62份廣西玉米育種材料遺傳背景分析

楊 萌， 蘇月貴， 何靜丹， 何雪銀， 文仁來(lái)， 田樹(shù)云

(廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 玉米研究所， 廣西 南寧 530007)

0 引言

【研究意義】玉米是世界上雜種優(yōu)勢(shì)利用最早，推廣最有效的作物之一，也是目前中國(guó)種植面積和年總產(chǎn)量最高的作物。選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)新品種首先需研究玉米種質(zhì)資源的遺傳多樣性和系譜關(guān)系，正確劃分種質(zhì)類群，按照特定的雜種優(yōu)勢(shì)模式進(jìn)行組配，才能提高育種效率[1-2]。廣西地處亞熱帶，生態(tài)類型眾多，災(zāi)害性天氣出現(xiàn)頻繁，開(kāi)發(fā)利用生態(tài)類型豐富的熱帶、亞熱帶玉米種質(zhì)資源非常必要。【前人研究進(jìn)展】熱帶、亞熱帶玉米種質(zhì)資源多具有抗病、抗蟲(chóng)和抗逆境等優(yōu)良性狀[3]，但以往對(duì)中國(guó)玉米種質(zhì)的研究利用多集中在溫帶種質(zhì)，與熱帶、亞熱帶種質(zhì)相關(guān)的雜優(yōu)模式研究利用較少。王懿波等[4]在20世紀(jì)末研究中國(guó)玉米雜種優(yōu)勢(shì)群時(shí)預(yù)測(cè)了瑞德種質(zhì)×蘇灣種質(zhì)的溫×熱種質(zhì)雜交優(yōu)勢(shì)模式；黃開(kāi)健[5]通過(guò)系譜分析認(rèn)為，2000年以前廣西玉米育種過(guò)分依賴墨黃9種質(zhì)，遺傳基礎(chǔ)狹窄；吳永升等[6]在2008年對(duì)廣西主要常用玉米自交系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，廣西仍然沒(méi)有占主體地位的玉米雜優(yōu)模式，也沒(méi)有適應(yīng)廣西氣候類型的代表性測(cè)驗(yàn)種；同時(shí)，隨著雜交種的推廣，廣西豐富的亞熱帶地方種質(zhì)資源也逐漸被忽視[7-8]。近年來(lái)雖然有部分關(guān)于中國(guó)西南地區(qū)應(yīng)用溫帶×亞熱帶材料雜種優(yōu)勢(shì)模式的研究[9-13]，也有對(duì)廣西地區(qū)骨干玉米自交系雜種優(yōu)勢(shì)群的再劃分，但分群較為復(fù)雜，溫帶玉米材料難以適應(yīng)廣西的生態(tài)氣候，不同研究者推薦的主體雜優(yōu)模式不一致[14-16]，且缺少對(duì)這些雜優(yōu)模式的針對(duì)性育種開(kāi)發(fā)利用。【本研究切入點(diǎn)】玉米品種桂單0810作為廣西本土首個(gè)國(guó)家玉米主導(dǎo)品種，在抗逆性、品質(zhì)、產(chǎn)量等方面表現(xiàn)突出，其母本桂39722是利用從美國(guó)溫帶雜交種中選育的自交系7239與從國(guó)際玉米小麥改良中心引進(jìn)的熱帶玉米種質(zhì)CML285雜交建立的選系基礎(chǔ)群中選育而成，其父本桂兆18421是利用從泰國(guó)引進(jìn)的熱帶、亞熱玉米群體Swan(late)C4選育獲得。在過(guò)去幾年間，以該品種的雙親為基礎(chǔ)構(gòu)建了相應(yīng)的廣西本土改良群體，并選出若干綜合性狀優(yōu)良的自交系。利用SSR標(biāo)記可以簡(jiǎn)便快捷的從DNA水平上分析生物遺傳多樣性，劃分雜種優(yōu)勢(shì)群，SSR標(biāo)記是加強(qiáng)作物遺傳研究及促進(jìn)育種應(yīng)用的重要手段[17-19]。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】利用60對(duì)多態(tài)性SSR標(biāo)記，對(duì)桂單0810和桂單0811的雙親及以其雙親為基礎(chǔ)選育的改良材料和引進(jìn)外來(lái)種質(zhì)材料的親緣關(guān)系進(jìn)行分析，探索適宜廣西地區(qū)生態(tài)氣候類型的雜種優(yōu)勢(shì)模式，為繼續(xù)拓寬、改良廣西玉米育種材料的遺傳基礎(chǔ)和新品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米種質(zhì)材料包括30份廣西地區(qū)正在使用的骨干自交系、32份引進(jìn)的外來(lái)種質(zhì)(包括5份測(cè)驗(yàn)種)，共62份玉米種質(zhì)資源，具體信息見(jiàn)表1。

