利用SNP 標記劃分玉米地方種質雜種優勢類群

張培風 任帥 孫佩 王蕊 張瑞平 王文潔 馬朝陽 李合順 王學軍 周聯東

（河南省新鄉市農業科學院，新鄉 453000）

雜種優勢是選育玉米新品種的重要理論基礎[1]。了解掌握玉米地方種質群體遺傳結構、遺傳多樣性和類群間遺傳關系，劃分雜優類群，能夠使育種者思路更加清晰，降低雜交組合組配的盲目性，育種目標更易實現[2]。分子標記是主要以個體之間遺傳物質內核苷酸序列變異為基礎的遺傳標記，SNP作為繼RFLP 和SSR 之后最有前途的第三代分子標記，具有分布密度高、遺傳穩定性好、易于實現自動化分析等優勢，因此目前被廣泛應用于遺傳圖譜構建、全基因組關聯分析和分子標記輔助育種研究中，研究者也開始利用SNP 等分子標記開展玉米種質資源的遺傳多樣性和類群劃分的研究。吳金鳳等[3]利用1041 個SNP 位點對51 份玉米地方種質進行遺傳多樣性分析，最終將其劃分為7 個雜種優勢群。高嵩等[1]利用6973 個高質量SNP 標記對205 份材料進行群體遺傳結構、遺傳多樣性和類群間遺傳關系分析，最終劃分為7 個雜種優勢群，與系譜來源具有較好的一致性。史亞興等[4]利用SNPs 對39 份不同基因型的糯玉米地方種質進行基因型分析，劃分為五大類群，明確了親緣關系，為糯玉米種質資源利用及品種選育提供參考依據。曾艷華等[5]利用56K SNP 芯片對廣西45 個爆裂玉米農家品種進行基因組掃描，分為三大類群，其中，來源相同的農家品種大多聚在一起，表明廣西農家品種遺傳相似性較高。肖穎妮等[6]利用5067 個高質量的SNP 對全國范圍內385 個鮮食玉米進行群體結構劃分和遺傳距離的估算，最終劃分為三大類群，結果與聚類分析結果大部分一致，較全面地解析了我國當前鮮食玉米的遺傳多樣性，可為鮮食玉米育種提供理論指導。Van Inghelandt等[7]研究表明，利用SNP 標記的方法計算的自交系遺傳距離和基因多樣性更加精確。

玉米地方種質對地方環境適應性強、遺傳基礎豐富，已成為不可或缺的育種材料，而且受基因型和環境互作影響，育種家選擇理想的基因型和雜交組合較難實現[8]。同時，隨著大量優質玉米品種被不斷開發及應用，有必要對現有的地方材料進行系統分析，為未來育種提供理論依據[9]。本研究選用100 份河南省玉米地方種質，基于SNP 芯片技術對其遺傳多樣性進行分析和雜優類群劃分，為玉米地方種質資源雜優模式開發與利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料供試材料中100 份材料為河南省內廣泛搜集、整理的玉米地方種質，編號及名稱詳見表1。20 份參照品系分別為：SHEN5003、YE52106、81162、HUOBAI、HUANGZAOSI、YE478、Z58、C7-2、Woyu4B、B73、DK517A、XY335B、LH185、517B、PHTD5、SHEN137、Q319、P138、DMY2B、228B。

表1 100 份河南省玉米地方種質編號及名稱

1.2 DNA 提取苗期對每個品種5 株植株的幼嫩葉片進行混合取樣，采用磁珠法提取306 個樣本，打孔至96 孔板，分別裝置5mm 鋼珠，蓋上硅膠蓋，常溫保存備用。提取的DNA 分別通過瓊脂糖電泳和紫外分光光度計檢測DNA 的純度、濃度等質量狀況。瓊脂糖電泳檢測DNA 條帶單一、明亮、完整無降解、無拖尾現象，將DNA 樣品風干，加100μL 1×TE 緩沖液，37℃保溫箱溫育2h，于-20℃保存備用。

1.3 SNP 芯片分型及統計分析基于金苑（北京）農業技術有限公司Affymetrix 測試平臺，采用高密度玉米微陣列芯片技術對SNP 標記進行檢測。對100 個玉米地方種質進行全基因組掃描，對樣本的原始SNP 分型，再對SNP 標記進行過濾，首先要刪除在群體中沒有多態性的標記，其次刪除最小等位基因頻率較小的、缺失率較大的標記，獲得質量較高的SNP 標記，用來進行下一步的分析。

