60份玉米種質(zhì)資源遺傳多樣性分析

摘要：為探究河北省玉米（Zea mays L.）種質(zhì)的遺傳多樣性，以‘鄭單958’為對照，基于農(nóng)藝性狀和SSR標記對60份玉米種質(zhì)進行遺傳多樣性分析。結(jié)果表明農(nóng)藝性狀變異系數(shù)為3.35%～18.36%，農(nóng)藝性狀聚類結(jié)果將供試材料分為 6個組，同來源材料大多歸為一組。32對引物共擴增出82個標記位點，多態(tài)性位點78個，多態(tài)比率95.12。每對引物擴增多態(tài)性位點 2～6個，平均2.56個。各材料遺傳距離在0.057～0.781之間，平均為0.367，SSR聚類結(jié)果將供試材料分為6個組群。冀玉系列的遺傳多樣性最豐富，離散程度最高；蠡玉系列與‘鄭單958’的遺傳距離最遠。兩種方法的分析結(jié)果具有共性，但也存在一定差異，蠡玉、冀玉、滄玉系列在農(nóng)藝性狀和SSR標記上均具有特異性，其他材料僅在SSR標記上具有特異性。將兩種方法結(jié)合，能更全面的了解河北省玉米種質(zhì)的遺傳背景，為新品種選育提供依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：玉米;種質(zhì)資源;農(nóng)藝性狀;遺傳多樣性;SSR標記

中圖分類號：S513 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0435（2024）04-1162-07

Genetic Diversity Analysis of 60 Maize Germplasm Resources

CHANG Hong-bing1， WANG Chen1， HE Mei-jing1， CAO Xi-min1， YU Feng-fang1， CAO Xiao-liang1， SONG Wei2*， LYU Ai-zhi1*

Abstract：To explore the genetic diversity of maize （Zea mays L.） germplasm in Hebei Province，‘Zhengdan 958’ was used as a control and genetic diversity analysis was conducted on 60 maize germplasm based on agronomic traits and SSR markers. The results showed that the variation coefficient of agronomic traits ranged from 3.35% to 18.36%. The clustering results of agronomic traits divided the test materials into 6 groups，and most of the materials from the same source were grouped together. 32 pairs of primers amplified a total of 82 marker sites，with 78 polymorphic sites and a polymorphic ratio of 95.12. Each pair of primers amplifies 2-6 polymorphic loci，with an average of 2.56. The genetic distance of each material ranged from 0.057 to 0.781，with an average of 0.367. The SSR clustering results divided the tested materials into 6 groups. The Jiyu series had the richest genetic diversity and the highest degree of dispersion;The Li Yu series had the farthest genetic distance from ‘Zheng Dan 958’. The analysis results of the two methods had commonalities，but there were also certain differences. The Liyu，Jiyu，and Cangyu series had specificity in agronomic traits and SSR markers，while other materials only had specificity in SSR markers. Combining the two methods provided a more comprehensive understanding of the genetic background of maize germplasm in Hebei Province，and provided a basis and reference for the breeding of new varieties.

Key words：Corn;Germplasm resource;Agronomic traits;Genetic diversity;SSR marker

在全球三大谷物中，玉米（Zea mays L.）種植面積僅次于小麥（Triticum aestivum L.）、稻谷（Oryza Sativa L.），位居第3位，單產(chǎn)及總產(chǎn)量位居谷物之首［1］。在我國玉米種植面積及總產(chǎn)量均居首位，總產(chǎn)量位居世界第2位［2］。玉米是重要的糧食及飼料作物，是飼料工業(yè)和畜牧行業(yè)生產(chǎn)的主要投入品，也是玉米深加工等工業(yè)行業(yè)的重要原料，其次還關(guān)聯(lián)到化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域［3］，因此玉米的種植生產(chǎn)對保障我國糧食及飼料安全都有著重要作用［4-7］。近年來，我國品種審定制度改革后，隨著玉米品種審定渠道的增加，每年新增審定玉米數(shù)量巨大，玉米品種多、亂、雜現(xiàn)象日趨嚴重，但對這些品種的遺傳來源并不清楚，所以摸清我國玉米品種遺傳背景現(xiàn)狀已是尤為重要。

