉量大、灌漿速率快、廣適性強等優點被廣泛利用，成為中國玉米育種的骨干親本，并以該自交系為代表，形成了黃改系雜種優勢群，該雜種優勢群種質與改良瑞德等外來種質具有很強的雜種優勢，是中國玉米品種選育中的主要雜種優勢利用模式之一。近年來，隨著分子生物學研究手段的發展，利用分子標記對骨干親本黃早四形成的遺傳基礎已經開展了一些工作。如借助MaizeSNP50高密度基因型芯片，對 42個黃早四優良衍生系的遺傳構成進行分析，在全基因組范圍內鑒定到15個來自黃早四的保守染色體區段（被60%以上的衍生系所保留），認為這些染色體區段可能對黃改系雜種優勢群的形成具有重要作用[6]。其中，位于第4染色體的Bin4.05區段，可被84%的黃早四衍生系所保留，在該染色體區段還可同時定位到百粒重、灌漿速率等主效 QTL位點[7-9]。同時，隨著黃早四參考基因組的公布，更多的黃改系類群保守區段得到了檢測[10]。為全面解析玉米骨干親本黃早四形成的遺傳基礎，還以黃早四為共同親本，用 11個來自不同雜種優勢群的代表性自交系為其他親本，構建了一個包含近 2 000個重組自交系（recombination inbred lines，RILs）的巢式關聯分析群體（nested association mapping population，NAM）。利用該巢式關聯分析群體（以下簡稱為“中國玉米NAM群體”或“NAM群體”），先后開展了玉米產量[7]、雄穗[11]、株型[12]、花期[13]及抗旱性[14]等重要性狀的遺傳解析，定位到一批產量及重要農藝性狀的主效位點，為基于分子標記的玉米骨干親本黃早四高效利用和改良提供了大量的遺傳定位信息?！颈狙芯壳腥朦c】迄今為止，在雜種優勢利用方面，關于玉米骨干親本黃早四形成的遺傳基礎研究還鮮有報道，因此，有必要利用測交群體，在雜交組合狀態下，評估骨干親本黃早四對產量及重要農藝性狀的貢獻，解析其雜種優勢形成的遺傳基礎?！緮M解決的關鍵問題】本研究以前期工作中構建的基于黃早四背景的NAM群體為試驗材料，同時與改良瑞德×黃改系雜種優勢利用模式的代表性自交系昌7-2和鄭58進行測交，獲得該NAM 群體的雙重測交群體，并在全國不同玉米主產區開展多環境表型鑒定。在此基礎上，進行雜種優勢利用下的產量及重要農藝性狀遺傳位點定位和遺傳效應評估，解析黃早四雜種優勢形成的遺傳基礎，以期為中國玉米骨干親本高效利用和高產育種提供基礎信息和重要依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設計

在前期工作中，以中國玉米黃改系雜種優勢群骨干親本黃早四為共同親本，以11個來自不同雜種優勢群的代表性自交系（K12、掖 478、鄭 58、獲白、齊319、威風322、旅28、黃野四3、多229、Pa405和Mo17）為其他親本，構建了由11個RIL群體（包含1 972個RILs）組成的中國玉米NAM群體[11]。為了開展基于雜種優勢利用的玉米骨干親本黃早四遺傳基礎研究，該NAM群體所包含的家系分別與改良瑞德×黃改系雜種優勢利用模式的代表性自交系鄭 58和昌7-2作為測驗種進行雜交測配，獲得了該NAM群體的鄭 58測交群體（ZH58-TCs）測交群體和昌 7-2（CH7-TCs）。

測交群體的表型鑒定于2013年在中國4個玉米主產區的10個試驗點同時展開，包括西南玉米區（廣西來賓、重慶潼南和四川成都）、黃淮海夏播區（河南原陽、山東齊河和陜西楊凌）、東北春播區（遼寧沈陽、吉林公主嶺和黑龍江哈爾濱）、西北春播區（新疆烏魯木齊）。在不同環境下對11個RIL測交群體分別進行隨機排布，采取2行小區種植，小區行長3 m，行距0.6 m，密度60 000株/hm2。測交群體的鑒定涉及10個環境，可用多個環境間的最優無偏估計（best linear unbiased prediction，BLUP）對表型進行準確估計，因此，試驗點內不設重復[15]。田間試驗過程中田間施肥、灌溉、防蟲與除草等與當地大田生產管理一致。

