基于SNP標(biāo)記的玉米自交系S155、PHA458和A01的遺傳多樣性分析

摘要： 為了分析玉米品種新科891的遺傳結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性，本研究利用Affymetrix Axiom 10K SNP芯片對(duì)玉米品種新科891的雙親自交系（母本S155、父本PHA458）及自交系A(chǔ)01進(jìn)行全基因組掃描，獲得多態(tài)性標(biāo)記4 926個(gè)。結(jié)果表明，群體聚類分析和群體遺傳結(jié)構(gòu)分析的雜種優(yōu)勢(shì)類群劃分結(jié)果基本一致。母本S155為SS類種質(zhì)，父本PHA458含有NSS和塘四平頭類血緣，自交系A(chǔ)01為塘四平頭類血緣，新科891的雜種優(yōu)勢(shì)模式為SS×NSS，這為新科891雙親的后續(xù)改良與創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)，并為雜交組配的育種工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玉米；新科891；SNP標(biāo)記；類群劃分；雜種優(yōu)勢(shì)模式

中圖分類號(hào)：S513文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0488-5368（2023）09-0001-07

收稿日期：2022-11-23修回日期：2023-01-25

基金項(xiàng)目：河南省重大科技專項(xiàng)“機(jī)收玉米新品種選育及配套生產(chǎn)技術(shù)研究”（212300111100）；河南省農(nóng)業(yè)良種聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目“高產(chǎn)抗病抗逆宜機(jī)收玉米種質(zhì)創(chuàng)新及新品種選育”（2022010201）。

第一作者簡(jiǎn)介：孫佩（1981-），女，河南新鄉(xiāng)人，副研究員，博士，主要從事玉米遺傳育種研究。

通信作者：周聯(lián)東。Genetic Diversity of Maize Inbred Lines S155， PHA458

and A01 Based on SNP Markers

SUN Pei， ZHANG Peifeng， ZHANG Yuhong， ZHOU Liandong， WANG Rui， WANG Wenjie，

ZHANG Ruiping， LI Xiang， MA Chaoyang， LI Heshun， WANG Xuejun

（Xinxiang Academy of Agricultural Sciences，Xinxiang， Henan" 453002，" China）

Abstract：" In order to analyze the genetic structure and diversity of Xinke 891 maize， in this study， affymetrix Axiom 10K SNP chip was used to scan the whole genome of its two-parent inbred lines （female S155， male PHA458） and inbred line A01， and 4 926 polymorphic markers were obtained. The results showed that cluster analysis and genetic structure analysis for classification were basically consistent. The blood relationship between S155 and PHA458 was complicated， S155 belonged to SS germplasm， PHA458 contained NSS and TSPT， and A01 belonged to TSPT. The heterosis mode of Xinke 891 was SS×NSS. This study lays the foundation for the follow-up improvement and innovation of Xinke 891 parents， and provides a basis for breeding of crossbreeding.

Key words： Maize; Xinke 891; SNP markers; Genetic group classification; Heterosis model

優(yōu)良玉米品種的選育依賴于優(yōu)異豐富的玉米種質(zhì)資源。然而，當(dāng)前我國(guó)玉米種質(zhì)資源正面臨著日益狹窄的問題[1， 2]。通過引進(jìn)國(guó)內(nèi)地方種質(zhì)和國(guó)外種質(zhì)材料，對(duì)我國(guó)玉米自交系進(jìn)行不斷的改良和創(chuàng)新，可以形成很多骨干自交系，并在育種實(shí)踐中得以廣泛應(yīng)用[3]。與此同時(shí)，對(duì)玉米種質(zhì)資源的遺傳多樣性進(jìn)行分析，來揭示種質(zhì)資源的遺傳特性，可以為玉米新品種的選育提供信息，并為品種的改良和選育提供參考依據(jù)[4， 5]。

