冷益豐,羅 樊,陳從順,丁 鑫,蔡光澤

(1.西昌學(xué)院 農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院,四川 西昌 615013; 2.攀西特色作物研究與利用四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 西昌 615013)

玉米(ZeamaysL.)是禾本科玉蜀黍?qū)僖荒晟荼局参?又名苞谷、苞米棒子、玉蜀黍、珍珠米等,原產(chǎn)于中美洲和南美洲,是世界上重要的糧食作物,廣泛分布于美國、中國、巴西和其他國家。玉米是我國種植面積最大、產(chǎn)量最多的第一大作物,具有重要的糧用、飼用與工業(yè)用價(jià)值。西南山地玉米區(qū)作為我國五大玉米產(chǎn)區(qū)之一,玉米單產(chǎn)僅占全國平均水平的80%。2022年6月,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《“十四五”全國種植業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出,加強(qiáng)糧食作物種質(zhì)資源普查收集,開展種源關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān),加快突破性新品種培育推廣。近年來,隨著育種技術(shù)的發(fā)展,種質(zhì)資源研究成為育種工作的重要任務(wù)。

基因分型測序(genotyping-by-sequencing, GBS)技術(shù)是在第二代測序技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種簡化基因組測序技術(shù),該技術(shù)具有成本低廉、操作簡單、方便快捷和高通量等特點(diǎn)[1]。GBS技術(shù)通過酶切加標(biāo)簽的方法,測序獲得酶切位點(diǎn)附近的基因序列信息,進(jìn)而檢測大量高準(zhǔn)確性的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism, SNP)變異位點(diǎn)信息,是一種識別大規(guī)模單核苷酸多態(tài)性、降低基因組復(fù)雜性和基因分型最經(jīng)濟(jì)有效的方法。SNP作為第三代分子標(biāo)記技術(shù),在植物群體進(jìn)化、種群基因交流、構(gòu)建遺傳圖譜和全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome wide association study, GWAS)等方面有著廣泛的應(yīng)用[2-6]。SuperGBS是一種改進(jìn)型的GBS測序技術(shù),主要利用甲基化敏感的限制性核酸內(nèi)切酶將基因組DNA進(jìn)行酶切,選擇性回收富含基因編碼區(qū)的酶切片段,然后對其進(jìn)行高通量測序,通過分析獲得SNP信息[7],有或無參考基因組,都可以開發(fā)SNP標(biāo)記[8]。

大涼山地處西南高原,光、熱資源豐富,其境內(nèi)地形分布錯(cuò)綜復(fù)雜,有河谷平壩、低山、中山、高山等。由于獨(dú)特的地理?xiàng)l件和生態(tài)環(huán)境,多數(shù)玉米雜交種難以適應(yīng)高海拔玉米生態(tài)區(qū),導(dǎo)致當(dāng)?shù)赜衩咨a(chǎn)仍沿用白馬牙、白鶴、大黃等農(nóng)家常規(guī)種,尤其是部分高山區(qū)域,老百姓的自留種成為玉米生產(chǎn)的主導(dǎo)品種。近年來,隨著雜交玉米的推廣,人們盲目追求高產(chǎn),加上不斷變化的環(huán)境給玉米地方品種保存帶來了前所未有的威脅,導(dǎo)致玉米地方品種資源逐年減少,這嚴(yán)重影響優(yōu)異種質(zhì)資源的挖掘與利用。到目前為止,尚未有人對大涼山玉米地方品種進(jìn)行系統(tǒng)收集并對其群體結(jié)構(gòu)、混雜程度、遺傳多樣性等開展相關(guān)研究。因此,本研究廣泛收集和整理了來自大涼山26個(gè)縣(市)的360份玉米地方品種,利用GBS簡化基因組測序技術(shù)分析品種間的親緣關(guān)系和群體結(jié)構(gòu),揭示不同品種間的進(jìn)化關(guān)系,完善本區(qū)域的玉米分類系統(tǒng),以了解大涼山玉米地方品種資源的遺傳背景和系統(tǒng)演化,為下一步進(jìn)行育種開發(fā)與利用提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2019—2020年廣泛收集并整理來自涼山州全境17個(gè)縣(市),甘孜州稻城、鄉(xiāng)城、得榮、巴塘,西藏察隅、芒康,云南巧家、永德,攀枝花米易的玉米地方品種360份(表1)。2021年種植于涼山州西昌市阿七鎮(zhèn)大田村,單行區(qū),行長5 m,株距0.25 m。每667 m2種植4 000株。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 基因組DNA提取