1.2 表型鑒定與數據采集

記載小區50%植株吐絲的日期，并根據播種日期，計算播種至吐絲之間的天數，作為各小區的吐絲期（days to silking，DTS）。吐絲后 15 d，調查各小區株高，從小區第1行的第3株開始，連續調查5株，取平均值，作為小區株高（plant height，PH，cm）。成熟后，收獲小區內全部植株的有效果穗（30粒以上），并從中取5個代表性果穗，用于統計穗行數和行粒數，取平均值，作為各小區的穗行數（kernel row number，KRN）和行粒數（kernel number per row，KNPR）。完全風干后，5個代表性果穗混合脫粒，稱重后平均，獲得單穗產量（ear yield，g）。數取100個籽粒進行稱重，3次重復，平均后獲得百粒重（kernel weight per hundred，KWPH，g）。小區其余果穗混合脫粒、稱重，并與5個代表性果穗產量進行合并，獲得小區產量（plot yield，kg）。

1.3 表型數據的統計分析

利用QTL IciMapping、SAS和R軟件進行數據的統計與分析。利用QTL IciMapping的ANOVA模塊，計算各性狀廣義遺傳力（h2）[16]。利用SAS的“PROC MIXED”模塊，計算多環境下各測交組合的產量及重要農藝性狀的最優線性無偏估計（BLUP值），用于后續的分析。利用R軟件進行性狀之間的相關性分析，并繪制散點圖、頻數分布圖、熱圖和密度分布圖。

1.4 QTL 分析

在前期工作中，利用GBS測序[17]完成了中國玉米NAM群體的基因型鑒定，并構建了包含4 932個標記的高密度遺傳圖譜，標記間平均距離為0.34 cM[18]?；谠撨z傳圖譜和各性狀 BLUP值，利用 SAS的“PROC GLMSELECT”模塊[19]，分別進行昌7-2和鄭 58測交群體的聯合逐步回歸（Joint stepwise regression）分析[14]，完成QTL定位（顯著性水平為P＜0.001）。為了對NAM群體與其測交群體的定位結果進行比較，利用中國玉米NAM群體的多環境表型數據[7,11-13]，還開展了 NAM 群體對應性狀的 Joint stepwise regression分析和QTL定位。最后，利用SAS軟件的“PROC GLM”模塊，通過“Population*Marker”的交互效應分析（Population代表NAM群體的11個家系組合，Marker代表各QTL的最顯著分子標記），進行了QTL的復等位遺傳效應分析，用于QTL位點優良等位變異的鑒定和挖掘。

2 結果

2.1 中國玉米NAM測交群體的表型分析

從測交群體的遺傳構成來看，測交群體中50%的遺傳成分來自測驗種（鄭58或昌7-2），其余50%的一半又來自NAM群體的共同親本黃早四，因此，NAM測交群體為遺傳成分一致性相對較高的群體。測交群體的表型也很好地反映了這一情況（表1）。與昌7-2測交群體相比，鄭58測交群體普遍表現出花期較早、植株較矮、穗行數較少、百粒重高等測驗種鄭58所具有的表型特點。與改良瑞德×黃改系雜優利用模式一致，NAM 群體（含有 50%的黃早四遺傳成分，作為黃改系材料）與改良瑞德代表自交系鄭 58測交群體（改良瑞德×黃改系，為強優勢測交群體）表現出了更高的小區產量，顯著高于昌7-2測交群體（黃改系×黃改系，為弱優勢測交群體）（P＜7.84×10-140）。遺傳力計算結果表明，2個 NAM測交群體在單穗產量和小區產量上都表現出了相對較低的遺傳力，而花期、株高和穗行數的遺傳力相對較高。其中，鄭 58測交群體的株高遺傳力達到了0.92，這與育種實踐中鄭58測配組合穩定的株高表現一致。鄭58測交群體的吐絲期遺傳力為0.80，高于昌7-2測交群體的0.76，這與昌7-2具有熱帶血緣而存在一定的光周期反應相符合。同時，對測交群體內各個RIL測交組合的變異系數（coefficient of variation，CV）進行計算發現，在2個測交群體中，遺傳力較高的吐絲期都表現出了最小的變異系數，而低遺傳力的小區產量在測交組合之間表現出了最大的變異系數（意味著豐富的小區產量表型變異）。該結果在一定程度上反映了雜種優勢利用模式下不同性狀遺傳結構的不同，而豐富的表型變異也為NAM測交群體產量性狀主效位點的挖掘提供了保證。

