基于DUS 測試性狀的玉米自交系多樣性分析和評價

郭 莉 李新彥 馬現斌 胡 飛

（湖北省襄陽市農業科學院，襄陽 441057）

玉米是典型的異花授粉作物，表現出極端的自交衰退和雜種優勢。玉米骨干自交系是育種家對穗行、產量、抗性等性狀嚴格考察篩選出的優秀親本。分析玉米自交系遺傳多樣性和差異性，可以揭示其遺傳構成及其變化，也是玉米自交系改良以及利用的可靠依據，具有十分重要的指導意義。迄今為止，已有大量關于玉米自交系及雜交種遺傳多樣性分析的報道[1-6]。基于玉米DUS 的測試技術，DUS 測試性狀由1 個基因或基因組合決定，在某一特定環境下表現足夠的一致性和重復性[7]，且通過參照品種的矯正，可顯著降低環境對性狀表達的影響，目前DUS 測試性狀也被廣泛應用于遺傳多樣性分析[8-12]和品種鑒定[13]領域。本試驗運用基于玉米DUS 測試技術對襄陽市農業科學院玉米團隊14 份玉米骨干自交系進行多樣性分析和評價，以期為玉米自交系高效利用提供依據與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料以襄陽市農業科學院玉米團隊育種材料中常用的14 份玉米骨干自交系為分析和研究對象（表1）。

表1 材料名稱

1.2 試驗設計試驗在襄陽市農業科學院團山基地進行，海拔70m。2020-2022 年春進行田間種植試驗，每份自交系2 次重復，完全隨機區組排列，穴播，4 行區，行長3.6m，行距66.7cm，株距30cm，廂間走道1m。

1.3 性狀觀測基于玉米DUS 測試表型數據的獲得依據GB/T 19557.24—2018《植物品種特異性、一致性和穩定性測試指南 玉米》進行，從中選取具有代表性的表型性狀（表2）37 個進行觀測。各性狀觀測時期、部位、方法嚴格按照指南觀測要求進行。

表2 觀測性狀

1.4 數據分析

1.4.1 測量性狀分級和性狀代碼賦值按照玉米DUS 測試指南的性狀分級。群體目測性狀：對一批植株或植株的某器官或部位進行目測，獲得一個一個群體記錄。直接給予DUS 代碼記錄。測量性狀：對各性狀進行大田測量采集，然后依據劃分的檔級進行代碼賦值，先計算各測量性狀的中位數和品種間的最小顯著差數 LSD0.05，然后以各性狀中位數（Md）為中點，以LSD0.05為一個級別確定各等級的閾值，如第5 級的下限和上線分別為 Md-LSD0.05和Md+LSD0.05，以此類推劃分檔級，然后進行各測量性狀代碼賦值。

1.4.2 多樣性分析將性狀的代碼視為等位變異，對于每個品種，單個性狀中表達的狀態所對應的級別標記為 1，其他未表達的級別標記為 0，由此構建成形態性狀的原始數據矩陣。對于品種群體，在某一性狀中出現的級別的總數，標記為該性狀的等位變異數（Na）。

根據分級后的數據計算Shannon-Weaver 多樣性指數（H′）。

H′=-∑iPiln（Pi）

式中，Pi表示某性狀第i 等級的品種個數占總品種數的百分比。

1.4.3 聚類分析采用NTSYSpc2.1 軟件進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 性狀多樣性分析14 個自交系共37 個性狀的多樣性分析結果見表3。性狀多樣性分析結果說明如下。

表3 性狀多樣性分析結果

（1）整體來看，這14 個自交系共37 個性狀的多樣性一般，各性狀的最大Shannon-Weaver 多樣性指數（H′）為1.55，即C22 莖稈：支持根花青甙顯色強度，各性狀多樣性指數都未超過2.00。需進一步加強種質資源改良與創新，以豐富種質資源多樣性。

（2）從自交系各性狀的表現來看，株型方面各自交系株型偏緊湊，體現為C6 植株：上部葉片與莖稈夾角性狀表達代碼范圍2（1），3（6），4（6），5（1），夾角大小在5 以內；C23 葉片：長度（最長處）性狀表達代碼范圍2（1），3（6），4（5），5（2），葉偏短；C24 葉片：寬度（最寬處）性狀表達代碼范圍為1（3），2（3），3（7），4（1），葉窄。該結果與本團隊近年來玉米自交系選育走向趨勢基本吻合，目前團隊育種側重黃淮海夏玉米區，在株型的選擇上偏中稈緊湊型。

（3）從這些自交系各性狀的表現來看，生育期偏中晚熟，早熟基本沒有，體現為C4 散粉期性狀表達代碼范圍5（8），6（3），7（3）；C5 抽絲期性狀表達代碼范圍4（1），5（7），6（2），7（4），說明在進行夏播選育或早熟品種的選育方面使用這些自交系就要慎重了。

2.2 聚類分析14 個自交系聚類結果如下：在遺傳系數閾值為0.844 時，14 個自交系大致分為四類（圖1）：Ⅰ類：自1、自2、自27、自8、自6、自14；Ⅱ類：自7、自30、自16、自23、自20、自28；Ⅲ類：自12；Ⅳ類：自15。

圖1 14 個自交系聚類結果

具體說明：（1）Ⅰ類中自1 和自2 在遺傳相似系數閾值為0.92 時直接聚為一類，從表1 中可知自1 和自2 這2 個自交系均是改良昌7 黃改類的；自6和自14 在遺傳相似系數閾值為0.88 時直接聚為一類，均為（XY3/登海618 二環系）/XY3 回交選系回交改良姊妹系，這些聚類結果均與系譜來源一致。