苗期剪取各樣本植株幼嫩葉片200 g,放入事先標(biāo)號且預(yù)冷的離心管,液氮速凍。待取完所有植株葉片后帶回實(shí)驗(yàn)室,在-80 ℃超低溫冰箱存放。用天根生物科技有限公司的DNAsecure新型植物基因組DNA提取試劑盒(DNAsecure Plant Kit)提取DNA。通過1%瓊脂糖凝膠電泳和Nanodrop 2000分光光度計(jì)檢測提取樣品DNA的質(zhì)量和濃度。

1.2.2 GBS文庫構(gòu)建

質(zhì)檢合格的樣品DNA由青島歐易生物科技有限公司利用SuperGBS技術(shù)[7]進(jìn)行測序文庫構(gòu)建。采用PstI-HF/MspI對DNA進(jìn)行酶切,用T4連接酶對酶切后的片段兩端加接頭和樣品標(biāo)簽(barcode),用磁珠回收系統(tǒng)通過調(diào)整磁珠溶液與連接產(chǎn)物的體積比回收300～700 bp的片段,使用高保真酶對回收片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR產(chǎn)物濃度經(jīng)Qubit測定(質(zhì)量濃度需大于5 ng·μL-1),將混好的文庫上機(jī)(Illumina Nova,PE150)測序。

1.2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)控與比對

基于標(biāo)簽(barcode)與酶切位點(diǎn)信息,使用Stacks軟件[9]對從測序儀下機(jī)的高通量測序數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分,得到每個(gè)樣本的raw reads。使用軟件fastp[10]對raw reads進(jìn)行質(zhì)控獲得clean reads。使用BWA軟件[11]將clean reads比對到B73參考基因組(B73_RefGen_v4)。

1.2.4 SNP檢測與注釋

基于樣品與參考基因組的比對結(jié)果,使用GATK軟件[12]的Haplotype Caller程序生成每個(gè)樣品中的g VCF文件,再通過GATK軟件的Genotype GVCFs程序進(jìn)行群體SNP檢測,使用GATK軟件的Select Variants程序?qū)Φ玫降娜后wSNP預(yù)測結(jié)果進(jìn)行篩選,得到初步SNP和InDel結(jié)果。使用VCFtools軟件[13]對獲得的SNP和InDel分型結(jié)果進(jìn)行過濾,過濾條件為：(1)reads支持?jǐn)?shù)不低于4;(2)剔除最小等位基因頻率(MAF)小于0.01的位點(diǎn);(3)剔除SNP或者InDel分型缺失率高于20%的位點(diǎn)。使用SnpEff軟件[14]對得到的SNP進(jìn)行注釋,以確定SNP在基因元件的位置、對氨基酸的變化影響等。

1.2.5 系統(tǒng)關(guān)系分析

采用鄰接法(neighbor-joining, NJ)[15]對樣本的SNP位點(diǎn)進(jìn)行建樹,SNP位點(diǎn)中有缺失則用“-”代替。在treebest軟件[16]中用p-distance方法計(jì)算距離矩陣,進(jìn)化樹的可靠性通過bootstrap法[17]進(jìn)行重復(fù)1 000次檢驗(yàn)。使用plink2[18]軟件對獲得的SNP標(biāo)記進(jìn)行主成分(principle component analysis, PCA)分析。利用ADMIXTURE軟件[19]按照K=2到K=10進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析,選取10個(gè)不同的seed進(jìn)行10次重復(fù)分析。根據(jù)交叉驗(yàn)證誤差(cross validation error, CVE)確定最優(yōu)K值,對每個(gè)K值10次重復(fù)CVE值繪制盒形圖。

1.2.6 群體分化指數(shù)(fixation index,Fst)和核苷酸多樣性(π)的計(jì)算與選擇性清除分析

基于高質(zhì)量的SNP,按照100 kb的窗口、10 kb的步長對染色體進(jìn)行選擇性清除區(qū)域檢測。使用R語言的PopGenome軟件包,計(jì)算Fst、π和多樣性變化倍數(shù)(θπratio)等,并利用Fst值繪制曼哈頓圖。在篩選選擇性清除區(qū)域時(shí),分別以Fst和π前5%分位數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)作為閾值,取該區(qū)域的交集為選擇性清除區(qū)域。

1.2.7 候選基因的檢測與注釋功能富集分析

將鑒定的選擇性清除區(qū)域通過Interproscan軟件[20]進(jìn)行GO注釋分析。在網(wǎng)站(http：//geneontology.org)上進(jìn)行GO富集分析,并與Swiss-Prot[21]、GO[22]和KEGG[23]等數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比得到注釋信息。參考NCBI數(shù)據(jù)庫(https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/)和玉米數(shù)據(jù)庫(https：//www.maizegdb.org),對選擇區(qū)域的基因進(jìn)行功能注釋,對候選基因進(jìn)行GO功能富集分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基因組DNA提取效果

