作物杂志, 2025, 41(2): 47-53 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2025.02.007

遗传育种·种质资源·生物技术

基于SSR标记对69份玉米种质资源的遗传多样性分析

常宏兵,1, 王晨1, 何美敬1, 曹熙敏1, 俞凤芳1, 曹晓良1, 宋炜,2, 吕爱枝,1

1河北北方学院,075000,河北张家口

2河北省农林科学院粮油作物研究所,050000,河北石家庄

Genetic Diversity Analysis of 69 Maize Germplasm Resources Based on SSR Markers

Chang Hongbing,1, Wang Chen1, He Meijing1, Cao Ximin1, Yu Fengfang1, Cao Xiaoliang1, Song Wei,2, Lü Aizhi,1

1Hebei North University, Zhangjiakou 075000, Hebei, China

2Institute of Grain and Oil Crops, Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Shijiazhuang 050000, Hebei, China

通讯作者: 吕爱枝,研究方向为玉米分子育种,E-mail:nkxlaz@163.com宋炜,研究方向为玉米遗传育种,E-mail:sw1717@126.com

收稿日期: 2024-01-23   修回日期: 2024-03-19  

基金资助: 河北省重点研发计划项目现代种业科技创新专项(21326319D)
河北省重点研发计划项目现代种业科技创新专项(22326317D)
河北省教育厅基本科研业务费(JYT2023010)

Received: 2024-01-23   Revised: 2024-03-19  

作者简介 About authors

常宏兵,研究方向为玉米遗传育种,E-mail:1727788104@qq.com

摘要

为了拓宽河北省玉米自交系的遗传基础,加快优异种质的开发与利用,利用SSR标记对39个自交系和30个品种进行遗传多样性分析。结果表明,32个多态性SSR标记共扩增出97个等位基因,平均每对引物扩增3个等位基因,多态性位点百分率为68.75%。引物的平均有效等位基因数、香农信息指数、期望杂合度和PIC值分别为1.40、0.31、0.20和0.27。玉米群体的遗传距离介于0.103~0.844,自交系与河北省及北京市的品种基因交流最为密切,亲缘关系较近,遗传距离较小,分别为0.140和0.155,一定程度上呈现出遗传距离和地理距离的相关性。聚类分析将参试材料划为5个类群,自交系被明显区分开;东北三省、甘肃省及部分河北省与北京市的品种被聚为一类,且大部分品种育成地农作物为一年一熟,8个早熟品种紧密接近,说明SSR标记可以一定程度上区分出种质类型。自交系的遗传多样性最高且纯度较高,可以进一步选育利用。

关键词: SSR标记; 玉米; 种质资源; 遗传多样性

Abstract

In order to broaden the genetic basis of maize inbred lines in Hebei province and accelerate the development and utilization of excellent germplasms, SSR markers were used to analyze genetic diversity of 39 inbred lines and 30 varieties. The results showed that a total of 97 alleles were amplified from 32 polymorphic SSR markers, with an average of three alleles amplified per primer pair. The percentage of polymorphic loci was 68.75%. The average number of effective alleles, Shannon information index, expected heterozygosity, and PIC values of the primers were 1.40, 0.31, 0.20, and 0.27, respectively. The genetic distance of the maize population ranged from 0.103 to 0.844, and the inbred lines had the closest genetic exchange with varieties from Hebei province and Beijing, with relatively close genetic relationships and smaller genetic distances of 0.140 and 0.155, respectively, showing a certain degree of correlation between genetic distance and geographical distance. The test materials were divided to five groups by cluster analysis, and the inbred lines were clearly distinguished; The varieties from the three northeast provinces of China, Gansu, and some parts of Hebei and Beijing were grouped together, and most of the cultivated crops in the region mature once a year. The eight early maturing varieties were closely related, indicating that SSR markers could to some extent distinguish germplasm types. The genetic diversity and purity of inbred lines are the highest, which can be further selected and utilized.

Keywords: SSR marker; Maize; Germplasm resource; Genetic diversity

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本文引用格式

常宏兵, 王晨, 何美敬, 曹熙敏, 俞凤芳, 曹晓良, 宋炜, 吕爱枝. 基于SSR标记对69份玉米种质资源的遗传多样性分析. 作物杂志, 2025, 41(2): 47-53 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2025.02.007

Chang Hongbing, Wang Chen, He Meijing, Cao Ximin, Yu Fengfang, Cao Xiaoliang, Song Wei, Lü Aizhi. Genetic Diversity Analysis of 69 Maize Germplasm Resources Based on SSR Markers. Crops, 2025, 41(2): 47-53 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2025.02.007

