基于DUS測(cè)試性狀的黃淮海地區(qū)玉米自交系的遺傳多樣性及群體結(jié)構(gòu)分析

豆丹丹，孫建軍，郭玉璽，王德新，郭新海，丁超明

（河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，河南 鄭州 450002）

玉米是我國(guó)重要的飼料、糧食、工業(yè)原料等。隨著社會(huì)需求的增加，近年來(lái)，玉米的種植面積和單產(chǎn)也增加。種質(zhì)資源是玉米新品種選育的前提、基礎(chǔ)和核心，相比其他農(nóng)作物，玉米具有相對(duì)豐富的種質(zhì)資源，在表型和分子水平上均具有較大的遺傳差異[1]。在做好玉米種質(zhì)收集、保存和繁殖等基礎(chǔ)工作的同時(shí)，需要加大對(duì)種質(zhì)資源的精準(zhǔn)鑒定評(píng)價(jià)，為育種提供新材料[2]。因此，充分合理有針對(duì)性地利用種質(zhì)資源是高效培育優(yōu)異新品種的關(guān)鍵，分析種質(zhì)資源表型性狀的多樣性，對(duì)雜交育種中目標(biāo)性狀親本的選擇和自交系改良具有重要意義。

植物新品種DUS（特異性、一致性和穩(wěn)定性）測(cè)試是新品種授權(quán)、保護(hù)和登記過(guò)程的必要程序。DUS 測(cè)試性狀在特定環(huán)境下能夠穩(wěn)定且重復(fù)表達(dá)，同時(shí)又能根據(jù)測(cè)試中標(biāo)準(zhǔn)品種的性狀表達(dá)狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行矯正，且DUS 測(cè)試性狀涵蓋植物的整個(gè)生育期，能客觀真實(shí)地反映品種間的差異[3‐4]。目前，基于DUS 測(cè)試性狀的植物遺傳多樣性分析已經(jīng)在玉米[5]、水稻[6]、小麥[7]、大豆[8]、向日葵[9]等中報(bào)道，而基于玉米DUS 測(cè)試性狀對(duì)玉米育種資源即自交系的遺傳多樣性研究鮮見(jiàn)報(bào)道，僅盧柏山等[3]基于DUS測(cè)試性狀對(duì)15 份普通玉米自交系和13 份糯玉米骨干自交系進(jìn)行了形態(tài)多樣性分析，但樣本數(shù)量較小，而關(guān)于黃淮海地區(qū)普通玉米自交系的研究還未見(jiàn)報(bào)道。為此，基于DUS測(cè)試性狀，對(duì)109份黃淮海地區(qū)玉米自交系的遺傳多樣性和群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以期為黃淮海地區(qū)玉米種質(zhì)資源的高效利用、育種效率的提高提供理論指導(dǎo)和參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及種植情況

供試材料為100份黃淮海地區(qū)DUS測(cè)試玉米自交系（編號(hào)DUS-001—DUS-100）和9 份代表自交系品種（掖478、鄭58、PH6WC、Mo17、PH4CV、昌7-2、丹340、齊319、8085 泰，分別為改良瑞得群、改良瑞得群、改良瑞得群、蘭卡斯特群、蘭卡斯特群、塘四平頭群、旅大紅骨群、P 群、溫?zé)釒?，編?hào)DUS-101—DUS-109），詳見(jiàn)表1。

表1 DUS測(cè)試玉米自交系信息Tab.1 Information on maize inbred lines tested by DUS

試驗(yàn)于2022 年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)示范基地（新鄉(xiāng)市原陽(yáng)縣，113°42′4″E、35°0′17″N）進(jìn)行，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，每份自交系設(shè)2 次重復(fù)，穴播，每小區(qū)4 行，行長(zhǎng)3 m，行距75 cm，株距30 cm，廂間設(shè)走道80 cm。播前施用復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=28∶10∶16）600 kg/hm2，2～3 葉期每穴定苗1株，大喇叭口期追施尿素（N 46%）100 kg/hm2，田間管理參照大田生產(chǎn)管理。

1.2 性狀觀測(cè)

