俄罗斯玉米种质资源遗传多样性的ssr分析

俄罗斯玉米种质资源遗传多样性的ssr分析

玉米是重要的粮食、饲料和工业材料。种植面积和产量是中国的四大主要粮食。它的生产水平对农业和工业的发展起着重要作用。玉米育种的关键在于合理选择亲本自交系,使其杂种优势最大化。选择自交系的有效方法是划分杂种优势群,建立玉米杂种优势利用模式,从而提高玉米杂交育种效率。但由于大部分引进种质资源的系谱和类群信息缺乏,难以建立杂种优势利用模式,其在作物育种中的利用效率较低。根据田间表型性状划分杂种优势群具有一定的可靠性,但其受到环境条件的影响,很难准确反映自交系间的亲缘关系近年来,黑龙江省玉米年种植面积已经突破亿亩(2012年黑龙江省种子管理局统计数据),对黑龙江省乃至我国的粮食生产做出了巨大贡献。然而,玉米育种实践致使玉米自交系的遗传多样性日趋狭窄,降低了对逆境和病虫害的抵御能力。为了拓宽黑龙江玉米自交系的遗传基础,黑龙江农业科学院对俄农业科技合作中心从俄罗斯引进了大量玉米自交系,由于对引进俄罗斯玉米自交系的遗传背景和种群关系缺乏了解,导致其在育种中的利用效率较低。因此,本研究根据田间表型性状选取91份俄罗斯玉米自交系作为材料,利用SSR分子标记分析其遗传多样性,并为这些自交系构建分子身份证,以期为俄罗斯玉米种质资源的遗传改良和杂种优势利用提供参考。1材料和方法1.1试验田的种植和管理91份玉米自交系(由黑龙江省农业科学院对俄农业技术合作中心提供)于2014年种植于黑龙江省农业科学院畜牧研究所试验田,行距60cm,株距20cm。种植和管理方式根据大田玉米管理方法进行。我国玉米自交系黄早4、Mo17、丹340、齐319和B73分别作为5个杂种优势群塘四平头、兰卡斯特、旅大红骨、P群和瑞德群的标准测验种(由黑龙江寒带植物资源研究中心提供)。1.2ssr分子标记1.2.1提取玉米组的dna玉米自交系苗期(5展叶)时,选取生长一致的自交系5株,混合取样,用改良的CTAB法1.2.2pcr标记和引物的选择在玉米基因组数据库(MaizeGenomeDatabase,http://www.maizeGDB.org)中查阅玉米遗传图谱,每条染色体上平均选择12~15个标记,共132个标记。引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。PCR反应体系为20μL,总体积中含2μL10×buffer,1.5μL(25mmol·L1.3玉米自交系聚类分析在聚丙烯酰氨凝胶电泳结果中,相同迁移率位置有条带记为1,无条带记为0。建立91份自交系和5个标准测验种的分子标记库。统计自交系的SSR位点等位基因数,利用PowerMarkerV3.25软件计算玉米自交系在50个位点的平均等位基因数,Nei’s基因多样性指数(Nei’sgenediversityindex,H),多态信息含量(polymorphisminformationcontent,PIC)。用PopGene软件计算Shannon多态性信息指数(Shannon’sdiversityindex,I)和遗传多样性(geneticdiversity)。利用Genetics3.0计算遗传距离(geneticdistance,GD)和遗传相似系数(geneticsimilarity,GS),利用软件MEGA6.0对玉米自交系进行了聚类分析。最后,在玉米自交系遗传多样性分析基础上,利用软件ID4.0构建每个玉米自交系特异分子身份证。2结果与分析2.1标记聚合酶系的ssr扩增利用12个玉米自交系(包括5个标准测验种)对132个SSR标记的多态性进行筛选,其中,平均分布于10条染色体上的50个SSR标记扩增结果具有稳定多态性。