利用SNP標記技術分析73份玉米自交系的遺傳多樣性

摘要：利用覆蓋玉米全基因組的中玉芯1號芯片，對73份玉米自交系進行全基因組掃描。為了提高育種效率，對具有重要育種價值的玉米自交系進行遺傳多樣性分析，從而指導玉米育種實踐。以73份玉米自交系為材料，其中24份自交系由新鄉市農業科學院、鶴壁禾博士晟農科技有限公司選育而成，其余49份自交系為目前中國玉米生產中應用較廣泛、具有代表性的種質資源。利用3 854個單核苷酸多態性（SNP）標記對供試材料進行種質遺傳多樣性、雜種優勢類群分析。群體結構分析結果表明，73份自交系可劃分為6個類群，分別為改良瑞德（Reid）群、蘭卡斯特（Lancaster）群、塘四平頭群、PB群、旅大紅骨群、其他（歐美、熱帶等種質）類群，其中有新鄉市農業科學院選育的19份玉米自交系，鶴壁禾博士晟農科技有限公司選育的5份玉米自交系，利用的雜種優勢模式主要為改良瑞德×塘四平頭和美系種質×塘四平頭，這也從分子水平上驗證了黃淮海夏玉米區主要利用的雜種優勢模式。

關鍵詞：玉米；SNP標記；自交系；遺傳多樣性

中圖分類號：S513.032" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）13-0089-09

雜種優勢是提高農作物產量、增強抗性、提高品質的一種重要生物學機制［1］，作為我國第一大糧食作物，玉米是雜種優勢表現最強的作物，中親優勢率平均為35％～40％，因此雜種優勢的利用是提高玉米產量的重要途徑之一［2］。合理劃分玉米自交系的雜種優勢類群是構建玉米雜種優勢利用模式的前提，也是有效指導玉米自交系的選育、提高組配玉米雜交種效率的重要基礎［3］。20世紀80年代，我國玉米育種工作者針對我國玉米種質基礎等問題開展了大量研究，首次提出玉米種質基礎狹窄等問題［4-5］。20世紀90年代初，我國玉米種質改良工作已經取得明顯成效，引入了大批國外種質，并導入我國近代種質，但是卻出現了國內種質×國外種質等簡單雜種優勢模式已經不能包容我國玉米雜種優勢模式利用的現狀［6］。王懿波等提出我國玉米種質可以劃分為改良瑞德（Reid）、蘭卡斯特（Lancaster）群（Mo17、自330 2個亞群）、塘四平頭、旅大紅骨及其他5個雜種優勢群及9個亞群［7］。21世紀以來，滕文濤等將84份玉米自交系劃分為Reid、Lancaster、塘四平頭、自330和溫熱Ⅰ共5個主要雜種優勢群［8］。Wu等采用單核苷酸多態性（SNP）分子標記技術對367份玉米自交系進行遺傳多樣性分析，將所有材料分為2個類群，即外來種質群和國內種質群，以及相應的5個亞群，分別為Reid、Lancaster、P群、塘四平頭和溫熱Ⅰ群［9］。趙久然等將344份玉米自交系劃分為8個類群，分別為旅大紅骨群、黃改群（又稱塘四平頭群）、Iodent群、蘭卡斯特群、P群、改良瑞德群、瑞德群和X群［10］。高嵩等以205份玉米自交系為材料，利用SNP標記技術將材料總體分為7個類群，分別為旅大紅骨群、塘四平頭群、蘭卡斯特群、PA群、PB群、瑞德群和熱帶類群［11］。隨著國內優異玉米種質的不斷培育及玉米新種質的應用，收集新的玉米種質來進行雜種優勢模式研究顯得尤為重要。本研究利用覆蓋全基因組的SNP標記對73份玉米自交系的遺傳多樣性進行分析，對雜種優勢類群進行劃分，以期為雜種優勢模式的利用提供理論支撐，為玉米種質的改良和創新及玉米新品種的選育提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設計