玉米自交系觀測(cè)性狀按照《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南 玉米》（GB/T 19557.24—2018）[10]中自交系測(cè)試包含的39 個(gè)基本性狀及其觀測(cè)方法進(jìn)行（表2）。其中，MS 是對(duì)一定數(shù)量的植株或植株器官進(jìn)行單個(gè)測(cè)量，獲得一組個(gè)體記錄；MG 是對(duì)一批植株或植株器官或部位進(jìn)行測(cè)量，獲得一個(gè)群體記錄；VG 是對(duì)一批植株或植株器官或部位進(jìn)行目測(cè)，獲得一個(gè)群體記錄。觀測(cè)數(shù)量要求：MS 需每小區(qū)樣品數(shù)量不少于20 個(gè)，VG 和MG需要觀測(cè)整個(gè)小區(qū)或規(guī)定大小的群體。

表2 玉米自交系觀測(cè)性狀Tab.2 Observation characters of maize inbred lines

1.3 數(shù)據(jù)分析

按照《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南 玉米》（GB/T 19557.24—2018）[10]的性狀分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將所選測(cè)量性狀分成相應(yīng)等級(jí)，將性狀的代碼視為等位變異。采用Excel 2019 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理；采用PopGen 32 軟件計(jì)算不同性狀的等位變異數(shù)（Na）、有效等位變異數(shù)（Ne）和Shannon 指數(shù)（I）；采用Origin 2021 軟件，通過(guò)組間連接、平方歐氏距離法進(jìn)行聚類(lèi)分析；采用斯皮爾曼法計(jì)算遺傳相似系數(shù)。計(jì)算各類(lèi)群與各自交系的遺傳相似系數(shù)，取絕對(duì)值，然后計(jì)算各自交系中各類(lèi)群與其遺傳相似系數(shù)的占比，構(gòu)建群體結(jié)構(gòu)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于DUS測(cè)試性狀的黃淮海地區(qū)玉米自交系多樣性分析

玉米自交系性狀多樣性分析結(jié)果見(jiàn)表3，各性狀總體的平均等位變異數(shù)為5.026，變幅為1～9；平均有效等位變異數(shù)為2.919，變幅為1.000～6.053；平均Shannon 指數(shù)為1.133，變幅為0.000～1.928。其中，莖稈：支持根花青甙顯色強(qiáng)度（Chr.22）的多樣性最高，等位變異數(shù)、有效等位變異數(shù)、Shannon 指數(shù)分別為9、6.053、1.928，說(shuō)明支持根顏色變異范圍較廣；其次為雌穗：花絲花青甙顯色強(qiáng)度（Chr.9），等位變異數(shù)、有效等位變異數(shù)、Shannon 指數(shù)分別為8、6.022、1.887；多樣性最低的性狀是幼苗：第一葉頂端形狀（Chr.1），等位變異數(shù)為1，Shannon 指數(shù)為0.000。綜合本試驗(yàn)所選性狀，其中，等位變異數(shù)>5且Shannon指數(shù)相對(duì)較高的性狀有14個(gè)，分別為幼苗：第一葉鞘花青甙顯色強(qiáng)度（Chr.2）、植株：上部葉片與莖稈夾角（Chr.6）、雄穗：花藥花青甙顯色強(qiáng)度（Chr.10）、雄穗：穎片尖部花青甙顯色強(qiáng)度（Chr.13）、雄穗：穎片中部花青甙顯色強(qiáng)度（Chr.14）、雄穗：側(cè)枝與主軸夾角（Chr.15）、雄穗：最高位側(cè)枝以上的主軸長(zhǎng)度（Chr.18）、雄穗：一級(jí)側(cè)枝數(shù)目（Chr.19）、雄穗：側(cè)枝長(zhǎng)度（Chr.20）、葉片：寬度（Chr.24）、植株：高度（Chr.27）、果穗：長(zhǎng)度（Chr.30）、果穗：直徑（Chr.31）、穗軸：穎片花青甙顯色強(qiáng)度（Chr.39）。籽粒：頂端主要顏色（Chr.36）和籽粒：背面主要顏色（Chr.37）的等位變異數(shù)均為4。果穗：形狀（Chr.33）和果穗：籽粒顏色數(shù)量（Chr.34）的等位變異數(shù)均為2，且果穗：形狀（Chr.33）的Shannon 指數(shù)為0.052。綜上結(jié)果表明，本研究中的玉米自交系雄穗、植株、葉片、果穗及籽粒部位相關(guān)性狀的等位變異數(shù)、有效等位變異數(shù)和Shannon 指數(shù)變幅較大，存在不同程度的等位變異，說(shuō)明該自交系群體具有較高的遺傳多樣性。