部分樣品的DNA電泳結(jié)果如圖1所示,條帶清晰明亮。同時(shí),經(jīng)Nanodrop 2000分光光度計(jì)檢測,樣品的DNA質(zhì)量濃度均大于50 ng·μL-1,滿足GBS文庫構(gòu)建要求。

M,DL2000 DNA分子量標(biāo)準(zhǔn);1～24,不同樣本DNA。M, DL2000 DNA marker; 1-24, DNA samples from different samples.圖1 部分樣品的基因組DNA電泳條帶Fig.1 Genomic DNA electrophoresis of partial samples

2.2 GBS測序質(zhì)量

360個(gè)樣本因低質(zhì)量(low_quality)被過濾掉的reads占比0.945%～5.180%,因含N數(shù)量≥5(too_many_N)被過濾掉的reads占比0.003%～0.056%,因質(zhì)控后R1長度短于142 bp或者R2長度短于150 bp(too_short_reads)被過濾掉的reads占比0.314%～3.139%,質(zhì)控后得到的clean reads占比92%以上(92.90%～98.36%)。各樣本的單堿基平均錯(cuò)誤率均在0.000 3左右,最高在0.000 5左右。所有樣本的A、T堿基比例均在30%左右,G、C堿基比例均大于20%,平均GC含量為48.20%(47.18%～49.57%)。

對360份玉米地方品種基因組DNA進(jìn)行GBS測序,共產(chǎn)生250.99 GB有效數(shù)據(jù),獲得1 659 033 712個(gè)clean reads,平均reads數(shù)量為4 608 427;平均每份樣品的raw base為0.70 GB,clean base為0.67 GB。各樣品的Q20平均值大于等于94.57%,Q30平均值大于等于87.14%。表明測序的質(zhì)量高,可以用于后續(xù)的信息分析。

2.3 參考基因組比對

使用BWA軟件將clean reads比對到B73參考基因組上,通過比對率檢測樣品與參考基因組的相似程度,一般比對率越高,相似程度越高。根據(jù)比對結(jié)果統(tǒng)計(jì)樣品深度信息并計(jì)算測序數(shù)據(jù)對參考基因組的覆蓋度。全部樣本比對率為93.55%～98.74%,平均測序深度為14.79×,覆蓋度范圍為1.31%～3.02%。使用Qualimap 2[24]統(tǒng)計(jì)各樣本的插入片段長度分布,預(yù)估的插入片段長度符合正態(tài)分布(圖2),峰值位置接近建庫時(shí)DNA片段的平均長度。

圖2 丹紅_1的插入片段長度分布Fig.2 Distribution of insert size of Danhong_1

2.4 突變(SNP/InDel)檢測

經(jīng)過突變位點(diǎn)檢測并過濾,共獲得124 342個(gè)SNP位點(diǎn),32 063個(gè)InDel位點(diǎn)(其中插入15 738個(gè)位點(diǎn)、缺失16 325個(gè)位點(diǎn)),總共檢測到156 405個(gè)變異位點(diǎn)。發(fā)生堿基轉(zhuǎn)換位點(diǎn)12 955 634個(gè)、堿基顛換位點(diǎn)7 955 116個(gè),堿基轉(zhuǎn)換/堿基顛換比例為1.628 591。在染色體上通過滑窗(窗口和步長均為500 kb)統(tǒng)計(jì),得到各樣本SNP/InDel在染色體上的分布,如圖3所示。

2.5 SNP注釋

SNP注釋分析表明,124 342個(gè)SNP變異位點(diǎn)中對蛋白質(zhì)具有高效(破壞性)影響,可能引起蛋白質(zhì)截?cái)?、功能喪失等的變?high)有1 674個(gè),占0.174 9%;低影響,可能不影響蛋白質(zhì)變異的(low)有91 776個(gè),占9.587 2%;中等影響,非破壞性變異,可能影響蛋白質(zhì)功效的變異(moderate)有63 458個(gè),占6.629 0%;修飾,通常為非編碼區(qū)變異,只影響非編碼基因(難以預(yù)測其影響程度)的變異(modifier)有800 364個(gè),占83.608 8%(表2)。錯(cuò)義突變有63 654個(gè),占44.469 8%;無義突變有836個(gè),占0.584 0%;同義突變,有78 650個(gè),占54.946 2%(表2)。

表2 變異影響程度與功能級別影響統(tǒng)計(jì)

變異分布最多的是內(nèi)含子區(qū)域的內(nèi)含子變異,占32.793 6%,其次是基因下游區(qū)域的基因下游變異,占22.508 0%,第三是外顯子區(qū)域與基因上游變異,分別占14.878 9%和14.673 4%(表3、表4)。