以73個玉米自交系作為供試材料，其中19個自交系（N1～N19）由新鄉市農業科學院選育而成，5個自交系（N20～N24）由鶴壁禾博士晟農科技有限公司選育而成，另外49個自交系為目前中國玉米生產中應用較為廣泛、具有代表性的種質資源，各自交系的系譜來源見表1。

73份供試材料于2023年6月22日種植在新鄉市農業科學院輝縣試驗基地，種植密度為 67 500株/hm2，行距0.6 m，行長4 m，每個材料種植4行，管理同常規大田生產。

1.2 基因型的鑒定

利用中玉金標記（北京）生物技術股份有限公司研發的玉米育種專用芯片——中玉芯1號對供試材料進行基因型分析。待玉米長至6張葉片時，每個樣品取10株材料的葉片進行等面積混合取樣。按照改進的十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）法提取基因組DNA［12］。

通過對DQC（數據質量管理控制）gt;0.82和CR（標記檢出率）gt;97的樣品進行SNP位點質控，剩余6 694個標記，進行 miss（缺失率）lt;0.1、maf（最小等位基因頻率）gt;0.05過濾，最終獲得3 854個可用標記。

1.3 數據分析

使用Treebest軟件的NJ-tree模型構建進化樹，進行群體結構分析。系統進化樹是描述群體間進化順序的分支圖或樹，用來表示群體間的進化關系。每個分支代表一個樣品，分支分離得越早，代表遺傳關系越遠。根據群體的物理或遺傳學特征等方面的共同點或差異，可以推斷出它們的親緣關系遠近［13］。

主成分分析（PCA）是一種純數學的運算方法，可以將多個相關變量經過線性轉換后選出較少數量的重要變量。PCA是基于個體基因組SNP差異程度，按照不同性狀特征將個體按主成分聚類成不同的亞群。本研究用全基因組復雜性狀分析（genome-wide complex trait analysis，GCTA）對樣品進行PCA［14］。

群體遺傳結構指遺傳變異在物種或群體中的一種非隨機分布。群體結構分析有助于理解進化過程，并且可以通過基因型和表型的關聯研究確定個體所屬的亞群。本研究采用Admixture進行結構分析［15］。

2 結果與分析

2.1 SNP標記在玉米染色體上的分布情況

圖1為SNP標記在玉米10條染色體上的分布情況。可以看出，標記基本均勻覆蓋全基因組，且每條染色體上2個標記間的物理距離平均都在 200 000 bp 左右。在第1染色體上分布的標記數最多，有1 444個，其次為第3染色體，標記數為1 104個。第8染色體的標記間平均距離最短，為208 423 bp，其次為第1染色體，標記間平均距離為212 632 bp。

2.2 自交系的聚類分析及類群劃分

采用Treebest軟件的NJ-tree模型對73份玉米自交系進行群體結構分析，結果見表2，構建73份玉米自交系聚類分析圖（圖2）；結合玉米自交系在育種中的實際應用情況，對73份玉米自交系進行類群劃分，結果見表3。結果顯示，新Z7C8、B73、9046、C8605-2、鐵7922、U8112、掖478、鄭32、鄭58屬于改良瑞德群，合344、獲唐黃、吉002、Mo17、Mo17ht、KWS49、KW1A139、6F576、KW6F513屬于蘭卡斯特群，新01A3、新4095、新69、新6、H7898、H7235、H7875S、H7875A、L719、昌7-2、黃野四、黃早四、四-287、吉444、Lx9801、掖81515屬于塘四平頭群，新26221、鄭8713、齊319、沈137、X178、豫自87-1、沈3336屬于PB群，Oh43、吉846、吉853、C052、丹340、莫群17、自330、綜3、綜31屬于旅大紅骨群，LP269、新美026、新Y56221、新XF806、新8911、新DM26、新H1653、新026Y23、新5831、新CW1523、新569、新6WL632、新美09、Z33-1、172M、PH4CV、PH6WC、KWS10×KWS73、KW5G321、9F592、KW9F534屬于歐美種質亞群，QB5739、蘇灣1611屬于熱帶種質亞群。

