(通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,吉林 海龍 135007)
甜玉米是玉米屬的一個(gè)亞種,又被賦予蔬菜玉米之稱。外形與普通玉米基本無差異,但籽粒相對(duì)較小,可營(yíng)養(yǎng)成分和商用價(jià)值卻比普通玉米高得多,是一些發(fā)達(dá)國(guó)家主要的蔬菜之一,因口感軟糯香甜,吃起來像水果一樣,被稱為“水果玉米”,深受現(xiàn)代人的喜愛。其籽粒中含有水溶性多糖、蛋白質(zhì)和多種維生素等物質(zhì),其有一定的加工、經(jīng)濟(jì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[1]。美國(guó)是甜玉米開展研究最早的國(guó)家,直至20世紀(jì)50年代中國(guó)才開始對(duì)甜玉米開展研究,研究初期的一些優(yōu)質(zhì)甜玉米材料均從美國(guó)引進(jìn)[2]。現(xiàn)有的甜玉米自交系也多是從國(guó)外品種中選育而來的,由于中國(guó)對(duì)甜玉米的研究起步晚,發(fā)展遲緩等,導(dǎo)致種質(zhì)資源狹窄、遺傳背景不明確、類群劃分不合理等。中國(guó)甜玉米的育種技術(shù)以及發(fā)展水平與國(guó)外相比還存在一定距離,中國(guó)已采用異隱純合體雜交法對(duì)甜玉米進(jìn)行選育,并取得了一定效果[3],但對(duì)育種材料的選育還存在著很多不合理之處。
本研究利用甜玉米自交系之間的雜種優(yōu)勢(shì),從表型初步判定自交系間的遺傳關(guān)系,來驗(yàn)證遠(yuǎn)緣雜交更親和的特性,從而對(duì)甜玉米自交系進(jìn)行分類,主要目的是提高甜玉米育種的效率,使甜玉米的改良及選育更有針對(duì)性。不僅加快了育種步伐,而且提高了育種效率。試驗(yàn)采用分子標(biāo)記技術(shù)(SSR)[4],對(duì)50份甜玉米親本材料進(jìn)行聚類分析。為選擇有代表性的親本組配雜交組合提供參考,為雜種優(yōu)勢(shì)的利用、配合力的分析及遺傳相關(guān)分析等提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)材料由吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)大試驗(yàn)田甜玉米課題組提供。選擇遺傳差異較大的甜玉米自交系50份。對(duì)其進(jìn)行編號(hào)處理,分別為Y 1~Y 50。
隨機(jī)選取50份遺傳性狀具有較大差異的甜玉米自交系進(jìn)行分組,以5株自交系材料為一份,2016年將供試自交系種于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)地,按照56 000株·hm-2的密度,3行區(qū),行長(zhǎng)5 m,行距0.65 m,并做好田間管理,成熟期對(duì)株高、穗位高和莖粗進(jìn)行調(diào)查,收獲期對(duì)果穗進(jìn)行室內(nèi)考種,每份材料考種3穗,對(duì)穗重、穗長(zhǎng)等7個(gè)考種性狀進(jìn)行記錄并分別取其平均值整理匯總,數(shù)據(jù)用DPS軟件進(jìn)行表型聚類分析(表1)。秋收后將50份甜玉米自交系材料每顆果穗中選擇籽粒10粒,做好記錄編號(hào)后放在培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng),按時(shí)灑水和調(diào)節(jié)光照直至長(zhǎng)出3~5片葉片。相應(yīng)的每份甜玉米材料取幼葉用CTAB法[7-8]提取DNA,PCR擴(kuò)增和PAGE凝膠電泳。并做好對(duì)照,直至有明亮條帶顯現(xiàn),利用GS=2Nij/(Ni+Nj),GD=1-GS公式計(jì)算遺傳距離(Genetic distance, GD)和遺傳相似系數(shù)(Genetic similarity,GS)[9],并按PIC=1-∑fi2公式計(jì)算多態(tài)性含量(PIC)[10-11],統(tǒng)計(jì)結(jié)果并采用UPGMA方法對(duì)甜玉米自交系進(jìn)行SSR聚類分析。所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析均使用 DPS 軟件進(jìn)行。