圖1 NAM測交群體的產量及重要農藝性狀間的相關性分析Fig. 1 Correlation analysis of yield and important agronomic traits for NAM test-cross populations

表1 中國玉米NAM測交群體的產量及重要農藝性狀統計分析Table 1 Statics of yield and important agronomic traits for Chinese maize NAM test-cross populations

對測交群體產量及重要農藝性狀間的相關性進行分析（圖1），發現2個測交群體的單穗產量都與小區產量表現出了最高的正相關關系。對鄭58測交群體來說，株高與小區產量的相關系數達0.70，遠高于昌7-2測交群體的0.41?？梢?，在鄭58測交群體中，高大測交組合更容易獲得較高小區產量。同時發現，鄭58測交群體的穗行數與小區產量表現出一定程度的正相關關系（r=0.22），但在昌 7-2測交群體中相關性很低。鄭58為少穗行自交系（11.84行），當NAM家系無法對鄭58的穗行數進行有效互補時，較低的穗行數將影響小區產量。與之相反，昌7-2本身具有較高的穗行數（14.70行），其測交組合整體表現出較高的穗行數，從而降低了小區產量對穗行數的依賴。其他性狀表現出了相似的現象，例如，鄭58測交群體百粒重與小區產量的相關系數為0.34，而昌7-2測交群體高達0.48。鄭58為大粒自交系（30.11 g），其百粒重遠高于昌7-2（21.28 g）。然而，在2個NAM測交群體中都沒有檢測到吐絲期與小區產量之間的顯著相關關系。表明在相對一致的遺傳背景下，花期早晚可能不是雜交組合獲得高產的必要條件。

為了研究NAM群體家系自身與其對應測交群體之間的表型關系，開展了各性狀在不同類型群體之間的相關性分析（圖 2）。結果發現，具有較高遺傳力的性狀在NAM群體及其2個測交群體之間可表現出較高的正相關。如，吐絲期、株高和穗行數在3個不同群體之間的相關系數都超過了 0.50。但百粒重在NAM 群體及其鄭 58測交群體之間的相關系數為0.39，低于昌 7-2測交群體的 0.51。同樣，NAM群體與其鄭58測交群體之間在單穗產量上的相關系數僅為 0.14，但與昌 7-2測交群體的相關系數達到了0.26。表明在雜種優勢利用模式下，來自不同雜種優勢群的測驗種對NAM群體測交組合的田間表現具有不同影響。

2.2 NAM及其測交群體的產量和重要農藝性狀QTL定位分析

利用Joint stepwise regression模型，分別進行了NAM及其測交群體的產量和重要農藝性狀QTL定位分析。在P＜0.001的顯著水平下，NAM及其昌7-2和鄭58測交群體，分別定位到112個、75個和72個QTL位點（表2）。這些位點可分別解釋對應群體各性狀的表型變異為39.27%—68.52%、52.47%—64.80%和58.37%—79.07%。整體來說，NAM群體QTL對各性狀的表型解釋率較低，平均為52.68%；鄭58測交群體QTL對各性狀的表型變異解釋率最高，平均達65.25%；昌7-2測交群體居中，平均為60.66%。從單個性狀考慮，高遺傳力性狀QTL的表型解釋率相對較高，如吐絲期、株高和穗行數，這些性狀在 3個群體中的表型變異解釋率均超過 55%，其中，鄭58測交群體穗行數的表型變異解釋率達到了79.07%。NAM群體的單穗產量、單株產量，及測交群體的單穗產量和小區產量QTL解釋的表型變異率較低。其中，NAM群體單穗產量的表型變異解釋率僅為 39.27%；NAM 群體單株產量同樣較低，為42.17%。NAM 群體單穗產量和單株產量 QTL較低的表型變異解釋率，可能與NAM群體本身較低的生活力和環境適應性不佳有關。