2.3 自交系的主成分分析

PCA結果實際上是一個很多維的數據，而前3個維度是能夠解釋所有材料、遺傳變異最多的3個維度。分別將維度1vs維度2、維度1vs維度3、維度2vs維度3提取出來并作成二維圖，其中PCA1vsPCA2最能代表所有材料的遺傳變異情況。PC1和PC2的二維主成分聚類結果見圖3，可以看出，塘四平頭血緣群與蘭卡斯特血緣群、旅大紅骨血緣群、PB群、改良瑞德血緣群、歐美及熱帶等種質群間均有較遠距離，說明塘四平頭類群與以上5個類群均有較強的雜種優勢；改良瑞德血緣群與旅大紅骨血緣群、蘭卡斯特血緣群的關系均較遠，說明也有較強的雜種優勢。

2.4 玉米雜交種的雜種優勢模式分析

利用新鄉市農業科學院與鶴壁禾博士晟農科技有限公司選育而的共24份玉米自交系，目前已組配出一系列雜交種并通過國家黃淮海夏玉米區審定。根據24份玉米自交系群體結構分析結果和類群劃分結果，對雜交種的雜種優勢模式進行分析。

新鄉市農業科學院選育的19份玉米自交系中，新Z7C8屬于改良瑞德群，新01A3、新4095、新69、新6屬于塘四平頭群，新26221屬于PB群，LP269、新美026、新Y56221、新XF806、新8911、新DM26、新H1653、新026Y23、新5831、新CW1523、新569、新6WL632、新美09屬于美系種質群。由表4可以看出，利用上述自交系，目前已組配出新單61、新單68、新單65、新單58、新單88，這些雜交種利用的雜種優勢模式均為美系種質×塘四平頭。

由鶴壁禾博士晟農科技有限公司選育而成的5個玉米自交系中，H7898、H7235、H7875S、H7875A屬于塘四平頭群，Z33-1屬于美系種質群。由表4可以看出，利用上述自交系，目前已組配出雜交種碩育668、碩育172、碩育173、寶景186，其中碩育668、碩育172利用的雜種優勢模式為改良瑞德×塘四平頭，碩育173、寶景186利用的雜種優勢模式為美系種質×塘四平頭。

3 討論

3.1 玉米新品種的雜種優勢模式利用

本研究采用SNP芯片技術，對73份玉米自交系進行群體結構分析和類群劃分，其中，19份玉米自交系由新鄉市農業科學院選育。目前已組配出一系列雜交種新單61、新單68、新單65、新單58、新單88，所用的雜種優勢模式均為美系種質×塘四平頭。此外，本研究采用鶴壁禾博士晟農科技有限公司選育的5個玉米自交系，已組配出玉米雜交種碩育668、碩育172、碩育173、寶景186，所用雜種優勢模式為改良瑞德×塘四平頭和美系種質×塘四平頭，這也是近年來黃淮海夏玉米區主要利用的雜種優勢模式［16］，與國內公認的結論“中國玉米單交種最主要的雜種優勢模式均屬于國內種質×國外種質”［17-18］相符合。

3.2 利用SNP標記劃分雜種優勢的可靠性及下一步研究的方向

利用SNP標記進行玉米種質資源的雜種優勢群劃分，能夠獲得相對比較理想的劃群結果，通過類群劃分指導雜交種組配，從而提高材料的利用效率，根據SNP標記劃分雜種優勢類群的原理，試驗中用的玉米自交系樣品越多，劃分結果會越精確［19］。