（2）Ⅱ類中自7 和自30 聚為一類，自7 為（鄭58/登海618 二環系）雜交后選系，自30 為（XY3/登海618 二環系）/（登海618 二環系）回交了一代后自交選系；自16、自23、自20 三者聚為一類，這三者均來自河南農業大學育種者湯繼華老師改良自交系，這些聚類結果與系譜來源一致。需要注意的是：自7 和自30 這兩者直接聚為一類，自7 為（鄭58/登海618 二環系）雜交后選系，可能在選系時偏向了登海618 二環系方向；自30 為（XY3/登海618 二環系）/（登海618 二環系）回交了一代然后自交選系，回交了一代登海618 二環系的權重增加了，自7和自30 聚為一類也可以解釋得通。那么需要關注的是如自7 直接2 個自交系鄭58 和登海二環系雜交后進行選系，雜交后進行分離選育作用效果有多大，雖然改良的初衷為改良鄭58，但實際聚類結果偏登海618 二環系，說明2 個自交系雜交可能不太容易交換或整合累積到兩者或單個自交系如鄭58的優良基因，即2 個自交系雜交改良選育自交系，后代分離方向不確定。

（3）Ⅲ類中自12（XY90418）選系單獨聚為一類，與其他類群距離較遠，可能與其他自交系存在雜種優勢，就多年來自12 組配測產實踐表明，自12 與其他自交系組配，果穗和產量優勢確實明顯，但因其生育期較長，一直作為本團隊春播的骨干自交系，目前該自交系作為親本已成功審定了2 個湖北丘陵春播品種襄玉655 和襄玉853。

（4）Ⅳ類中自15（XY06/XY7298）選系單獨聚為一類，需要注意的是自15（XY06/XY7298）選系，自改良穩定后，一直作為XY7298 類黃改良系來使用，但明顯未與Ⅰ類中黃改系聚為一類，有可能在進行雜交后二環選系時已偏離XY7298 黃改系方向，并不能憑主觀意愿把該自交系作為黃改類使用。下一步，準備仔細觀察該自交系，調整使用方向。同時，自15 類似自7，為2 個自交系雜交選系，再次說明了2 個自交系雜交改良選育自交系，后代分離方向的不確定性。

育種中還需要關注的是：XY3/登海618 二環系雜交后進行回交，選擇的輪回親本不同，后代自交系走向也不同，XY3/登海618 二環系回交XY3 的自6 和自14 聚在Ⅰ類中，XY3/登海618 二環系回交登海618 二環系的自7 和自30 聚在Ⅱ類中，輪回親本不同，分別聚在不同類，所以在回交時輪回親本和后代的選擇上還是要緊跟選育目標——類優良輪回親本，并進行目標性狀的選擇，以達到回交選育的目的。

3 結論與討論

3.1 基于DUS 測試性狀了解自交系特征特性和遺傳多樣性對玉米種質資源進行改良、創新和利用，是目前玉米育種的重要課題，了解種質資源的特征特性和遺傳多樣性是改良和利用的前提和必需。在了解種質資源的特征特性方面，DUS 是品種的基本屬性[14]，DUS 測試性狀除關注一些育種者只關注的經濟性狀外，還關注非經濟性狀，可以較為系統和全面地了解種質的特征特性；在遺傳多樣性研究方面，DUS 測試性狀已被證實非常靈敏和準確[10]。本研究基于DUS 測試性狀的玉米自交系多樣性分析和評價，對本團隊14 個骨干自交系系統整體地給予了評價，這14 個自交系共37 個性狀的多樣性一般，需進一步加強種質資源改良與創新，以豐富種質資源多樣性。從這些自交系性狀的表現來看，株型選擇上偏中稈緊湊型；但生育期方面整體偏中晚熟，在進行夏播選育或早熟品種的選育方面使用這些自交系需慎重。

3.2 基于DUS 測試性狀自交系聚類分析和評價聚類結果表明，聚類結果與系譜來源一致，其中Ⅲ類中自12 XY90418 和Ⅳ類中自15 XY06/XY7298 選系分別單獨聚為一類，且與其他類群距離較遠，可能與其他自交系存在雜種優勢，本團隊可以將這2 個自交系進行重點測配使用。根據聚類結果，自7 和自15 為2 個自交系雜交選系，說明2 個自交系在雜交改良二環選育自交系時，后代分離方向具不確定性，一是需要仔細觀察和研究，只有后代選系目標越集中，才有可能達到改良的目的，二是同一些學者觀點，2 個自交系雜交二環選系時，基礎材料標準要高，在分離過程中，由于廣泛的基因交換和重組，除有針對性的性狀得到改良外，還可能有顯性有利基因進一步得到積累[15]。同時聚類結果也表明，自6和自14 聚在Ⅰ類，自7 和自30 聚在Ⅱ類，因輪回親本不同，分別聚在不同類群，這點與一些研究回交改良效果的學者觀點相同，回交法能快速地向輪回親本導入其優良性狀的基因，但不同供體和回交次數所創制的玉米自交系遺傳差異較大[16-17]。所以在回交時輪回親本和后代的選擇上還是要緊跟選育目標——類優良輪回親本，并進行目標性狀的選擇，以達到回交選育的目的。