基于DUS测试性状的黄淮海地区玉米自交系的遗传多样性及群体结构分析

豆丹丹，孙建军，郭玉玺，王德新，郭新海，丁超明

（河南省农业科学院 粮食作物研究所，河南 郑州 450002）

玉米是我国重要的饲料、粮食、工业原料等。随着社会需求的增加，近年来，玉米的种植面积和单产也增加。种质资源是玉米新品种选育的前提、基础和核心，相比其他农作物，玉米具有相对丰富的种质资源，在表型和分子水平上均具有较大的遗传差异[1]。在做好玉米种质收集、保存和繁殖等基础工作的同时，需要加大对种质资源的精准鉴定评价，为育种提供新材料[2]。因此，充分合理有针对性地利用种质资源是高效培育优异新品种的关键，分析种质资源表型性状的多样性，对杂交育种中目标性状亲本的选择和自交系改良具有重要意义。

植物新品种DUS（特异性、一致性和稳定性）测试是新品种授权、保护和登记过程的必要程序。DUS 测试性状在特定环境下能够稳定且重复表达，同时又能根据测试中标准品种的性状表达状态对其进行矫正，且DUS 测试性状涵盖植物的整个生育期，能客观真实地反映品种间的差异[3‐4]。目前，基于DUS 测试性状的植物遗传多样性分析已经在玉米[5]、水稻[6]、小麦[7]、大豆[8]、向日葵[9]等中报道，而基于玉米DUS 测试性状对玉米育种资源即自交系的遗传多样性研究鲜见报道，仅卢柏山等[3]基于DUS测试性状对15 份普通玉米自交系和13 份糯玉米骨干自交系进行了形态多样性分析，但样本数量较小，而关于黄淮海地区普通玉米自交系的研究还未见报道。为此，基于DUS测试性状，对109份黄淮海地区玉米自交系的遗传多样性和群体结构进行分析，以期为黄淮海地区玉米种质资源的高效利用、育种效率的提高提供理论指导和参考依据。

1.1 试验材料及种植情况

供试材料为100份黄淮海地区DUS测试玉米自交系（编号DUS-001—DUS-100）和9 份代表自交系品种（掖478、郑58、PH6WC、Mo17、PH4CV、昌7-2、丹340、齐319、8085 泰，分别为改良瑞得群、改良瑞得群、改良瑞得群、兰卡斯特群、兰卡斯特群、塘四平头群、旅大红骨群、P 群、温热带群，编号DUS-101—DUS-109），详见表1。

表1 DUS测试玉米自交系信息Tab.1 Information on maize inbred lines tested by DUS

试验于2022 年在河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地（新乡市原阳县，113°42′4″E、35°0′17″N）进行，采用完全随机设计，每份自交系设2 次重复，穴播，每小区4 行，行长3 m，行距75 cm，株距30 cm，厢间设走道80 cm。播前施用复合肥（N∶P2O5∶K2O=28∶10∶16）600 kg/hm2，2～3 叶期每穴定苗1株，大喇叭口期追施尿素（N 46%）100 kg/hm2，田间管理参照大田生产管理。

1.2 性状观测

玉米自交系观测性状按照《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南 玉米》（GB/T 19557.24—2018）[10]中自交系测试包含的39 个基本性状及其观测方法进行（表2）。其中，MS 是对一定数量的植株或植株器官进行单个测量，获得一组个体记录；
MG 是对一批植株或植株器官或部位进行测量，获得一个群体记录；
VG 是对一批植株或植株器官或部位进行目测，获得一个群体记录。观测数量要求：MS 需每小区样品数量不少于20 个，VG 和MG需要观测整个小区或规定大小的群体。

表2 玉米自交系观测性状Tab.2 Observation characters of maize inbred lines

1.3 数据分析

按照《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南 玉米》（GB/T 19557.24—2018）[10]的性状分级标准将所选测量性状分成相应等级，将性状的代码视为等位变异。采用Excel 2019 对数据进行整理；
采用PopGen 32 软件计算不同性状的等位变异数（Na）、有效等位变异数（Ne）和Shannon 指数（I）；
采用Origin 2021 软件，通过组间连接、平方欧氏距离法进行聚类分析；
采用斯皮尔曼法计算遗传相似系数。计算各类群与各自交系的遗传相似系数，取绝对值，然后计算各自交系中各类群与其遗传相似系数的占比，构建群体结构图。