表3 基于DUS測(cè)試性狀的黃淮海地區(qū)玉米自交系多樣性分析Tab.3 Diversity analysis of maize inbred lines in Huang?Huai?Hai region based on DUS test traits

2.2 基于DUS測(cè)試性狀的黃淮海地區(qū)玉米自交系聚類(lèi)分析

李新海等[11]將我國(guó)玉米親本自交系劃分為唐四坪頭群、旅大紅骨群等六大類(lèi)及對(duì)應(yīng)的6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)自交系?；贒US 測(cè)試性狀的玉米自交系聚類(lèi)分析結(jié)果如圖1所示，在遺傳距離閾值為15時(shí)，將109份玉米自交系劃分成5 個(gè)類(lèi)群。其中，代表塘四平頭群的昌7-2 被劃為A 類(lèi)群，包含21 份自交系，類(lèi)群主要表現(xiàn)為雄穗：一級(jí)側(cè)枝數(shù)目（Chr.19）多和側(cè)枝長(zhǎng)度（Chr.20）偏長(zhǎng)；代表P 群的齊319 和8085 泰被劃為B 類(lèi)群，包含23 份自交系，類(lèi)群主要表現(xiàn)為植株：上部葉片與莖稈夾角（Chr.6）大，葉片：彎曲程度（Chr.7）大，株型較披散，果穗粗長(zhǎng)；代表瑞得群的掖478、鄭58 和PH6WC 被劃為C 類(lèi)群，包含25 份自交系，類(lèi)群表現(xiàn)為植株：上部葉片與莖桿夾角（Chr.6）小，葉片：彎曲程度（Chr.7）小、葉片上沖，植株：穗位高度（Chr.26）、植株：高度（Chr.27）偏低的特性；代表旅大紅骨群的丹340 被劃為D 類(lèi)群，包含9 份自交系，表現(xiàn)為葉片：長(zhǎng)度（Chr.23）和葉片：寬度（Chr.24）偏大、果穗：長(zhǎng)度（Chr.30）偏長(zhǎng)、果穗：直徑（Chr.31）大和果穗：穗行數(shù)（Chr.32）多等特性；代表蘭卡斯特群的Mo17 和PH4CV 被劃為E 類(lèi)群，包含22 份自交系，類(lèi)群表現(xiàn)為果穗長(zhǎng)和籽粒大的特征。除D 類(lèi)群包含自交系較少外，其余4 個(gè)類(lèi)群包含自交系數(shù)量基本相同，表明自交系的類(lèi)型豐富，分布相對(duì)比較均勻，不同材料間遺傳基礎(chǔ)相對(duì)比較廣。

圖1 基于DUS測(cè)試性狀的黃淮海地區(qū)玉米自交系聚類(lèi)分析Fig.1 Cluster analysis of maize inbred lines in Huang?Huai?Hai region based on DUS test traits

2.3 基于DUS測(cè)試性狀的黃淮海地區(qū)玉米自交系群體結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)對(duì)劃分得到的類(lèi)群進(jìn)行均值處理，計(jì)算各自交系與各類(lèi)群間以及各類(lèi)群間遺傳相似系數(shù)，取絕對(duì)值，通過(guò)1 減去遺傳相似系數(shù)絕對(duì)值得到5 個(gè)類(lèi)群間的遺傳距離（表4）；同時(shí)，根據(jù)各自交系與各類(lèi)群的遺傳相似系數(shù)得到各自交系的群體結(jié)構(gòu)圖（圖2）。

圖2 基于DUS測(cè)試性狀的黃淮海地區(qū)玉米自交系群體結(jié)構(gòu)分析Fig.2 Analysis of population structure of maize inbred lines in Huang?Huai?Hai region based on DUS test traits