遺傳多樣性分析作為作物種質(zhì)資源研究的重要手段，可以了解不同品種之間的遺傳差異，推動植物育種與遺傳改良。遺傳多樣性分析可以從形態(tài)學(xué)鑒定和分子標記鑒定2個方面進行，形態(tài)學(xué)鑒定是從植物的表型性狀來區(qū)分品種差異，分子標記鑒定是通過遺傳物質(zhì)反映品種間遺傳變異程度［8］。傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)檢測容易受到環(huán)境因素的干擾，通過分子標記鑒定技術(shù)與形態(tài)學(xué)鑒定，二者互為佐證，可以更好的鑒定品種的遺傳背景［9］。SSR標記因具有共顯性、多態(tài)性高、分型技術(shù)簡便快捷、成本低等優(yōu)點，被廣泛運用在品種標準DNA指紋構(gòu)建和檢測中［10］。連靈燕等［11］利用21對引物構(gòu)建了20個玉米自交系的指紋圖譜，孫艷楠等［12］對134份皮燕麥（Avena sativa L.）的生物學(xué)性狀進行了多樣性分析，田紅麗等［13］對吉林省290個玉米品種進行了遺傳多樣性分析，楊揚等［14］對308份糯玉米材料從審定年份和適宜種植區(qū)分析了近年來糯玉米審定品種遺傳多樣性特點和發(fā)展趨勢。本試驗以‘鄭單958’為對照，對60份來源于河北省的玉米種質(zhì)資源，基于其農(nóng)藝性狀和SSR標記，并結(jié)合系譜來源，進行了遺傳多樣性分析，以了解河北省各地區(qū)玉米品種的農(nóng)藝性狀及遺傳分化特點，為玉米新品種的選育及推廣種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為2022年于河北北方學(xué)院種植的60份玉米苗頭組合，具體見表1。

1.2 試驗方法

田間試驗采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，小區(qū)面積12 m2，密度為每畝4 500株，對照品種為‘鄭單958’，2次重復(fù)，管理同大田。收獲時實收中間2行，按小區(qū)單收稱重計產(chǎn)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 性狀調(diào)查 試驗進行田間性狀調(diào)查，主要包括株高、穗位高。為保證考種一致性，田間收獲后，每個小區(qū)挑選有代表性的10穗果穗，將其分別裝入尼龍袋，寫好標簽，并標明其品種名稱。將每個小區(qū)的果穗直接進行室內(nèi)考種后，對果穗的穗行數(shù)、行粒數(shù)進行測定，接著將單穗脫粒并稱質(zhì)量，測定其百粒質(zhì)量，計算籽粒產(chǎn)量。

1.3.2 基因組DNA的提取 采用北京莊盟生物的植物基因組DNA提取試劑盒提取玉米DNA并稀釋至50 ng·μL-1以供備用。

1.3.3 SSR標記 本試驗選用的SSR標記均來自農(nóng)業(yè)部頒布的《玉米品種鑒定技術(shù)規(guī)程SSR標記法》（NY/T 1432—2014），引物信息見文獻［15］。

1.3.4 PCR擴增及電泳 PCR-SSR反應(yīng)體系為：10xPCRbuffer2 μL，2.5 mmdNTP1 μL，模板DNA1 μL，正反向引物各1 μL，DMSO穩(wěn)定劑1 μL，10xLoadingbuffer2 μL，補充ddH2O至20 μL，進行PCR反應(yīng)時覆蓋一滴礦物油。PCR反應(yīng)程序為95℃預(yù)變性3 min，95℃變性30 s，60℃退火30 s，72℃延伸30 s，35個循環(huán)；72℃延伸3 min，4℃保存。反應(yīng)產(chǎn)物采用8%的非變性聚丙烯酰胺凝膠進行電泳檢測，銀染后拍照記錄保存。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

