玉米強雜種優勢組合的基因型分析與分子預測

李 銳 ，馬海林 ,2,，白建榮 ，張 潔 ，關 超 ，楊瑞娟 ，張叢卓

（1.山西省農業科學院作物科學研究所，作物遺傳與分子改良山西省重點實驗室，山西太原 030031；2.山西省農業科學院玉米研究所，山西忻州 034000；3.山西大豐種業有限公司，山西太原 030031）

雜種優勢是保證和提高玉米產量的重要原因。我國玉米生產和育種面臨的主要限制因素是種質基礎薄弱。解決此問題的重要途徑是從玉米多樣性中心系統引進優良種質，并根據雜種優勢模式原理進行改良和利用。玉米是山西省的第一大作物，在山西有很多從事玉米育種的公司與研究單位。隨著商業化育種的進程加快，育種家們從國內外引進了很多自交系，同時也對外引自交系按照育種目標進行改良。目前，很多自交系之間的親緣關系不清，雜種優勢群的歸屬不明。如果對這些材料進行廣泛組配，通過后代的表現選育優良組合，但由于人力、物力、財力等因素的影響，只能進行很少一部分的工作，并且由于環境因素的影響選擇效果并不會太理想。隨著分子標記技術的迅速發展并逐步應用于玉米遺傳多樣性分析中，分子標記技術已經在玉米自交系的遺傳多樣性分析及雜種優勢群的劃分[1-7]、玉米品種指紋圖譜的構建及遺傳多樣性分析[8-18]、雜交種真實性與純度檢測[19-21]等方面大量應用。很多育種人員迫切希望目前成熟的分子標記技術及已測序完成的玉米基因組信息能應用到實際的育種工作中，在基因型水平上預測雜種優勢的親本組合，增加育種工作的目的性和預測性，加快育種進程。但目前此方面的研究甚少。

本研究對山西大豐種業公司多年來收集和培育的大量自交系進行了基因型分析和雜種優勢群劃分；在此基礎上，以一個雜優組合模式為例子，選擇出了一些候選親本自交系，并預測了一些潛在優勢雜優組合，這將為玉米自交系的高效選育和雜優親本的最佳組配提供依據和方法。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 自交系材料 1～81為收集與培育的自交系，82是先玉335、先玉508和先玉696的共同母本。83，84，85分別是先玉335、先玉508和先玉696的父本。86是鄭單958的母本鄭58，87是鄭單958的父本昌7-2（表 1）。

表1 試驗材料

1.1.2 SSR標記的引物 以中華人民共和國農業行業標準（NY/T 1432—2014《玉米品種鑒定技術規程SSR標記法》）的20對核心引物和20對輔助核心引物作為標記引物。

1.1.3 儀器與設備 擴增產物在美國PE公司Labchip GXTouch大分子分析系統進行分析。使用HT DNA Extended Range LabChip微流體實驗室芯片；HT DNA 1K Reagent Kit試劑盒；并使用LABCHIP GXT software USB軟件收集原始數據。Taq DNA聚合酶購于寶生生物工程（大連）有限公司；引物和dNTP等試劑購于上海生工生物技術有限公司。HTDNAExtended Range LabChip微流體實驗室芯片和HT DNA 1K Reagent Kit試劑盒均購于美國PE公司中國代理公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 基因組DNA的提取、純化和檢測 采用混合提取法，每個供試材料2個樣本，每樣本由10個單株（隨機取樣）的葉片混合而成。采用CTAB法提取并純化DNA，用分光光度計檢測DNA的質量和濃度，調整DNA的工作液濃度為20 ng/μL，備用。

1.2.2 擴增與產物熒光檢測 擴增反應在C1000擴增儀上進行。PCR反應總體系為20 μL：10×PCR Buffer（25 mmol/LMg2+）2 μL，2.5 mmol/LdNTPs 1 μL，10 μmol/L SSR 引物 1 μL，Taq DNA 聚合酶0.5 U，DNA模板 80 ng，ddH2O補足 20 μL。PCR 反應程序為：95℃預變性5 min，1個循環；94℃變性1 min，60℃復性30 s，72℃延伸1 min，共35個循環；最后于72℃延伸10 min。

1.3 數據統計和分析方法

1.3.1 遺傳多樣性分析與聚類 利用Reviewer software USB軟件進行圖像分析與數據收集。利用PowerMarker v3.25軟件分析統計每對引物的等位基因個數、基因型個數、等位基因頻率和多態性信息量（PIC），標記索引系數（Marker Index，MI），按Senior等提供的公式MI＝Allele×PIC計算，Allele為該引物的等位基因數。利用NTSYS－pc2.1軟件按照UPGMA方法對各材料進行聚類分析。

1.3.2 雜優類群內自交系差異位點比較 將雜優類群內自交系的40個位點的擴增帶型進行比較，找出相互之間位點差異數及具體位點。

1.3.3 雜優組合的雜合位點數比較 將每個組配的雜優組合的2個親本及每個源品種的2個親本的40個位點的擴增帶型組合成雜交種帶型，統計雜合位點數，每一位點是2條帶的是雜合位點。比較雜優組合與源品種的雜合位點數。

