基于玉米50 K芯片分析鲜食玉米温-热带杂种优势模式及其育种利用

胡俏强 周玲 潘玖琴 吉善良 黄少华 周安来 孙雪花 郭华 赵涵 戴惠学

摘要：利用基于Illumina平台的玉米MaizeSNP50 （50 K） 芯片对90份鲜食玉米自交系材料进行SNP基因分型，获得11 100个高质量SNP变异位点。通过这些位点可以将具有不同遗传背景的90份鲜食玉米资源划分为四大类群，分别为热带糯玉米群（31份）、热带甜玉米群（15份）、温带糯玉米群（11份）、温带甜玉米群（33份），并对其群体遗传结构进行PCA分析，二者结果与自交系谱系来源保持一致。以上述温、热优势群划分结果为依据，现已知15个自主选育鲜食玉米品种的组配模式为温、热带优势群间杂交，且各品种在农艺性状、品质、抗性等方面均表现出较强的杂种优势，该温-热杂优模式为今后鲜食玉米品种选育提供了新方向。

关键词：温热带鲜食玉米;SNP基因分型;类群划分;杂优模式;玉米育种

中图分类号：S513.03 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）05-0062-05

鲜食玉米是指在乳熟期采摘果穗用于食用，具有特殊风味和品质的玉米品种。和普通玉米相比它具有甜、糯、嫩、香等特点。从品质上可分为甜玉米、糯玉米、甜加糯玉米三大类。因其风味独特、营养丰富、效益显著，既可即时供应，也可冷藏加工，而深受广大种植者、消费者和加工企业的欢迎，市场需求越来越大。玉米是异花授粉作物，杂种优势应用的典型代表。杂种优势大小主要取决于亲本的遗传组成和遗传差异，遗传差异越大则杂种优势越明显。在不同杂种优势群之间组配杂交组合获得强优势组合的概率较大，进而可形成杂种优势模式[1]。因此，依据亲缘关系和遗传组成将玉米自交系划分为不同的杂种优势类群是玉米育种的重要研究课题。从20世纪90年代起，我国玉米杂种优势群划分经历了从5群（改良Reid、Lancaster、塘四平头、旅大红骨和其他群）到3群 （Reid、Lancaster和国内群）再到2群 （Reid群和 Non-Reid 群）[8]，最终归并为2个杂种优势列（alignment），A列即母本阵列或SS（StiffStalk）列，B列即父本阵列或NSS（non-Stiff Stalk）列的复杂历程。近些年越来越多的育种家们提出了“温-热带种质”综合育种的新思路。一般而言，温带种质具有株型优良、出籽率高、产量潜力大、配合力高等优良特性，热带种质则具有叶片持绿期长、生物产量高、抗病抗逆性强等突出特点。为充分利用温、热带玉米种质的优良特性，根据育种实际，提出了“温带种质×热带种质”的杂优组配模式，并取得了一系列成果。然而，目前关于鲜食玉米（尤其是甜玉米）的遗传基础和类群划分等相关研究仍然较少，本研究以不同遗传背景的90份鲜食玉米自选系为材料，利用基于Illumina平台的玉米MaizeSNP50 （50 K） 芯片对其进行基因分型、杂种优势群划分及群体结构PCA分析，并以前期育成品种组配模式为参考，探究鲜食玉米温-热杂优新模式，为后续种质改良和杂交组配指引了新方向。

1 材料与方法

1.1 供试材料及全基因组芯片数据

供试材料为具有温带或热带血缘的90份鲜食玉米自交系（表1），2019年种植于南京市蔬菜科学研究所试验田，每株系种植1行，行长4 m，行距 60 cm，每行播种20粒。之后利用基于Illumina平台的玉米MaizeSNP50 （50 K） 芯片进行SNP基因分型，过滤掉次要等位基因频率（MAF）<5%和缺失率>20%的SNP的冗余数据，最后获得11 100个高质量的SNP位点。

1.2 遗传组成差異分析

利用TASSEL V5.0 （www.maizegenetics.net/tassel） 使用邻接算法（N-J）[14]计算90份自交系之间的遗传距离并构建聚类图，进行类群划分;依据Patterson等所描述的操作流程[15]进行主成分分析（PCA）分析。

2 结果与分析

2.1 系统发育树构建及聚类分析

运用TASSEL V5.0软件基于11 100个高质量的SNP位点，采用N-J法构建了系统发育树，结果（图1）显示，90份鲜食玉米自交系被划分为4个不同的类群：第Ⅰ类群为包含了ZN-01、SN-10、ln-02、N15-01、N15-01A、N15-03、N622、J58-28N、J27-6N、J75-1、J75-2、J75-3、J75-6、J68、J69、J70、J71、J72、J73、J74、J76、J77、J78、J79、J80、J81、J82、J83、J84、J85、J86等31份自交系的热带糯玉米群;第Ⅱ类群为包含了403-11、403-11A、403-11B、403-11C、ST-08、H152-7D、H162-7B、403325-4、H403-12、Lvh43-01、Lvh43-04、F06-1、TN-12、LTN03-2、T-10等15份自交系的热带甜玉米群;第Ⅲ类群为包含了QN-51、ln-01、N612、HN-01、N623、N1301-612、N1301-512、J87、J88、J89、J90等11份自交系的温带糯玉米群等;第Ⅳ类群为包含了ST-01、ST-02、ST-03、ST-05、ST-06、ST-09、ST-10、甜-01、甜-01B、甜-02、T-06、T-07、T-08、T-09、T-12、T-13、H147-7A、H17-11、WT-001、WT-006、WT-020、T1205-11-14、326B452-2、187-8、T458-06、Lv甜-001、HT-07、1041-11、TN-06、J59HT-6、J59HT-14、765-4、JN52-28T等33份自交系的温带甜玉米群。其划分结果与材料来源高度一致。

