基于高密度SNP標記對112份溫熱改良玉米自交系的遺傳特征鑒定與表型性狀評價

王棟 郭爽 聶蕾 何玥 涂亮 蔣喻林 劉鵬飛 王安貴 祝云芳 郭向陽 吳迅 陳澤輝

摘要：種質資源表型和基因型鑒定評價是深入發掘優勢基因資源、創制優勢種質材料的前提和基礎，對于培育優勢玉米雜交種具有十分重要的意義。以112份溫熱改良玉米自交系為供試材料，利用包含6萬個SNP標記的Maize SNP 50芯片對其進行基因型鑒定，并結合該群體在不同生態環境下的表型鑒定結果，對不同自交系的抗性、所屬雜種優勢類群等進行評價?；蛐头治鼋Y果發現，112份自交系首先被劃分為Iodent種質（Ⅰ類）、Suwan種質（Ⅱ類）和溫熱改良種質（Ⅲ類）3類，再次被劃分為分別以HCL645、T32、QR273、黃早四、PH4CV和B73為代表自交系的6個亞群；進一步被劃分為以HCL645、T32、QB446、QR273、黃早四、PH4CV、鄭58、齊319和B73為代表自交系的9個亞群。結果顯示，112份自交系的散粉期、株高、穗位高、穗長、穗粗、穗行數、行粒數、禿尖長、莖腐病、南方銹病和白斑病等不同性狀之間呈現出一定的相關性。散粉期與株高、穗位高呈極顯著正相關，與莖腐病、南方銹病和白斑病病級均呈極顯著負相關，相關系數分別為0.19、0.32、-0.28、-0.32和-0.21。此外，Iodent種質表現出生育期短、穗行數多等優點；Suwan種質表現出生育期長、植株高大和抗病性強的特點；溫熱改良種質表現出生育期較短的優點。其中，Iodent種質和Suwan種質表現出優勢互補，具有豐富的育種利用價值。

關鍵詞：玉米自交系；遺傳多樣性；性狀評價；SNP標記

中圖分類號：S513.03? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）06-0077-07

收稿日期：2023-10-30

基金項目：貴州省科技支撐計劃（編號：黔科合支撐[2022]重點029）；貴州省山地農業關鍵核心技術攻關項目（編號：GZNYGJHX-2023012）；國家自然科學基金（編號：32171981、32060460、32160451）；貴州省農業科學院科技創新項目（編號：[2022]03號）；貴州省育種科研基礎平臺創新能力建設項目（編號：黔科合服企[2022]014）；黔農科院國基后補助項目（編號：[2021]16號、[2022]02號、[2022]09號）；貴州省自然科學基金（編號：黔科合基礎[2022]一般236）；貴州喀斯特山區重要作物生物育種平臺建設項目（編號：黔科合中引地[2023]033）；貴州省十層次人才項目（編號：[2018]5629）。

作者簡介：王棟（1997—），男，貴州劍河人，碩士研究生，研究方向為遺傳育種。E-mail：wdong926400@163.com。

通信作者：陳澤輝，博士，研究員，主要從事玉米遺傳育種研究。E-mail：chenzh907@sina.com。

種質資源是大自然長期演變形成的產物，攜帶著大量的有益基因，是品種選育和遺傳改良的物質基礎^[1-3]。開展種質資源研究對農業發展、保護生物多樣性和生態環境具有重要意義，是研究和培育高產、優質、抗病蟲新品種的重要環節，更是提升一個國家作物育種領域核心競爭力的關鍵^[4]。玉米種質資源具有豐富的遺傳多樣性，在長期的馴化、人工選擇過程中，形成了豐富的表型和多樣的基因型?；蜩b定和表型評價是種質資源研究、認知和改良利用的基礎^[5]。Liu等利用Maize SNP 50芯片對240份玉米自交系進行了基因鑒定，并將240份自交系劃分為5個類群^[6]。Wu等利用高通量的SNP芯片，將367份自交系劃分為5個類群^[7]。張亞菲等對黃淮海夏玉米區36個品系的農藝性狀進行了聚類分析，將其劃分為三大類6個亞類^[8]。郭歡樂等對139份玉米地方種進行表型性狀鑒定，將其劃分為3個類群^[9]。王新濤等對572份玉米種質資源進行粗縮病抗性鑒定，篩選出22份抗病材料，并利用40對簡單重復序列（SSR）標記對22份抗病材料和6份測驗種進行遺傳多樣性分析，將28份材料劃分為7個類群，并揭示了來自美國雜交種78599的玉米自交系所組成亞群的粗縮病抗性較好^[10]。王婷等基于69對SSR引物，將73份玉米種質資源劃分為6個類群，并結合瘤黑粉病的抗性鑒定結果，揭示了高抗瘤黑粉病材料主要集中在旅大紅骨和PB種質^[11]。然而，種質資源研究仍存在資源收集保護力度不夠、育種利用效率低、精準鑒定不足等問題^[12-13]，尤其是針對溫熱改良材料的研究需要進一步深入。