圖2 產量及重要農藝性狀在NAM及其測交群體間的相關性分析Fig. 2 Correlation analysis of NAM and its test-cross populations for yield and important agronomic traits

表2 中國NAM及其測交群體產量及重要農藝性狀QTL定位分析Table 2 QTL analysis of yield and important agronomic traits for NAM and its test-cross populations

從定位到的QTL數目來看，NAM群體定位到的株高相關QTL位點最多，為22個。在3個群體中都定位到了較多的穗行數QTL。與昌7-2測交群體（13個QTL）相比，鄭58測交群體定位到了更多的穗行數QTL（20個QTL），這可能與鄭58本身穗行數較少有關（來自鄭58的增加穗行數的等位變異較少），導致鄭 58測交群體表現出更加廣泛的穗行數表型變異，從而提高了穗行數QTL位點的檢測效率。除去穗行數，鄭58測交群體在各性狀上盡管檢測到了數目相對較少的QTL，但都表現出了相對較高的表型變異解釋率。以上結果表明，鄭58測交群體在基因組范圍可能擁有更多的顯性位點或部分顯性位點，從而掩蓋了NAM群體RILs對應位點等位變異的表達。

對NAM及其測交群體產量和重要農藝性狀QTL的染色體分布進行比較分析（圖3），發現昌 7-2和鄭58測交群體定位到的QTL中，全部性狀分別只有20個（占總數的27%）和18個（占總數的25%）與NAM群體定位到的QTL重疊或鄰近，具體分別為：吐絲期5個和4個，株高4個和3個，穗行數3個和4個，行粒數4個和3個，百粒重均為2個，單穗產量都為1個，小區產量與單株產量都為1個。結果表明，在自交系群體與測交群體之間互相進行分子預測的準確性將會較差。同時，也發現了一些可同時被NAM 群體和測交群體定位的一致性遺傳區段，這些區段不受雜種優勢群和遺傳背景影響，包括：2個吐絲期染色體片段（第3染色體的154.66—159.38 Mb、第8染色體的124.36—132.19 Mb）、2個株高相關染色體片段（第3染色體的158.89—165.45 Mb、第8染色體的115.92—133.28 Mb）、2個穗行數相關染色體片段（第4染色體的188.06—199.34 Mb、第5染色體的13.30—17.12 Mb）、1個行粒數相關染色體片段（第7染色體的142.99—150.89 Mb）、1個百粒重相關染色體片段（第7染色體的15.69—23.21 Mb）、1個單穗產量相關染色體片段（第6染色體的34.60—80.64 Mb）。另外，還定位到了一些可同時影響多個性狀的“一因多效”染色體區段，例如，所有群體的全部考察性狀都可在位于第3染色體154.66—162.19 Mb的區段內定位到QTL，2個測交群體都可在該區段定位到單穗產量和小區產量的主效QTL，但NAM群體在該區段沒有定位到相關的QTL，表明該遺傳區段內含有重要的玉米重要性狀相關基因，且可能與雜種優勢的形成具有緊密的聯系。另外，位于第 8染色體的115.92—133.28 Mb區段也是一個影響多個性狀的染色體片段，在該區段內，NAM 群體及其測交群體可同時檢測到吐絲期和株高的相關QTL，該區段還顯著影響百粒重、單穗產量和小區產量等重要性狀。

圖3 NAM及其測交群體的產量及重要農藝性狀相關QTL的染色體分布Fig. 3 Distributions of yield and important agronomic traits related QTL for NAM and its test-cross populations

2.3 產量QTL位點遺傳效應的復等位分析

圖4 NAM及其測交群體單穗產量相關QTL遺傳效應的復等位分析Fig. 4 Multiple-allelic effects of ear yield related QTL for NAM and its test-cross populations

