基于SNP標記的玉米遺傳多樣性與雜優模式分析

摘要：為揭示我國玉米核心種質的遺傳多樣性和育種實踐中所用的雜種優勢模式，利用58個北方春玉米自交系的全基因組重測序數據，鑒定并篩選了2 559 400個高質量SNP用于解析供試材料的遺傳特性。分析結果顯示，核心自交系中的多態性信息含量在0.09～0.38之間，平均值僅為0.21，說明該群體的遺傳多樣性程度較低。玉米自交系間的親緣關系系數范圍在-0.21～1.75，其中自交系丹598與吉1037的親緣關系系數最大，而自交系PH6WC與GS01的親緣關系系數最小。聚類分析結果表明，供試群體明顯地被劃分為6個亞群，分別為SS、NSS、PA、蘭卡斯特、塘四平頭和旅大紅骨。進一步對東北地區主要玉米品種的雜種優勢模式進行分析得出，SS×NSS、NSS×PA、NSS×蘭卡斯特及SS×塘四平頭可作為東北地區主要推廣的雜種優勢模式。以上結果為自交系的改良創新及強優勢玉米雜交種的組配提供了理論依據。

關鍵詞：玉米；SNP；遺傳多樣性；群體結構；雜種優勢模式

中圖分類號：S513.03" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）13-0068-06

玉米（Zea mays L.）是我國種植面積最大的糧食作物，同時也是飼料和能源等工業的主要原料［1］。取得玉米育種的突破性進展對促進國民經濟生產具有積極意義。東北地區作為我國重要的玉米生產基地，無論是播種面積還是單產水平都位于全國前列［2］。然而，近年由于玉米種質資源的遺傳基礎狹窄，推廣品種的同質化嚴重，導致灰斑病、莖腐病等在該區域連年偏重發生。因此，亟需加強對玉米種質資源進行遺傳多樣性與群體結構研究，揭示和評估玉米核心自交系群體的遺傳特性，不僅能使育種家有的放矢地選配雜交組合，同時也能為玉米種質改良及創新提供理論依據。

迄今為止，已有研究主要采用隨機擴增多態性DNA（random amplification polymorphic DNA，RAPD）、簡單重復序列（simple sequence repeats，SSR）和單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism，SNP）-等分子標記對玉米的遺傳多樣性進行研究。其中SNP作為最新一代標記技術以其位點豐富、遺傳穩定性好、易于自動化檢測等優點得到越來越多的應用［3］。van Inghelandt等分別利用SNP和SSR標記對1 537個玉米自交系進行群體結構及遺傳多樣性分析，發現應用2種標記技術得到的結論基本一致［4］。吳金鳳等利用1 041個SNP對51份玉米自交系進行遺傳多樣性與聚類分析得出，供試材料具有較好的多態性，并劃分為7個雜種優勢群［5］。王文斌等利用2 846個SNP對選自陜A和陜B群體的23個玉米自交系進行基因型分析，發現2個群體選育的自交系間遺傳基礎廣泛并劃歸為2個雜種優勢群［6］。Zhang等利用40 697個SNP對222個玉米自交系進行研究得出，供試群體被劃分為4個亞群，聚類結果與系譜來源基本吻合［7］。

然而，盡管前人利用不同標記技術對玉米自交系進行了遺傳多樣性研究，但利用SNP標記對我國北方核心種質的分析報道還較少，提供的可參考信息有限。因此，本研究利用58個北方春玉米自交系的全基因組重測序數據，鑒定并篩選超高密度的SNP用于這些種質的遺傳多樣性與雜種優勢模式分析。研究結果以期能為育種家對現有種質進行改良創新提供參考，同時也為進一步挖掘控制玉米重要性狀的功能基因奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 植物材料

本研究群體為58個我國北方玉米核心自交系（表1），主要包括在春玉米育種中應用較多的基礎材料和近年來在東北地區推廣面積較大的玉米雜交種親本。將上述自交系進行群體結構劃分后，用于分析雜種優勢模式的玉米品種分別為先玉335、先玉696、迪卡516、天農九、德美亞1、德美亞2、良玉99、良玉66、宏育29、宏育416、吉東28、利民33、吉農玉309和吉玉301。

1.2 高質量SNP的鑒定和篩選

玉米自交系的全基因組重測序數據從美國國立生物技術信息中心網站（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）下載，登錄號為PRJNA495031。采用BWA軟件（參數： mem-t 4-k 32-M）將各材料的核酸序列比對到玉米自交系B73的參考基因組RefGen_v4 （https：//ftp.ensemblgenomes.ebi.ac.uk/pub/plants/release-40/gtf/zea_mays/）［8］，比對結果經 SAMTOOLS軟件去除重復（參數：rmdup）并利用貝葉斯模型提取群體SNP［9］。最后，采用最小等位基因頻率＞0.05、錯誤率＜0.01、缺失率＜0.1及相鄰多態性位點距離＞5 bp等過濾條件進行篩選，共得到2 559 400個高質量SNP用于后續分析。這些SNP分布在玉米的全部10條染色體上，標記間平均物理距離僅為0.81 kb。