本研究采用73份玉米自交系進行雜種優勢類群劃分，反映了本研究雜種優勢類群劃分的合理性，但仍然存在個別與育種實際應用中類群劃分不太相符的情況。根據群體結構和聚類分析圖結果，蘇灣1611中塘四平頭血緣種質所占比例相對較大（46.8%），而蘇灣（Suwan）種質是熱帶、亞熱帶種質的典型代表，瑞德×蘇灣雜種優勢利用模式是西南玉米育種區當前應用廣泛的1個優勢模式［20］。貴州省旱糧研究所選育的玉米自交系QB5739，屬于蘇灣-蘭卡斯特（Suwan-Lancaster）類群［21］。本研究所用的玉米自交系中，僅有QB5739、蘇灣1611這2個自交系來源于熱帶、亞熱帶種質，因此將QB5739、蘇灣1611都歸類為熱帶種質亞群。

劉興貳等研究發現，吉853是利用黃早四與自330為基礎材料選育而成，是塘四平頭類群改良最成功的玉米自交系之一，與Lancaster、Reid、旅大紅骨類群等均具有很高的雜種優勢［22］，黃早四屬于塘四平頭類群，自330屬于旅大紅骨類群，根據群體結構和聚類分析結果，吉853中全部為旅大紅骨血緣種質（100.0%），本研究認為將吉853劃分為塘四平頭類群更切合育種實際應用情況。

21世紀初，以先玉335為典型代表的一系列美國先鋒公司玉米品種進入我國市場后，因其品種具有產量增幅大、莖稈堅韌、品質優良、脫水速率快等優點，改變了傳統種植模式，在我國得以大面積推廣應用［23-24］。先玉335的母本是PH6WC，父本為PH4CV，為典型的Reid×lancaster、硬粒×馬齒雜種優勢模式，也是美國雜交種典型的雜種優勢類群劃分模式［25］。群體結構結果顯示，PH6WC中改良瑞德群、歐美種質群分別占47.2%、52.8%，PH4CV中蘭卡斯特群、歐美種質群分別占21.2%、78.8%，本研究所用玉米自交系多數為我國本土選育，因此針對本研究中玉米自交系的雜種優勢類群劃分，將PH6WC和PH4CV按照群體結構結果劃分，即均屬于歐美種質亞群，更為合適。

在下一步的研究中，應采用更多的國內有代表性的玉米自交系，再用SNP標記技術進行雜種優勢類群劃分，將更有利于指導玉米新品種的選育。

4 結論

利用覆蓋玉米全基因組的中玉芯1號芯片，對73份玉米自交系進行全基因組掃描。群體結構分析將73份自交系劃分為6個類群，分別為改良瑞德群、蘭卡斯特群、塘四平頭群、PB群、旅大紅骨群、其他（歐美種質、熱帶、亞熱帶種質等）類群。其中，位于黃淮海夏玉米區的新鄉市農業科學院選育的19份玉米自交系及鶴壁禾博士晟農科技有限公司選育的5份玉米自交系，利用的雜種優勢模式主要為改良瑞德×塘四平頭和美系種質×塘四平頭，這也是近年來黃淮海夏玉米區主要利用的雜種優勢模式。

參考文獻：

［1］Guo X，Guo Y P，Ma J，et al. Mapping heterotic loci for yield and agronomic traits using chromosome segment introgression lines in cotton［J］. Journal of Integrative Plant Biology，2013，55（8）：759-774.

［2］Wei X Y，Wang B，Peng Q，et al. Heterotic loci for various morphological traits of maize detected using a single segment substitution lines test-cross population［J］. Molecular Breeding，2015，35（3）：94.

［3］彭澤斌，劉新芝，傅駿驊，等. 玉米自交系雜種優勢類群與雜優模式構建的初步研究［J］. 作物學報，1998，24（6）：711-717.

［4］吳景鋒.我國主要玉米雜交種種質基礎評述［J］. 中國農業科學，1983，16（2）：1-8.

