俄羅斯玉米種質(zhì)資源遺傳多樣性的ssr分析

俄羅斯玉米種質(zhì)資源遺傳多樣性的ssr分析

玉米是重要的糧食、飼料和工業(yè)材料。種植面積和產(chǎn)量是中國(guó)的四大主要糧食。它的生產(chǎn)水平對(duì)農(nóng)業(yè)和工業(yè)的發(fā)展起著重要作用。玉米育種的關(guān)鍵在于合理選擇親本自交系,使其雜種優(yōu)勢(shì)最大化。選擇自交系的有效方法是劃分雜種優(yōu)勢(shì)群,建立玉米雜種優(yōu)勢(shì)利用模式,從而提高玉米雜交育種效率。但由于大部分引進(jìn)種質(zhì)資源的系譜和類群信息缺乏,難以建立雜種優(yōu)勢(shì)利用模式,其在作物育種中的利用效率較低。根據(jù)田間表型性狀劃分雜種優(yōu)勢(shì)群具有一定的可靠性,但其受到環(huán)境條件的影響,很難準(zhǔn)確反映自交系間的親緣關(guān)系近年來(lái),黑龍江省玉米年種植面積已經(jīng)突破億畝(2012年黑龍江省種子管理局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)),對(duì)黑龍江省乃至我國(guó)的糧食生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)。然而,玉米育種實(shí)踐致使玉米自交系的遺傳多樣性日趨狹窄,降低了對(duì)逆境和病蟲害的抵御能力。為了拓寬黑龍江玉米自交系的遺傳基礎(chǔ),黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院對(duì)俄農(nóng)業(yè)科技合作中心從俄羅斯引進(jìn)了大量玉米自交系,由于對(duì)引進(jìn)俄羅斯玉米自交系的遺傳背景和種群關(guān)系缺乏了解,導(dǎo)致其在育種中的利用效率較低。因此,本研究根據(jù)田間表型性狀選取91份俄羅斯玉米自交系作為材料,利用SSR分子標(biāo)記分析其遺傳多樣性,并為這些自交系構(gòu)建分子身份證,以期為俄羅斯玉米種質(zhì)資源的遺傳改良和雜種優(yōu)勢(shì)利用提供參考。1材料和方法1.1試驗(yàn)田的種植和管理91份玉米自交系(由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院對(duì)俄農(nóng)業(yè)技術(shù)合作中心提供)于2014年種植于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所試驗(yàn)田,行距60cm,株距20cm。種植和管理方式根據(jù)大田玉米管理方法進(jìn)行。我國(guó)玉米自交系黃早4、Mo17、丹340、齊319和B73分別作為5個(gè)雜種優(yōu)勢(shì)群塘四平頭、蘭卡斯特、旅大紅骨、P群和瑞德群的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種(由黑龍江寒帶植物資源研究中心提供)。1.2ssr分子標(biāo)記1.2.1提取玉米組的dna玉米自交系苗期(5展葉)時(shí),選取生長(zhǎng)一致的自交系5株,混合取樣,用改良的CTAB法1.2.2pcr標(biāo)記和引物的選擇在玉米基因組數(shù)據(jù)庫(kù)(MaizeGenomeDatabase,http://www.maizeGDB.org)中查閱玉米遺傳圖譜,每條染色體上平均選擇12~15個(gè)標(biāo)記,共132個(gè)標(biāo)記。引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。PCR反應(yīng)體系為20μL,總體積中含2μL10×buffer,1.5μL(25mmol·L1.3玉米自交系聚類分析在聚丙烯酰氨凝膠電泳結(jié)果中,相同遷移率位置有條帶記為1,無(wú)條帶記為0。建立91份自交系和5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種的分子標(biāo)記庫(kù)。統(tǒng)計(jì)自交系的SSR位點(diǎn)等位基因數(shù),利用PowerMarkerV3.25軟件計(jì)算玉米自交系在50個(gè)位點(diǎn)的平均等位基因數(shù),Nei’s基因多樣性指數(shù)(Nei’sgenediversityindex,H),多態(tài)信息含量(polymorphisminformationcontent,PIC)。用PopGene軟件計(jì)算Shannon多態(tài)性信息指數(shù)(Shannon’sdiversityindex,I)和遺傳多樣性(geneticdiversity)。利用Genetics3.0計(jì)算遺傳距離(geneticdistance,GD)和遺傳相似系數(shù)(geneticsimilarity,GS),利用軟件MEGA6.0對(duì)玉米自交系進(jìn)行了聚類分析。最后,在玉米自交系遺傳多樣性分析基礎(chǔ)上,利用軟件ID4.0構(gòu)建每個(gè)玉米自交系特異分子身份證。2結(jié)果與分析2.1標(biāo)記聚合酶系的ssr擴(kuò)增利用12個(gè)玉米自交系(包括5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種)對(duì)132個(gè)SSR標(biāo)記的多態(tài)性進(jìn)行篩選,其中,平均分布于10條染色體上的50個(gè)SSR標(biāo)記擴(kuò)增結(jié)果具有穩(wěn)定多態(tài)性。