合理的雜種優(yōu)勢(shì)類群劃分可以降低雜交組合組配的盲目性，可以提高玉米育種效率，加速玉米育種進(jìn)程，對(duì)玉米育種工作具有重要指導(dǎo)意義[6， 7]。隨著分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，利用分子標(biāo)記對(duì)玉米雜種優(yōu)勢(shì)類群劃分已成為新的手段[8]。作為目前最具有發(fā)展?jié)摿Φ姆肿訕?biāo)記，SNP（單核苷酸多態(tài)性）標(biāo)記因具有遺傳穩(wěn)定性更高、可靠性更強(qiáng)等特點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)高通量、大規(guī)模的基因型檢測(cè)[9， 10]，目前，利用SNP標(biāo)記對(duì)玉米雜種優(yōu)勢(shì)類群劃分也得以廣泛應(yīng)用[11-13]。

本研究采用SNP分子標(biāo)記對(duì)玉米品種新科891雙親的遺傳結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性進(jìn)行分析，以期對(duì)其雙親自交系的雜種優(yōu)勢(shì)類群進(jìn)行劃分，進(jìn)而了解其雜種優(yōu)勢(shì)模式，為玉米種質(zhì)創(chuàng)新和遺傳改良提供理論依據(jù)。1材料與方法1.1試驗(yàn)材料

供試材料為玉米自交系S155、PHA458、A01（S155和PHA458分別為玉米品種新科891的母本和父本，PHA458是由PHB1M/A01雜交選育而成），新科891審定編號(hào)為國(guó)審玉20186115。以45份國(guó)內(nèi)常用玉米骨干自交系作為劃分雜種優(yōu)勢(shì)類群的參照（CK），見表1。

1.2SNP分子標(biāo)記分析

每份材料選擇10株葉片等面積混合取樣，采用改良的CTAB法提取DNA并進(jìn)行純化[14]。SNP分子標(biāo)記檢測(cè)基于北京中玉金標(biāo)記生物技術(shù)股份有限公司Affymetrix Axiom平臺(tái)，采用10K玉米育種專用芯片—中玉芯1號(hào)，對(duì)玉米自交系S155、PHA458、A01及45份國(guó)內(nèi)常用玉米骨干自交系進(jìn)行SNP分子標(biāo)記分析，該芯片有9 573個(gè)SNP標(biāo)記，標(biāo)記均勻分布10條染色體上，標(biāo)記間的物理距離平均都在200 kb左右。1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Axiom Analysis Suite V5.2進(jìn)行SNP分型分析，PowerMarker 3.25進(jìn)行最小等位基因頻率、樣品雜合率、缺失率和基因多樣性分析，Treebest 1.9.2構(gòu)建進(jìn)化樹，GCTA 1.26.0進(jìn)行主成分分析（PCA， Principal Component Analysis），Admixture 1.3.0進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析。使用https：//www.bioinformatics.com.cn在線網(wǎng)址繪制SNP密度圖。2結(jié)果與分析2.1SNP質(zhì)控

利用Maize 10K芯片對(duì)供試自交系進(jìn)行SNP基因型分析，位點(diǎn)質(zhì)控剩余8 932個(gè)標(biāo)記，占93.3%（dish QCgt;0.82、call rategt;97）。然后進(jìn)行過濾，缺失率（miss）lt;0.1，最小等位基因頻率（maf）gt;0.05，最終獲得4 926個(gè)可用標(biāo)記（圖1），占51.5%。48份玉米自交系的雜合率統(tǒng)計(jì)見表2，雜合率的計(jì)算方式是雜合標(biāo)記數(shù)除以總標(biāo)記數(shù)。由于48份玉米自交系是高代自交系，純合程度高，雜合率為0.003～0.009。

