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）

玉米是我國重要的飼料、糧食、工業(yè)原料等。隨著社會需求的增加，近年來，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，需要加大對種質(zhì)資源的精準鑒定評價，為育種提供新材料[2]。因此，充分合理有針對性地利用種質(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，對雜交育種中目標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）測試是新品種授權(quán)、保護和登記過程的必要程序。DUS 測試性狀在特定環(huán)境下能夠穩(wěn)定且重復(fù)表達，同時又能根據(jù)測試中標準品種的性狀表達狀態(tài)對其進行矯正，且DUS 測試性狀涵蓋植物的整個生育期，能客觀真實地反映品種間的差異[3‐4]。目前，基于DUS 測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]等中報道，而基于玉米DUS 測試性狀對玉米育種資源即自交系的遺傳多樣性研究鮮見報道，僅盧柏山等[3]基于DUS測試性狀對15 份普通玉米自交系和13 份糯玉米骨干自交系進行了形態(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報道。為此，基于DUS測試性狀，對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 試驗材料及種植情況

供試材料為100份黃淮海地區(qū)DUS測試玉米自交系（編號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?，編號DUS-101—DUS-109），詳見表1。

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

試驗于2022 年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗示范基地（新鄉(xiāng)市原陽縣，113°42′4″E、35°0′17″N）進行，采用完全隨機設(shè)計，每份自交系設(shè)2 次重復(fù)，穴播，每小區(qū)4 行，行長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

玉米自交系觀測性狀按照《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南 玉米》（GB/T 19557.24—2018）[10]中自交系測試包含的39 個基本性狀及其觀測方法進行（表2）。其中，MS 是對一定數(shù)量的植株或植株器官進行單個測量，獲得一組個體記錄；MG 是對一批植株或植株器官或部位進行測量，獲得一個群體記錄；VG 是對一批植株或植株器官或部位進行目測，獲得一個群體記錄。觀測數(shù)量要求：MS 需每小區(qū)樣品數(shù)量不少于20 個，VG 和MG需要觀測整個小區(qū)或規(guī)定大小的群體。

表2 玉米自交系觀測性狀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)定性測試指南 玉米》（GB/T 19557.24—2018）[10]的性狀分級標準將所選測量性狀分成相應(yīng)等級，將性狀的代碼視為等位變異。采用Excel 2019 對數(shù)據(jù)進行整理；采用PopGen 32 軟件計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，通過組間連接、平方歐氏距離法進行聚類分析；采用斯皮爾曼法計算遺傳相似系數(shù)。計算各類群與各自交系的遺傳相似系數(shù)，取絕對值，然后計算各自交系中各類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。綜合本試驗所選性狀，其中，等位變異數(shù)>5且Shannon指數(shù)相對較高的性狀有14個，分別為幼苗：第一葉鞘花青甙顯色強度（Chr.2）、植株：上部葉片與莖稈夾角（Chr.6）、雄穗：花藥花青甙顯色強度（Chr.10）、雄穗：穎片尖部花青甙顯色強度（Chr.13）、雄穗：穎片中部花青甙顯色強度（Chr.14）、雄穗：側(cè)枝與主軸夾角（Chr.15）、雄穗：最高位側(cè)枝以上的主軸長度（Chr.18）、雄穗：一級側(cè)枝數(shù)目（Chr.19）、雄穗：側(cè)枝長度（Chr.20）、葉片：寬度（Chr.24）、植株：高度（Chr.27）、果穗：長度（Chr.30）、果穗：直徑（Chr.31）、穗軸：穎片花青甙顯色強度（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，說明該自交系群體具有較高的遺傳多樣性。

表3 基于DUS測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測試性狀的黃淮海地區(qū)玉米自交系聚類分析