玉米是重要的粮食及饲料作物,是饲料和畜牧行业生产的主要投入品,也是深加工等行业的重要原料,其次还关联到化工和医药等领域,长期以来在生产中占据重要地位[1-3],对保障我国粮食及饲料安全有着重要作用[4]。了解玉米的种群结构和群体遗传多样性等相关信息,对玉米种质的开发利用具有重要意义[5]。种质资源是品种改良工作的基础,种质资源的数量及质量是实现育种目标的关键,因此对优良种质的广泛搜集、鉴定评价工作极为重要[6]。遗传多样性分析是作物种质资源研究的一种重要手段,可以从形态学标记与分子标记2个方面进行,了解不同品种之间的遗传差异,为推进植物育种与遗传改良奠定基础[7]。形态标记等传统的评价方法很难对种质资源进行差异比较,无法精准评估种质特性[8],而不受环境影响的DNA分子标记为遗传育种和种质鉴定研究提供了一种准确有效的方法[9]。SSR标记具有易扩增、共显性及多态性高等优点,被广泛应用于遗传连锁图谱的绘制、群体遗传学、种质鉴定与亲缘分析等方面[10]。本研究利用SSR分子标记技术,以河北省的自交系及各地区收集的玉米品种为研究对象,对其进行遗传多样性分析,为玉米种质收集、评价及合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 参试材料

参试材料具体见表1,共69份,其中材料1~27和58~69为自交系,其余皆为品种(50~57为早熟品种)。

表1   参试材料基本信息

Table 1  Basic information of the test materials

编号
Number
名称
Name
育成地
Breeding area
编号
Number
名称
Name
育成地
Breeding area
编号
Number
名称
Name
育成地
Breeding area
1WL134河北24X324河北47联创825北京
2冀42河北25Z598河北48中科玉505北京
3A87河北26L91158河北49吉单27东北三省
4X372河北27H86B河北50利合228山西
5X302河北28承玉33河北51先玉1802东北三省
6石359河北29锦华105北京52C7367甘肃
7外杂11河北30巡天1102河北53义超863东北三省
8冀H521河北31飞天358湖北54科沃8904东北三省
9H1710河北32农华101北京55G1938甘肃
10H74河北33京科968北京56C2235甘肃
11L117河北34先玉335东北三省57685山东
12HF138-1河北35杂交农大108北京58604母河北
13衡H14河北36隆平206安徽59冀18FF河北
14JN1028河北37农大372北京60903母河北
15W25河北38京农科728北京61掖476河北
16L5895河北39裕丰303北京62H92河北
17石1447河北40纪元196河北63WL134河北
18B132河北41纪元168河北64冀42河北
19农系3435河北42DM1东北三省65H521W河北
20H59河北43鹏玉1号东北三省66冀5F河北
21X522河北44纪元155河北67冀75F父河北
22冀57河北45纪元128河北68K36河北
23JN1118河北46纪元1号河北69S221河北

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1.2 DNA提取及PCR扩增

DNA提取:使用北京庄盟国际生物基因科技有限公司的植物基因组DNA提取试剂盒提取供试种质DNA,用超微量分光光度计检测DNA浓度和纯度。SSR标记:采用了40对SSR引物,均为玉米品种鉴定行业标准中发布的引物,具有多态性好、均匀分布在玉米的10条染色体上的特征,具体引物名称、序列及片段长度等信息见参考文献[11]

PCR-SSR反应体系为20 μL,包括10× PCR buffer 2 μL、2.5 mmol/L dNTP 1 μL、模板DNA1 μL、正反向引物各1 μL、DMSO稳定剂1 μL、10× Loading buffer 2 μL,补充ddH2O至20 μL。进行PCR反应时覆盖一滴矿物油。PCR反应程序为95 ℃预变性3 min;95 ℃变性30 s,60 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,35个循环;72 ℃延伸3 min,4 ℃保存。采用8%的非变性聚丙烯酰胺凝胶进行反应产物电泳检测,银染后拍照记录保存。

1.3 数据处理

通过人工读带以0/1矩阵统计电泳原始数据,同一引物在相同迁移位置有条带记为1、无条带记为0,缺失记为9;利用DataFormater软件[12]将01数据转化为bp数据便于后续使用;使用PopGene和NTSYS计算等位基因数(Na)、有效等位基因数(Ne)、Shannon指数(I)、观测杂合度(Ho)、期望杂合度(He)等遗传多样性参数,同时基于Neiʼs(1973)方法计算遗传距离,通过MEGA11[13]得到SSR标记UPGMA聚类结果,将结果文件导入iTOL[14]绘制聚类图。基于遗传距离矩阵,使用GenALEx 6.5进行主成分分析并绘制PCA图。