表1 50份甜玉米自交系表型性狀聚類分析
分類樣品編號(hào)ⅠY1;Y2;Y3;Y4;Y6;Y7;Y8;16;Y10;Y11;Y12;Y15;Y17;Y19;Y20;Y24;25;Y26;ⅡY5;Y9;Y13;Y14;Y18;Y21;Y22;Y23;Y27;Y28;Y30;Y31ⅢY29;Y33;Y35;Y40;Y41;Y43ⅣY32;Y34;Y36;Y37;Y38;Y39;Y42;Y44;Y45;Y46;Y47;Y48;Y49;Y50;
圖2 引物bnlg 1940在50份甜玉米自交系上的擴(kuò)增條帶圖
表型性狀是對(duì)試驗(yàn)甜玉米的10個(gè)性狀進(jìn)行田間調(diào)查及室內(nèi)考種,整理數(shù)據(jù)取其平均值記錄,由圖1可見,以7.8為閾值,可將其分成4大類(表1),分別是具有18個(gè)親本的第Ⅰ大類,12個(gè)親本的第Ⅱ大類,6個(gè)親本的第Ⅲ大類,剩余的14個(gè)親本的第Ⅳ大類。根據(jù)系譜記載,第一大類多為從國(guó)外引進(jìn)的一些甜玉米種質(zhì)資源,第二大類多為我國(guó)各部分地區(qū)獨(dú)有環(huán)境形成的甜玉米種質(zhì)資源,第三大類多為通過二環(huán)系多代自交獲得的甜玉米種質(zhì)資源,第四大類多為一些本地的農(nóng)家品系。
從玉米SSR中篩選出14條具有明顯擴(kuò)增結(jié)果和穩(wěn)定擴(kuò)增條帶的代表性核心引物。總共檢測(cè)出了58個(gè)等位基因變異點(diǎn),不同檢測(cè)位點(diǎn)上的等位基因變異為2~6個(gè),平均每個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)上的等位基因變異數(shù)約為4個(gè)。并利用58個(gè)SSR位點(diǎn)對(duì)50份甜玉米自交系進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)到其平均多態(tài)性信息含量(PIC)為0.594,其變化范圍為0.473~0.709。以引物bnlg 1940為例,可清晰地看出在50份甜玉米自交系上的明顯穩(wěn)定的擴(kuò)增結(jié)果(圖2)。根據(jù)50份甜玉米自交系遺傳相似系數(shù)的矩陣及圖2,以0.65的相似系數(shù)為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),按UPGMA方法可以將這50甜玉米自交系直觀的分為4大類(表3)分別是具有10個(gè)親本的第Ⅰ大類、14個(gè)親本的第Ⅱ大類、13個(gè)親本的第Ⅲ大類、13個(gè)親本的第Ⅳ大類。第Ⅰ大類多為通過二環(huán)系多代自交獲得的甜玉米種質(zhì)資源,第Ⅱ大類多為一些本地的農(nóng)家品系,第Ⅲ大類多為從國(guó)外引進(jìn)的一些甜玉米種質(zhì)資源,第Ⅳ大類多為我國(guó)各部分地區(qū)獨(dú)有環(huán)境形成的甜玉米種質(zhì)資源。
