利用SSR标记划分144份玉米自交系的杂种优势群

利用SSR标记划分144份玉米自交系的杂种优势群
刘春晓;李会海;马兰;董瑞;刘强;何春梅;关海英;刘铁山;汪黎明
【摘要】利用SSR标记对144份玉米自交系遗传多样性进行研究,初步进行了杂种优势群划分.从224对SSR引物中筛选出90对扩增带型稳定且具有多态性的引物,从供试材料中共检测到424个多态性位点,每个SSR标记的等位基因数为2～10个,平均为4.71个;多态性信息量为0.11～0.82,平均为0.53.利用UPGMA方法将144份自交系划分为2大类,5个亚群,分析结果与系谱分析基本一致.
【期刊名称】《山东农业科学》
【年(卷),期】2018(050)009
【总页数】6页(P1-6)
【关键词】玉米自交系;SSR标记;遗传多样性;杂种优势群
【作者】刘春晓;李会海;马兰;董瑞;刘强;何春梅;关海英;刘铁山;汪黎明
【作者单位】山东省农业科学院玉米研究所/小麦玉米国家工程实验室/农业部黄淮海北部玉米生物学与遗传育种重点实验室,山东济南 250100;宁津县大曹镇政府,山东宁津 253400;山东省农业科学院玉米研究所/小麦玉米国家工程实验室/农业部黄淮海北部玉米生物学与遗传育种重点实验室,山东济南 250100;山东省农业科学院玉米研究所/小麦玉米国家工程实验室/农业部黄淮海北部玉米生物学与遗传育种重点实验室,山东济南 250100;山东省农业科学院玉米研究所/小麦玉米国家工程实验室/农业部黄淮海北部玉米生物学与遗传育种重点实验室,山东济南 250100;山东省农业科学院玉米研究所/小麦玉米国家工程实验室/农业部黄淮海北部玉米生物学与遗传育种重点实验室,山东济南 250100;山东省农业科学院玉米研究所/小麦玉米国
家工程实验室/农业部黄淮海北部玉米生物学与遗传育种重点实验室,山东济南250100;山东省农业科学院玉米研究所/小麦玉米国家工程实验室/农业部黄淮海北部玉米生物学与遗传育种重点实验室,山东济南 250100;山东省农业科学院玉米研究所/小麦玉米国家工程实验室/农业部黄淮海北部玉米生物学与遗传育种重点实验室,山东济南 250100
【正文语种】中文
【中图分类】S513.03
玉米杂种优势类群划分和杂种优势模式构建是玉米自交系选育和杂交组合组配的重要依据，对提高玉米育种效率具有重要意义。

20世纪80年代以来，育种家利用形态标记、细胞学标记、配合力表现[1]以及系谱分析等方法[2]进行了类群划分，但由于人工选择和遗传漂移的作用及系谱资料的不完整性等原因，这些方法在进行遗传变异分析时均表现出了一定的局限性[3]。

近年来，分子标记技术快速发展，为自交系杂交优势群的划分提供了一定的分子学依据，使划分结果更准确。

国内外学者利用RFLP、RAPD、SSR、AFLP等分子标记分别对亲缘关系明确的玉米材料进行杂种优势群划分，所得结果与系谱资料基本吻合[4-7]。

SSR标记是建立在PCR反应基础之上的一种遗传标记，以多态性丰富、共显性遗传、重复性高、稳定可靠、操作简单等优点，被广泛应用于玉米种质的遗传多样性研究[8]。

李新海[9]和袁力行[10]等均将SSR标记应用于玉米自交系的遗传变异研究，划群结果与其系谱关系基本一致。

本研究利用90对SSR引物研究了144份玉米自交系的遗传多样性，旨在对新选、引育的优良自交系进行杂种优势群划分，为种质改良、扩增和创新及杂交组合的亲本选配提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法
1.1 供试材料
所选用的144份玉米自交系由山东省农业科学院玉米研究所提供，该自交系均为连续多代自交，性状稳定(表1)。