2 结果与分析

2.1 SSR标记的遗传多样性

通过GenALEx得到供试玉米种质在引物上的遗传多样性指数(表2),利用40对引物对玉米种质DNA进行扩增,最终筛选出32对多态性好、条带清晰的引物,共检测出97个等位基因,每个SSR位点的等位基因变异范围为2~5,平均每对引物扩增3个等位基因,多态性位点百分率为68.75%。32对引物的多态信息量(PIC)变化范围为0.08~0.51,平均为0.27,引物216的PIC值最低,引物222的PIC值最高;其中16对SSR引物为中高度多态性引物(PIC>0.25);32对SSR引物的平均NeIHe分别为1.40、0.31、0.20。结果表明选取的SSR标记有较丰富的多态性,能较好地检测参试材料的遗传多样性。引物203和205的固定指数(F)均小于0。

表2   32个位点在供试玉米种质资源的遗传多样性指数

Table 2  Genetic diversity index of 32 loci in the tested maize germplasm resources

位点LocusNaNeIHoHeFPIC
2011.561.230.230.020.140.710.20
2021.561.360.290.010.190.930.28
2031.891.750.540.450.38-0.180.49
2041.781.400.380.280.240.050.24
2051.561.290.270.210.17-0.110.15
2091.781.550.390.200.250.140.29
2101.891.720.470.120.300.550.36
2131.891.510.430.140.280.530.33
2141.441.180.170.000.111.000.16
2151.561.200.220.000.131.000.20
2161.331.070.100.030.060.510.08
2171.441.170.190.090.120.140.15
2181.441.320.240.000.161.000.25
2192.001.660.430.010.250.960.38
2201.441.340.270.000.191.000.22
2211.561.290.290.000.191.000.23
2222.222.050.580.010.340.960.51
2231.221.190.140.000.101.000.12
2241.781.530.400.000.251.000.38
2251.671.490.300.000.181.000.28
2261.561.260.240.060.160.540.23
2271.671.410.350.000.221.000.33
2281.441.250.220.000.141.000.21
2291.441.280.250.000.171.000.20
2301.561.370.300.030.200.840.30
2321.561.330.270.000.171.000.26
2342.001.570.470.150.290.530.36
2351.441.190.170.010.100.880.15
2371.441.280.250.000.171.000.20
2382.001.590.440.000.271.000.40
2401.891.540.430.140.270.490.41
6031.441.310.260.000.181.000.21
平均Mean1.641.400.310.060.200.730.27

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2.2 群体遗传多样性分析

分析群体间遗传分化系数和基因流,发现玉米种群有3个位点的近交系数(Fis)小于0,其余位点的近交系数均大于种群间无遗传分化的标准(Fst=0~0.05)[15],具体见表3。群体间遗传分化系数Fst为0.14~0.77,表明群体间存在不同程度的遗传分化;其中自交系和河北省品种之间的分化系数最小,山东省和安徽省品种的分化系数最大。群体遗传分化系数在不同位点上的平均值为0.286,表明总遗传变异有28.6%来自群体之间,71.4%来自群体之内,说明样本群体遗传变异主要发生在群体内。群体间Nm在0.034~2.883之间,说明群体间存在不同程度的基因交流,其中又以自交系与河北省间的Nm值最大,基因交流最为密切,具体见表4

表3   玉米群体内各位点遗传分析

Table 3  Genetic analysis of various loci within the maize population

位点Locus近交系数Fis分化系数Fst基因流Nm
2010.840.760.08
2020.930.510.24
203-0.180.171.27
204-0.160.210.96
205-0.190.240.79
2090.220.350.46
2100.590.550.21
2130.490.390.39
2141.000.250.74
2151.000.600.17
2160.500.770.08
2170.270.141.61
2181.000.680.12
2190.970.630.15
2201.000.530.22
2211.000.590.17
2220.960.440.31
2231.000.680.12
2241.000.510.24
2251.000.560.20
2260.640.310.56
2271.000.580.18
2281.000.720.10
2291.000.530.22
2300.880.530.23
2321.000.520.23
2340.480.380.41
2350.880.210.92
2371.000.550.20
2381.000.560.20
2400.500.500.25
6031.000.520.23