表1 62份玉米種質(zhì)資源名稱及其來(lái)源

1.2 方法

使用CTAB小量提取法制備玉米基因組總DNA，從Maize GDB數(shù)據(jù)庫(kù)(www.maizegdb.org)查找合成SSR標(biāo)記，最終選擇其中帶型清晰、分布均勻、多態(tài)性明顯的60對(duì)(表2)。采用10 μLPCR體系擴(kuò)增，經(jīng)7%聚丙烯酰胺凝膠電泳，0.1%硝酸銀染色顯影，使用Excel 2016統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將相同遷移率位置上有條帶的記為1，無(wú)條帶的記為0。最后采用NTsys 2.10e分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行聚類分群。

表2 60對(duì)SSR標(biāo)記的引物名稱

2 結(jié)果與分析

2.1 SSR標(biāo)記多態(tài)性

60對(duì)SSR標(biāo)記在62份自交系中共檢測(cè)出278個(gè)等位基因。每對(duì)SSR標(biāo)記可檢測(cè)3～7個(gè)等位基因，平均4.6個(gè)。電泳帶型清晰穩(wěn)定，多態(tài)性良好(圖1)。

圖1 SSR 引物Phi 328175帶型

2.2 雜種優(yōu)勢(shì)群劃分

根據(jù)聚類結(jié)果，以遺傳相似度系數(shù)0.77為標(biāo)準(zhǔn)，62份玉米材料可分為3個(gè)群(圖2)。

圖2 62份玉米材料的聚類樹(shù)

第Ⅰ群包含24份材料，該群以相似度0.80為標(biāo)準(zhǔn)，又可分為2個(gè)亞群。I-1亞群包含19份材料，I-2亞群包含5份材料。I-1的19份材料中自育材料以桂單0810的母本桂39722為核心(農(nóng)C39-8-2為桂39722的突變體)，包括桂單0811的母本桂39321，引進(jìn)材料中掖478為瑞德種質(zhì)的代表性材料，在聚類圖中與7239最為相似，與該群內(nèi)其他材料相似度略低；I-2亞群包含的材料較少，5份材料均為外來(lái)引進(jìn)材料。結(jié)合桂39722的系譜來(lái)源和選育過(guò)程認(rèn)為，Ⅰ群的13份自育材料為混合了熱帶血緣的改良瑞德種質(zhì)，11份引進(jìn)材料具有與自育材料相近的背景特征。

第Ⅱ群共25份材料，分為2個(gè)亞群。Ⅱ-1亞群包括21份材料，其中自育材料14份，以桂兆18421為核心，是以泰國(guó)Swan(late)C4群體為基礎(chǔ)選育的自交系及其衍生種質(zhì)；另有7份材料為外來(lái)引進(jìn)。Ⅱ-2亞群包含4份材料，其中3份自育材料為桂兆18421的改良系，1份為外來(lái)引進(jìn)。根據(jù)聚類結(jié)果認(rèn)為，Ⅱ群是以Swan(late)C4群體為核心的熱帶、亞熱帶玉米種質(zhì)及與其遺傳背景相近的引進(jìn)種質(zhì)。

第Ⅲ群共10份材料，包括測(cè)驗(yàn)種Mo17，均為外來(lái)引進(jìn)材料，數(shù)量較少，目前不屬于廣西玉米育種的核心材料，該群內(nèi)部無(wú)再劃分亞群的必要。此外，3份自交系齊319、丹340和黃早4為國(guó)內(nèi)玉米雜種優(yōu)勢(shì)群劃分常用測(cè)驗(yàn)種，聚類結(jié)果表明本研究未采集與其背景較為相近的種質(zhì)材料。

2.3 少數(shù)玉米種質(zhì)具有額外特異基因

研究發(fā)現(xiàn)，少數(shù)材料在具有正常等位基因擴(kuò)增條帶的同時(shí)，在較遠(yuǎn)距離額外出現(xiàn)一些低頻率擴(kuò)增條帶(額外特異基因)，類似罕見(jiàn)變異。將60對(duì)SSR引物擴(kuò)增中低頻率擴(kuò)增條帶總數(shù)達(dá)4條及其以上的材料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果(表3)表明，在染色體分布方面，第1、第4、第7和第10染色體的低頻率擴(kuò)增條帶出現(xiàn)概率較多，每條染色體上出現(xiàn)總數(shù)分別為14條、11條、8條和12條；在玉米種質(zhì)材料方面，PHV37(SS)和42號(hào)H8431(SS)材料較易出現(xiàn)額外低頻率擴(kuò)增條帶，低頻率擴(kuò)增條帶總數(shù)分別為13條和27條。