2.2 群体结构分析

本研究对上述材料进行了PCA分析（图2），将4个群按PC1（principal component 1）与PC2（principal component 2）的坐标轴方向进行显示，从显示的结果来看，4个群基本被划分开，热带材料和温带种质被明显推向两极，其中温带群内遗传差异较大，热带群内遗传差异较小。热带糯玉米群和热带甜玉米群之间的关系较近且重叠分布区域较多，说明热带鲜食玉米群体中的一些自交系有可能由相同或近似血缘玉米选育而来。

2.3 温热带种质杂优模式利用

根据前期品种选育经验及组配模式，结合树状聚类图分析可知：温带优势群与热带优势群之间两两组合均可形成高杂种优势的杂交组合（品种）。如温带Ⅲ群（糯）与热带Ⅰ群（糯）组配出糯玉米品种：晶彩糯、萃糯1号;温带Ⅲ群（糯）与热带Ⅱ群（甜）组配出甜加糯品种：晶白甜糯、晶彩甜糯、萃甜糯608;温带Ⅳ群（甜）与热带Ⅰ群（糯）组配出甜加糯品种：晶彩花糯5号;温带Ⅳ群（甜）与热带Ⅱ群（甜）组配出甜玉米品种：晶甜3号、晶甜5号、晶甜6号、晶甜7号、晶甜9号、晶甜10号、晶甜12号、萃甜618、萃甜628。这些品种的育成也从侧面反映出温、热带群体间较强的杂种优势和基于50K芯片SNP标记划分类群的准确性（表2）。

从各品种区试数据分析可知，15个鲜食玉米品种的果穗长度为18.1～20.5cm、穗粗为4.6～

5.1 cm，穗行数为12-16行，是鲜食玉米品种较为理想的果型（表3）。15个品种的产量均高于对照（CK），其中萃甜628产量最高为1 045.4 kg/667 m2;萃糯1号增产幅度最大，较CK增产24.0%（表3）。15个品种中除晶彩花糯5号、晶甜9号品质综合评分与对照相当外，其他品种均高于对照，其中晶彩甜糯品质最好，综合评分达到88.1分（表4、表5）。田间自然发病调查结果显示，除晶甜12号、萃甜618、晶彩甜糯、晶白甜糯4个品种外，其余品种对小斑病的抗性均达到抗病以上;15个品种对大斑病、茎腐病、纹枯病的抗性均达到抗病以上（表4、表5）。经接种鉴定，15个品种茎腐病均达抗病以上;除晶彩糯外，其余品种对大斑病抗性均达抗病以上;7个品种感小斑病，5个品种感纹枯病，其他品种对小斑病和纹枯病的抗性均达到抗病以上（表4、表5）。由此可见，温、热带群间杂交选育出的鲜食玉米品种具有植株、穗位高适中，抗性好，品质优等特点，表现出较强杂种优势，可作为今后鲜食玉米品种选育中的新杂优模式。

3 结论与讨论

为提高育种效率，了解材料遗传背景，准确划分玉米自交系杂种优势群，从而有针对性地组配杂交组合，是玉米育种的基本程序。随着分子生物学的发展，分子标记已成为作物遗传育种研究的重要手段，在玉米种质的遗传多样性分析中被广泛应用，其中SNP因具有数量多、分布广泛、适于快速规模化筛查、等位基因频率容易估计、易于基因分型等优点，发挥着它的巨大作用。本研究以90份鲜食玉米自交系为材料，开发出11 100个高质量的SNP分子标记，基于这些标记将90份自交系划分为4个杂种优势群，分别为热带糯玉米群、热带甜玉米群、温带糯玉米群、温带甜玉米群，并对其群体遗传结构进行了PCA分析，4个群基本被划分开，其中温带群内遗传差异较大，热带群内遗传差异较小。热带群之间的关系较近且重叠分布区域较多，说明一些自交系有可能由相同或近似血缘材料选育而来。如J75-1、J75-2、J75-3、J75-6是姊妹自交系;F06-1是由ZN-01改良转育而来;ln-02与TN-12均具京科糯2000的血缘。温带优势群中自交系N15-01A是由N15-01改良而来，JN52-28T、TN-06与N15-01均具有彩甜糯6号的血缘，故四者相邻重叠。聚类与PCA分析结果均与材料来源高度吻合，相比传统的系谱分析法、配合力分析法，该方法不仅准确率更高，还可以有效减少自交系之间的组配工作量，大幅提高育种效率。此外，以育成品种的农艺性状数据及组配模式为参考，本研究明确了鲜食玉米温-热杂优新模式，现已育成晶甜9号、萃甜618、晶白甜糯、晶彩糯等优质广适鲜食玉米新品种15个，为后续鲜食玉米育种工作提供了明确的双亲选择及杂交组配方向。

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