1.3 數據統計分析

結合篩選的高質量SNP，利用PowerMarker v3.25軟件統計這些標記的最小等位基因頻率和缺失率，計算各標記的期望雜合度、觀測雜合度及多態性信息含量等［10］。利用GCTA v1.92.1軟件計算玉米自交系間的親緣關系系數［11］，隨后使用SPSS 24.0軟件繪制親緣關系系數的頻率分布圖。采用MEGA-X軟件計算各玉米材料間的遺傳距離矩陣，在此基礎上，使用鄰接法在Bootstrap重復1 000次時構建系統進化樹［12］。

2 結果與分析

2.1 群體遺傳多樣性分析

為了探究我國北方玉米核心種質的遺傳多樣性，對篩選到的2 559 400個高質量SNP進行多態性分析。統計結果（表2）顯示，58個自交系中SNP的最小等位基因頻率和缺失率均值分別為0.17、0.05。標記的多態性信息含量（PIC）在0.09～0.38之間，其中PIC＜0.25的標記有1 667 554個，占比為65.15%。全部標記的PIC均值僅為0.21，根據Botstein等提出的多態性信息含量衡量標準［13］，本研究得到的數據均值＜0.25，說明這些SNP呈現出低度多態性。此外，SNP標記的期望雜合度范圍在0.10～0.50之間，平均值為0.25，高于觀測雜合度均值0.18，進一步證實了該群體的遺傳多樣性相對不足。

2.2 親緣關系分析

根據群體SNP的等位基因情況計算供試材料的親緣關系系數。統計結果顯示，各材料間的親緣關系系數變幅在-0.21～1.75，其中75.32%的系數＜0（圖1），說明這些種質間無任何交集。其余約25%的親緣關系系數在0～1.75的范圍內，證實這些材料存在著不同程度的血緣關系。進一步對供試群體進行分析，發現玉米自交系丹598與吉1037的親緣關系最近，系數達到了1.75，說明可能在選育它們的基礎材料中有相同或相似種質。此外，玉米自交系PH6WC與GS01的親緣關系系數僅為 -0.21，為所有材料中最小，表明這2個材料無親緣關系且它們之間的遺傳距離較遠。

2.3 聚類分析

采用MEGA-X軟件計算玉米自交系的遺傳距離矩陣，以此為基礎，構建系統進化樹用于這些種質的群體結構劃分。如圖2所示，58個核心自交系明顯地劃分為6個亞群，分別為SS、NSS、PA、蘭卡斯特、塘四平頭和旅大紅骨。其中SS和NSS種質主要來自于美國先鋒公司的玉米育種體系，它們分別包含了8、11個核心材料，代表性自交系PH6WC、PH09B以及PH4CV和PHB1M等均分布在上述群內；PA群為國內改良Reid種質，包含了14個玉米自交系，代表性材料主要有K10、鐵7922和7884等；蘭卡斯特群為蘭卡斯特及其改良系，包括13個玉米材料，自交系Mo17、自330及丹1324等均被劃分在這個群內；最后為塘四平頭和旅大紅骨等國內地方種，這2個亞群分別包含了7、5個自交系，代表性種質吉853和丹598等分別被劃分在這2個亞群內。

2.4 雜種優勢模式分析

2000年以來，東北地區以上述玉米核心自交系為基礎材料或作為直接親本，培育出一系列優良的玉米雜交種。本研究根據聚類分析結果對近年來在該地區推廣面積較大的14個玉米品種的親本組合進行分析，結果如表3所示。跨國種企選育和推廣的玉米品種雜種優勢模式主要為SS×NSS和 NSS×PA，代表性品種主要有先鋒公司的先玉335和先玉696，以及KWS公司的德美亞1和德美亞2。此外，孟山都公司選育的品種迪卡516所利用的雜種優勢模式為SS×蘭卡斯特，與美國玉米帶最典型的雜種優勢模式吻合。國內區域性優勢較強的自主品種良玉99和良玉66等利用的均是NSS×蘭卡斯特雜種優勢模式，該類型品種耐密植、抗逆性較好。同時，在遼寧北部和吉林部分區域推廣面積較大的品種天農九采用的是SS×塘四平頭。吉林省地方品種宏育29和吉農玉309利用的模式分別為NSS×塘四平頭、PA×蘭卡斯特。說明在東北地區跨國公司品種選育的雜種優勢模式比較穩定，而國內玉米品種的雜種優勢模式較多且復雜，缺乏占據絕對優勢的模式類型。因此，本研究根據上述品種的推廣范圍及面積大小，最終確定SS×NSS、NSS×PA、NSS×蘭卡斯特及SS×塘四平頭作為東北地區主要的雜種優勢模式。