1.4 數據分析利用Tassel 軟件對2 個品種之間的遺傳距離進行分析，對類群進行主成分分析，明確各類群材料的分群特征，根據品種之間的遺傳距離，利用MEGA7.0 軟件以鄰結法（NJ，Neighbor-joining）計算品種間的Nei's 遺傳距離，構建聚類圖。采用組間平均聯接法對玉米地方種質資源的綜合性狀進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 SNP 位點總體評價利用1021 個SNP 標記對120 份種質資源的基因型進行檢測，通過PowerMarker V3.25 分析其基因分型數據，雜合率在0～29.3%之間，平均值為2.5%；缺失率在0～19.4%之間，平均值為1.7%；多態性信息含量（PIC）的變化范圍為0～0.395，平均值為0.295。PIC 值是衡量DNA 座位變異程度高低的重要指標，當PIC 值＞0.50 時，表明其為高度多態性；當0.25＜PIC 值＜0.50 時，表明其為中度多態性；當PIC 值＜0.25 時，表明其為低度多態性。本研究中，1021 個SNP 位點在120 份玉米地方種質中的平均PIC 值為0.295，說明玉米地方種質為中度多態性，遺傳多樣性較好。

2.2 聚類分析通過PowerMarkerV3.25 軟件應用Nei's 算法計算120 份玉米種質兩兩之間的遺傳距離，自交系遺傳距離變化范圍為在0.010～0.703，平均值為0.234，其中，遺傳距離最小的2 個自交系是短腿玉米和黃馬牙，遺傳距離最大的2 個自交系是鵝林白和PHTD5。

對120 份玉米地方種質進行遺傳距離聚類，構建NJ 聚類圖，進行聚類分析（圖1）。類群劃分結果表明，以20 個我國常用玉米骨干自交系作為雜種優勢群劃分的參照，所有材料可被分為7 個雜種優勢類群。第1 類群為國內瑞德群，包括SHEN5003、YE478、Z58、81162；第2 類群為黃源群，包括DF-81～YE52106 共105 份，其中大部分自交系為地方種質資源；第3 類群為BSSS 群，包括DK517A、B73；第4 類群為NSSS 群，包括XY335B、LH185；第5類群為Iodent 群，包括PHTD5、517B；第6 類群為78599 群，包括P138、SHEN137、Q319；第7 類群為歐硬群，包括DMY2B、228B。地方種質資源聚類結果與其地理來源無確定性關系，不同來源地的品種互相穿插聚在一起，單親緣關系較近的資源基本上聚到同一亞群中，如遺傳背景相似Woyu4B 和C7-2，B73 和DK517A，XY335B、LH185、517B 和PHTD5，SHEN137、Q319 和P138 分別聚在一起。

圖1 基于SNP 標記的供試自交系的聚類圖

2.3 群體間遺傳距離根據類群劃分結果，計算出7 個雜種優勢群的群體間遺傳距離（表2）。7 個雜種優勢群之間的遺傳距離變化范圍在0.453～0.653 之間，其中，Iodent 群和NSSS 群之間的遺傳距離最近，歐硬群和78599 群之間的遺傳距離最遠。

