东欧玉米核心种质资源鉴定及聚类分析

齐 欣姜 敏马 骏孙成韬刘晓丽贾钰莹孟庆国刘欣芳

(辽宁省农业科学院玉米研究所,辽宁 沈阳 110161)

玉米(ZeamaysL.)是重要的高产谷类作物,播种面积和产量在我国及全球都位居第一,其生产水平的提高对粮食生产、饲料和工业发展起到重要作用[1]。种质资源是选育优良品种的基因芯片,创制新的种质资源对于提高玉米品种产量、增强品种抗逆性和改善品种农艺性状都起到至关重要的作用。多年来,我国引进的资源大多是欧美种质和热带、亚热带血缘[2],也加强了对德国、法国等欧洲国家资源的利用[3],而对东欧种质的利用则报道较少。俄罗斯、乌克兰种质资源为东欧核心种质资源代表,两国资源具有较大相似性,均来源于前苏联,其资源具有耐寒、早熟、脱水快等优良性状,开展俄罗斯、乌克兰玉米资源的引进与利用,可有效加强我国玉米种质扩增、改良和创新,拓宽玉米遗传基础,加快新品种选育,促进我国玉米产业向“一带一路”沿线国家拓展。

近年来,随着 SNP 检测技术的发展,已成为构建DNA 指纹图谱的主要方法。SNP 标记具有标记位点丰富、高稳定性、自动化检测程度高等优点。姜思奇等利用核心SNP标记划分辽宁省常用玉米自交系杂种优势群[4]。田红丽等将SNP构建指纹图谱进行了应用[5]。

本研究选取309份俄罗斯、乌克兰玉米自交系作为东欧玉米种质资源代表,对8个主要农艺性状进行统计和多样性分析,利用基因芯片技术对309份材料进行聚类分析,确定其遗传背景,为东欧资源的利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究以309份东欧自交系为试材。以掖478和郑58为瑞德种质代表材料,以丹340为旅大红骨种质代表材料,以吉853、昌7-2和黄早四为塘四平头种质代表材料,以齐319和沈137为P群种质代表材料,以Mo17为兰卡斯特种质代表材料,以iodent为国外早熟种质代表材料。

1.2 方法

1.2.1 田间试验设计

将全部材料于2020年春种植在辽宁省农业科学院南地试验区,采用完全随机区组设计,单行区,3次重复,行长3 m,行距0.6 m,每行11株。施肥、灌溉、防虫和除草同当地大田管理。田间调查株高、穗位高、散粉期,室内考察穗长、穗粗、穗行数、行粒数、百粒重等农艺性状。

1.2.2 农艺性状数据处理

采用 Excel 2016 对各性状进行数据统计分析,并采用 SPSS 17软件对各性状进行相关分析。

1.2.3 基因型鉴定与SNP质量控制

利用Axiom芯片进行基因分型,该芯片包括61 224个SNP位点。利用PLINK 1.09软件过滤掉最小等位基因频率(maf)<0.05、基因型缺失率(geno)>0.1的SNP标记[6]。

1.2.4 主成分分析及进化树分析

主成分分析(PCA)是一种统计方法,它可以将相互关联的变量转化为独立的主成分(PC),第一种成分包含最多的组分,其它依次降低。另一个主成分的作用可以用标记的主成分来代表群体结构。本研究利用Plink软件通过SNP标记对东欧资源进行主成分分析,利用Mega6软件进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 农艺性状的表现及方差分析

对东欧资源的株高、穗位高、散粉期、穗长、穗粗、穗行数、行粒数、百粒重等8个农艺性状进行统计分析(表1)。309份东欧资源株高分布在130.7～283.3 cm,变异系数为16.12%;穗位高分布在31.7～148.3 cm,变异系数为26.66%;散粉期分布在62～91 d,变异系数为6.59%;穗长分布在7～22 cm,变异系数为14.93%;穗粗分布在2.5～5.5 cm,变异系数为13.18%;穗行数分布在10～28行,变异系数为21.33%;行粒数分布在15～39粒,变异系数为22.01%;百粒重分布在9.98～38.47 g,变异系数为17.71%,其中变异系数最高的穗位高,达到26.66%,变异系数最低的为散粉期,为6.59%,早熟性状表现明显。对东欧自交系各性状的方差进行分析, 8个重要性状的差异均达到极显著水平(表2)。研究结果表明,东欧资源变异丰富,峰度和偏度绝对值均小于1,表明这些性状均呈正态分布,为典型的数量性状,受多基因控制。

