基于SSR标记的强杂种优势玉米亲本组合的筛选

李 锐，尚 霄，尚春树，闫 蕾，杨瑞娟，白建荣

（1.山西农业大学 农学院，山西 太原 030031；2.山西强盛种业有限公司，山西 太原 030031）

杂种优势模式是指2个不同的杂种优势群之间具有较高的特殊配合力，相互配对后产生强杂种优势的模式。杂种优势利用是提高玉米产量和改善品质的基础，因而玉米种质杂种优势群的划分对于杂种优势的利用具有重要意义。育种家们经实践认为，我国玉米种质主要来源于瑞德群、旅大红骨群、兰卡斯特群、四平头群和其他杂种优势群五大优势群，此后又将其归为A、B、D三大优势群[1-2]。当前，商业育种已成为玉米育种的主要趋势[3-7]。商业化育种的共同基础是统一和简化的杂种优势模式。张世煌[8]研究认为，如果杂种优势类群数目过多，育种效率有降低的可能。在明确杂种优势模式下用向2个方向推开的育种策略进行选系是玉米商业化育种所需[9]。近10 a来，生产上主要推广的品种以瑞德×兰卡斯特（先玉品种为代表)和瑞德×塘四平头（郑单958为代表）杂种优势模式为主。因此，很多育种家就是基于这2种模式进行大规模种质改良与组配杂交组合。

但是，在杂种优势模式下的改良系很多，按照杂种优势模式能组配的组合更多。目前，大多数育种人员由于人力、物力、土地等方面的限制因素，只是从各杂种优势群中选择一定数量的自交系进行组配，然后观察F1的表现。在长期大量的育种实践中，他们偶尔也获得个别较理想的组合，但绝大多数的组合表现不突出。这主要是因为在进行亲本组配时，只选择了杂优模式，而没有考虑组配亲本间的遗传差异。因此，多年来，玉米育种处于徘徊状态，育种效率低下。很多育种人员只能靠增加组合的数量来提高优势组合的概率。

玉米组合亲本间的遗传差异是杂种优势利用的重要理论基础，分析和掌握亲本间的遗传差异可以增加杂交组合组配的目的性和精确性。以DNA为基础的分子标记能够在整个基因组范围内对大量亲本材料间的遗传距离进行计算，以此为根据划分杂种优势类群并按照杂种优势模式进行亲本组配[10-11]。REIF等[12]用SSR标记对生产上广泛应用的20个亚热带玉米杂种优势类群进行测定，其结果和系谱法划分的结果完全一致，他认为，只要能准确地度量亲本间的遗传距离，就可在一定程度上有效地预测具有强优势的杂交组合。多年来，有许多研究用分子标记进行玉米杂种优势群的划分，很多育种人员清楚所选亲本的杂种优势群归属，这对于玉米杂种优势的利用非常必要。但要培育出杂种优势模式下的强优组合，还必须清楚所选的2个亲本间的遗传差异大小，它们决定着拟配组合的杂种优势强度。因此，在杂种优势模式下，分析和掌握拟组配组合亲本间的遗传差异用来指导亲本的选配在育种实践中具有十分重要的意义。但是很多育种家不分析优势群内各改良系间的遗传差异，也不分析要组配组合的遗传差异大小，只是简单地按照杂优模式进行大量组配，或者从杂种模式不同优势群中抽选自交系进行组配，结果没有达到理想的效果。

本研究在以SSR分子标记划分玉米种质杂优类群的基础上，在杂种优势模式下，将在基因型水平上分析亲本间的遗传差异对组合的基因杂合性做出准确分析，进而准确地预测组合的杂种优势，旨在为育种单位推荐强优势组合以及为玉米有的放矢地定向育种、精准育种提供有效策略。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试300份玉米自交系由山西强盛种业有限公司提供。经SSR标记分析后，选择了每份材料在每个位点都是扩增单位点的材料224份，其中包括目前生产上主要推广品种先玉335、先玉508、先玉696和郑单958的亲本自交系PH6WC（先玉335、先玉508、先玉696的母本）、PH4CV（先玉335父本）、PHB1M（先玉696的父本）、PH5AD（先玉508的父本）、郑58（郑单958母本）和昌7-2（郑单958父本）。SSR引物采用中华人民共和国农业行业标准（NY/T 1432—2014 玉米品种鉴定DNA指纹方法）的20对核心引物和20对辅助核心引物[13]。

1.2 试验方法

采用CTAB法[14]提取群体DNA，每个群体包括2个样本，每个样本由30个单株（随机取样）的黄化芽苗混合而成。采用CTAB法提取并纯化DNA，经纯度和浓度检测后，-20℃保存备用。扩增反应在C1000扩增仪上进行，扩增条件及产物分析参照文献[12]。利用NTSYS-PC 2.1软件按照UPGMA方法对各材料进行聚类分析。

在所有材料聚类分析的基础上，去掉完全相同的材料，筛选与标准种质最近分群的材料。按照杂优模式进行电子组配亲本组合，然后将组合的杂合位点数与对照品种的杂合位点数进行比较，选择等于或大于对照品种杂合位点数的组合入选初步组合。然后，再筛选与对照的差异位点数等于或大于4的组合作为候选组合。最后再从中挑选杂合位点数差异较大的组合作为重点组合推荐给公司进行定向组配和生产试验。