因此，本研究以112份重要玉米自交系為供試材料，利用包含6萬個單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism，SNP）標記的Maize SNP 50芯片對其進行基因型鑒定，結合該群體的散粉期、株高、穗位高、穗長、穗粗、穗行數、行粒數、禿尖長，莖腐病、南方銹病和白斑病等表型鑒定結果，對不同自交系的抗性、所屬雜種優勢類群等進行評價，揭示不同自交系間的遺傳差異，并剖析不同雜種優勢類群間的表型性狀特點，以期為后續優異基因挖掘、種質遺傳改良和強優勢組合選育提供理論參考。

1? 材料與方法

1.1? 供試材料

本研究所用材料為112份溫熱改良玉米自交系，詳細信息見表1。

1.2? 田間試驗設計

2021年11月，將112份供試材料種植于海南省三亞市，行長3 m，行距6 cm，株距25 cm，雙行區，自然散粉，田間管理參照當地生產水平進行。分別調查不同自交系的散粉期、株高、穗位高、穗長、穗粗、穗行數、行粒數、禿尖長、莖腐病和南方銹病發生情況等。

2022年6月，112份供試材料分別種于云南省的文山州、石林市和墨江市，進行白斑病抗性鑒定。

1.3? 基因型鑒定

基因型鑒定工作已于2019年由筆者所在課題組完成^[14]。于供試材料5葉期時取幼嫩葉片備用，采用改良十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）法提取基因組DNA，并用瓊脂糖凝膠電泳和分光光度計檢驗基因組DNA的完成性和濃度。檢測合格的DNA樣品送北京康普森生物技術有限公司進行后續雜交和鑒定試驗?；蛐丸b定采用包含6萬個SNP標記的MaizeSNP50芯片，相關工作由北京康普森生物技術有限公司完成，后續的SNP讀取、高質量位點篩選等參照Wu等描述的方法^[14]進行。

1.4? 表型測定

散粉期、株高、穗位高、穗長、穗粗、穗行數、行粒數和禿尖長等性狀參考石云素的方法^[15]進行評價與描述。玉米莖腐病和南方銹病參考NY/T 1248.5—2006 《玉米抗病蟲性鑒定技術規范》進行評價。玉米白斑病參考專利CN115058486A 《一種玉米白斑病的抗病性鑒定方法》進行評價，本研究白斑病病級取3個環境綜合病情值。

1.5? 群體結構分析

基于基因型鑒定結果，篩選出3 758個高質量SNPs，并利用Structure 2.3.4軟件對112份自交系進行群體結構分析，設置亞群數量（K）為1～10個，迭代次數為3次，模擬參數迭代（length of bum-in period）和蒙特卡羅迭代（markov chain monte carlo，MCMC）均設置為5 000次；將計算所得結果輸入Structure Harvester（https：//taylor0.biology.ucla.edu/struct_harvest/），計算2個連續后驗概率值的變化速率（ΔK）和每個材料在1～10亞群的Q值，以 Q= 0.5為分界線，最終確定亞群數量和結構。

2? 結果與分析

2.1? 群體結構分析

根據Structure 2.3.4軟件對112份自交系進行群體結構分析結果（圖1），發現K值取3、6和9時均有峰值。因此，112份自交系首先被劃分為Iodent種質（Ⅰ類）、Suwan種質（Ⅱ類）和溫熱改良種質（Ⅲ類）3類；再次被劃分為分別以HCL645、T32、QR273、黃早四、PH4CV和B73為代表自交系的6個亞群；進一步被劃分為分別以HCL645、T32、QB446、QR273、黃早四、PH4CV、鄭58、齊319和B73為代表自交系的9個亞群。