［5］王懿波，張慶吉，朱良驊.我省玉米種質基礎的綜合分析與評價［J］. 河南農業大學學報，1986，20（1）：62-72.

［6］曾三省. 中國玉米雜交種的種質基礎［J］. 中國農業科學，1990，23（4）：1-9.

［7］王懿波，王振華，王永普，等. 中國玉米主要種質雜種優勢群的劃分及其改良利用［J］. 華北農學報，1998，13（1）：74-80.

［8］滕文濤，曹靖生，陳彥惠，等. 十年來中國玉米雜種優勢群及其模式變化的分析［J］. 中國農業科學，2004，37（12）：1804-1811.

［9］Wu X，Li Y X，Shi Y S，et al. Fine genetic characterization of elite maize germplasm using high-throughput SNP genotyping［J］. Theoretical and Applied Genetics，2014，127（3）：621-631.

［10］趙久然，李春輝，宋 偉，等. 基于SNP芯片揭示中國玉米育種種質的遺傳多樣性與群體遺傳結構［J］. 中國農業科學，2018，51（4）：626-644.

［11］高 嵩，劉宏偉，何 歡，等. 利用SNP芯片進行玉米遺傳多樣性和群體遺傳結構分析及新品種選育［J］. 玉米科學，2021，29（1）：39-45.

［12］Saghai-Maroof M A，Soliman K M，Jorgensen R A，et al. Ribosomal DNA spacer-length polymorphisms in barley：Mendelian inheritance，chromosomal location，and population dynamics［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，1984，81（24）：8014-8018.

［13］Vilella A J，Severin J，Ureta-Vidal A，et al. EnsemblCompara GeneTrees：complete，duplication-aware phylogenetic trees in vertebrates［J］. Genome Research，2009，19（2）：327-335.

［14］Yang J，Lee S H，Goddard M E，et al. GCTA：a tool for genome-wide complex trait analysis［J］. American Journal of Human Genetics，2011，88（1）：76-82.

［15］Alexander D H，Novembre J，Lange K.Fast model-based estimation of ancestry in unrelated individuals［J］. Genome Research，2009，19（9）：1655-1664.

［16］洪德峰，張學舜，馬 毅，等. 優良玉米自交系新01A3及其改良系選育與應用［J］. 玉米科學，2021，29（1）：15-19.

［17］王懿波，王振華，王永普，等. 中國玉米主要種質雜交優勢利用模式研究［J］. 中國農業科學，1997，30（4）：16-24.

［18］吳金鳳，宋 偉，王 蕊，等. 利用SNP標記對51份玉米自交系進行類群劃分［J］. 玉米科學，2014，22（5）：29-34.

［19］姜思奇，郭 瑞，張 敖，等. 利用核心SNP標記劃分遼寧省常用玉米自交系雜種優勢群的研究［J］. 玉米科學，2018，26（4）：17-23.

［20］付 梅，任 洪，柏光曉.鐵7922改良效果及與蘇灣種質系的配合力研究［J］. 玉米科學，2016，24（5）：1-7.

［21］郭向陽，吳 迅，王安貴，等. 玉米Suwan和Iodent改良系育種應用探索與分析［J］. 植物遺傳資源學報，2021，22（6）：1676-1683.

［22］劉興貳，孫發明，焦仁海，等. 玉米自交系吉853的應用和改良［J］. 吉林農業科學，2005，30（5）：13-16.

［23］王俊強，孫善文，韓業輝，等. 15份利用美國雜交種創制的玉米種質基礎歸類及應"" 用分析［J］. 黑龍江農業科學，2022（1）：108-110.

［24］吳晉源，侯有良，盧保紅，等. 先玉335應用對我國玉米產業技術的影響［J］. 山西農業科學，2013，41（3）：304-306.

［25］李忠南，王克偉，王越人，等. 玉米品種先玉335的血緣系譜及主要農藝性狀遺傳分"" 析［J］. 玉米科學，2018，26（3）：32-39.