表1 144份玉米自交系编号自交系系谱来源编号自交系系谱来源编号自交系系谱来源1CML499(CL04345/CML274)-B-15-1-2-B49Y052不详97Lz044-12杂交种0442CML496P36-C9-F90-B-5-B50Y053不详98Lz047-13杂交种
0473CML491(6207QB/6207QA)-1-4-#-2-2-B51Y054不详99WYS无叶舌材料选系4CML453P24STE-C1-FS21-3-1-1-B52Y055不详100Lz11MSD1×美优系15CML448P21MRRS-C1-430-1-B53Y059不详101TG001-2泰国杂交种
6CML445(TUXPSEQ-C1-F2/P49SR)-F2-45-7-5-1-B54Y061不详102858郑58变异株7CML444P43-C9-1-1-1-1-1-B55Y062不详
103Lz3111P3199×M1138CML426P31-C4-B*6-38-#-#-2-B56Y064不详
104Lz9892HL9801×(浚92-8)9CML412P36-C5-FS279-1-1-B57Y066不详105Lz2192(昌7-2)×211110CML408P24STE-C2-29-B*4-#-4-B58Y067不详106Lz21932111×(浚92-8)11CML405LAPOSTASEQ-C0-B*3-12-1-1-B59Y072不详107Lz93219311×211112CML321P502-C0-F1-1-3-1-B60Y075不详108Lz7211(昌7-2)×931113CML176(P63-12-2-1/P67-5-1-1)-1-2-B61Y077不详109Lz438-12国外杂交种14CML161G25Q-C18-HS520-1-1-#-1-2-#-5-3-B-1-B62Y078不详110鲁系4507Lx3199×F231115Y001不详63Y079不详111Lz3123-1Lx3199×F231116Y002不详64Y080不详112鲁系
4502Lx3199×F231117Lz1140-01不详65Y081郑58改良系113Lz3123-
2Lx3199×F231118Lz1140-02不详66Y082昌7-2改良系114鲁系
4508Lx3199×F23111996489046×48867798-1昌7-2、K12等小群体
115Lx4201Lx3199×F231120Y005不详68Y086不详116鲁自1510-
2X1132X/F1132×F1132-1221210021JH721京7×H2169Y087不详117鲁自1510X1132X/F1132×F1132-1221210022WK858(8001×郑58)×郑5870Y088不详118Lx6949-26958×495823Y006不详71Y103不详119K12黄早四×潍春24Y008不详72Y105不详120835V8112×71825Y010不详73Y106不详
121Lz8558WK858×Z5826Y011不详74Y107不详122Lz58p1(郑58/品综1号)/郑5827Y012不详75Y108不详123郑58掖478变异株28Y013不详
76Y112不详124Qxh0121Lx9801、K12等小群体29Y014不详77L239郑58×美国杂交种125齐3925(齐319×齐205)BC230Y015不详78Y114不详
126Lx2311齐自2131×Lx931131Lz08-11国外杂交种79Lzd01-1德国杂交种127Lx2314齐自2131×Lx931132Y021不详80Lzd01-2德国杂交种128Lx2316齐自2131×Lx931133Y022不详81Y117不详129Lx2317齐自
2131×Lx931134Y024京7×H2182Y118不详130Lx2318齐自
2131×Lx931135Y0259046×48883Y119不详131Lx6949-16958×495836Y026不详84Y121不详132Lx03-2lx9801×(昌7-2)37Y027 不详85E003D049x郑58133昌7-2黄早四×潍9538Y028 不详86Y123郑58改良系
134PH4CVPH7V0×PHBE239Y029 不详87CT03(郑58×CT01)×郑58135M54国杂交种×铁7922
表1(续)
编号自交系系谱来源编号自交系系谱来源编号自交系系谱来源40LP1201 黄早四改良系88Y124郑58改良系136M54ZM54变异株41Y030不详89Y125昌7-2改良系137鲁系4958Lx4912×郑5842Y033不详90Y127昌7-2改良系
138PH6WCPH01N×PH09B43Y034不详91浚92-8昌7-
2×5237139Lx2111(齐自211×Lx9801)×Lx980144Y035不详92京24早熟302×黄野四140Lx9801502×H2145Y042不详93Y16-12不详
141Lx6958(697×185)×郑5846Y046不详94Lz964-11杂交种964142鲁系9311(鲁原92×吉853)×Lx980147Y048不详95Lz956-31杂交种956143鲁原92原齐122×113748Y050不详96Lz960-11杂交种960144齐319美国杂交种78599
1.2 SSR标记分析
1.2.1 DNA提取采用混合取样法从每份玉米自交系的植株上剪取幼嫩叶片，采用CTAB法[11]提取基因组DNA，用NaNoDRop 2000分光光度计检测DNA质量和浓度，并把浓度调至50 ng/μL，-20℃保存备用。