2 结果与分析

2.1 聚类分析

利用40个SSR标记的171个等位变异，对224个自交系进行遗传距离聚类，在相似系数大约为0.71处可分为四大聚类群，结合各聚类支中是否含有不同种质类群的代表性自交系，确定类群的名称分别为瑞德群、兰卡斯特群、塘四平头群和其他群（图1）。从图1可以看出，瑞德群、兰卡斯特群是2个最大的群，二者数量之和超过了总材料数的90%；有10份材料属于塘四平头群；另有10份自交系的类群归属不明确，定为其他群。其中兰卡斯特群又可分为三大亚群：335父本群、696与508父本群和其他兰卡斯特群。

2.2 候选自交系的筛选

在所有材料聚类分析的基础上，在0.92处划线，筛选与QS-001（先玉335母本）、QS-002（先玉335父本）、QS-003（先玉696父本）、郑58、昌7-2同类群的材料，并去掉完全相同的材料，得到29份基本入选自交系。再对总共35份（29份自交系材料+6份标准种质）自交系进行聚类分析，结果显示（图2），同样在0.92处划线，得到先玉335母本组18份材料、先玉335父本组7份材料、先玉696父本组3份材料、昌7-2组2份材料。

然后，根据遗传距离和遗传关系的杂优类群划分，从各类群中挑选与标准种质有2~4个位点差异的自交系，得到先玉335母本组14份材料，先玉335父本组6份材料，先玉696父本组2份材料，昌7-2组1份材料（表1）。

2.3 候选电子组配亲本组合

按照杂优模式进行电子组配亲本组合，形成先玉335杂优模式组合84个（14×6），先玉696杂优模式组合28个（14×2）。先玉335的杂合位点数为25个，先玉696杂合位点数为21个，郑单958杂合位点数为29个。然后将组合的杂合位点数与对照品种的杂合位点数进行比较，挑取先玉335杂优模式、先玉696杂优模式组合的杂合位点数都大于等于25个的初步组合，共入选初步组合41个，其中先玉335杂优模式候选组合28个，先玉696杂优模式候选组合13个，这些组合与对照的位点差异均在6个以上（表2）。后续再从中挑选杂合位点数差异较大的组合作为重点组合推荐给公司进行定向组配和生产试验。

表1 候选自交系与不同杂优类群标准种质相差位点数Tab.1 The number of different loci between candidate inbred lines and standard germplasm from different heterotic groups

表2 先玉335杂优模式、先玉696杂优模式候选组合Tab.2 Candidate combinations of Pioneer 335 and Pioneer 696 of heterotic model

3 结论与讨论

准确地度量亲本间的遗传距离是预测杂优亲本组合的基础。王伟等[15]用85个SSR位点分析了贵州50个审定品种的杂合位点，由于采用常规电泳和染色方法，因而，分析结果准确性不高；另外，选取的位点和全国玉米品种鉴定使用的位点不一致，所以无法和全国的品种进行对比。因此，建议同类研究采用国家《玉米品种鉴定DNA指纹方法》中的引物，电泳采用毛细管电泳技术，同时对照品种扩增产物大小与国家标准一致，保证分析结果的准确度与国家标准一致，这样用亲本间的遗传距离预测杂优亲本组合才有意义。

分析亲本间的杂合位点数（杂合率）是预测杂优亲本组合的关键。先玉335的杂合位点数为25个，郑单958的杂合位点数高达29个，这也就解释了高产品种的基因型组成。每年全国参试组合达8 000份以上，李锐等[16-19]对2014—2019年的2 949份国家玉米品种试验参试组合进行了指纹检测和遗传多样性分析，结果显示，大部分的杂合度在0.6以上。这就说明，新组合的杂合位点数在24个以上才有可能大幅度地利用杂种优势。因此，本研究在亲本选配上，杂合位点数的阈值设置在25个，这样可以减少大量的盲目组配。由于从郑58亚群和塘四平头亚群中没有选到候选自交系，因而没有推荐郑单958杂优模式的组合，反映了郑单958适合于黄淮海区域的玉米夏播区，而先玉模式比较适合山西的中晚熟玉米生态区。所以获得的优异改良系较多，推荐的组合也较多。

玉米亲本组合的特异性是新品种选育的标准。随着少数骨干亲本的集中应用，审定玉米品种数量日益增多，品种间的遗传差异越来越小[20]。如何从亲本组配就控制遗传差异小的近似品种，也是提高亲本组配效率的有效途径。首先亲本间的差异位点数在2个以上，那么组合间的差异位点数就在4个以上，这样就能保证品种的特异性。

育种家在育种工作中，要考虑选用哪些种质，如何去组配，组配多少的问题，它决定了投入的人力、物力、土地和成本，也决定了组配和选择的效率。目前，由于很多育种家不分析优势群内各改良系间的遗传差异，也不分析要组配组合的遗传差异大小，育种人员只是简单地按照杂优模式进行大量组配，或者从杂种模式不同优势群中抽选自交系进行组配，结果很不理想。

本研究基于SSR标记，根据各自交系的遗传差异划分杂种优势群，在各个优势群内选择候选自交系，再根据杂种优势模式将不同优势群中获得的候选自交系进行电子组合，在分析它们的杂合位点数并与对照品种的杂合位点数进行比较后，为强杂种优势玉米亲本组合的筛选提供了研究方法并推荐了候选强优势组合，这些组合需要经过田间组配，对其抗病虫性、抗倒伏、生态适应性、产量性状及机械化收获性进行综合考虑，最终确定目标组合。该研究策略可以减少随机选择自交系进行组配的盲目性，大大减少大量组配及后代筛选所投入的人力、物力、土地，增加育种工作的目的性和预测性，加快育种进程，这是很多育种家所期望的。