表4 類(lèi)群間遺傳距離Tab.4 Genetic distance between populations

由圖2 可知，A 類(lèi)群自交系中B 類(lèi)群遺傳相似系數(shù)占比相對(duì)較小，而E 類(lèi)群占比相對(duì)較大；B 類(lèi)群自交系中D 類(lèi)群遺傳相似系數(shù)占比相對(duì)較小，C 類(lèi)群占比相對(duì)較大；C 類(lèi)群自交系中D 類(lèi)群遺傳相似系數(shù)占比最小，B 類(lèi)群占比相對(duì)較大；D 類(lèi)群自交系中B 類(lèi)群遺傳相似系數(shù)占比相對(duì)較小，E 類(lèi)群占比相對(duì)較大；E 類(lèi)群自交系中D 類(lèi)群遺傳相似系數(shù)占比最小，A 類(lèi)群占比相對(duì)較大。由表4 可知，5 個(gè)類(lèi)群之間的遺傳距離介于0.200～0.665，其中，C 類(lèi)群（類(lèi)瑞得群）和B 類(lèi)群（類(lèi)P 群）間的遺傳距離最近，為0.200；D 類(lèi)群（類(lèi)旅大紅骨群）和B 類(lèi)群（類(lèi)P 群）的遺傳距離最遠(yuǎn)，為0.665。D 類(lèi)群與A 類(lèi)群、B類(lèi)群、C 類(lèi)群和E 類(lèi)群的遺傳相似系數(shù)均相對(duì)較小，其遺傳距離分別為0.501、0.665、0.586 和0.521；C 類(lèi)群與A 類(lèi)群和B 類(lèi)群的遺傳相似系數(shù)均相對(duì)較大，遺傳距離分別為0.277和0.200；E類(lèi)群與A類(lèi)群和B類(lèi)群的遺傳相似系數(shù)均相對(duì)較大，遺傳距離分別為0.212 和0.223，而與C 類(lèi)群遺傳相似系數(shù)相對(duì)較小，其遺傳距離為0.439。綜上可知，D 類(lèi)群與其他4 個(gè)類(lèi)群之間存在較遠(yuǎn)的的遺傳距離，可將D 類(lèi)群與其他類(lèi)群所包含的自交系進(jìn)行雜交，以獲得較大的雜種優(yōu)勢(shì)；而遺傳距離較近的C 類(lèi)群和E 類(lèi)群包含的自交系可分別與A類(lèi)群和B類(lèi)群包含的自交系進(jìn)行雜交，可能會(huì)獲得新的優(yōu)良自交系材料。

3 結(jié)論與討論

本研究利用DUS 測(cè)試中的39 個(gè)性狀，分析了109 份黃淮海玉米自交系的表型遺傳多樣性和群體結(jié)構(gòu)。玉米自交系的遺傳多樣性分析結(jié)果顯示，玉米自交系性狀的變異相對(duì)豐富，所有性狀中48.72%的性狀有效等位變異數(shù)大于2.919，61.54%的性狀Shannon 指數(shù)大于1.133。其中，莖稈：支持根花青甙顯色強(qiáng)度（Chr.22）的多樣性最高，等位變異數(shù)達(dá)到9，Shannon 指數(shù)達(dá)到1.928，說(shuō)明在育種過(guò)程中對(duì)支持根花青甙顯色性狀的篩選程度較低，使該性狀的多樣性水平較高。而果穗：形狀（Chr.33）、果穗：籽粒顏色數(shù)量（Chr.34）、籽粒：頂端主要顏色（Chr.36）和籽粒：背面主要顏色（Chr.37）的多樣性水平相對(duì)較低，其中果穗：形狀（Chr.33）的Shannon指數(shù)最低為0.052，這與現(xiàn)代育種性狀選擇的趨勢(shì)一致，多數(shù)育種家在育種過(guò)程中主要關(guān)注果穗和籽粒等產(chǎn)量相關(guān)性狀的表現(xiàn)。因此，基于分析結(jié)果，建議在育種過(guò)程中可適當(dāng)減少穗型和籽粒顏色的篩選比重，同時(shí)盡可能多地保留非直接育種目標(biāo)的關(guān)鍵性狀，豐富育成品種的遺傳多樣性。