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表4   玉米群体间遗传分化系数和基因流

Table 4  Genetic differentiation coefficient and Nm among maize populations

地区
Area
自交系
Inbred
line
河北
Hebei
北京
Beijing
东北三省
Three provinces in the
northeast of China
甘肃
Gansu
湖北
Hubei
安徽
Anhui
山西
Shanxi
山东
Shandong
自交系Inbred line***2.8832.4922.0070.9570.6730.6860.5420.517
河北Hebei0.080***2.7122.2891.0640.4370.8400.6100.520
北京Beijing0.0910.084***2.6070.9420.4900.8800.5310.443
东北三省
Three provinces in the northeast of China
0.111
0.098
0.087
***
1.833
0.348
0.955
0.899
0.537
甘肃Gansu0.2070.1900.2100.120***0.1600.3540.3830.433
湖北Hubei0.2710.3640.3380.4180.610***0.0530.0530.063
安徽Anhui0.2670.2290.2210.2070.4140.825***0.0430.034
山西Shanxi0.3160.2910.3200.2180.3950.8240.852***0.050
山东Shandong0.3260.3250.3610.3180.3660.8000.8790.833***

“***”左下为群体间Fst,右上为群体间Nm

The lower left of“***”is the intergroup Fst, and the upper right is the intergroup Nm.

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对不同玉米群体进行遗传多样性分析,结果(表5)显示,不同玉米群体观测到的平均Ne在1.00~2.18,I在0.00~0.83,He在0.00~0.50,PIC值在0.00~0.48之间,以上指标说明不同来源玉米群体属于中度多态性,遗传多样性水平适中;参试材料在总体水平上平均检测到1.64个Na,且有效等位基因数为1.40,表明87%的等位基因真实可靠;期望杂合度为0.20,Ho仅为0.06,表明参试材料遗传稳定、纯合度高;多态性条带百分率为98.9%,I为0.31,表明能真实反映32个位点的多态性;自交系及河北、北京和东北三省的材料NaNe均比总体水平高,自交系的NaNeIHePIC皆最大,表明其遗传多样性较高、遗传基因更丰富,遗传基础比较广泛;而安徽、山西、山东的材料遗传多样性较低,遗传基础较窄。因本试验中上述省份材料比较少,仅有1个,这可能是造成遗传多样性低的原因。

表5   不同来源玉米群体的遗传多样性信息

Table 5  Genetic diversity information of maize populations from different sources

地区Area样本数量Sample numberNaNeIHoHePIC
自交系Inbred line392.942.180.830.010.500.48
河北Hebei72.031.640.530.060.350.33
北京Beijing92.091.640.540.080.340.33
东北三省Three provinces in the northeast of China62.001.550.480.060.300.29
甘肃Gansu41.411.270.230.060.160.15
湖北Hubei11.161.160.110.160.080.07
安徽Anhui11.001.000.000.000.000.00
山西Shanxi11.061.060.040.060.030.03
山东Shandong11.061.060.040.060.030.03
平均Mean1.641.400.310.060.200.19

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2.3 群体间相似度、聚类分析和主成分分析

由遗传距离和遗传相似度矩阵(表6)可以看出,各群体的遗传距离介于0.103~0.844之间,自交系材料与河北的玉米品种遗传距离最近,其次是北京;与山东的玉米品种遗传距离最远。基于供试玉米材料分子标记数据进行聚类分析,从图1a可以看出,参试材料被分为5类,自交系材料分布相对集中但也被分成不同的亚群,所有自交系材料都集中分布在A、B、C、D 4个组中,且与自交系夹杂为一组的材料基本都为北京和河北的品种。东北三省的参试品种则与部分北京和河北以及甘肃的材料聚在一组,值得注意的是,E组中除了部分来自北京的材料外,其余材料的育种单位所在地农作物基本为一年一熟,可能由于当地气候环境等因素,育种单位进行种质选育时有着相似的目标选择。品种与自交系之间存在较为明显的分组,说明自交系与大部分品种之间存在较大的位点差异。对聚类组群进行主成分分析,可以进一步判断组群间的关系,将坐标图划为4个区域,主成分分析图显示虽然存在极少数的离散材料,但整体上各组群分布相对集中(图1b),基本上各自占据相应的位置。B、C组主要分布在I区,可以说明自交系与来自北京、河北的品种关系更为接近,D组分布在II区,A组集中在III区,E组主要分布在IV区。各组群坐标分布结果与聚类分组结果一致,且二者分析结果可以相互

佐证。

表6   不同地区、类型材料的遗传距离和遗传相似度矩阵

Table 6  Genetic distance and genetic similarity matrix of different type materials from different regions

