基于10K SNP 芯片分析255 份玉米種質資源的遺傳多樣性

摘 要：玉米（ Zea mays L.） 是全球三大糧食作物之一，也是重要的飼料作物。分析玉米種質資源的農藝性狀和遺傳多樣性對玉米育種和生產具有重要指導意義。以255份玉米種質構成的自然群體作為研究材料，利用10K SNP液相芯片進行全基因組掃描，獲取基因分型；利用VCF2PCA Cluster和Mega11等軟件進行表型聚類和遺傳多樣性分析。結果表明，檢測到14 139個高質量SNP位點，分布于玉米10條染色體上；基因多態性的變化范圍為0.05～0.50，均值為0.29；多態信息含量（polymorphism information content， PIC）的變化范圍為0.04～0.38，均值為0.24；熱帶群體和溫帶群體的等位基因頻率差異絕對值大于0.30的位點有104個；通過群體遺傳結構分析、主成分分析和聚類分析，將255份供試材料劃分為溫帶和熱帶2個主要亞群。研究結果確定了255份來自溫帶和熱帶玉米種質間的遺傳多樣性和親緣關系，為后續玉米種質資源改良和創新奠定基礎。

關鍵詞：玉米；10K SNP；種質資源；遺傳多樣性

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0801

中圖分類號：S513 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2024）08‐0020‐14

玉米（Zea mays L.）是全球三大糧食作物之一[1]，也是重要的飼料作物，而且隨著對玉米研究的深入，應用場景擴展到了化工以及醫藥等領域中。玉米種質資源類型較多，包括雜交種、綜合種以及自交系等，為新品種選育提供了多種選擇。然而，種質遺傳基礎狹窄仍是玉米育種工作的關鍵制約因素[2-4]，種質資源遺傳多樣性是玉米育種改良的重要研究內容，對種質利用和保護具有重要作用。陳文娟等[5]對903份來自多地的玉米種質資源遺傳多樣性進行分析，發現不同地區的種質資源抗病性不同，以山西和內蒙谷地區居多。王仕偉等[6]深入研究了不同種質資源的蚜蟲抗性，發現Reid、Lancaster種質在抗病蟲方面表現突出。蒙祖慶等[7]利用179份來自西藏栽培地方種進行表型性狀評價研究，最終鑒定出89份特異資源，包括長穗、雙穗、早熟以及雄穗少分枝型等性狀顯著不同的品種。

目前，研究者對玉米種質資源改良方法進行了大量研究，并取得了較好的進展。一系列新品種已經投入生產中，玉米品質得到明顯改善，產量大幅提高，并具備了耐寒、耐旱、抗病蟲害等優良的特性。分子標記技術于20世紀發展起來，之后被逐步應用于玉米種質遺傳多樣性評價、種質資源鑒定和QTL（quantitative trait locus）定位等研究中，具有穩定的遺傳性和豐富的多態性等優點[8-12]，其中SNP（single nucleotide polymorphism，單核苷酸多態性標記）作為第三代DNA 分子標記，具有更高的遺傳穩定性、更強的可靠性、更全面的覆蓋性[13-15]。目前，利用SNP標記對玉米雜種優勢資源的劃分已被廣泛運用。楊宏霞等[16]利用23 801個高質量SNPs對350份玉米自交系進行遺傳多樣性分析，發現自交系間的遺傳相似系數范圍為0.332 0～0.999 9，均值為0.569 2，進而將群體分為3個大類群和5個小亞群，表明玉米自交系群體擁有廣泛的遺傳多樣性。冷益豐等[17]開發了4 976個高質量SNP標記，并從多態性信息含量、群體結構和進化樹等方面展開分析，將157份自交系材料劃分為4個亞群，提出四川省當前玉米育種種質資源的遺傳變異資源較為豐富。陳堅劍等[18]在141份甜玉米自交系中檢測出16 383個高質量SNP 位點，基于基因多樣性指數（H 均值0.36）、多態性信息含量（polymorphism informationcontent，PIC，均值0.288 8）、遺傳群體結構（K=4），利用PHYLIP聚類分析將其劃分為4個類群，進一步研究發現甜玉米自交系群體整體上存在較豐富的遺傳多樣性，親緣關系復雜。