1.2.2 SSR引物筛选从MaizeGDB和文献中选择均匀分布在玉米10条染色体上的224对SSR引物，由上海生工生物工程技术服务有限公司合成，再通过电泳从中筛选出带型稳定、多态性高的引物用于试验。

1.2.3 PCR和电泳检测采用10.0 μL反应体系，包括Mix 5.0 μL，10 ng/μL引物各0.2 μL，模板DNA 1.0 μL，ddH2O 3.6 μL。

PCR反应程序为：94℃预变性5 min；94℃变性30 s，55℃退火30 s，72℃延伸30 s，30个循环；72℃延伸10 min，4℃保存。

PCR扩增产物用8.0%的非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳，恒电压120 V，电泳4 h左右，银染检测。

1.3 数据统计分析
SSR扩增产物以0、1统计建立数据库。

在相同迁移率位置上，有带者记为1，无带者记为0。

按Smith等[12]提供的公式计算SSR位点的多态性信息量(polymorphism information content，PIC)，即PIC =1-Σ，其中fi为i位点的基因频率。

按UPGMA (unweight pair group method arithmetic averages)方法进行聚类分析。

所有数据处理均由NTSYS-PC2.10e和Microsoft Excel软件完成。

2 结果与分析
2.1 SSR标记分析结果
首先利用224对SSR引物对8份自交系进行同源位点扩增，从中选取扩增条带清晰且有多态性的90对引物对144份自交系进行扩增。

在供试自交系中，多数仅扩增出1条片段，也有些引物能在几个自交系中扩增出2条片段，如引物
umc1186(图1)在第8、17和24泳道中均扩增出2条带，这可能是由于此引物与玉米基因组存在2个结合位点等因素有关。

这90对引物均匀分布于玉米的10条染色体，在供试材料中共检测出424个等位基因，每对引物检测出2～10个等位基因，平均每个位点的等位基因数为4.71个，其中phi233376引物变异程度最高，检测出10个等位变异，而umc2240、nc133、phi058、umc2197、
phi121引物多态性最差，仅有2个变异位点(表2)。