表3 不同玉米種質(zhì)與玉米不同染色體的低頻率擴(kuò)增條帶

3 討論

3.1 廣西本土育種材料創(chuàng)新取得一定進(jìn)展

將研究分群結(jié)果與黃開(kāi)建等[5-6]的研究結(jié)果進(jìn)行比較看出，近20年來(lái)廣西玉米育種一定程度上克服了過(guò)度依賴墨黃9種質(zhì)的情況，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引進(jìn)遺傳基礎(chǔ)更豐富的新種質(zhì)或新類群，將對(duì)廣西玉米育種的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。研究所分析的玉米自交系共包含32份外來(lái)引進(jìn)材料，其中11份引進(jìn)材料被聚類到第Ⅰ群，因此，可從11份引進(jìn)材料中選擇綜合性狀優(yōu)良、配合力高的新自交系以拓寬第Ⅰ群的育種群體，或利用其對(duì)第Ⅰ群的現(xiàn)有廣西本土材料進(jìn)行性狀改良。同樣方法，可以利用被聚類到第Ⅱ群的8份引進(jìn)材料拓寬第Ⅱ群的育種群體，或?qū)Φ冖蛉鹤杂牧线M(jìn)行改良。FAN等[20]研究表明，在地區(qū)性生態(tài)類型豐富的中國(guó)西南部，玉米育種適宜保持3個(gè)雜種優(yōu)勢(shì)群，因此本研究中與Mo17一起被聚類為第Ⅲ群的9份外來(lái)種質(zhì)，可從中選育適應(yīng)廣西氣候、性狀優(yōu)良、配合力較高的自交系與第Ⅰ、第Ⅱ群組配雜交種。

3.2 發(fā)現(xiàn)少數(shù)獨(dú)特基因或獨(dú)特等位基因

研究發(fā)現(xiàn)部分材料具有稀有獨(dú)特的擴(kuò)增位點(diǎn)，說(shuō)明部分玉米種質(zhì)材料及某些染色體區(qū)段可能具有較大的特異性，如遺傳背景非常近似的材料桂兆18421與15樓18421雜2，前者作為成熟的育種材料，在SSR標(biāo)記的電泳結(jié)果中未見(jiàn)額外條帶，而進(jìn)一步改良過(guò)程中選育到的15樓18421雜2，在第1和第10染色體出現(xiàn)部分特異性條帶，推測(cè)該材料的遺傳背景變化可能發(fā)生在2條染色體相應(yīng)區(qū)段。在后續(xù)研究中可采用基因芯片測(cè)序等技術(shù)進(jìn)一步精確地估計(jì)特異性基因(變異)的出現(xiàn)頻率，將有助于提高玉米育種材料的改良效率，挖掘和利用長(zhǎng)期以來(lái)被忽視的種質(zhì)資源，用于育種群體的改良、創(chuàng)新，以及建立新的雜種優(yōu)勢(shì)配對(duì)模式。

4 結(jié)論

4.1 溫?zé)帷翢岱N質(zhì)雜優(yōu)模式符合廣西生態(tài)類型

目前廣西地區(qū)廣泛種植的品種桂單0810(親本為桂7239×桂兆18421)和桂單0811(親本為桂39321×桂兆18421)具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、質(zhì)優(yōu)、廣適、多抗的優(yōu)良綜合性狀，通過(guò)對(duì)2個(gè)品種選育過(guò)程中所利用的玉米育種群體及選育出的自交系的遺傳背景分析表明，桂單0810和桂單0811雙親的組配利用了改良瑞德種質(zhì)×蘇灣種質(zhì)的溫?zé)帷翢岱N質(zhì)雜優(yōu)模式，建議在今后的實(shí)際育種工作中，2群分別進(jìn)行改良選系，進(jìn)一步提高2群的一般配合力，同時(shí)拉大2群間的遺傳距離，擴(kuò)大雜種優(yōu)勢(shì)，在2群間進(jìn)行雜交種組配。這也與王懿波等[21]的研究預(yù)測(cè)結(jié)果相符。

4.2 部分優(yōu)良性狀宜結(jié)合分子技術(shù)進(jìn)行育種改良

研究的部分引進(jìn)材料具有一些優(yōu)良性狀，如LH196和E8501具有耐低溫特點(diǎn)，PHJ65具有耐澇特點(diǎn)，可通過(guò)常規(guī)育種方法利用其對(duì)同一雜種優(yōu)勢(shì)群的材料進(jìn)行改良，但若利用其對(duì)不同雜種優(yōu)勢(shì)群的材料進(jìn)行改良，如利用第Ⅰ群的PHJ65改良第Ⅱ群部分材料的耐澇性，可能會(huì)造成Ⅱ群相應(yīng)材料遺傳背景混雜、遺傳距離變近、原有優(yōu)良性狀丟失及配合力降低等問(wèn)題。對(duì)此，可通過(guò)分子生物學(xué)方法挖掘控制其優(yōu)良性狀的基因位點(diǎn)，通過(guò)分子標(biāo)記輔助將單個(gè)基因片段導(dǎo)入相應(yīng)自交系，在不改變材料本身背景的情況下進(jìn)行定向改良。