利用SNP 標(biāo)記劃分玉米自交系雜種優(yōu)勢(shì)類(lèi)群

師亞琴 孟慶立 楊少偉 張宇文 雷格麗

（1 寶雞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，陜西岐山 722499；2 寶雞迪興農(nóng)業(yè)科技有限公司，陜西眉縣 722305）

玉米是我國(guó)第一大糧食作物，同時(shí)也是重要的飼料和工業(yè)原料，對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重要作用[1-2]。種質(zhì)資源是研究作物起源、進(jìn)化，培育作物新品種的基礎(chǔ)材料[3]。當(dāng)前玉米生產(chǎn)中，產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性的提高和改善主要?dú)w功于雜種優(yōu)勢(shì)育種的利用。因此，通過(guò)對(duì)種質(zhì)資源類(lèi)群的劃分并建立相應(yīng)的雜種優(yōu)勢(shì)模式，能有效地改良自交系和選配雜交組合，拓寬種質(zhì)遺傳基礎(chǔ)，是提高玉米育種的重要手段。

隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，SNP 標(biāo)記技術(shù)作為第三代分子標(biāo)記，具有分布廣泛、系統(tǒng)化自動(dòng)化程度高、易于建立標(biāo)準(zhǔn)化操作等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)作物遺傳多樣性分析、種間親緣關(guān)系分析和種質(zhì)資源鑒定方面具有廣泛的應(yīng)用[4]。其中，盧柏山等[5]利用1031 個(gè)SNP 標(biāo)記將39 份甜玉米自交系劃分為5 個(gè)類(lèi)群。吳金鳳等[6]利用1041 個(gè)SNP 標(biāo)記對(duì)51 份自交系進(jìn)行類(lèi)群劃分，劃群結(jié)果與系譜來(lái)源一致。何冰紓等[7]利用 SNP 標(biāo)記推斷陜單609 的雜種優(yōu)勢(shì)模式為Reid×塘四平頭。本研究利用中玉金標(biāo)記（北京）生物技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中玉金標(biāo)記）玉米10K SNP 芯片（中玉芯1 號(hào)）檢測(cè)，利用其中4550個(gè)標(biāo)記，研究了80 份已知系譜來(lái)源或未知血緣的玉米自交系的雜種優(yōu)勢(shì)類(lèi)群，檢驗(yàn)SNP 標(biāo)記開(kāi)展類(lèi)群劃分的可靠性，同時(shí)為玉米自交系改良和新品種的選育提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料本研究選取80 份玉米自交系為試驗(yàn)材料，自交系編號(hào)為BJ1801～BJ1880，材料來(lái)源詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1 材料編號(hào)及系譜來(lái)源

1.2 試驗(yàn)方法大田幼苗3 葉1 心后用打孔器取嫩葉，并將取好葉片的采樣管放在取樣盤(pán)中對(duì)應(yīng)的位置，置于冰盒保存，交由中玉金標(biāo)記完成SNP 芯片檢測(cè)。在種質(zhì)資源分析中，中玉金標(biāo)記加入了一批玉米骨干自交系作為雜種優(yōu)勢(shì)群劃分的參照。

1.3 數(shù)據(jù)分析利用PowerMarker V3.25 軟件對(duì)SNP 位點(diǎn)進(jìn)行遺傳多樣性分析，計(jì)算多態(tài)性信息含量（PIC）以及自交系間遺傳距離，并利用Treebest軟件構(gòu)建NJ 聚類(lèi)圖，進(jìn)行雜種優(yōu)勢(shì)群的劃分。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)控本研究使用中玉芯1 號(hào)設(shè)計(jì)的標(biāo)記做分析，在基因分型之前，先計(jì)算各自交系的DQC（Dish QC）和call rate（CR）值，以DQC＞0.82、CR＞96%做篩選閾值，對(duì)80 份自交系進(jìn)行質(zhì)控。結(jié)果表明，79 份自交系同時(shí)達(dá)到DQC 和CR 閾值，BJ1809 的CR 值低于閾值，在后續(xù)分析中被舍棄；自交系質(zhì)控的平均CR 值為99.252%。79 份自交系進(jìn)行SNP 位點(diǎn)質(zhì)控后，剩余8279 個(gè)標(biāo)記。將供試自交系數(shù)據(jù)與中玉金標(biāo)記種質(zhì)資源庫(kù)數(shù)據(jù)合并，去除缺失率＞0.1、MAF＜0.05 的位點(diǎn)，剩余4550 個(gè)標(biāo)記進(jìn)行后續(xù)分析。