表明这些SSR标记具有较为丰富的遗传多样性。

多态性信息含量(PIC)与等位基因变异数目相互对应，等位基因变异较多的SSR引物具有较高的PIC值。

由表2可知，90对引物位点的平均PIC值为0.53，其中umc1034位点的PIC最大0.82，而umc2137位点最小0.11。

说明SSR标记具有高度的变异性。

图1 引物umc1186 对部分自交系扩增的SSR图谱
表2 90对引物在144份自交系中的扩增片段数目、大小及多态性信息量SSR引物染色体位置片段数片段大小多态性信息量SSR引物染色体位置片段数片段大小多态性信息量PICumc10711.01495～1180.59bnlg15386.015200～
2800.38umc22261.02580～1100.65umc18576.045138～
1550.62umc19171.045132～1500.45nc0126.057105～
1800.74umc20251.054100～1300.64phi2998526.075110～
1300.70umc11221.064150～1650.51umc21656.079135～
1780.70umc19721.063142～1580.45phi1127.013138～1600.31phi4232981.083128～1330.39umc10667.014138～1550.58umc22401.082140～1450.25phi0347.025122～1420.57phi3087071.103120～1350.48mmc04117.039170～1900.42bnlg13382.015170～2800.67phi1147.034138～1700.43umc11652.014150～1650.59umc19367.035125～3100.49phi0982.023138～1420.50phi3281757.045110～1380.67umc15182.02478～900.24umc17107.04488～1000.68bnlg22482.037199～2950.73phi0457.054140～1580.47umc11852.037105～1350.56phi0827.054118～1300.55nc1332.05292～950.15umc21977.052150～1550.39bnlg12252.066125～1650.75phi1167.064155～1750.46phi1272.084130～1450.39umc10348.029105～1600.82bnlg15233.025180～2600.41phi1218.03298～1000.37phi0293.043148～1580.62umc19048.036130～1520.54umc16553.043150～1650.58bnlg2408.066118～1380.73mmc00223.053110～1300.42mmc01818.06478～1250.48phi0533.054168～1950.58umc12688.07395～1000.58bnlg1973.06698～1220.79phi0158.08682～1020.66phi1022283.063122～1350.38umc22188.084122～1320.62umc13993.075115～1350.43phi2333768.0910138～1980.58bnlg12573.095175～2300.73umc12799.00392～980.41phi0724.004142～1600.62bnlg15839.017185～4000.76nc0044.033140～1780.27dupssr69.02695～
1150.70phi0214.03490～1200.30mmc0059.03790～
1420.66umc15504.035122～1450.64phi0229.034145～
1700.30umc16524.044135～1500.45umc10949.046130～
1780.43phi0794.054178～1870.59umc12319.04798～
1250.65umc21374.094138～1550.11umc16579.055145～
1650.25bnlg18904.11698～1800.69phi4488809.073175～
1850.41phi0064.11482～950.72umc115210.017156～
2300.56umc10504.11595～1150.66phi05910.026120～
2100.19phi1091885.034155～1700.53bnlg165510.036112～
1550.61umc12745.034102～1200.45phi05010.03480～
880.70bnlg12375.056158～1950.14umc138110.033160～
1700.44umc11555.055118～1580.74umc150610.046105～
1250.51mmc04815.064110～1250.67umc204310.044128～
1390.52umc10195.06970～1020.68umc106110.063100～
1050.45phi0585.072145～1500.44umc199310.06385～
950.45umc21435.083140～1500.51umc119610.078140～1850.64
2.2 144个自交系的类聚划分
利用424个多态性SSR标记计算144份自交系之间的遗传相似系数(GS)，按UPGMA 方法对供试自交系进行聚类。

由图2可知，以遗传距离0.75为阈值，可以将144份材料划分为2个类群。

第一大类包括20个自交系：CML499、CML176、CML321、CML491、
CML444、CML405、CML448、TG001-2、CML161、齐3925、齐319、CML453、CML445、鲁原92、CML412、CML408、CML496、CML426、
Y011、Y022。

该类自交系遗传背景较复杂，普遍含有国外种质资源遗传背景，如
含字母“CML”的自交系均引自墨西哥国际小麦玉米改良中心，齐319为国外杂
交种78599选系，齐3925为齐319衍生系。

第二大类主要是国内种质，可归类为4个玉米杂种优势群，结合自交系已知系谱
来源、生物学性状、配合力测定及SSR标记分析可分析出代表性自交系：
第1群包括21个自交系：Y001、Y072、M54Z、M54、Y021、Y108、鲁系4507、鲁系4502、Lz3123-1、鲁系4508、Lz3123-2、Lx4201、鲁自1510-2、PH4CV、鲁自1510、JH721、Y024、Y16-12、Y030、Y078、Y034，同属Lancaster杂种优势群，以自交系PH4CV为代表性自交系。