2.2? 表型分析

表型鑒定結果（表2）顯示，對于散粉期（即從播種到散粉所需天數）性狀，Ⅰ類群、Ⅱ類群和Ⅲ類群的變化范圍分別為47.00～53.00、47.00～59.00、47.00～59.00 d，變異系數分別為3.90%、4.53%和5.05%。3個類群株高的變化范圍分別為142.67～203.00、148.33～260.67、120.33～257.00 cm，變異系數分別為12.58%、12.44%和15.19%；穗位高的變化范圍分別為50.67～67.33、49.00～118.33、38.33～99.00 cm，變異系數分別為7.43%、20.46%和21.00%；穗長的變化范圍分別為10.17～14.50、9.17～15.67、8.00～16.63 cm，變異系數分別為13.22%、14.55%和15.47%；穗粗的變化范圍分別為3.17～4.40、2.50～5.10、3.00～5.00 cm，變異系數分別為9.34%、16.10%和11.84%；穗行數的變化范圍分別為14.70～21.00、12.00～19.00、10.00～19.30行，變異系數分別為14.18%、12.58%和12.11%；行粒數的變化范圍分別為20.30～27.50、14.00～35.00、11.30～30.30粒，變異系數分別為8.76%、21.58%和18.38%；禿尖長的變化范圍分別為0.17～1.77、0.00～6.33、0.00～3.97 cm，變異系數分別為49.72%、94.19%和83.69%；莖腐病的病級變化范圍分別為1.00～9.00、1.00～7.00、1.00～7.00，變異系數分別為53.53%、50.18%和52.98%；南方銹病的病級變化范圍分別為3.00～7.00、1.00～7.00和1.00～9.00，變異系數分別為23.53%、55.14%和42.85%；Ⅰ類群、Ⅱ類群和Ⅲ類群的白斑病病級變化范圍均為1.00～9.00，變異系數分別為31.55%、53.48%和59.26%。

Pearson相關性分析結果（圖2）表明，散粉期與株高、穗位高呈顯著正相關，與莖腐病、南方銹病和白斑病病級均呈顯著負相關，相關系數分別為0.19、0.32、-0.28、-0.32和-0.21；白斑病病級與穗行數呈顯著正相關，與株高和穗位高呈顯著負相關，相關系數分別為0.38、-0.24和-0.20；株高與穗位高、穗長和穗粗呈顯著正相關，相關系數為0.73、0.23和0.26；穗長與南方銹病病級呈顯著負相關，與禿尖長、穗粗和行粒數呈顯著正相關，相關系數分別為-0.19、0.26、0.27和0.59；穗粗與穗行數呈顯著正相關，相關系數為0.28；行粒數與禿尖長呈顯著負相關，相關系數為-0.26。

2.3? 不同類群間的性狀差異

對3個類群的散粉期、株高、穗位高、穗長、穗粗、穗行數、行粒數、禿尖長、莖腐病、南方銹病和白斑病等性狀進行Scheffe比較，結果（表3）顯示，3個類群間的多個性狀存在顯著差異。Iodent（Ⅰ）和Suwan（Ⅱ）間的散粉期、株高、穗位高、穗行數、莖腐病、南方銹病和白斑病等性狀存在著顯著或極顯著差異；Iodent（Ⅰ）與Suwan（Ⅱ）相比較，Iodent（Ⅰ）的散粉期較短，株高、穗位高較低，穗行數較多，但對莖腐病、南方銹病和白斑病的抗性較差。Iodent（Ⅰ）和溫熱改良系（Ⅲ）間的散粉期、株高、穗行數、莖腐病和白斑病等性狀存在著顯著或極顯著差異；Iodent（Ⅰ）與溫熱改良系（Ⅲ）相比較，Iodent（Ⅰ）的散粉期較短，株高較低，穗行數較多，但對莖腐病和白斑病的抗性較差，溫熱改良系（Ⅲ）則相反。Suwan（Ⅱ）和溫熱改良系（Ⅲ）間的散粉期、穗位高和南方銹病等性狀存在著顯著或極顯著差異；Suwan（Ⅱ）和溫熱改良系（Ⅲ）相比較，Suwan（Ⅱ）的散粉期較長，穗位高較高，南方銹病抗性較強。