使用Excel 2021、SPSS 24軟件對農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)進行平均值、標準差、極值、變異幅度、變異系數(shù)的統(tǒng)計分析；電泳原始數(shù)據(jù)通過人工讀帶以0/1矩陣進行統(tǒng)計，同一引物在相同遷移位置有條帶記為1、無條帶記為0，缺失記為9；利用DataFormater［16］將01數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為bp數(shù)據(jù)便于后續(xù)使用；使用Popgene、ntsys計算等位變異數(shù)、遺傳多樣性、Shannon指數(shù)，同時基于Nei’s （1973）方法計算遺傳距離，得到SSR標記UPGMA聚類結(jié)果，結(jié)合MEGA11等［17］繪制聚類圖。基于遺傳距離矩陣，使用GenAlex6.5進行主成分分析并繪制PCA圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)藝性狀遺傳多樣性分析

對61個玉米材料的農(nóng)藝性狀進行描述性統(tǒng)計（表2），發(fā)現(xiàn)各性狀存在不同程度的變異，變異系數(shù)分布在3.35%～18.36%之間，平均為11.23%。由農(nóng)藝性狀聚類結(jié)果（圖1a）可以看出，61個材料被分為6組，大部分材料聚集在A、C兩組。對農(nóng)藝性狀聚類組群進行主成分分析（圖1b），根據(jù)6個聚類組群的具體分布情況將坐標圖劃分為I、II、III、IV 4個區(qū)域，從整體上來看，各組群分布均相對集中，A組主要分布在II、IV區(qū)，但主要集中在II區(qū)；B組分布在III、IV區(qū)，C組主要分布在III區(qū)，D組集中分布在I區(qū)，E、F組分別分布在I、IV區(qū)。各組群坐標分布結(jié)果與聚類分組結(jié)果基本一致。

2.2 SSR分子標記分析

2.2.1 32對SSR引物擴增結(jié)果分析 以61份玉米材料的DNA為模板，利用40對引物進行擴增，并最終篩選出32對多態(tài)性豐富、條帶清晰的SSR引物，結(jié)果見表3。32對SSR引物共擴增出82個等位位點，其中多態(tài)性位點78個，多態(tài)性比率為95.12，平均每對引物擴增2.6個等位位點，2.4個多態(tài)性位點。32 對SSR引物擴增出的等位位點在2～6個之間，多態(tài)性位點在2～4個之間，多態(tài)性比率在33.33～100之間；通過Popgene計算得出（表4），61個樣本平均觀察到的等位基因數(shù)為1.951個，有效等位基因數(shù)為1.419個，Nei’s遺傳多樣性指數(shù)為0.259，Shannon指數(shù)為0.404。通過ntsys計算遺傳距離，結(jié)果表明61個玉米材料間的遺傳距離范圍在0.057～0.781之間，平均遺傳距離為0.367，基于遺傳距離進行UPGMA聚類分析，結(jié)果見圖2。

根據(jù)SSR標記聚類圖（圖2a）可以看出，供試材料被劃分為6個組群，且同一來源的材料基本聚為一類。‘鄭單958’、石玉、衡玉系列聚為一類；邢玉、邯玉和部分冀玉系列聚為一類；農(nóng)單和冀農(nóng)兩類材料聚為一類；滄玉和部分冀玉系列被單獨聚為一類。SSR標記聚類組群的主成分分析（圖2b）顯示，雖然存在少數(shù)的離散材料，但整體上各組群分布相對集中，基本上各自占據(jù)相應(yīng)的位置。邯玉、邢玉系列主要集中在Ⅰ區(qū)，冀玉系列主要集中在Ⅰ、Ⅲ區(qū)，石玉系列主要集中在Ⅱ區(qū)，滄玉系列集中在Ⅲ區(qū)，衡玉、蠡玉系列主要集中在Ⅳ區(qū)。各組群坐標分布結(jié)果與聚類分組結(jié)果基本一致，且兩者分析結(jié)果可以相互佐證。