本研究采用10K SNP液態芯片對255份玉米自交系品種進行種質群體結構劃分，揭示玉米育種種質的表型特點和遺傳多樣性，為玉米育種應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為255份具有多樣性的普通玉米種質資源，139份種質來自國際小麥玉米改良中心（International Maize and Wheat Improvement Center，CIMMYT）的DTMA項目，116份為普通玉米種質。其中，5份為代表我國玉米主要雜種優勢群的標準測驗種：丹340（代表旅大紅骨類群）、Mo17（代表Lancaster類群）、鄭58（代表Reid類群）、黃早4（代表塘四平頭類群）、齊319（代表P類群）。

1.2 基因型鑒定

玉米材料種植在河北農業大學育種中心基地，在玉米出苗近1個月時，每份玉米種質隨機選取2～3株取相同葉位鮮嫩葉片混合，液氮速凍后置于-80 ℃冰箱中備用。利用10K SNP 芯片對255份自交系群體進行基因型鑒定，供試玉米葉片材料的DNA提取和基因型分析均委托給石家莊博睿迪生物技術有限公司完成。255份樣品共檢測到53 705個SNP位點，在此基礎上進一步過慮篩選，將最小等位基因頻率（minor allelefrequency，MAF）低于0.01，缺失率和雜合率高于20%的位點去除，最終獲得了14 139個高質量的SNPs用于后續研究。

1.3 數據分析

利用CMplo（t https：//github.com/YinLiLin/CMplot）R語言程序包計算基因組SNP密度并對結果進行可視化；利用VCF2PCA Cluster（https：//github.com/hewm2008/VCF2PCACluster） V1.40計算樣本間的遺傳相似系數（genetic similarity coefficient， GSC）并進行主成分分析（principal component analysis，PCA），并利用GSC矩陣計算獲得樣本間的遺傳距離；利用MEGA11[19]計算并可視化鄰近連接樹，利用在線網站itol（https：//itol.embl.de/）對群體鄰近連接樹進行美化；利用自寫的Python腳本計算基因多樣性（diversity，D）和多態信息含量（PIC）。群體遺傳距離矩陣熱圖、群體PCA結果可視化、LD衰減距離等均利用自寫的R語言軟件完成。

2 結果與分析

2.1 基因數據質控分析

本研究利用CMplot（https：//github. com/YinLiLin/CMplot）R語言程序包對255份玉米種質基因型數據進行質控，缺失率均值為0.028 02，按照缺失率lt;0.1標準篩選出14 139個高質量SNPs；SNP位點在玉米10條染色體上不均勻分布，可能是由于靠近著絲粒區，或者比較保守的區域突變頻率比較低（表1）。其中，位于1號染色體上的SNP標記數目最多（2 483個）；9號染色體上SNP標記最少（963個）。255份玉米種質雜合率（表2）均值為0.026 50，表明在這255份玉米高代種質基因純度較高。從玉米種質群體基因組SNP 密度（圖1）可以看出，染色體兩端的SNP標記數目較多，表明越靠近著絲粒區越保守，遺傳多樣性越低。

2.2 255 份玉米種質遺傳多樣性分析

利用14 139 個高質量SNPs 數據集對255 份玉米種質的基因多樣性（D）和多態信息含量（PIC）進行統計（表3），D 的變化范圍是0.05～0.50，均值為0.29；而PIC 的變化范圍是0.04～0.38，均值為0.24；結合二者數據發現，全基因組SNP位點的多樣性變劃范圍較大，但是染色體間差異較小。綜上結果表明，本研究所選255份玉米種質的遺傳多樣性較為豐富。

2.3 kinship 分析

基于本研究檢測到的14 139個高質量SNPs，利用VCF2PCACluster（https：//github.com/hewm2008/VCF2PCACluster）軟件對255份玉米種質進行親緣關系分析。255份玉米種質的遺傳相似系數（GSC）變化范圍為0.655 21～0.996 89，均值為0.705 44，遺傳相似系數最大和最小的10對種質資源如表4所示。其中，0.6lt;GSC≤0.7的材料對占47.34%，0.7lt;GSC≤0.8的材料對占51.78%，0.8lt;GSC≤0.9的材料對占0.70%，0.9lt;GSC≤1.0 的材料對占0.18%（圖2）。D90與GS138之間GSC最低，為0.655 21，D55與D112之間的GSC最大，為0.996 89，以上結果表明本研究所選255份玉米種質試驗群體具有較為豐富遺傳多樣性。