2.2群體聚類分析

利用Treebest的nj-tree模型構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹，以45份國(guó)內(nèi)常用的玉米骨干自交系作為劃分雜種優(yōu)勢(shì)類群的參照，如圖2所示。48份自交系材料明顯分為六大類群，Ⅰ類群為歐美種質(zhì)群，包括PHA458、先玉335父本、S155、德美亞1號(hào)母本、德美亞2號(hào)母本、KWS9384母本、德美亞3號(hào)母本；Ⅱ類群為塘四平頭類血緣，包括德美亞1號(hào)父本、德美亞2號(hào)父本、掖81515、A01、吉單27母本、LX9801、K12、昌7-2、吉444、黃野四、黃早四；Ⅲ類群為蘭卡斯特類血緣，包括KWS9384父本、德美亞3號(hào)父本、獲唐黃、合344、吉002、Mo17、Mo17ht；Ⅳ類群為自330和旅大紅骨血緣，包括吉846、綜3、綜31、鄭58、吉853、C052、丹340、OH43、莫群17、自330；Ⅴ類群為改良瑞德類血緣，包括先玉335母本、掖478、丹9046、C8605-2、鐵7922、U8112、B73、鄭32；Ⅵ類群為PB群種質(zhì)，包括豫自87-1、沈3336、X178、齊319、沈137。

2.3主成分分析

根據(jù)篩選的SNP結(jié)果，對(duì)48份玉米自交系材料進(jìn)行主成分分析（Principal component analysis， PCA）。PC1和PC2的二維主成分聚類圖見圖2，主成分PC1和PC2貢獻(xiàn)率分別為25.09％和18.37％，累積貢獻(xiàn)率43.46％（圖3）。根據(jù)48份自交系的集中程度，可清晰地鑒定出六大類群，這與群體聚類分析結(jié)果基本一致。

S155與先玉335母本、掖478、德美亞1號(hào)母本、德美亞2號(hào)母本、KWS9384母本、德美亞3號(hào)母本、X178、豫自87-1、齊319、沈137距離較近；PHA458與德美亞1號(hào)父本、德美亞2號(hào)父本、掖81515、X178、豫自87-1、齊319、沈137、A01距離較近；A01掖81515、吉單27母本距離較近。由于PHA458是由PHB1M/A01雜交選育而成，PHA458與A01距離較近。

2.4群體遺傳結(jié)構(gòu)分析

利用Admixture軟件分析48份玉米自交系材料的群體遺傳結(jié)構(gòu)，當(dāng)K=6時(shí)最適合，可分為六大類群（圖4），不同顏色表示不同的類群。第Ⅰ類群為自330和旅大紅骨血緣，包括鄭58、綜3、綜31、OH43、吉853、C052、丹340、自330、莫群17；第Ⅱ類群為改良瑞德類血緣，包括先玉335母本、C8605-2、掖478、丹9046、鄭32、U8112、B73、鐵7922；第Ⅲ類群為PB群，包括吉846、沈3336、沈137、豫自87-1、齊319、X178；第Ⅳ類群為蘭卡斯特類血緣，包括德美亞2號(hào)父本、KWS9384父本、德美亞3號(hào)父本、獲唐黃、Mo17ht、吉002、合344、Mo17；第Ⅴ類群為塘四平頭類血緣，包括德美亞1號(hào)父本、掖81515、A01、吉單27母本、黃野四、LX9801、黃早四、K12、吉444、昌7-2；第Ⅵ類群為歐美種質(zhì)群，包括S155、PHA458、先玉335父本、德美亞1號(hào)母本、KWS9384母本、德美亞3號(hào)母本、德美亞2號(hào)母本。類群劃分結(jié)果與Treebest軟件構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹結(jié)果基本一致。

由不同顏色所占的比例（Q值）可以分析出S155、PHA458和A01在相應(yīng)類群內(nèi)所占的遺傳背景（表3）。根據(jù)劉麗華等[15]的研究結(jié)果，Q值gt;0.6視為血緣相對(duì)單一，Q值lt;0.6視為具有混合來源。S155和PHA458的歐美種質(zhì)血緣Q值較低，分別為0.318和0.354，遺傳背景比較復(fù)雜，A01的塘四平頭血緣Q值為0.574，雖然Q值接近0.6，但遺傳背景也為混合來源。