2.2.2 不同系列材料的遺傳多樣性分析 為探究不同系列材料間是否存在遺傳差異，對各系列材料進行遺傳多樣性比較（表5）。冀玉系列的Shannon指數(shù)最高為0.436且等位基因變異數(shù)最高，其次為衡玉和農(nóng)單系列，以上幾類系列的觀測雜合度與期望雜合度偏差較大，其中又以冀玉系列偏差最高，而在聚類結(jié)果和主成分結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，以上幾類系列確實存在不同的離散程度且冀玉離散程度最大。結(jié)果表明，冀玉、衡玉、農(nóng)單幾類材料表現(xiàn)出更為豐富的遺傳多樣性。由遺傳距離矩陣（表6）可知，邯玉和冀玉系列之間的遺傳距離最小為0.095；與對照‘鄭單958’相比，石玉系列和‘鄭單958’的遺傳距離最小為0.214，其次為衡玉系列；蠡玉系列和‘鄭單958’的遺傳距離最大為0.403；由SSR標記聚類圖和組群主成分圖可知，石玉、衡玉系列和‘鄭單958’被聚為一組，蠡玉系列和‘鄭單958’并未劃為同一組群，二者分析結(jié)果一致。各系列的材料遺傳距離介于0.095～0.403之間，說明60份種質(zhì)資源類型不夠豐富，若各類群群內(nèi)材料之間雜交，后代可進行遺傳改良的潛力較小，應(yīng)選擇類群間材料進行雜交組合。

3 討論

玉米容重是衡量玉米質(zhì)量的一個關(guān)鍵指標，指玉米籽粒單位容積內(nèi)的質(zhì)量。玉米容重從某種程度上能真實地反映出玉米的完整度、均勻度、成熟度以及其潛在的營養(yǎng)價值［18］。參照玉米的容重標準，60個參試玉米材料中，55個材料為一等玉米（≥720 g·L-1），3個材料為二等玉米（≥690 g·L-1），2個材料為三等玉米（≥660 g·L-1）。單個玉米穗行數(shù)一般為14～18行，行粒數(shù)為20～40粒［19-20］，參試材料中有36個材料穗行數(shù)大于18行，53個材料行粒數(shù)大于40粒。以上表明育種家在玉米的研究方面更加注重產(chǎn)量提升，把提高產(chǎn)量作為出發(fā)點，使選育品種的目標更明確，體現(xiàn)出中國保護種質(zhì)資源，推進種業(yè)振興的決心。