2.4 255 份玉米種質基于SNP 標記的聚類分析

為了解255 份玉米種質群體結構，利用Structure[20]軟件對這些種質的群體結構進行了系統解析（圖3），△K 值在K=2時達到最大值，認為255份供試材料可分為2個亞群，利用MEGA11軟件對供試材料進行聚類分析（圖4），255份供試材料分為溫帶（TZ）和熱帶（TP）2 個主要類群，與K 值結果相符。

2.5 群體主成分分析

基于14 139 個SNPs 對255 份玉米種質進行主成分分析（PCA）。以第1個主成分和第2個主成分為坐標軸，并利用R語言對PCA散點圖結果可視化（圖5）。可以看出，主成分PCA1和PCA2的方差貢獻率分別為63.49%和1.66%，累計方差貢獻率為65.15%；將255份種質鑒定為2大類群，分別為溫帶和熱帶；相對于溫帶類群而言，熱帶的樣本點更加聚集，品種間差異較小，與參考系（CK）的距離更緊密；且與群體聚類分析結果一致，這表明不同的亞群之間具有明顯的遺傳結構差異。

2.6 LD 衰減距離分析

通過每個距離區間的平均r2來估計255份玉米種質群體基因組的LD衰減距離，結果（圖6）顯示，伴隨著物理距離降低，r2 不斷增加；當r2gt;0.2時，隨著物理距離的降低，r2迅速增加；r2=0.2是個重要拐點，此時衰減物理距離為3.5 kb，表明該種質群體的多樣性非常豐富。

2.7 熱帶群體和溫帶群體間等位基因頻率分析

對熱帶群體和溫帶群體的等位基因頻率（表5）進行分析，在14 139 個SNP 位點中，有1 317個SNP導致897個基因發生了氨基酸突變。在熱帶群體和溫帶群體中，1 317個等位基因頻率差異絕對值在0.30及以上的位點有104個（表5），這些基因可直接影響溫帶和熱帶群體間的差異。

3 討論

深入研究玉米種質材料間遺傳多樣性有助于更好地了解玉米的遺傳基礎，從而提高玉米的育種效率和品質。遺傳多樣性是衡量群體內個體間的遺傳變異程度，與環境適應性和后代繁殖能力密切相關[21‐22]，因此，對試驗群體進行遺傳多樣性分析對育種研究至關重要，因為群體的遺傳多樣性越豐富，其個體間的遺傳差異較大，從而使得群體更能適應各種環境條件并成功繁殖后代；相反，可能會導致群體對環境的適應性較弱，繁殖后代的能力也相應減弱。因此，本研究基于10K SNP液體芯片對255份玉米自交系進行基因型研究，獲得14 139個高質量的SNPs，進一步利用這些標記從群體的遺傳結構分析、主成分分析和聚類分析等方面進行遺傳多樣性分析，結果都將255份種質劃分為溫帶和熱帶2個主要亞群，這說明不同玉米材料為了適應溫帶和熱帶不同氣候從而發生了較大的遺傳分歧。

本研究中基因多態性的變化范圍為0.05～0.50，均值為0.29，結果低于謝和霞等[23]對169份玉米地方品種遺傳多樣性研究結果。本研究中所用的255份玉米材料的多態信息含量的變化范圍為0.04～0.38，均值為0.24，而染色體間基本上沒有顯著性差別，這表明玉米種質群體在全基因組范圍內具有適度的基因多態性和多態信息含量。此外，還發現各材料間的遺傳相似系數變化范圍是0.655～0.997，均值為0.705。熱帶群體和溫帶群體的等位基因頻率差異絕對值在0.30及以上的位點有104個，表明該試驗群體遺傳多樣性較為豐富，但是存在少數材料之間相似性系數較高的問題，這可能是育種過程選育的姊妹系。綜上所述，本研究結果有利于了解255份材料間的遺傳多樣性和親緣關系，為進一步收集或鑒定玉米種質資源和玉米種質創新育種實踐提供指導。

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