表2 雜種優勢群群體的遺傳距離

在遺傳距離為0.25 時，根據同一類群的玉米品種間距離接近且綜合性狀值差異較小的原則，將100 份玉米地方種質劃分為三大類群[10]（圖2）。第Ⅰ類群包括51 份種質，對應的編號分別為DF-118、DF-227、DF-60、DF-164、DF-4、DF-59、DF-11、DF-129、DF-428、DF-176、DF-45、DF-419、DF-88、DF-171、DF-84、DF-170、DF-98、DF-142、DF-44、DF-179、DF-130、DF-302、DF-108、DF-267、DF-280、DF-422、DF-5、DF-6、DF-150、DF-125、DF-354、DF-3、DF-431、DF-126、DF-66、DF-131、DF-392、DF-224、DF-362、DF-226、DF-236、DF-375、DF-387、DF-215、DF-216、DF-232、DF-52、DF-29、DF-30、DF-406、DF-368，這類種質主要特征為早熟，株高、穗位高較高，穗粗較粗，千粒重較重；第Ⅱ類群包括46 份種質，分別為DF-23、DF-107、DF-26、DF-426、DF-366、DF-51、DF-282、DF-83、DF-101、DF-36、DF-228、DF-292、DF-425、DF-251、DF-254、DF-195、DF-69、DF-220、DF-221、DF-2、DF-200、DF-225、DF-62、DF-70、DF-190、DF-286、DF-34、DF-141、DF-186、DF-93、DF-273、DF-395、DF-122、DF-152、DF-33、DF-158、DF-65、DF-104、DF-382、DF-380、DF-8、DF-376、DF-258、DF-261、DF-81、DF-35，這類種質主要特征為晚熟，株高、穗位高較低，穗粗較細，千粒重較輕；第Ⅲ類群包括3 份種質，分別為DF-77、DF-137、DF-46。

圖2 基于遺傳距離構建的聚類圖

3 結論與討論

分子標記的發展使得在分子水平上研究玉米遺傳多樣性得以實現。目前國內外諸多學者利用SSR標記研究不同來源的甜玉米種質的遺傳多樣性，并劃分了類群。近年來，SNP 標記逐漸取代了傳統標記，并且在普通玉米種質遺傳組成分析上被廣泛應用[11]。玉米雜種優勢群及其模式也已成為指導玉米育種實踐的重要依據，利用SNP 標記分析玉米地方種質之間的遺傳距離及遺傳構成，是聚類分析和雜種優勢劃分類群的基礎[12]。SNP 標記也因具有遺傳穩定性好、位點豐富且分布廣泛、代表性強、易于實現自動化分析檢測等優點，在高密度遺傳圖譜構建、基因精確定位、群體遺傳結構分析及系統發育等方面廣泛應用[13-17]。Lu等[18]利用SNP 標記對770 份國內外玉米地方種質進行遺傳多樣性分析，結果表明，1034 個SNP 位點的多態性信息含量在0.003～0.375 之間，平均值為0.259。師亞琴等[19]利用4550 個SNP 位點對80 份玉米地方種質進行遺傳分析，將79 份玉米地方種質劃分為兩大類、7 個亞群，結果與系譜來源有較好的一致性。本研究利用1021 個SNP 標記對120 份地方種質資源的基因型進行分析，結果表明，1021 個SNP 標記在供試材料中的多態性信息含量的平均值為0.295，雜合率平均值為2.5%，缺失率平均值為1.7%。將供試的20 份參照物和100 份地方種質劃分為7 個雜種優勢群，劃群結果和系譜來源具有較好的一致性，利用SNP 標記對種質資源進行雜種優勢群劃分可獲得比較理想的結果，特別是對于系譜不清晰的新系，可很好地通過類群劃分對雜交種進行組配，這樣能夠盡可能地避免大量且盲目的測配工作，從而提高育種組配效率。

本研究中類群劃分結果表明，以20 個我國常用玉米骨干自交系作為雜種優勢群劃分的參照，120份材料可被分為7 個雜種優勢類群，劃分結果與系譜來源有較好一致性，如100 份地方種質全部被聚為黃源類群，表明來自河南地方種質資源遺傳背景相同，親緣關系較近，純合度較高。其中，大柿黃和黃皮糙的矩陣輸出圖遺傳距離為0.023；黃皮糙和高桿青的矩陣輸出圖遺傳距離為0.051；白琉璃頭和小白糙的矩陣輸出圖遺傳距離為0.147，遺傳距離較近，可以看出地方種質資源間遺傳相似度較高，有相似血緣關系。說明利用SNP 標記對玉米地方種質資源進行雜種優勢群劃分能夠獲得比較理想的結果。由群體間遺傳距離結果顯示，Iodent 群和NSSS群之間的遺傳距離最近，這與其系譜關系也是相吻合的；歐硬群和78599 群之間的遺傳距離最遠，這也與78599 該雜交種血緣與國內的七大類群關系較遠相吻合。其中遺傳距離最小的2 個地方種質資源是短腿玉米和黃馬牙，純合度較高，遺傳關系最近，遺傳距離為0.010。本研究結果可作為雜優模式的選擇依據。