第2群包括39个自交系： Lz1140-01、Lz1140-02、Y015、Y012、Y014、
Y013、Lz08-11 、Y027、Lzd01-1、835、Y075、Y119、Y117、Y118、Lz11、Y033、Y035、Y042、Y055、Y059、Y052、PH6WC、Y079、Y062、Y114、
Y106、Y105、Y107、Lz438-12、Y080、Lzd01-2、Y086、Lz960-11、Lz3111、WYS、Lz964-11、Lz956-31、Lz044-12、Lz047-13，属Reid杂种优势群，以PH6WC为代表性自交系。

第3群包括32个自交系：Y002、9648、WK858、Lz8558、Y081、郑58、
Y123、CT03、Y124、Y087、Y088、E003、Y046、Y054、Y064、Y025、Y103、Y112、Y048、858、Y053、Y121、L239、Lx6949-2、Lx6949-1、Y066、
Lz58p1、Lx6958、鲁系4958、Y067、Y006、Y026，属改良Reid杂种优势群，以郑58为代表性自交系。

第4群包括32个自交系：Y005、Y010、Y028、昌7-2、LP1201、浚92-8、
Y061、Y029、Y082、798-1、Y127、Y077、Lz9892、Lx03-2、Lx9801、
Lz2192、Lz9321、Lx2111、Qxh0121、Lz2193、Lz7211、Lx2318、Y125、
Lx2311、Lx2314、Lx2316、鲁系9311、Lx2317、Y008、Y050、京24、K12，同属SPT杂种优势群，以昌7-2与Lx9801为代表性自交系。

图2 144份自交系的SSR标记聚类结果
3 讨论与结论
我国作为玉米生产大国，有着丰富的玉米种质资源。

研究现有种质资源的遗传多样性，对正确认识我国玉米种质资源基础，提高其利用效率具有重要的意义。

本研究通过将SSR分子标记数据与自交系已知系谱来源、生物学性状、配合力测定等相结合，对育种实践工作有如下指导意义：一是可对国外自交系和遗传背景不详的自交系进行归类；二是对以杂交种为基础育成的自交系，可确定其与父母本的遗传距离远近；三是分析种质资源的遗传多样性，探寻拓展遗传基础的方向与途径。

分析试验材料和试验结果可知，以郑58为代表的改良Reid群和以昌7-2与Lx9801为代表的SPT群仍是黄淮海夏玉米区的主导种质；近年来随着先玉335等美系杂交种的大面积推广，以PH4CV为代表的Lancaster群和以PH6WC为代表的Reid群也上升为主导种质；以郑58为代表的改良Reid群自交系和以PH6WC为代表的Reid群自交系进行比较，其遗传距离和表观性状存在着明显差异；PB群种质因为生育期偏晚、出籽率低、脱水慢等缺陷，应用的数量和影响力呈现明显的下降趋势，但随着高温、病害等生态逆境的高频发生，仍有必要选择优良的PB群种质来改良主导种质的抗逆性；持续引进和鉴定出与当前主导种质遗传距离较远的优良新种质，是拓展种质基础和创新种质的重要渠道，而如何高效利用这些新种质也是育种者需要攻克的重要研究课题。

PIC是衡量DNA标记位点变异程度高低的重要指标，群体的平均PIC 值越高，DNA 标记位点变异程度越高，群体的遗传多样性就越丰富[13]。

Warburton等[14]利用85对SSR引物研究7个CIMMYT群体和57个自交系的遗传多样性，57个自交系平均每个位点的等位基因是4.9个，在群体中每个位点是6.3个，也就是说用250个等位基因就足以揭示这些复杂群体的遗传变异。