2.2 SNP 位點(diǎn)遺傳多樣性分析PIC 值是衡量DNA 座位變異程度高低的重要指標(biāo)。根據(jù)Botstein等[8]提出的多態(tài)性信息含量評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng) PIC ≥0.5時(shí)為高度多態(tài)；0.25 ≤PIC＜0.5 時(shí)為中度多態(tài)；PIC＜0.25 時(shí)為低度多態(tài)。本研究中，4550 個(gè)SNP 位點(diǎn)在79 份玉米自交系上的平均PIC 值為0.39，為中度多態(tài)，說(shuō)明79 份自交系遺傳多樣性較好。

2.3 自交系遺傳相似度根據(jù) SNP 位點(diǎn)的基因分型數(shù)據(jù)，應(yīng)用Nei’s 1972 算法計(jì)算自交系之間的遺傳距離。結(jié)果表明，79 份自交系間的遺傳相似度變化為 24.9%～99.9%，自交系間平均遺傳相似度為51.2%，其中自交系BJ1864 與 BJ1811 之間遺傳相似度最低，表明這2 個(gè)自交系親緣關(guān)系最遠(yuǎn)，遺傳差異較大；而B(niǎo)J1848 與 BJ1849 之間遺傳相似度最高，表明這2 個(gè)自交系血緣關(guān)系最近，遺傳差異較小。

根據(jù)計(jì)算的遺傳相似度，以10%為組距進(jìn)行頻數(shù)分布分析（圖1）。可以看出，79 份自交系間遺傳相似度主要分布在50%～60%之間，有1586 對(duì)自交系，占總數(shù)的52.81%；遺傳相似度一般在60%或70%以上，則認(rèn)為是同一血緣材料，其中60%以上遺傳相似度有303 對(duì)，占總數(shù)的10.09%；遺傳相似度在50%以下代表材料間沒(méi)有明顯的血緣關(guān)系，有1114 對(duì)，占總數(shù)的37.10%。結(jié)果表明，79 份玉米自交系間遺傳關(guān)系比較豐富。

圖1 79 份玉米自交系之間的相似度頻數(shù)分布圖

2.4 自交系聚類(lèi)分析利用中玉金標(biāo)記提供的45份骨干自交系做分類(lèi)參考，并計(jì)算與供試自交系之間的遺傳距離，構(gòu)建NJ 聚類(lèi)圖，進(jìn)行聚類(lèi)分析。聚類(lèi)分析結(jié)果表明，79 份自交系除BJ18053 未劃分出對(duì)應(yīng)的類(lèi)群，其余78 份自交系可被劃分為明顯的兩大類(lèi)（圖2），兩大類(lèi)又可被分為7 個(gè)亞群，一類(lèi)包含瑞德、黃改、P 群和Lancaster，另一類(lèi)包含Iodent、迪卡選系和先鋒改良群。第Ⅰ類(lèi)群包括BJ1835、BJ1837、BJ1842 等8 個(gè)自交系，屬瑞德群。第Ⅱ類(lèi)群包括BJ1826、BJ1830、BJ1875、BJ1879，為昌7-2 改良系，屬黃改群。第Ⅲ類(lèi)群包括BJ1813、BJ1838、BJ1878 3 個(gè)自交系，屬P 群。第Ⅳ類(lèi)群包 括BJ1841、BJ1812、BJ1814 等5 個(gè)自交系，屬Lancaster 群。第Ⅴ類(lèi)群包括BJ1863、BJ1845、BJ1815 等27 個(gè)自交系，屬先鋒改良群。第Ⅵ類(lèi)群包 括BJ1822、BJ1867、BJ1868 等18 個(gè)自交系，屬迪卡選系群。第Ⅶ類(lèi)群包括BJ1801、BJ1804、BJ1802 等13 個(gè)自交系，屬I(mǎi)odent 群。