3 討論與結論

3.1 北方核心種質的遺傳多樣性

種質資源是開展育種工作的基礎，探究自交系的遺傳多樣性，了解材料間的親緣關系遠近，對加快培育突破性玉米品種具有重要的實際意義。目前，國內外已有利用SNP對玉米遺傳多樣性進行分析的報道［14-15］，但由于所用的標記數目有限，較難全面地反映種質資源的遺傳背景，致使不同研究得出的結論有所差異。Richard等利用129個SNP對來自非洲南部和北美洲的45個玉米自交系進行遺傳多樣性分析，結果顯示SNP的多態性信息含量在0.04～0.37之間，其中多數標記的PIC值在0.30～0.37之間，展現出了較好的多態性［16］。Lu等利用1 034個SNP對770個CIMMYT、巴西和國內的玉米自交系進行檢測，結果表明所用標記的多態性信息含量變異范圍在0.003～0.375之間，平均值為0.259，證實了供試群體的遺傳多樣性中等偏低［17］。本研究利用2 559 400個高質量SNP對58個我國北方核心自交系進行分析，得出群體SNP的期望雜合度均值為0.25，多態性信息含量在0.09～0.38之間，平均值僅為0.21，低于前人的研究結果［16-19］，說明該核心群體的遺傳基礎較狹窄，遺傳多樣性程度較低。究其原因主要有以下2個方面：一是這些自交系均來自我國北方的玉米育種體系，由于多年來不斷地對部分核心種質進行改良和利用，致使各育成系的遺傳距離不足；二是本研究利用超高密度SNP用于群體的遺傳多樣性分析，更加深入全面地探究了供試材料間的遺傳差異，可能是得出自交系多樣性偏低的另外一個重要原因。

3.2 玉米自交系的群體結構

迄今為止，我國育種家先后采用表型聚類、同工酶和分子標記等對玉米種質資源進行研究，得出的結果大多將自交系劃分為3～6個雜種優勢群，有效地提高了育種效率［20-22］。劉志齋等利用40個SSR標記將820個玉米自交系劃分為5個類群，分別為瑞德、蘭卡斯特、塘四平頭、旅大紅骨和P群［23］。石玲艷等利用31個SRAP標記對33個玉米自交系進行群體結構分析得出，供試材料可分為4個亞群，依次為瑞德、塘四平頭、旅大紅骨和PB群［24］。值得注意的是，在該報道中并未出現蘭卡斯特亞群，其原因可能與所選用的供試材料和分子標記數量較少等有關。在本研究，系統進化樹結果顯示58個核心自交系明顯地劃分為6個亞群，分別為SS、NSS、PA、蘭卡斯特、塘四平頭和旅大紅骨。其中完全是由本土資源經過選育與改良形成的塘四平頭和旅大紅骨種質，與外來自交系的遺傳距離相對較遠，故被單獨劃分到2個亞群；SS和NSS亞群種質主要來自美國先鋒公司的玉米育種體系及其衍生系，先玉335母本PH6WC就被劃分到SS亞群，針對該自交系的定向改良對東北玉米近20年的發展產生了深遠影響。此外，在本研究劃分的NSS亞群中并未包括蘭卡斯特種質，蘭卡斯特血緣的自交系被單獨成群。通過分析發現，美國中部玉米帶先鋒公司的NSS種質很多來自Iodent和Minnesota13，很少來自蘭卡斯特［25-26］，這可能是本研究將NSS和蘭卡斯特種質分別成群的重要原因。最后，PA群為國內改良Reid種質，利用本土資源對外來自交系進行改良，從而提高組配雜種的抗逆性和穩產能力。其中，代表性材料鐵7922和K10等PA系在東北玉米迭代中曾均發揮了不可替代的作用。以上分群結果與研究材料的系譜來源基本一致［23-24，27］，但也有少數自交系的遺傳背景與所在類群有所出入，例如：玉米雜交種鄭單958母本鄭58登記為選自自交系掖478的變異株，按照推理應歸屬于P群，但本研究結果卻將其劃分到蘭卡斯特群，這可能和鄭58模糊的系譜來源有關，還需要進一步深入研究。

3.3 雜種優勢模式分析

雜種優勢模式和循環育種策略關系到商業育種的效率［28-29］。早在2003年，Hallauer就率先提出了SS×NSS的二群論雜優模式，這一模式極大地促進了玉米種質的擴增、改良和創新，并在美國得到了廣泛應用［30］。本研究通過對我國北方核心自交系進行聚類分析，結合東北主要玉米品種的親本情況得出，該區域利用的雜優模式較多且復雜。進一步根據育成品種的推廣范圍和面積，篩選SS×NSS、NSS×PA、NSS×蘭卡斯特及SS×塘四平頭作為該地區應重點應用的雜優模式。此外，利用SS×NSS組配出的先玉335和先玉696等系列品種在我國累計推廣面積已達數億畝（1 hm2=15畝）。因此，在未來可以借用美國種企對種質資源劃分的手段，將上述的PA、蘭卡斯特和國內種質（塘四平頭和旅大紅骨）分別歸納到SS或NSS群中。隨后利用現有資源分別進行種質改良創新，不僅要保留國外自交系籽粒脫水速率快、耐密、早熟、抗倒伏等明顯優點［31-32］，也要結合本土自交系的抗病性和適應性，不斷擴大SS和NSS群的種質數量及其遺傳距離，形成具有區域特色的二群論，達到簡化雜種優勢群及雜種優勢模式的目的，這樣才能有效推動我國北方玉米育種的研發進程。

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