3結(jié)論與討論

本研究以45份國(guó)內(nèi)常用的玉米骨干自交系作為劃分雜種優(yōu)勢(shì)類群的參照，利用SNP芯片技術(shù)，對(duì)玉米品種新科891的雙親及自交系A(chǔ)01進(jìn)行群體聚類分析和群體遺傳結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明，48份自交系材料明顯分為六大類群，群體聚類分析和群體遺傳結(jié)構(gòu)分析結(jié)果基本一致。新科891的父本S155和母本PHA458被劃分到歐美種質(zhì)群，該群還包括先玉335父本、德美亞1號(hào)母本、KWS9384母本、德美亞3號(hào)母本、德美亞2號(hào)母本。德國(guó)KWS公司的德美亞系列早熟品種具有早熟、耐密、抗倒、籽粒收獲時(shí)含水量低等特點(diǎn)，如德美亞1號(hào)、德美亞3號(hào)[16]。新科891的雙親與德國(guó)KWS公司系列品種的母本劃分到同一類群，可能是因?yàn)樾驴?91是早熟易機(jī)收品種，屬于易機(jī)收種質(zhì)。

群體改良是種質(zhì)創(chuàng)新的重要方式，也是主要方式，有利于群體遺傳多樣性的保持[17， 18]，但是由于群體中含有不同類型種質(zhì)資源，遺傳背景就變得更加復(fù)雜。PN78599種質(zhì)自交系與Reid類群組成基礎(chǔ)選系材料，選育的二環(huán)系能提高Reid類群自交系的抗性和子粒品質(zhì)[19]。新科891的母本S155是由PN78599、B73、PH6WC等自交系組建的SS基礎(chǔ)群體選育而成，具有復(fù)雜的遺傳背景，這與本文群體遺傳結(jié)構(gòu)分析結(jié)果相符合。

自交系A(chǔ)01被劃分為塘四平頭類血緣，該群還包括掖81515、吉單27母本、LX9801、K12、昌7-2、吉444、黃野四、黃早四等。玉米自交系新01A3是以優(yōu)良玉米雜交種為基礎(chǔ)材料選育而成，具有中早熟、高抗、配合力高、品質(zhì)優(yōu)等突出優(yōu)點(diǎn)[20]。A01作為新01A3的姊妹系，屬于塘四平頭類種質(zhì)[21]，這與本文分析結(jié)果相吻合。A01群體遺傳結(jié)構(gòu)分析Q值為0.574，略低于0.6，可能是由于A01是二環(huán)系選育而成，雖然被劃分為塘四平頭類血緣，但是遺傳背景比較復(fù)雜。父本PHA458是由PHB1M/A01雜交選育而成。PHB1M是先玉696的父本，為NSS類種質(zhì)；因此PHA458含有NSS和塘四平頭類血緣，遺傳背景較為復(fù)雜，這與本文群體遺傳結(jié)構(gòu)分析結(jié)果相吻合。

美國(guó)的一些公益性機(jī)構(gòu)如艾奧瓦州立大學(xué)、北達(dá)科他州立大學(xué)等依據(jù)雜種優(yōu)勢(shì)模式，用不同來源的自交系或地方品種組建并改良了多個(gè)育種群體，如SS群體、NSS群體等，SS種質(zhì)主要來源于B73，PHB1M為Non-Reid類（NSS）種質(zhì)[22～24]。雖然本研究結(jié)果新科891的父本S155和母本PHA458被劃分到同一類群（歐美種質(zhì)群），但是根據(jù)品種選育來源，S155為SS類種質(zhì)，PHA458含有NSS和塘四平頭類血緣，雜種優(yōu)勢(shì)模式為SS×NSS。“PN78599群×塘四平頭群”是黃淮海夏玉米區(qū)主要雜優(yōu)模式之一[25]。以PN78599和A01為基礎(chǔ)種質(zhì)，選育出的玉米品種新科891，因具有產(chǎn)量高、抗逆性強(qiáng)、品質(zhì)優(yōu)良、綜合性狀好等突出特點(diǎn)，已在生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用[26]。通過SNP芯片技術(shù)對(duì)新科891的雙親進(jìn)行群體聚類分析和群體遺傳結(jié)構(gòu)分析，將為新科891雙親的后續(xù)改良與創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)，并為雜交組配的育種工作提供依據(jù)。參考文獻(xiàn)：

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