圖2 供試自交系聚類(lèi)分析圖

3 結(jié)論與討論

本研究利用4550 個(gè)標(biāo)記對(duì)80 份自交系進(jìn)行類(lèi)群劃分，SNP 位點(diǎn)多態(tài)性信息含量平均值為0.39。趙久然等[9]利用SNP 標(biāo)記對(duì)344 份玉米自交系進(jìn)行遺傳多樣性分析，結(jié)果表明，3072 個(gè)SNP 位點(diǎn)多態(tài)性信息含量平均值為0.344。本研究選用的4550個(gè)SNP 位點(diǎn)具有較高的多態(tài)性和類(lèi)群區(qū)分能力。孫友位等[10]利用SSR 標(biāo)記研究85 個(gè)自交系的遺傳多樣性，將85 份自交系分為兩類(lèi)6 個(gè)亞群，一類(lèi)包含 PA、熱帶種質(zhì)和旅大紅骨，另一類(lèi)包含Lancaster、塘四平頭和農(nóng)家種。本研究將供試自交系劃分為兩大類(lèi)、7 個(gè)亞群，一類(lèi)包含瑞德、黃改、P 群和Lancaster，另一類(lèi)包含Iodent、迪卡選系和先鋒改良群。這可能是由于種質(zhì)資源基礎(chǔ)不同，造成劃分結(jié)果不同。本研究結(jié)果表明，雜種優(yōu)勢(shì)群劃分結(jié)果與系譜來(lái)源有較好的一致性，如BJ1817 和BJ1818均為14025×14022 選育而來(lái)，被聚為同一類(lèi)群；BJ1830、BJ1875 均為昌7-2 改良系，被聚為同一類(lèi)群。此外，未知血緣的自交系也劃入相應(yīng)的類(lèi)群中，如BJ1871、BJ1876 劃入先鋒改良群；BJ1803、BJ1822、BJ1823、BJ1851 等8 個(gè)自交系劃入迪卡選系群。說(shuō)明利用SNP 標(biāo)記進(jìn)行玉米自交系類(lèi)群劃分可正確反映自交系間的血緣關(guān)系，明晰未知血緣關(guān)系的自交系所屬類(lèi)群，為自交系間的改良、雜交種的組配提供依據(jù)，降低育種工作中的盲目性，加快育種工作進(jìn)程。

供試材 料BJ1801、BJ1804 和BJ1840 引進(jìn)時(shí)系譜來(lái)源記載為696F 改良系，應(yīng)該劃入同一群中，但試驗(yàn)結(jié)果卻是BJ1801、BJ1804 劃入Iodent 群，BJ1840 劃入迪卡選系群，這可能是BJ1840 在改良696F 時(shí)應(yīng)用了迪卡選系群的種質(zhì)。此外，BJ1835和BJ1836 系譜記載為DK519 二環(huán)選系，在類(lèi)群劃分時(shí)，BJ1835 劃入瑞德群，BJ1836 為迪卡選系群，這可能是由于BJ1835 在選系時(shí)為開(kāi)放授粉，引入了瑞德群的種質(zhì)。在自交系改良時(shí)應(yīng)有明確的方向，盡可能應(yīng)用歸屬同一大類(lèi)的亞群之間的材料進(jìn)行改良，既能保持雜種優(yōu)勢(shì)，又可以豐富遺傳背景。同時(shí)，應(yīng)避免開(kāi)放授粉選系，以免造成血緣不清難以利用。