在本研究中，所选用的90对SSR引物均匀地分布于玉米10条染色体上，在144份自交系间共检
测出424个等位基因变异，每对引物检测出2～10个等位基因，平均为4.71个；多态性信息量为0.11～0.82，平均为0.53。

这主要是由于本研究中所选引物数量
较多，均匀分布于玉米各条染色体上，且应用的聚丙烯酰胺凝胶分辨率较高，这样更好地揭示了不同自交系间的遗传差异，从而提高了多态性信息量[15]。

在育种实践中，可充分利用分子标记技术对玉米常见自交系和新自交系进行杂种优势群划分。

分子标记技术只有与田间观测相结合，才能起到更好、更准确的育种指导作用。

参考文献：
【相关文献】
[1] Barbosa-Neto J F, Sorrells M E, Cisar G. Prediction of heterosis in wheat using coefficient of parentage and RFLP-based estimates of genetic relationship[J]. Genome, 1996, 39(6): 1142-1149.
[2] Liu F, Bothmer R, Salomon B. Genetic diversity among east Asian accessions of the barley core collection as revealed by six isozyme loci[J]. Theor. Appl. Genet., 1999, 98:
1226- 1233.
[3] 袁力行, 傅骏骅, Warburton M, 等. 利用RFLP、SSR、AFLP 和RAPD 标记分析玉米自交系遗
传多样性的比较研究[J]. 遗传学报, 2000, 27: 725-733.
[4] 赵瑞芳, 侯本军, 库丽霞, 等. 利用SSR标记分析12个玉米群体的遗传关系[J]. 玉米科学, 2012, 20(2): 33-36.
[5] Mumm R H, Dudley J W. A classification of 148 U.S. maize inbreeds:Ⅰ.Cluster analysis based on RFLPs[J]. Crop Science, 1994, 34: 842-851.
[6] 胡文斌, 李学宝, 扶惠华. RAPD技术在玉米自交系亲缘关系鉴定中的应用[J]. 华中师范大学学报, 2008, 42(2): 278-281.
[7] 杜金友, 黎裕, 王天宇, 等. SSR和AFLP分析玉米遗传多样性的研究[J]. 华北农学报, 2003, 18(1): 59-63.
[8] Senior M L, Murphy J P, Goodman M M, et al. Utility of SSRs for determining genetic similarities and relationships in maize using an agarose gel system[J]. Crop Science, 1998, 38: 1088-1098.
[9] 李新海, 傅骏骅, 张世煌, 等. 利用SSR 标记研究玉米自交系的遗传变异[J]. 中国农业科学, 2000, 33(2): 1-9.
[10]袁力行, 傅骏骅, 张世煌, 等. 利用RFLP和SSR划分玉米自交系杂种优势群的研究[J]. 作物学报, 2001, 27(2): 149-156.
[11]Causse M A, Fulton T M, Cho Y G, et al. Saturated molecular map of the rice genome based on an interspecific backcross population[J]. Genetics, 1994, 138(4): 1251-1274. [12]Smith J S C, Chin E C L, Shu H, et al. An evaluation of the utility of SSR loci as molecular markers in maize (Zea mays L.):comparisons with data from RFLPs and pedigree[J]. Theoretical Applied Genetics, 1997, 95: 163-173.
[13]Botstein D,White L R, Skolnick M, et al. Construction of a genetic linkage map in man using restriction fragment length polymorphisms[J]. Am. J. Hum. Genet., 1980, 32(3): 314-331.
[14]Warburton M L, Xia X C, Crossa J, et al. Genetic characterization of CIMMYT inbred maize lines and open pollinated populations using large scale fingerprinting methods[J]. Crop Science, 2002, 42: 1832-1840.
[15]刘雪. 利用SSR标记分析我国44个玉米地方品种的遗传多样性[D]. 北京:中国农业科学院, 2005.。