2 結果與分析

2.1 87個自交系的遺傳變異分析

表2 SSR引物在87個玉米自交系中的等位變異及多態信息量

續表2

87個自交系在40個SSR位點檢測到的遺傳變異匯總如表2所示。共檢測出256個等位變異，每對引物檢測出1～15個等位變異，平均6.4個；其中，bnlg16lk8位點有15個等位變異，9個位點的等位變異數在10個以上，反映了在這些位點有高度的等位變異性；有7個位點只檢測出3個及以下等位變異，其中，umc1492y13是一態，表明這些材料在這些位點高度純合。40個位點的多態性信息量PIC值變化范圍在0.00～0.88，平均為0.59；PIC值在0.8以上有2個位點。標記索引指數MI變化范圍在1.00～8.61，平均為3.02。PIC值和標記索引指數MI值表現的趨勢和等位變異數的趨勢是類似的。這些材料的雜合度均為0，表明參試自交系都為純系。

2.2 聚類分析

聚類分析結果顯示（圖1），大部分材料之間的遺傳相似系數在0.77～0.98。在遺傳相似系數大約為0.80水平上可以將所有材料分為4大類。其中，第Ⅰ類包括4小類，第1小類包括82（PH6WC），表明此群為Reid種群；第2小類包括鄭58；第3小類和第4小類來源不清。第Ⅱ類分為2組，組1包括2個材料；組2分為2個組，其中一組包括83（PH4CV為335的父本）、84（PHB1M為508的父本）和85（PH5AD為696的父本），表明此類屬于Lancaster種群。第Ⅲ類包括9個材料，其中包括87（昌7-2），本群為塘四平頭群材料；第Ⅳ類群包括4個材料，可能屬于新的優勢類群。

2.3 雜優模式中親本群的選擇

從圖1可以看出有許多類群以及它們的親緣關系，但是它們組成的雜種模式是否是雜種優勢模式，還需要進行許多研究。但是，我們知道先玉品種類的親本組合是雜種優勢模式之一，即Reid×Lancaster模式，但它們有共同的母本和各自的父本。實際育種工作中，很多育種家也是通過用本地種質改良先玉號的親本獲得改良自交系，以保持該模式的雜種優勢。從圖1可以看出，42，43，44和82（先玉母本） 構成了先玉母本群；13，14，15，16，17，18 和84（508父本）構成了 508父本群；19和 83（335父本）構成了335父本群；30和85（696父本）構成了696父本群。

2.4 先玉模式強優勢組合的親本預測

在選擇了改良親本群后，將對親本進行組合。從表3可以看出，先玉335、先玉508和先玉696的雜合位點數分別為28，27，25個。82與各類父本組合后，雜合位點數少于42與各類父本組合的雜合位點數；43分別與各類父本組合后，組合雜合位點數明顯少于相應的對照，44分別與各類父本組合后，組合雜合位點數明顯多于相應的對照。因此，選擇母本為 42 和 44，父本選擇 13，14，15，16，17，18，19，30 及 83（335 父本）、84（508 父本）、85（696父本）進行組配。42與16，17組配后的雜合位點數是25，都比508雜合位點少，從組合表中去除；42與83（335父本）、84（508父本）、85（696父本）組合后，分別與先玉335、先玉508、先玉696差異僅為2個位點，視為同質品種，也去除。42與19組配后的雜合位點數是27，雖然沒有335雜合位點多，但也屬于多位點，應考慮其中。經比較后形成了推薦雜優組合（表4）。

表3 玉米組合雜合位點分析

表4 玉米候選強優組合

續表4

3 討論

雜種優勢利用是玉米育種的基礎。為此，育種家們從實踐中總結出了許多雜種優勢類群與各種雜優模式。雖然，國內雜優類群按照標準種質劃分為6大類[1]，但近年來，由于先玉品種和鄭單958在生產上的大面積推廣，大家普遍接受了這2種雜優模式，很多育種家就是基于這2種模式進行大規模種質改良與組配雜交組合。因此，在育種中，主要按先玉母本群、先玉父本群、鄭58群和昌7-2群劃分雜優類群。本研究按這樣思路將所有自交系進行了雜種優勢類群的劃分，使育種家們知道各自交系的歸群及親緣關系，指導他們有目標地按照雜優模式進行組配。本研究也顯示還有一個新的類群，有可能是一個新的雜優類群，建議加強對它的研究。

按照雜優模式改良自交系，能方便應用成熟的雜交模式培育新品種，近年來審定的很多品種就是這樣培育出來的，它們經過改良有了一些新的特性如抗性或適應性，又保持了原雜優模式的強雜種優勢。但是，改良系很多，能組配的組合更多，如何產生有效的組合在實踐中產生了困難。本研究比較了改良系與來源品種親本的位點數，篩選出了有效親本自交系。但將所有組合與對照品種的雜合位點數進行比較后發現，不是所有組合的雜合位點數等于或大于對照品種。研究表明，如果僅簡單地按目標雜優類群進行組配是不夠的，有必要進一步把組合與對照品種的雜合位點數進行比較后選擇。本研究建議的雜優組合的分子預測方法在研究中已被證明。當然，推薦的組合要經過田間驗證。

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