復等位分析對基因位點優良單倍型的挖掘具有重要意義。對于 NAM 群體中的每一個家系組合（RIL群體），各位點的等位變異可分為黃早四和非黃早四，這樣就可對黃早四及其他NAM親本等位變異的遺傳效應進行評估。本研究中，針對單穗產量開展了NAM及其測交群體QTL在各個RIL群體中的復等位遺傳效應分析（圖 4）。結果發現，基于NAM群體自身定位到的單穗產量QTL位點，在11個RIL群體中，49.59%的增產等位變異來自共同親本黃早四（藍色為增效）。黃早四等位變異在各RIL群體中的效應值甚至效應方向都有所不同，表現出明顯的復等位變異特點。值得注意的是，位于第 10染色體的主效 QTL（m4720），來自黃早四的等位變異在全部11個家系組合中全部表現為增效（圖4-a），該位點在鄭58測交群體中盡管沒有被檢測到，但來自黃早四的等位變異同樣在鄭 58測交后的全部家系組合中表現為增效（圖 4-g）。進一步分析發現，在黃早四與 K12、掖478、鄭58的RIL群體中，黃早四的等位變異大都表現為減效，但在威風322、多229、Mo17家系組合中，黃早四的等位變異大都表現為增效（圖4-a）。對于昌7-2測交群體定位到的單穗產量QTL，在11個家系組合中，只有 31.40%的增產等位變異來自黃早四（圖4-e）。分析其原因，可能是由于昌7-2相對于其親本黃早四富集了更多的優良等位變異，其測交后代遮蓋了黃早四等位變異表現為增效的基因位點，從而使一些來自黃早四的不利等位變異位點得到了更多檢測。對于鄭58測交群體定位到的單穗產量QTL位點，在11個家系組合中，高達 68.69%的增產等位變異來自共同親本黃早四（圖4-i）?？梢钥闯觯c鄭58測交后，來自黃早四的等位變異在多數位點上表現為增效。但在鄭58測交群體定位到的9個單穗產量QTL中，其中2個QTL（m1548和m4334）在絕大多數組合中，來自黃早四的等位變異表現為減效，表明黃早四中仍存在著不利等位變異，且在雜種優勢利用方面仍存在繼續改良的空間。例如，作為黃早四的改良系K12在3個單穗產量QTL上的表現優于黃早四（m325、m1548和m4334）；Mo17在2個單穗產量QTL上（m595和m4334）的等位變異優于黃早四（圖4-i）。

利用NAM群體的鄭58測交組合，分別定位到9個單穗產量和10個小區產量QTL，分布在13個染色體區段（表3）。遺傳效應分析發現，在鄭58測交群體中，單穗產量和小區產量分別有7個和8個QTL的增效等位變異來自黃早四，表明在強優勢測交組合中（鄭58測交群體），來自黃早四的等位變異對高產具有重要遺傳貢獻。而這些黃早四表現為增效等位變異的QTL，對解釋黃早四雜種優勢形成的遺傳基礎將具有重要的生物學意義。

表3 鄭58測交群體單穗產量和小區產量QTL定位結果Table 3 QTL related to ear yield and plot yield for test-cross population of Zheng 58

2.4 產量及重要農藝性狀QTL遺傳區域重組率分析

在雜種優勢利用模式下，雜種優勢相關位點將傾向于分布在低重組率的遺傳區域，原因是這些區域重組率低，有害突變位點難以被重組出去[20]。為此，對NAM及其測交群體QTL區域的染色體重組率進行了分析（圖5）。結果發現，鄭58測交群體（強優勢雜交組合）定位 QTL分布區域的重組率（平均為 0.75 cM/Mb）顯著低于NAM群體（平均為1.36 cM/Mb，P＜2.59×10-2）和昌7-2測交群體（弱優勢雜交組合）（平均為1.91 cM/Mb，P＜2.02×10-2）定位QTL分布區域的重組率，但NAM群體定位QTL分布區域重組率與昌7-2測交群體無顯著差異（P＜0.14）。

圖5 NAM及其測交群體產量和重要農藝性狀QTL區域的重組率比較分析Fig. 5 Analysis of recombination rates within QTL regions for NAM and its test-cross populations