表1 东欧自交系农艺性状表型数据统计分析Table 1 Phenotypic analysis of Eastern Europe maize inbred lines

表2 东欧自交系农艺性状方差分析Table 2 Analysis of Variance of Eastern Europe maize inbred lines

2.2 农艺性状的相关性分析

对东欧自交系农艺性状进行相关性分析,百粒重与散粉期、穗行数、行粒数为负相关,其余各性状间都为正相关,其中株高与穗位高、穗粗与穗行数、穗长与行粒数相关系数最大,大部分性状间都达到极显著水平(表3),说明各性状的发育存在着促进作用。

表3 东欧自交系农艺性状相关性分析Table 3 Correlation analysis of agronomic traits in Eastern Europe maize inbred lines

2.3 SNP分布图

芯片基因型数据包含61 224个SNP位点,通过缺失率(missing rate)、最小等位基因频率(MAF)过滤掉5 420个位点,剩余55 804个SNP位点进入下一步分析。过滤后的SNP标记在染色体上的分布,均匀分布于玉米的10条染色体上(图1)。

图1 SNP 位点的基因组分布Figure 1 Genome distribution of SNP loci

2.4 主成分分析及聚类分析

利用主成分分析和进化树分析来评估东欧自交系的群体结构。采用解释群体结构最大的主成分1和主成分2来评估关联群体的分布状况,结果表明,将东欧资源共分为6个分簇(图2)。每个颜色代表同一分簇,同一分簇大多聚集在相同区域。

图2 东欧自交系主成分分析Figure 2 Principal Component Analysis of Eastern Europe maize inbred lines

利用软件 MEGA 6根据遗传距离邻近原则进行聚类分析,东欧自交系被划分为6个类群,与PCA分析一致:Ⅰ群包含47份,占比14.73%;Ⅱ群包含62份,占比19.44%;Ⅲ群包含77份,占比24.14%;Ⅳ群包含14份,占比4.39%;Ⅴ群包含40份,占比12.54%;Ⅵ群包含79份,占比24.76%(图3)。其中瑞德群代表掖478、郑58,旅大红骨群代表丹340,塘四平头群代表吉853、昌7-2、黄早四 ,P群代表齐319、沈137均被分到Ⅰ群,兰卡斯特群代表Mo17被分到Ⅱ群,早熟玉米种质Iodent被分到Ⅲ群。表明东欧资源与我国常用资源存在较大遗传差异,具有潜在育种价值。

图3 东欧自交系进化树分析Figure 3 Phylogenetic tree analysis of Eastern Europe maize inbred lines

3 结论与讨论

玉米杂交种父母本的遗传差异越大,遗传多样性越高,其获得高杂种优势的可能性也越大,因此,研究玉米的遗传多样性具有重要的意义[7]。研究结果显示,309份东欧自交系共划分6个群体,其中Ⅰ群包含瑞德群代表掖478、郑58,旅大红骨群代表丹340,塘四平头群代表吉853、昌7-2、黄早四 ,P群代表齐319、沈137;兰卡斯特群代表Mo17被分到Ⅱ群;早熟玉米种质Iodent被分到Ⅲ群。表明东欧资源与我国常用种质资源存在较大差异,且本身具有丰富的遗传变异,因此引进东欧玉米资源可以提高我国玉米种质资源的遗传多样性。刘志新等从俄罗斯种质选育的自交系中选取20份自交系,与5个测验种配制杂交组合,其耐密性和农艺性状等表现突出,在育种中可以重点利用[8]。陈海军对引自俄罗斯种质的综合评价表明,俄罗斯种质可以丰富我国极早熟玉米种质的遗传基础[9]。刘东军等利用SSR分子标记技术研究91份俄罗斯玉米自交系的遗传多样性,并对其进行聚类分析[10]。

近年来对玉米农艺及产量相关性状的全基因组关联分析的研究报道较多,林衡利用371份玉米自交系为供试材料,对考察的15个主要性状运用基于全基因组扫描的关联分析策略挖掘与表型性状显著关联标记[11]。吴律等以吉林省80份核心玉米自交系进行行粒数测定,对关联群体进行全基因组重测序,在显著性SNP标记的连锁不平衡区域内挖掘出4个候选基因[12]。彭勃等以285份多样性玉米自交系为材料,利用叶向值表型鉴定,通过全基因组关联分析方法挖掘到15个与玉米叶向值显著关联的位点,并挖掘了15个候选基因[13]。可利用本研究的基因型数据结合东欧自交系表型数据,挖掘其种质资源特有基因,为品种改良提供宝贵的基因资源。