地区
Area
自交系
Inbred
line
河北
Hebei
北京
Beijing
东北三省
Three provinces in the
northeast of China
甘肃
Gansu
湖北
Hubei
安徽
Anhui
山西
Shanxi
山东
Shandong
自交系Inbred line***0.8690.8560.8290.7320.7030.7350.6280.606
河北Hebei0.140***0.8980.8760.8000.6170.8330.7140.667
北京Beijing0.1550.107***0.8990.7670.6620.8530.6910.619
东北三省
Three provinces in the northeast of China
0.188
0.133
0.106
***
0.902
0.563
0.854
0.833
0.713
甘肃Gansu0.3120.2240.2650.103***0.4480.8090.8180.861
湖北Hubei0.3530.4830.4120.5750.803***0.5040.3310.430
安徽Anhui0.3070.1820.1590.1580.2120.684***0.7620.699
山西Shanxi0.4650.3360.3700.1830.2011.1070.272***0.677
山东Shandong0.5010.4060.4800.3380.1500.8440.3590.389***

“***”左下为遗传距离矩阵,右上为遗传相似度矩阵。

The lower left corner of“***”is the genetic distance matrix, and the upper right corner is the genetic similarity matrix.

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图1

图1   参试玉米材料的聚类图(a)和聚类组群主成分分析图(b)

Fig.1   Cluster diagram (a) and cluster group principal component analysis diagram (b) of the tested maize materials


3 讨论

3.1 玉米种质资源遗传多样性

遗传多样性指生物群体携带的遗传信息的总和,是评价物种资源状况的重要依据,也是物种适应多变的环境条件、维持长期生存和进化的前提[16]NeHoHe等都是反映群体遗传多样性的指标,其数值越大,说明遗传多样性越高,适应能力和进化潜力越高,本试验中,以自交系的遗传多样性最为丰富。F统计量系数是表示种群基因分化程度和近交情况的重要指标[17],主要包括群体内近交系数Fis、总群体近交系数Fit、群体间分化系数Fst[18]Fis越趋近于0,表示基因分布越平衡,群体中的遗传多样性越高,在本试验中,FisFit的平均值分别为0.738和0.824,表明参试群体内存在较高程度的近交现象。玉米群体的观测杂合度(0.06)小于期望杂合度(0.20),近交系数高达0.738,表明整个群体中存在高度的杂合子缺失现象。这可能与玉米的繁殖特性有关,玉米是风媒花,花粉主要靠风力传播,这在一定程度上加剧了近亲交配的几率,且本试验中自交系多为二环系,在玉米育种上将从杂交后代中选到的自交系称为二环系,一般利用单交种或三交种选育二环系时,一个很重要的问题是,由于优系较少,在组配杂交时选育的二环系很容易造成亲源关系接近,导致遗传基础狭窄。

基因流是指不同种群之间通过迁移和交配,使基因在种群间传递和交换[19],通常Nm越大则群体间的相似性越高[20-21]。遗传分化系数可以用来表示群体内及群体间的遗传变异大小,当Fst在0~0.05时,各亚群间存在可忽略的遗传分化;当在0.05~0.15时,为中度遗传分化;当大于0.15时,为高度遗传分化[22];本试验中,Fst=0.483,Nm=0.382,说明种群间存在高度遗传分化,基因交流程度较低,同时与近交程度较高的结论相互印证。

3.2 遗传距离、相似度及聚类结果分析

遗传相似系数是表示群体间亲缘关系的参数,遗传距离是衡量群体间遗传差异的重要指标,可以反映群体间基因差异程度[23]。本试验中群体间的遗传相似系数范围为0.331~0.902,遗传距离范围为0.103~0.844,平均遗传距离为0.346,总体而言本试验选取的玉米种质群体间遗传距离较近。从本试验结果来看,自交系、河北品种与北京品种三者之间遗传相似度很高,自交系与各省品种之间的遗传距离一定程度上呈现出地理距离和遗传距离间的相关性,这与刘海忠等[24]研究结果一致。

聚类分析可以比较直观地表示种质间的遗传背景和相似性,SSR聚类分析基本将同一来源的材料划分为一组,同时材料50~57皆为早熟品种,在聚类图中紧密接近,说明SSR标记也可以在一定程度上区分出种质类型。聚类图中将自交系与河北、北京的多数品种聚为一类,说明种质间亲缘关系的远近程度与育种单位和地理距离有一定的关系。在今后的育种实践中,对玉米种质的挖掘应结合其表型性状、生物学性状、分子标记等手段综合解析玉米资源的遗传背景。

4 结论

本研究揭示了69份玉米种质资源的遗传多样性,初步分析了参试玉米种质资源的亲缘关系和遗传差异,并将所用材料划分为5个类群,对69份玉米种质进行地理来源、SSR标记等不同角度的遗传多样性分析,结果发现地理来源与分子标记结果基本吻合,参试自交系的遗传多样性较高。

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