2.1 基于DUS测试性状的黄淮海地区玉米自交系多样性分析

玉米自交系性状多样性分析结果见表3，各性状总体的平均等位变异数为5.026，变幅为1～9；
平均有效等位变异数为2.919，变幅为1.000～6.053；
平均Shannon 指数为1.133，变幅为0.000～1.928。其中，茎秆：支持根花青甙显色强度（Chr.22）的多样性最高，等位变异数、有效等位变异数、Shannon 指数分别为9、6.053、1.928，说明支持根颜色变异范围较广；
其次为雌穗：花丝花青甙显色强度（Chr.9），等位变异数、有效等位变异数、Shannon 指数分别为8、6.022、1.887；
多样性最低的性状是幼苗：第一叶顶端形状（Chr.1），等位变异数为1，Shannon 指数为0.000。综合本试验所选性状，其中，等位变异数>5且Shannon指数相对较高的性状有14个，分别为幼苗：第一叶鞘花青甙显色强度（Chr.2）、植株：上部叶片与茎秆夹角（Chr.6）、雄穗：花药花青甙显色强度（Chr.10）、雄穗：颖片尖部花青甙显色强度（Chr.13）、雄穗：颖片中部花青甙显色强度（Chr.14）、雄穗：侧枝与主轴夹角（Chr.15）、雄穗：最高位侧枝以上的主轴长度（Chr.18）、雄穗：一级侧枝数目（Chr.19）、雄穗：侧枝长度（Chr.20）、叶片：宽度（Chr.24）、植株：高度（Chr.27）、果穗：长度（Chr.30）、果穗：直径（Chr.31）、穗轴：颖片花青甙显色强度（Chr.39）。籽粒：顶端主要颜色（Chr.36）和籽粒：背面主要颜色（Chr.37）的等位变异数均为4。果穗：形状（Chr.33）和果穗：籽粒颜色数量（Chr.34）的等位变异数均为2，且果穗：形状（Chr.33）的Shannon 指数为0.052。综上结果表明，本研究中的玉米自交系雄穗、植株、叶片、果穗及籽粒部位相关性状的等位变异数、有效等位变异数和Shannon 指数变幅较大，存在不同程度的等位变异，说明该自交系群体具有较高的遗传多样性。

表3 基于DUS测试性状的黄淮海地区玉米自交系多样性分析Tab.3 Diversity analysis of maize inbred lines in Huang‑Huai‑Hai region based on DUS test traits

2.2 基于DUS测试性状的黄淮海地区玉米自交系聚类分析

李新海等[11]将我国玉米亲本自交系划分为唐四坪头群、旅大红骨群等六大类及对应的6 个标准自交系。基于DUS 测试性状的玉米自交系聚类分析结果如图1所示，在遗传距离阈值为15时，将109份玉米自交系划分成5 个类群。其中，代表塘四平头群的昌7-2 被划为A 类群，包含21 份自交系，类群主要表现为雄穗：一级侧枝数目（Chr.19）多和侧枝长度（Chr.20）偏长；
代表P 群的齐319 和8085 泰被划为B 类群，包含23 份自交系，类群主要表现为植株：上部叶片与茎秆夹角（Chr.6）大，叶片：弯曲程度（Chr.7）大，株型较披散，果穗粗长；
代表瑞得群的掖478、郑58 和PH6WC 被划为C 类群，包含25 份自交系，类群表现为植株：上部叶片与茎杆夹角（Chr.6）小，叶片：弯曲程度（Chr.7）小、叶片上冲，植株：穗位高度（Chr.26）、植株：高度（Chr.27）偏低的特性；
代表旅大红骨群的丹340 被划为D 类群，包含9 份自交系，表现为叶片：长度（Chr.23）和叶片：宽度（Chr.24）偏大、果穗：长度（Chr.30）偏长、果穗：直径（Chr.31）大和果穗：穗行数（Chr.32）多等特性；
代表兰卡斯特群的Mo17 和PH4CV 被划为E 类群，包含22 份自交系，类群表现为果穗长和籽粒大的特征。除D 类群包含自交系较少外，其余4 个类群包含自交系数量基本相同，表明自交系的类型丰富，分布相对比较均匀，不同材料间遗传基础相对比较广。

图1 基于DUS测试性状的黄淮海地区玉米自交系聚类分析Fig.1 Cluster analysis of maize inbred lines in Huang‑Huai‑Hai region based on DUS test traits

2.3 基于DUS测试性状的黄淮海地区玉米自交系群体结构分析

通过对划分得到的类群进行均值处理，计算各自交系与各类群间以及各类群间遗传相似系数，取绝对值，通过1 减去遗传相似系数绝对值得到5 个类群间的遗传距离（表4）；
同时，根据各自交系与各类群的遗传相似系数得到各自交系的群体结构图（图2）。

图2 基于DUS测试性状的黄淮海地区玉米自交系群体结构分析Fig.2 Analysis of population structure of maize inbred lines in Huang‑Huai‑Hai region based on DUS test traits