在實(shí)際育種過(guò)程中，育種目標(biāo)主要集中在高產(chǎn)、高抗等性狀的聚集方面，使親本范圍越來(lái)越狹窄，加上對(duì)某些性狀集中定向的選擇，使優(yōu)異基因集中在少數(shù)材料中，這就導(dǎo)致很多非直接育種目標(biāo)性狀的丟失，新育成品種遺傳多樣性降低，導(dǎo)致生產(chǎn)上廣泛種植的品種之間存在嚴(yán)重的趨同現(xiàn)象[12‐13]。楊揚(yáng)等[14]通過(guò)對(duì)不同年份間審定的共308份糯玉米材料的遺傳多樣性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各年份間審定品種的遺傳多樣性指數(shù)波動(dòng)不大。本研究基于玉米DUS測(cè)試性狀，參照9份代表性自交系，根據(jù)各類(lèi)群中包含的代表性自交系將100份參與DUS測(cè)試的自交系劃分為類(lèi)瑞德群、類(lèi)唐四坪頭群、類(lèi)旅大紅骨群、類(lèi)P 群和類(lèi)蘭卡斯特群等5 個(gè)類(lèi)群。從聚類(lèi)分析結(jié)果看，玉米自交系具有較豐富的遺傳背景。其中，D類(lèi)群包含自交系較少，一方面這可能與本研究中試驗(yàn)材料的選取有關(guān)，另一方面在一定程度上說(shuō)明在現(xiàn)在的育種中對(duì)旅大紅骨類(lèi)群的利用相比于其他類(lèi)群出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

在自交系的改良方面，許多育種家和單位針對(duì)近緣系及組合的性狀差異進(jìn)行研究，指出不同近緣系在形態(tài)和生理性狀、產(chǎn)量性狀方面均存在不同程度的差異性[15‐18]。同時(shí)，豐光等[19]和陳淑萍等[20]通過(guò)骨干自交系與新自交系的配合力分析進(jìn)行優(yōu)異性狀親本組合的鑒定。本研究基于聚類(lèi)分析結(jié)果和遺傳相似系數(shù)，發(fā)現(xiàn)D 類(lèi)群在其他各類(lèi)群中遺傳相似系數(shù)占比較少，5 個(gè)雜種優(yōu)勢(shì)群之間的遺傳距離介于0.200～0.665。其中，D 類(lèi)群（類(lèi)旅大紅骨群）與B 類(lèi)群（類(lèi)P 群）的遺傳距離最遠(yuǎn)，為0.665；C 類(lèi)群（類(lèi)瑞得群）與B 類(lèi)群（類(lèi)P 群）的遺傳距離最近，為0.200；C 類(lèi)群（類(lèi)瑞得群）和E 類(lèi)群（類(lèi)蘭卡斯特群）與A 類(lèi)群（類(lèi)塘四平頭群）的遺傳距離也較近，分別為0.277 和0.212，這與系譜關(guān)系相吻合。雜交種鄭單958 由鄭58（C 類(lèi)群）和昌7-2（A 類(lèi)群）雜交而成，本研究分析結(jié)果中雙親遺傳距離較小，為0.277，但昌7-2 的特殊配合力高且雄穗發(fā)達(dá)，雜交種鄭單958 在多個(gè)性狀中均表現(xiàn)優(yōu)異，連續(xù)多年種植面積全國(guó)第一；先玉335 親本為PH6WC（C 類(lèi)群）和PH4CV（E 類(lèi)群），分析結(jié)果顯示其遺傳距離相對(duì)較大，為0.439，雜交種的優(yōu)異表現(xiàn)說(shuō)明這兩類(lèi)群自交系存在一定程度的雜種優(yōu)勢(shì)。所選代表性自交系均具有高配合力的特性，同時(shí)結(jié)合本研究結(jié)果中不同類(lèi)群彼此間的遺傳距離和各自交系遺傳相似系數(shù)占比，能為雜交育種親本的選擇和自交系改良提供一定的參考價(jià)值和理論依據(jù)。