表型聚類是基于自交系品種的農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)量以及室內(nèi)考種數(shù)據(jù)的表觀整理,從而將自交系劃分為不同的類群。SSR聚類是利用SSR分子標(biāo)記法對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)類群的劃分,從分子水平分析其遺傳距離的遠(yuǎn)近,揭示了自交系間遺傳多樣性的特點(diǎn)。從本實(shí)驗(yàn)的表型聚類和SSR聚類的結(jié)果中可以看出,表型聚類的第Ⅰ大類親本數(shù)與SSR聚類的第Ⅲ大類的分類上基本相同,表型聚類的第Ⅱ大類親本數(shù)與SSR聚類的第Ⅳ大類的分類上基本相同,表型聚類的第Ⅲ大類親本數(shù)與SSR聚類的第Ⅰ大類的分類上基本相同,表型聚類的第Ⅳ大類親本數(shù)與SSR聚類的第Ⅱ大類的分類上基本相同。兩者聚類分析所得的結(jié)果基本一致,但自交系在歸類上也有相互矛盾,如Y 23和Y 25,在表型聚類里Y 23屬于第Ⅱ大類而Y 25屬于第Ⅰ大類里,但在SSR聚類中均屬于第Ⅰ大類。同樣地,Y 36和Y 39在表型聚類里均屬第Ⅳ大類,但在SSR聚類中分別屬于第Ⅳ大類和第Ⅱ大類。由此說明,在對(duì)甜玉米的選育過程中不能僅依照分類結(jié)果對(duì)其進(jìn)行組配,還需要考慮到環(huán)境因素,本試驗(yàn)只對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行了闡述和驗(yàn)證,具體遺傳機(jī)理并沒有深入研究,所以還有待繼續(xù)研究。因此,有必要對(duì)其遺傳特性進(jìn)行下一步分析[12]。
圖1 50份甜玉米自交系的表型聚類分析圖
表2 50份甜玉米自交系SSR聚類分析
分類編號(hào)ⅠY5;Y9;Y23;Y25;Y32;Y37;Y38;Y48;Y49;Y50ⅡY6;Y8;Y12;Y15;Y24;Y29;Y35;Y39;Y40;Y41;Y43;Y44;Y45;Y47ⅢY1;Y2;Y4;Y7;Y10;Y16;Y17;Y20;Y28;Y33;Y34;Y42;Y46ⅣY3;Y8;Y11;Y13;Y14;Y18;Y21;Y22;Y26;Y27;Y30;Y31;Y36
圖3 50份甜玉米自交系的SSR聚類聚類分析圖
綜上所述,本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)甜玉米的一些表型數(shù)據(jù)的考擦記錄和分析,初步可以分為4大類,根據(jù)系譜記載,表型聚類的第Ⅰ大類多數(shù)為從國(guó)外引進(jìn)的一些甜玉米種質(zhì)資源,表型聚類的第Ⅱ大類多為我國(guó)各部分地區(qū)獨(dú)有環(huán)境形成的甜玉米種質(zhì)資源,表型聚類的第Ⅲ大類多為二環(huán)系,表型聚類的第4大類多為來自本地的農(nóng)家品系。通過從DNA分子水平對(duì)這些材料進(jìn)一步的論證,做SSR聚類分析,SSR聚類的第Ⅰ大類多為通過二環(huán)系多代自交獲得的甜玉米種質(zhì)資源,SSR聚類的第Ⅱ大類多為一些本地的農(nóng)家品系,SSR聚類的第Ⅲ大類多為從國(guó)外引進(jìn)的一些甜玉米種質(zhì)資源,SSR聚類的第Ⅳ大類多為我國(guó)各部分地區(qū)獨(dú)有環(huán)境形成的甜玉米種質(zhì)資源。2種聚類分析的結(jié)果基本一致,具有一定的可信度,對(duì)材料本身的確定有一定的參考價(jià)值,加快了育種進(jìn)程,也對(duì)以后組配出更優(yōu)秀的雜交組合提供了一定的理論參考,但也不能因此就確定各自交系的關(guān)系。其中表型聚類根據(jù)親本的表現(xiàn)型進(jìn)行劃分,但表現(xiàn)型會(huì)受到環(huán)境因素影響,而且在調(diào)查中也會(huì)有一定的誤差,在很大程度上影響親本聚類的結(jié)果,同時(shí),聚類分析時(shí)所選材料群體的數(shù)量也會(huì)對(duì)聚類結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差,因此,表型聚類尚有不足之處。SSR聚類是利用分子標(biāo)記法對(duì)親本進(jìn)行劃分,由于本試驗(yàn)引物數(shù)量過少,不能代表整個(gè)基因群,導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差受到影響。