3 討論

3.1 NAM群體在玉米骨干親本形成遺傳基礎研究中的利用價值

巢式關聯分析群體（NAM）是通過選用具有豐富遺傳多樣性的多個親本構建的遺傳定位群體，相對雙親定位群體而言，最大優點是可大幅提高群體的遺傳異質性，從而提高群體構建過程中可檢測交換事件的檢出頻率，進而提高遺傳連鎖圖譜精度和QTL檢出效率[21]。同時，利用 NAM群體還可實現主效位點遺傳效應的復等位分析，這對優良單倍型的挖掘極為有利[15]。另外，NAM 群體的構建有一個共同親本，利用NAM群體進行遺傳定位，可實現共同親本遺傳基礎的深度解析。美國康奈爾大學以玉米參考基因組測序自交系B73為共同親本與其他25個多樣性自交系為供體親本，構建了一個包含5 000個RILs的NAM群體[21]，利用該NAM群體先后開展了玉米花期[15]、花序[19]、葉片結構[22]、小斑病[23]、大斑病[24]和株型[25]等多個復雜性狀的遺傳結構研究，獲得了大量的主效位點和候選基因，推動了玉米復雜數量性狀的遺傳基礎研究。在中國，為深入研究玉米骨干親本黃早四形成的遺傳基礎，從2005年開始，筆者所在課題組著手構建了一個以黃早四為共同親本，11個來自不同雜種優勢群的代表性自交系為其他親本，包含近2 000個RILs的中國玉米NAM群體。利用該NAM群體，筆者先后開展了玉米產量[7]、雄穗[11]、株型[12]等產量及重要農藝性狀的遺傳解析。近期，在引進美國玉米NAM群體的基礎上，整合中美2個玉米NAM群體（總計7 000個RILs），開展了玉米花期性狀[13]和雄穗[26]的遺傳結構分析。

玉米是雜種優勢利用最成功的作物，針對其雜種優勢形成開展遺傳基礎研究，對玉米高產育種意義重大。本研究構建了中國玉米NAM群體與經典雜種優勢利用模式改良瑞德×黃改系代表自交系鄭 58與昌7-2的雙重測交群體，進行了該NAM群體測交組合的多環境表型鑒定，開展了基于雜種優勢利用的玉米產量和重要農藝性狀遺傳定位。結果發現，利用測交群體定位到的QTL與NAM群體自身的定位結果一致性僅為四分之一，這意味著基于自交系定位到的主效位點將難以有效應用于玉米雜交育種[27]，該結果與M?RO等[28]的研究報道一致。在此條件下，基于NAM測交群體，尤其是強優勢測驗種的測交群體（如鄭58）的研究，對解析骨干親本黃早四雜種優勢形成的遺傳基礎將更具利用價值。本研究表明，在鄭58測交群體中定位到的產量QTL中，大多數位點的增產等位變異來自黃早四（圖4-i和表3）。在強優勢測驗種鄭58遺傳背景下，來自黃早四的等位變異對測交組合的高產形成具有重要遺傳貢獻，更重要的是這些遺傳區段可能與雜種優勢密切相關。另外，利用NAM的群體結構優勢，開展主效位點遺傳效應的復等位分析，可獲得各位點在不同遺傳背景下的遺傳效應和方向，這將為骨干親本優良等位變異的保留和不利等位變異的定向改良提供重要的信息指導。綜上可以看出，NAM群體試驗設計在解析骨干親本形成遺傳基礎方面具有重要利用價值。

