62份广西玉米育种材料遗传背景分析

杨 萌， 苏月贵， 何静丹， 何雪银， 文仁来， 田树云

(广西壮族自治区农业科学院 玉米研究所， 广西 南宁 530007)

0 引言

【研究意义】玉米是世界上杂种优势利用最早，推广最有效的作物之一，也是目前中国种植面积和年总产量最高的作物。选育优质高产新品种首先需研究玉米种质资源的遗传多样性和系谱关系，正确划分种质类群，按照特定的杂种优势模式进行组配，才能提高育种效率[1-2]。广西地处亚热带，生态类型众多，灾害性天气出现频繁，开发利用生态类型丰富的热带、亚热带玉米种质资源非常必要。【前人研究进展】热带、亚热带玉米种质资源多具有抗病、抗虫和抗逆境等优良性状[3]，但以往对中国玉米种质的研究利用多集中在温带种质，与热带、亚热带种质相关的杂优模式研究利用较少。王懿波等[4]在20世纪末研究中国玉米杂种优势群时预测了瑞德种质×苏湾种质的温×热种质杂交优势模式；黄开健[5]通过系谱分析认为，2000年以前广西玉米育种过分依赖墨黄9种质，遗传基础狭窄；吴永升等[6]在2008年对广西主要常用玉米自交系进行分析发现，广西仍然没有占主体地位的玉米杂优模式，也没有适应广西气候类型的代表性测验种；同时，随着杂交种的推广，广西丰富的亚热带地方种质资源也逐渐被忽视[7-8]。近年来虽然有部分关于中国西南地区应用温带×亚热带材料杂种优势模式的研究[9-13]，也有对广西地区骨干玉米自交系杂种优势群的再划分，但分群较为复杂，温带玉米材料难以适应广西的生态气候，不同研究者推荐的主体杂优模式不一致[14-16]，且缺少对这些杂优模式的针对性育种开发利用。【本研究切入点】玉米品种桂单0810作为广西本土首个国家玉米主导品种，在抗逆性、品质、产量等方面表现突出，其母本桂39722是利用从美国温带杂交种中选育的自交系7239与从国际玉米小麦改良中心引进的热带玉米种质CML285杂交建立的选系基础群中选育而成，其父本桂兆18421是利用从泰国引进的热带、亚热玉米群体Swan(late)C4选育获得。在过去几年间，以该品种的双亲为基础构建了相应的广西本土改良群体，并选出若干综合性状优良的自交系。利用SSR标记可以简便快捷的从DNA水平上分析生物遗传多样性，划分杂种优势群，SSR标记是加强作物遗传研究及促进育种应用的重要手段[17-19]。【拟解决的关键问题】利用60对多态性SSR标记，对桂单0810和桂单0811的双亲及以其双亲为基础选育的改良材料和引进外来种质材料的亲缘关系进行分析，探索适宜广西地区生态气候类型的杂种优势模式，为继续拓宽、改良广西玉米育种材料的遗传基础和新品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米种质材料包括30份广西地区正在使用的骨干自交系、32份引进的外来种质(包括5份测验种)，共62份玉米种质资源，具体信息见表1。

表1 62份玉米种质资源名称及其来源

1.2 方法

使用CTAB小量提取法制备玉米基因组总DNA，从Maize GDB数据库(www.maizegdb.org)查找合成SSR标记，最终选择其中带型清晰、分布均匀、多态性明显的60对(表2)。采用10 μLPCR体系扩增，经7%聚丙烯酰胺凝胶电泳，0.1%硝酸银染色显影，使用Excel 2016统计结果，将相同迁移率位置上有条带的记为1，无条带的记为0。最后采用NTsys 2.10e分析数据，进行聚类分群。

表2 60对SSR标记的引物名称

2 结果与分析

2.1 SSR标记多态性

60对SSR标记在62份自交系中共检测出278个等位基因。每对SSR标记可检测3～7个等位基因，平均4.6个。电泳带型清晰稳定，多态性良好(图1)。

图1 SSR 引物Phi 328175带型

2.2 杂种优势群划分

根据聚类结果，以遗传相似度系数0.77为标准，62份玉米材料可分为3个群(图2)。

图2 62份玉米材料的聚类树

第Ⅰ群包含24份材料，该群以相似度0.80为标准，又可分为2个亚群。I-1亚群包含19份材料，I-2亚群包含5份材料。I-1的19份材料中自育材料以桂单0810的母本桂39722为核心(农C39-8-2为桂39722的突变体)，包括桂单0811的母本桂39321，引进材料中掖478为瑞德种质的代表性材料，在聚类图中与7239最为相似，与该群内其他材料相似度略低；I-2亚群包含的材料较少，5份材料均为外来引进材料。结合桂39722的系谱来源和选育过程认为，Ⅰ群的13份自育材料为混合了热带血缘的改良瑞德种质，11份引进材料具有与自育材料相近的背景特征。