本研究利用這些SSR標(biāo)記對(duì)俄羅斯玉米自交系進(jìn)行研究,結(jié)果顯示:50個(gè)SSR標(biāo)記共檢測(cè)到248個(gè)等位基因,每個(gè)標(biāo)記檢測(cè)到2~9個(gè)等位基因,平均4.96個(gè),等位基因最多的SSR標(biāo)記是bnlg1746,最少的SSR標(biāo)記是phi085和umc1299。PIC變化范圍為0.22~0.82,平均0.69,其中,SSR標(biāo)記bnlg1617和bnlg198的遺傳多態(tài)性信息指數(shù)最為豐富。H變化范圍為0.23~0.84,平均0.79,Ⅰ變化范圍為0.50~1.95,平均為1.56,bnlg1746的Ⅰ最大,表明選取的50個(gè)SSR標(biāo)記有較豐富的多態(tài)性。2.2zim177和zim504利用Genetics3.0計(jì)算俄羅斯玉米自交系之間的GS,其變化范圍為0.11~0.936,變化幅度非常大,平均0.28,其中,ZYM177和ZYM504之間的GS最小(0.11),ZYM534和ZYM535之間的GS最大(0.936)。自交系ZYM481的平均GS最小0.13,ZYM494的平均GS最大0.34。91份俄羅斯玉米自交系GS的平均值較小,且變化范圍較大,表明俄羅斯玉米自交系遺傳基礎(chǔ)豐富,遺傳變異范圍較廣。2.3種群基因組織利用軟件MEGA6.0根據(jù)遺傳距離鄰近原則進(jìn)行聚類分析,俄羅斯玉米自交系被劃分為8個(gè)類群;5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)種(黃早4、Mo17、丹340、齊319和B73)分別位于5個(gè)不同的類群中(圖1)。其中,Mo17代表的蘭卡斯特群和B73代表的瑞德群分別包含了19個(gè)玉米自交系,均占比20.88%,丹340代表的旅大紅骨群和黃早4代表的塘四平頭群分別包含了12個(gè)和9個(gè)玉米自交系,分別占比13.19%和9.89%。齊319代表的P群僅有2個(gè)玉米自交系,占比2.20%。俄羅斯玉米自交系除了我國(guó)5大主要類群,還有3個(gè)其他類群,類群I包括23個(gè)玉米自交系,占比25.27%,類群Ⅱ和類群Ⅲ分別包含4個(gè)和3個(gè)玉米自交系,分別占比4.40%和3.30%。類群Ⅰ、蘭卡斯特、瑞德、旅大紅骨、塘四平頭、類群Ⅱ、類群Ⅲ和P群的平均觀測(cè)等位基因數(shù)分別為4.55、4.36、4.36、3.92、3.58、1.82、1.92和1.74個(gè)。其中,類群I的等位基因和有效等位基因最多,蘭卡斯特和瑞德群次之,P群、類群Ⅱ和類群Ⅲ的等位基因數(shù)和有效等位基因數(shù)最少。H以及I與觀測(cè)等位基因數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。等位基因數(shù)越多,H以及Ⅰ越高,說(shuō)明SSR標(biāo)記位點(diǎn)等位基因數(shù)越多,遺傳多態(tài)性越豐富。由表1可知,類群Ⅰ的I值最高,說(shuō)明類群Ⅰ的遺傳多樣性最為豐富,而P群、類群Ⅱ和Ⅲ的種質(zhì)資源少,I最小,表明遺傳多樣性較單一。2.4俄羅斯自交系統(tǒng)的分子身份建設(shè)3討論3.1引進(jìn)玉米種質(zhì)資源對(duì)玉米自交系多樣性的影響玉米的遺傳多樣性越高,適應(yīng)能力越強(qiáng),雜交種親本之間存在遺傳差異越大,獲得高雜種優(yōu)勢(shì)的可能性越大。因此,研究玉米的遺傳多樣性具有重要的意義多年育種實(shí)踐證明,外來(lái)種質(zhì)資源的引進(jìn)可以有效提高玉米自交系的遺傳多樣性。北美溫帶玉米自交系和我國(guó)生產(chǎn)應(yīng)用的10類骨干代表系的PIC平均為0.703.2雜種優(yōu)勢(shì)分子機(jī)理雜種優(yōu)勢(shì)是一個(gè)非常復(fù)雜的生物學(xué)現(xiàn)象,目前,對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的分子機(jī)理尚不清楚,但雜種優(yōu)勢(shì)群劃分及雜種優(yōu)勢(shì)利用模式的研究已成為種質(zhì)擴(kuò)增、改良和創(chuàng)新研究的基本技術(shù)路線。曾三省4玉米自交系分子身份證的構(gòu)建利用SSR分子標(biāo)記對(duì)俄羅斯玉米自交系的遺傳多樣性研究,結(jié)果顯示,俄羅斯玉米自交系位點(diǎn)多態(tài)性信息指數(shù)為0.67,表明俄羅斯玉米自交系遺傳基礎(chǔ)較為豐富。聚類分析結(jié)果將91份俄羅斯玉米自交系被劃分為8個(gè)類群,其中,類群Ⅰ種質(zhì)資源占比25.27%,蘭卡斯特和瑞德群各占比20.88%,旅大紅骨和塘四平頭群分別占比13.19%和9.89%,類群Ⅱ、類群Ⅲ和P群所占比例分別為4.4%、3.3%和2.2%。最后,利用11對(duì)SSR分子標(biāo)記構(gòu)建了91份引進(jìn)玉米自交系的分子身份證,為俄羅斯玉米自交系在黑龍江省的利用提供了理論依據(jù)。利用ID4.0軟件構(gòu)建玉米自交系的分子身份證。11個(gè)多態(tài)性SSR標(biāo)記可以將91份玉