本研究利用这些SSR标记对俄罗斯玉米自交系进行研究,结果显示:50个SSR标记共检测到248个等位基因,每个标记检测到2~9个等位基因,平均4.96个,等位基因最多的SSR标记是bnlg1746,最少的SSR标记是phi085和umc1299。PIC变化范围为0.22~0.82,平均0.69,其中,SSR标记bnlg1617和bnlg198的遗传多态性信息指数最为丰富。H变化范围为0.23~0.84,平均0.79,Ⅰ变化范围为0.50~1.95,平均为1.56,bnlg1746的Ⅰ最大,表明选取的50个SSR标记有较丰富的多态性。2.2zim177和zim504利用Genetics3.0计算俄罗斯玉米自交系之间的GS,其变化范围为0.11~0.936,变化幅度非常大,平均0.28,其中,ZYM177和ZYM504之间的GS最小(0.11),ZYM534和ZYM535之间的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份俄罗斯玉米自交系GS的平均值较小,且变化范围较大,表明俄罗斯玉米自交系遗传基础丰富,遗传变异范围较广。2.3种群基因组织利用软件MEGA6.0根据遗传距离邻近原则进行聚类分析,俄罗斯玉米自交系被划分为8个类群;5个标准测验种(黄早4、Mo17、丹340、齐319和B73)分别位于5个不同的类群中(图1)。其中,Mo17代表的兰卡斯特群和B73代表的瑞德群分别包含了19个玉米自交系,均占比20.88%,丹340代表的旅大红骨群和黄早4代表的塘四平头群分别包含了12个和9个玉米自交系,分别占比13.19%和9.89%。齐319代表的P群仅有2个玉米自交系,占比2.20%。俄罗斯玉米自交系除了我国5大主要类群,还有3个其他类群,类群I包括23个玉米自交系,占比25.27%,类群Ⅱ和类群Ⅲ分别包含4个和3个玉米自交系,分别占比4.40%和3.30%。类群Ⅰ、兰卡斯特、瑞德、旅大红骨、塘四平头、类群Ⅱ、类群Ⅲ和P群的平均观测等位基因数分别为4.55、4.36、4.36、3.92、3.58、1.82、1.92和1.74个。其中,类群I的等位基因和有效等位基因最多,兰卡斯特和瑞德群次之,P群、类群Ⅱ和类群Ⅲ的等位基因数和有效等位基因数最少。H以及I与观测等位基因数呈正相关关系。等位基因数越多,H以及Ⅰ越高,说明SSR标记位点等位基因数越多,遗传多态性越丰富。由表1可知,类群Ⅰ的I值最高,说明类群Ⅰ的遗传多样性最为丰富,而P群、类群Ⅱ和Ⅲ的种质资源少,I最小,表明遗传多样性较单一。2.4俄罗斯自交系统的分子身份建设3讨论3.1引进玉米种质资源对玉米自交系多样性的影响玉米的遗传多样性越高,适应能力越强,杂交种亲本之间存在遗传差异越大,获得高杂种优势的可能性越大。因此,研究玉米的遗传多样性具有重要的意义多年育种实践证明,外来种质资源的引进可以有效提高玉米自交系的遗传多样性。北美温带玉米自交系和我国生产应用的10类骨干代表系的PIC平均为0.703.2杂种优势分子机理杂种优势是一个非常复杂的生物学现象,目前,对杂种优势的分子机理尚不清楚,但杂种优势群划分及杂种优势利用模式的研究已成为种质扩增、改良和创新研究的基本技术路线。曾三省4玉米自交系分子身份证的构建利用SSR分子标记对俄罗斯玉米自交系的遗传多样性研究,结果显示,俄罗斯玉米自交系位点多态性信息指数为0.67,表明俄罗斯玉米自交系遗传基础较为丰富。聚类分析结果将91份俄罗斯玉米自交系被划分为8个类群,其中,类群Ⅰ种质资源占比25.27%,兰卡斯特和瑞德群各占比20.88%,旅大红骨和塘四平头群分别占比13.19%和9.89%,类群Ⅱ、类群Ⅲ和P群所占比例分别为4.4%、3.3%和2.2%。最后,利用11对SSR分子标记构建了91份引进玉米自交系的分子身份证,为俄罗斯玉米自交系在黑龙江省的利用提供了理论依据。利用ID4.0软件构建玉米自交系的分子身份证。11个多态性SSR标记可以将91份玉