第Ⅱ群共25份材料，分为2个亚群。Ⅱ-1亚群包括21份材料，其中自育材料14份，以桂兆18421为核心，是以泰国Swan(late)C4群体为基础选育的自交系及其衍生种质；另有7份材料为外来引进。Ⅱ-2亚群包含4份材料，其中3份自育材料为桂兆18421的改良系，1份为外来引进。根据聚类结果认为，Ⅱ群是以Swan(late)C4群体为核心的热带、亚热带玉米种质及与其遗传背景相近的引进种质。

第Ⅲ群共10份材料，包括测验种Mo17，均为外来引进材料，数量较少，目前不属于广西玉米育种的核心材料，该群内部无再划分亚群的必要。此外，3份自交系齐319、丹340和黄早4为国内玉米杂种优势群划分常用测验种，聚类结果表明本研究未采集与其背景较为相近的种质材料。

2.3 少数玉米种质具有额外特异基因

研究发现，少数材料在具有正常等位基因扩增条带的同时，在较远距离额外出现一些低频率扩增条带(额外特异基因)，类似罕见变异。将60对SSR引物扩增中低频率扩增条带总数达4条及其以上的材料进行统计，结果(表3)表明，在染色体分布方面，第1、第4、第7和第10染色体的低频率扩增条带出现概率较多，每条染色体上出现总数分别为14条、11条、8条和12条；在玉米种质材料方面，PHV37(SS)和42号H8431(SS)材料较易出现额外低频率扩增条带，低频率扩增条带总数分别为13条和27条。

表3 不同玉米种质与玉米不同染色体的低频率扩增条带

3 讨论

3.1 广西本土育种材料创新取得一定进展

将研究分群结果与黄开建等[5-6]的研究结果进行比较看出，近20年来广西玉米育种一定程度上克服了过度依赖墨黄9种质的情况，在此基础上，进一步引进遗传基础更丰富的新种质或新类群，将对广西玉米育种的发展起到重要的推动作用。研究所分析的玉米自交系共包含32份外来引进材料，其中11份引进材料被聚类到第Ⅰ群，因此，可从11份引进材料中选择综合性状优良、配合力高的新自交系以拓宽第Ⅰ群的育种群体，或利用其对第Ⅰ群的现有广西本土材料进行性状改良。同样方法，可以利用被聚类到第Ⅱ群的8份引进材料拓宽第Ⅱ群的育种群体，或对第Ⅱ群自育材料进行改良。FAN等[20]研究表明，在地区性生态类型丰富的中国西南部，玉米育种适宜保持3个杂种优势群，因此本研究中与Mo17一起被聚类为第Ⅲ群的9份外来种质，可从中选育适应广西气候、性状优良、配合力较高的自交系与第Ⅰ、第Ⅱ群组配杂交种。

3.2 发现少数独特基因或独特等位基因

研究发现部分材料具有稀有独特的扩增位点，说明部分玉米种质材料及某些染色体区段可能具有较大的特异性，如遗传背景非常近似的材料桂兆18421与15楼18421杂2，前者作为成熟的育种材料，在SSR标记的电泳结果中未见额外条带，而进一步改良过程中选育到的15楼18421杂2，在第1和第10染色体出现部分特异性条带，推测该材料的遗传背景变化可能发生在2条染色体相应区段。在后续研究中可采用基因芯片测序等技术进一步精确地估计特异性基因(变异)的出现频率，将有助于提高玉米育种材料的改良效率，挖掘和利用长期以来被忽视的种质资源，用于育种群体的改良、创新，以及建立新的杂种优势配对模式。

4 结论

4.1 温热×热种质杂优模式符合广西生态类型

目前广西地区广泛种植的品种桂单0810(亲本为桂7239×桂兆18421)和桂单0811(亲本为桂39321×桂兆18421)具有高产、稳产、质优、广适、多抗的优良综合性状，通过对2个品种选育过程中所利用的玉米育种群体及选育出的自交系的遗传背景分析表明，桂单0810和桂单0811双亲的组配利用了改良瑞德种质×苏湾种质的温热×热种质杂优模式，建议在今后的实际育种工作中，2群分别进行改良选系，进一步提高2群的一般配合力，同时拉大2群间的遗传距离，扩大杂种优势，在2群间进行杂交种组配。这也与王懿波等[21]的研究预测结果相符。

4.2 部分优良性状宜结合分子技术进行育种改良

研究的部分引进材料具有一些优良性状，如LH196和E8501具有耐低温特点，PHJ65具有耐涝特点，可通过常规育种方法利用其对同一杂种优势群的材料进行改良，但若利用其对不同杂种优势群的材料进行改良，如利用第Ⅰ群的PHJ65改良第Ⅱ群部分材料的耐涝性，可能会造成Ⅱ群相应材料遗传背景混杂、遗传距离变近、原有优良性状丢失及配合力降低等问题。对此，可通过分子生物学方法挖掘控制其优良性状的基因位点，通过分子标记辅助将单个基因片段导入相应自交系，在不改变材料本身背景的情况下进行定向改良。