李新海等[11]將我國玉米親本自交系劃分為唐四坪頭群、旅大紅骨群等六大類及對應(yīng)的6 個標準自交系。基于DUS 測試性狀的玉米自交系聚類分析結(jié)果如圖1所示，在遺傳距離閾值為15時，將109份玉米自交系劃分成5 個類群。其中，代表塘四平頭群的昌7-2 被劃為A 類群，包含21 份自交系，類群主要表現(xiàn)為雄穗：一級側(cè)枝數(shù)目（Chr.19）多和側(cè)枝長度（Chr.20）偏長；代表P 群的齊319 和8085 泰被劃為B 類群，包含23 份自交系，類群主要表現(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；代表瑞得群的掖478、鄭58 和PH6WC 被劃為C 類群，包含25 份自交系，類群表現(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 類群，包含9 份自交系，表現(xiàn)為葉片：長度（Chr.23）和葉片：寬度（Chr.24）偏大、果穗：長度（Chr.30）偏長、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 類群，包含22 份自交系，類群表現(xiàn)為果穗長和籽粒大的特征。除D 類群包含自交系較少外，其余4 個類群包含自交系數(shù)量基本相同，表明自交系的類型豐富，分布相對比較均勻，不同材料間遺傳基礎(chǔ)相對比較廣。

圖1 基于DUS測試性狀的黃淮海地區(qū)玉米自交系聚類分析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

通過對劃分得到的類群進行均值處理，計算各自交系與各類群間以及各類群間遺傳相似系數(shù)，取絕對值，通過1 減去遺傳相似系數(shù)絕對值得到5 個類群間的遺傳距離（表4）；同時，根據(jù)各自交系與各類群的遺傳相似系數(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 類群間遺傳距離Tab.4 Genetic distance between populations

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

3 結(jié)論與討論

本研究利用DUS 測試中的39 個性狀，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度（Chr.22）的多樣性最高，等位變異數(shù)達到9，Shannon 指數(shù)達到1.928，說明在育種過程中對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一致，多數(shù)育種家在育種過程中主要關(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，建議在育種過程中可適當(dāng)減少穗型和籽粒顏色的篩選比重，同時盡可能多地保留非直接育種目標的關(guān)鍵性狀，豐富育成品種的遺傳多樣性。

在實際育種過程中，育種目標主要集中在高產(chǎn)、高抗等性狀的聚集方面，使親本范圍越來越狹窄，加上對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重的趨同現(xiàn)象[12‐13]。楊揚等[14]通過對不同年份間審定的共308份糯玉米材料的遺傳多樣性進行分析，發(fā)現(xiàn)各年份間審定品種的遺傳多樣性指數(shù)波動不大。本研究基于玉米DUS測試性狀，參照9份代表性自交系，根據(jù)各類群中包含的代表性自交系將100份參與DUS測試的自交系劃分為類瑞德群、類唐四坪頭群、類旅大紅骨群、類P 群和類蘭卡斯特群等5 個類群。從聚類分析結(jié)果看，玉米自交系具有較豐富的遺傳背景。其中，D類群包含自交系較少，一方面這可能與本研究中試驗材料的選取有關(guān)，另一方面在一定程度上說明在現(xiàn)在的育種中對旅大紅骨類群的利用相比于其他類群出現(xiàn)下降趨勢。

在自交系的改良方面，許多育種家和單位針對近緣系及組合的性狀差異進行研究，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，豐光等[19]和陳淑萍等[20]通過骨干自交系與新自交系的配合力分析進行優(yōu)異性狀親本組合的鑒定。本研究基于聚類分析結(jié)果和遺傳相似系數(shù)，發(fā)現(xiàn)D 類群在其他各類群中遺傳相似系數(shù)占比較少，5 個雜種優(yōu)勢群之間的遺傳距離介于0.200～0.665。其中，D 類群（類旅大紅骨群）與B 類群（類P 群）的遺傳距離最遠，為0.665；C 類群（類瑞得群）與B 類群（類P 群）的遺傳距離最近，為0.200；C 類群（類瑞得群）和E 類群（類蘭卡斯特群）與A 類群（類塘四平頭群）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 類群）和昌7-2（A 類群）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，雜交種鄭單958 在多個性狀中均表現(xiàn)優(yōu)異，連續(xù)多年種植面積全國第一；先玉335 親本為PH6WC（C 類群）和PH4CV（E 類群），分析結(jié)果顯示其遺傳距離相對較大，為0.439，雜交種的優(yōu)異表現(xiàn)說明這兩類群自交系存在一定程度的雜種優(yōu)勢。所選代表性自交系均具有高配合力的特性，同時結(jié)合本研究結(jié)果中不同類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值和理論依據(jù)。