綜上，Iodent（Ⅰ）生育期短，株型清秀，穗行數多，抗病性差；Suwan（Ⅱ）生育期長，植株高大，抗病性強；溫熱改良系（Ⅲ）生育期較短，抗性一般。

3? 討論與結論

3.1? 溫熱玉米種質改良形成新的雜種優勢類群

近年來，研究者們利用SSR、SNP和InDel等類型的標記，對大量玉米種質資源進行系統性的評價與分析，剖析其遺傳多樣性與群體結構，便于后續的種質改良與創新。趙小敏等利用41對SSR引物對56份自交系進行遺傳多樣性分析，將其劃分為7類^[16]。劉志齋等利用40個覆蓋玉米全基因組的核心SSR標記進行分子鑒定，將820份自交系劃分為塘四平頭、Reid、Lancaster、旅大紅骨與P群等5個類群^[17]。師亞琴等利用SNP標記將79份玉米自交系劃分為兩大類7個亞群（Reid、黃改類、P群、Lancaster、Iodent、迪卡選系和先鋒改良群）^[18]。本研究基于6萬個SNP的基因型鑒定結果，利用Structure 2.3.4軟件對112份溫熱自交系進行群體結構分析，首先將供試群體分為3個亞群，其結果與系譜來源大致相同。其中，Ⅰ類群主要包括Iodent種質；Ⅱ類群主要包括Suwan等熱帶種質；Ⅲ類群以溫熱改良系為主。此外，112份材料可進一步劃分為6類，分別以HCL645、T32、QR273、黃早四、PH4CV和B73為代表；甚至可劃分為9類，分別以HCL645、T32、QB446、QR273、黃早四、PH4CV、鄭58、齊319和B73為代表，說明玉米在自然或人工馴化過程中不斷形成新的種質^[19]。即當一個雜種優勢群體融入其他的遺傳成分，其背景產生差異化，新的類群增加。

3.2? 溫熱改良玉米種質促進優勢性狀融合

Pearson相關性分析結果（圖2）表明，不同性狀之間呈現出一定的相關性。散粉期與株高、穗位高呈顯著正相關，與莖腐病、南方銹病和白斑病病級呈顯著負相關；白斑病病級與穗行數呈顯著正相關，與株高、穗位高呈顯著負相關；株高與穗位高、穗長和穗粗呈顯著正相關；穗長與南方銹病病級呈顯著負相關，與禿尖長、穗粗和行粒數呈顯著正相關；穗粗與穗行數呈顯著正相關；行粒數與禿尖長呈顯著負相關。Iodent種質與Suwan種質相比較，Iodent的散粉期較短，株高、穗位高較低，穗行數較多，但對莖腐病、南方銹病和白斑病的抗性較差。Iodent散粉期和株型等性狀均優于Suwan，但其抗病性較差；相反，Suwan散粉期和株型等性狀較差，但抗病性較強；兩者遺傳背景差異大，優勢互補。因此，可將Suwan導入Iodent改善其抗性差的問題；同樣，可將Iodent導入Suwan改善熱帶種質生育期晚、植株繁茂等問題。郭向陽等利用Iodent種質和Suwan種質構建基礎群體，進行溫熱融合，成功創制出配合力高、株型清秀、無感光性且抗性強的QB5725、QB5746和QB5775等SI（Suwan-Iodent）種質，很好地將Iodent與Suwan的特點聚集在一起，且SI種質所配雜交種已大面積生產，如康農玉8009、YD819等^[20]。報道顯示，溫帶種質生育期短、株型清秀、豐產性好，但抗病性差；熱帶種質抗病性強、品質好，但生育期長、植株高大^[21-22]，本研究結果與之一致。即熱帶種質與溫帶種質的遺傳背景差異大，性狀優勢互補，選擇潛力和利用價值豐富；將兩者的有利基因聚集，改變原有的適應性和農藝性狀，提高溫帶資源的抗性，改善熱帶種質的株型與生育期，擴大玉米資源的遺傳基礎，與前人的報道^[23-24]基本一致。然而，因光周期敏感等問題熱帶種質在溫帶地區缺乏適應性，在進行溫熱互融時，難以選出符合目標性狀的理想株系^[25-26]。前人研究表明，通過與早熟或適應性資源進行雜交或回交，是解決熱帶種質光周期問題的重要途徑之一^[27-28]。Iodent作為早熟資源，用于熱帶種質改良可有效解決熱帶種質光周期等問題，郭向陽等利用Suwan種質與不同溫帶玉米種質組配，對不同類型雜交種的生育期、株高、穗位高等性狀進行評價，發現Suwan-Iodent模式的雜交種優于Suwan與其他類型的雜交組合，且光周期不敏感，可正常開花結實；Suwan與其他類型的雜交組合在溫帶地區則存在著由光周期反應引起的一系列問題^[29]?，F階段，雖已有許多成功的案例將熱帶種質與溫帶種質融合，但溫熱種質融合受生態環境和基因連鎖影響較大，仍需要大量的田間實踐與研究。

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