3.2 玉米骨干親本黃早四雜種優勢形成的遺傳基礎分析

雜種優勢形成的機理在遺傳學研究領域一直存在較多的爭論。針對雜種優勢的遺傳基礎問題，人們開展了大量研究，并提出了不同的遺傳模型，這些模型都有一定支撐或依據?，F分子生物學技術手段的興起，尤其是基因組學研究技術的大量應用，為解析雜種優勢形成遺傳機理提供了很多新的手段與證據。在水稻中，利用大規模遺傳群體的高密度基因型數據，開展了水稻產量性狀雜種優勢遺傳結構研究，認為來自不同親本的具有顯性效應的優良等位變異累加可能是水稻產量雜種優勢形成的遺傳基礎[29]。進一步研究發現，在多個父本遺傳背景下，一些來自母本的遺傳位點能夠解釋很大比例的產量性狀表型變異，并推測雜合位點的部分顯性遺傳效應在水稻產量雜種優勢中具有重要作用[30]。在玉米中，利用 12個玉米自交系的深度基因組測序數據，發現有害突變在基因組范圍內廣泛存，且這些有害突變主要分布在低重組率染色體區段；同時發現，基因組范圍內優良等位變異對有害等位變異的不完全顯性對雜交組合的表型變異和雜種優勢具有重要作用[20]。這些研究為了解雜種優勢利用及雜種優勢群形成提供了重要信息。

鄭 58是中國玉米改良瑞德雜種優勢群的代表性優良自交系，該系植株清秀、長勢健壯、適應性廣、自身產量高。更為可貴的是，鄭58一般配合力高，且其測交組合普遍能傳承該系的優良特點。因此，可以認為鄭 58在絕大多數基因位點上擁有優良的等位變異，這些優良等位變異以顯性或部分顯性的方式存在，在其測交組合中可對其他親本的等位變異進行互補，從而使測交后代更多表現出鄭58表型。但玉米基因組中存在大量的有害突變，在鄭58基因組中不可避免地存在一些有害突變位點，且由于有害突變位點一般位于染色體低重組區，導致很難通過重組將不利等位變異淘汰出去。在此條件下，如果存在較鄭58更加優良的單倍型，在顯性或部分顯性的基因作用方式下，測交組合中來自其他親本的優良單倍型將對鄭 58基因組中的有害突變進行有效互補，從而使測配組合表現出更高的生長活力（高產的第一關聯要素）和產量。而那些能夠在較多基因位點上互補鄭 58基因組有害突變的材料，將會與鄭58產生較強的雜種優勢。如果能夠較多互補具有相似基因組結構特點的一批自交系中（如以鄭58為代表的改良瑞德）存在的有害突變，那么這些自交系及其類似的種質材料（如以黃早四為代表的黃改系）將會形成一個雜種優勢類群，并與前面的類群形成有效的雜種優勢利用模式（如改良瑞德×黃改系）。

根據上面的假定，黃早四作為玉米黃改系優勢群的骨干親本，理論上應該將能夠與改良瑞德優勢群的代表性自交系鄭58在產量QTL位點上形成有效的互補，并且能夠提供更多的優良等位變異。本研究結果表明，鄭58測交群體單穗產量QTL位點在11個RIL群體中的優良等位變異確實主要來自黃早四（圖4-i），其中2個QTL（m81和m194）在全部11個RIL群體中的優良等位變異全部來自黃早四，表明黃早四在這些基因位點上能夠很好的互補鄭 58基因組中的不利單倍型。同時，鄭58測交群體QTL也確實主要分布于較低重組率的染色體區域（圖 5），符合有雜種優勢相關位點的染色體分布特點。以上結果表明，利用鄭58測交群體定位到的產量相關QTL對強優勢組合鄭58×黃早四雜種優勢的形成具有重要的遺傳貢獻?；诋a量性狀（單穗產量和小區產量），利用鄭 58測交群體在基因組中確定了13個重要的染色體區段，這些染色體區段對解析黃早四雜種優勢形成的遺傳基礎，及指導骨干親本遺傳改良具有重要意義，而其真正的基因組遺傳變異，將在完成中國玉米NAM群體親本深度重測序工作之后進行深入的探討。

4 結論

在雜種優勢利用模式下，強優勢雜交組合的產量表現受家系自身產量的影響較小。與NAM群體相比，測交群體中檢測到的QTL較少，但能解釋更多的表型變異。測交群體定位到的QTL中，只有四分之一左右的位點與NAM群體定位結果重疊或相鄰。鄭58測交群體單穗產量QTL位點在11個RIL群體中，多數增產等位變異來自黃早四。在鄭58測交群體中，共鑒定到13個重要的產量相關染色體區段，來自黃早四的等位變異在其中的11個表現為增產，表明這些染色體區段對玉米骨干親本黃早四雜種優勢的形成具有重要作用。