按不同來源來對參試材料進行遺傳多樣性分析，能更精準的了解河北省各種植區(qū)域品種的遺傳分化特點。農(nóng)藝性狀聚類結(jié)果顯示，大部分材料聚集在一起，分析其原因可能是河北省大部分地區(qū)的生態(tài)環(huán)境相似，育種目標及生產(chǎn)需求差別不大。從農(nóng)藝性狀聚類分析看，玉米材料聚類結(jié)果與系譜關(guān)系差異較大，且親緣關(guān)系和地理來源關(guān)系不大，由此可見，利用農(nóng)藝性狀進行聚類難以準確鑒定玉米種質(zhì)資源的遺傳本質(zhì)。SSR分子標記聚類結(jié)果表明，地理來源不同的玉米材料，在聚類結(jié)果中也可能被聚合為一類，在本試驗中發(fā)現(xiàn)，材料來源地及育種單位距離的遠近可能與聚類結(jié)果也有關(guān)系。張招娟等［21］研究發(fā)現(xiàn)，品種間親緣關(guān)系的遠近程度與育種單位和地理關(guān)系有一定的相關(guān)性，伊然等［22］通過對60份葦狀羊茅（Festuca arundinacea Schreb.）進行遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)聚類結(jié)果與地理區(qū)劃有一定關(guān)聯(lián)，本試驗結(jié)果與之相近。參照材料系譜，同系列的材料系譜較為相似，石玉系列中材料2～5含共同親本H1710，冀玉系列中材料14～19，26～31系譜分別更為相似，滄玉系列中材料44～47分別含有共同親本滄H33、滄H12，以上材料在聚類圖中也相距的更為接近，其他材料皆為不同系譜，表現(xiàn)出不同程度的集中和離散，聚類分析結(jié)果與種質(zhì)資源的遺傳背景一致，間接表明本研究結(jié)果的真實可靠及利用SSR標記法檢測玉米種質(zhì)資源遺傳多樣性的可行性。從2個聚類圖來看，農(nóng)藝性狀分類將大量不同來源的種質(zhì)聚在一起，分子標記聚類則基本能將種質(zhì)資源按來源分開，與其系譜關(guān)系更吻合，聚類結(jié)果更準確。同來源玉米材料在農(nóng)藝性狀聚類結(jié)果和SSR標記聚類結(jié)果上大多被聚到一個組中，表明SSR分子標記聚類分析結(jié)果和農(nóng)藝性狀性狀聚類分析結(jié)果具有一定的一致性，作物農(nóng)藝性狀和基因水平間的差別可以在一定程度上互相反映。部分材料在 2種聚類分析結(jié)果上表現(xiàn)出差異，段孟冉等［23］研究認為，外界環(huán)境的改變?nèi)菀资棺魑镄誀畎l(fā)生改變，表現(xiàn)型發(fā)生變化，導(dǎo)致分子標記結(jié)果與形態(tài)學(xué)標記結(jié)果產(chǎn)生差別。劉少榮等［24］研究表明，形態(tài)學(xué)聚類方法是依據(jù)作物的表型性狀來區(qū)分不同品種間的遺傳差異，然而表型性狀易受多種外界因素影響，造成遺傳表達不穩(wěn)定或不同基因型的品種表現(xiàn)出相同表型特征的結(jié)果。因此，農(nóng)藝性狀與分子標記的分析結(jié)果不完全一致是合理的，將兩類方法相結(jié)合才能夠更加準確、全面的了解物種的遺傳變異并解釋其遺傳背景。

4 結(jié)論

通過農(nóng)藝性狀和SSR標記分析60個河北省玉米種質(zhì)資源的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)冀玉系列出現(xiàn)明顯的性狀分化現(xiàn)象;蠡玉、冀玉、滄玉系列在農(nóng)藝性狀和分子遺傳上均具有特異性，其他系列在分子遺傳上具有特異性。遺傳多樣性結(jié)果表明，冀玉系列的基因多樣性、雜合度等略高于其他系列，顯示出更為豐富的遺傳多樣性；且對農(nóng)藝性狀進行篩選，得出綜合排名前5的材料分別為‘冀玉905’‘邯玉1837’‘JN2202’‘JN2205’‘衡玉2153’，更加適合推廣種植。綜合兩類方法能更準確、全面的揭示品種遺傳多樣性，其研究結(jié)果對探究河北省玉米品種的遺傳背景和育種策略調(diào)整具有一定參考價值。

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（責(zé)任編輯 劉婷婷）

收稿日期：2023-11-01；修回日期：2023-11-27

基金項目：河北省重點研發(fā)計劃項目現(xiàn)代種業(yè)科技創(chuàng)新專項“玉米現(xiàn)代種業(yè)科技創(chuàng)新團隊”（21326319D）；河北省教育廳基本科研業(yè)務(wù)費（JYT2023010）資助

作者簡介：常宏兵（2000-），男，漢族，河北衡水人，碩士研究生，主要從事玉米遺傳育種方面研究，E-mail：1727788104@qq.com；*通信作者Author for correspondence，E-mail：nkxlaz@163.com；sw1717@126.com