表4 类群间遗传距离Tab.4 Genetic distance between populations

由图2 可知，A 类群自交系中B 类群遗传相似系数占比相对较小，而E 类群占比相对较大；
B 类群自交系中D 类群遗传相似系数占比相对较小，C 类群占比相对较大；
C 类群自交系中D 类群遗传相似系数占比最小，B 类群占比相对较大；
D 类群自交系中B 类群遗传相似系数占比相对较小，E 类群占比相对较大；
E 类群自交系中D 类群遗传相似系数占比最小，A 类群占比相对较大。由表4 可知，5 个类群之间的遗传距离介于0.200～0.665，其中，C 类群（类瑞得群）和B 类群（类P 群）间的遗传距离最近，为0.200；
D 类群（类旅大红骨群）和B 类群（类P 群）的遗传距离最远，为0.665。D 类群与A 类群、B类群、C 类群和E 类群的遗传相似系数均相对较小，其遗传距离分别为0.501、0.665、0.586 和0.521；
C 类群与A 类群和B 类群的遗传相似系数均相对较大，遗传距离分别为0.277和0.200；
E类群与A类群和B类群的遗传相似系数均相对较大，遗传距离分别为0.212 和0.223，而与C 类群遗传相似系数相对较小，其遗传距离为0.439。综上可知，D 类群与其他4 个类群之间存在较远的的遗传距离，可将D 类群与其他类群所包含的自交系进行杂交，以获得较大的杂种优势；
而遗传距离较近的C 类群和E 类群包含的自交系可分别与A类群和B类群包含的自交系进行杂交，可能会获得新的优良自交系材料。

本研究利用DUS 测试中的39 个性状，分析了109 份黄淮海玉米自交系的表型遗传多样性和群体结构。玉米自交系的遗传多样性分析结果显示，玉米自交系性状的变异相对丰富，所有性状中48.72%的性状有效等位变异数大于2.919，61.54%的性状Shannon 指数大于1.133。其中，茎秆：支持根花青甙显色强度（Chr.22）的多样性最高，等位变异数达到9，Shannon 指数达到1.928，说明在育种过程中对支持根花青甙显色性状的筛选程度较低，使该性状的多样性水平较高。而果穗：形状（Chr.33）、果穗：籽粒颜色数量（Chr.34）、籽粒：顶端主要颜色（Chr.36）和籽粒：背面主要颜色（Chr.37）的多样性水平相对较低，其中果穗：形状（Chr.33）的Shannon指数最低为0.052，这与现代育种性状选择的趋势一致，多数育种家在育种过程中主要关注果穗和籽粒等产量相关性状的表现。因此，基于分析结果，建议在育种过程中可适当减少穗型和籽粒颜色的筛选比重，同时尽可能多地保留非直接育种目标的关键性状，丰富育成品种的遗传多样性。

在实际育种过程中，育种目标主要集中在高产、高抗等性状的聚集方面，使亲本范围越来越狭窄，加上对某些性状集中定向的选择，使优异基因集中在少数材料中，这就导致很多非直接育种目标性状的丢失，新育成品种遗传多样性降低，导致生产上广泛种植的品种之间存在严重的趋同现象[12‐13]。杨扬等[14]通过对不同年份间审定的共308份糯玉米材料的遗传多样性进行分析，发现各年份间审定品种的遗传多样性指数波动不大。本研究基于玉米DUS测试性状，参照9份代表性自交系，根据各类群中包含的代表性自交系将100份参与DUS测试的自交系划分为类瑞德群、类唐四坪头群、类旅大红骨群、类P 群和类兰卡斯特群等5 个类群。从聚类分析结果看，玉米自交系具有较丰富的遗传背景。其中，D类群包含自交系较少，一方面这可能与本研究中试验材料的选取有关，另一方面在一定程度上说明在现在的育种中对旅大红骨类群的利用相比于其他类群出现下降趋势。

在自交系的改良方面，许多育种家和单位针对近缘系及组合的性状差异进行研究，指出不同近缘系在形态和生理性状、产量性状方面均存在不同程度的差异性[15‐18]。同时，丰光等[19]和陈淑萍等[20]通过骨干自交系与新自交系的配合力分析进行优异性状亲本组合的鉴定。本研究基于聚类分析结果和遗传相似系数，发现D 类群在其他各类群中遗传相似系数占比较少，5 个杂种优势群之间的遗传距离介于0.200～0.665。其中，D 类群（类旅大红骨群）与B 类群（类P 群）的遗传距离最远，为0.665；
C 类群（类瑞得群）与B 类群（类P 群）的遗传距离最近，为0.200；
C 类群（类瑞得群）和E 类群（类兰卡斯特群）与A 类群（类塘四平头群）的遗传距离也较近，分别为0.277 和0.212，这与系谱关系相吻合。杂交种郑单958 由郑58（C 类群）和昌7-2（A 类群）杂交而成，本研究分析结果中双亲遗传距离较小，为0.277，但昌7-2 的特殊配合力高且雄穗发达，杂交种郑单958 在多个性状中均表现优异，连续多年种植面积全国第一；
先玉335 亲本为PH6WC（C 类群）和PH4CV（E 类群），分析结果显示其遗传距离相对较大，为0.439，杂交种的优异表现说明这两类群自交系存在一定程度的杂种优势。所选代表性自交系均具有高配合力的特性，同时结合本研究结果中不同类群彼此间的遗传距离和各自交系遗传相似系数占比，能为杂交育种亲本的选择和自交系改良提供一定的参考价值和理论依据。

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