表4 變異類型分布

2.6 系統(tǒng)關(guān)系分析

從系統(tǒng)進(jìn)化樹(圖4)可以看出,整個(gè)群體被分成2大類群,類群之間分層明顯。各類群可進(jìn)一步分離出若干亞群,且存在離群個(gè)體。

圖中的品種編號與表1一致。下同。The variety codes in the image are consistent with those in Table 1. The same as below.圖4 360份大涼山玉米地方品種的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.4 Phylogenetic tree of 360 maize landraces in Daliangshan Mountain area

2.7 主成分分析

對獲得的124 342個(gè)SNP標(biāo)記進(jìn)行PCA分析,得到影響最大的3個(gè)特征向量,3個(gè)主成分變異貢獻(xiàn)率分別為16.13%、2.57%和2.10%,對3個(gè)主成分作圖,結(jié)果見圖5。由圖5可知,360份大涼山玉米地方品種明顯分成兩部分,各形成一個(gè)緊密類群,說明2個(gè)類群遺傳背景相差較大;其中一個(gè)類群比較分散,而另一個(gè)類群相對集中,沒有明顯的遺傳差異,呈混雜在一起的趨勢。主成分分析結(jié)果與系統(tǒng)進(jìn)化樹分析結(jié)果一致。

圖5 主成分分析Fig.5 PCA analysis of three-dimensional graph

2.8 群體遺傳結(jié)構(gòu)分析

最佳K值分析結(jié)果表明(圖6),隨著K值的增大,CVE值順勢減小,當(dāng)K=9時(shí),CVE值最小,隨著K值再增大,CVE值也隨之增加,表明K=9時(shí)是最合適的分組,K=9時(shí)的分組情況見圖7。群體遺傳結(jié)構(gòu)指遺傳變異在物種或群體中的一種非隨機(jī)分布。按照地理分布或親緣關(guān)系可將一個(gè)群體分為若干亞群,處于同一亞群內(nèi)的不同個(gè)體親緣關(guān)系較近,而亞群與亞群之間則親緣關(guān)系稍遠(yuǎn)。從圖7可以看出,360份大涼山玉米地方品種被分成9個(gè)亞群。

圖6 不同K值下群體結(jié)構(gòu)的CVE值曲線Fig.6 The CVE curve of the population structure with different K values

圖7 360份大涼山玉米地方品種的群體遺傳結(jié)構(gòu)Fig.7 Genetic structure of 360 maize landraces in Daliangshan Mountain area

2.9 群體遺傳分化分析

估算群體間的Fst可有效區(qū)分群體間相對遺傳變異大小,是解釋群體遺傳變異程度的主要來源。從圖8可見,類群A與類群B的Fst值大于0.462 2,說明類群間有很大的遺傳分化。類群A的核苷酸多樣性πA高于類群B的核苷酸多樣性πB?？赡苁且?yàn)轭惾篈遺傳背景較為復(fù)雜,群體內(nèi)玉米材料血緣豐富,導(dǎo)致類群A遺傳多樣性高于類群B,深層次原因需進(jìn)一步研究。

2.10 差異化的候選區(qū)域與候選基因

以玉米B73基因組為參考,分析360份玉米差異基因組區(qū)域中的基因。從圖9可見,在A群體和B群體中共檢測到96個(gè)受選擇區(qū)域,其中418個(gè)基因具有強(qiáng)烈選擇信號。進(jìn)一步對選擇性掃描的區(qū)域進(jìn)行基因功能注釋,發(fā)現(xiàn)富集的基因組區(qū)域中包含寒冷響應(yīng)基因Zm00001d027468(OJ2056_H01.33)、Zm00001d006508(YUP8H12.19)、Zm00001d020961(T24D18.5)、Zm00001d048168(F18A8.1),缺水響應(yīng)基因Zm00001d033107(OsJ_16068)、Zm00001d013399(F2H15.17)、Zm00001d022002(OsJ_11395)、Zm00001d048165(F13H10.2),病菌響應(yīng)基因Zm00001d028273(T9L24.32)、Zm00001d005727(T8O11.18)、Zm00001d006507(F8K4.6)、Zm00001d047690(MZN1.6)、Zm00001d025318(F1N19.11)等與逆境應(yīng)答相關(guān)的基因。

lg(π ratio)和Fst分別對應(yīng)上面的頻率分布圖和右側(cè)的頻率分布圖,中部的點(diǎn)圖則代表不同窗口內(nèi)的相應(yīng)的Fst和π比值。其中最上方綠色和紅色區(qū)域?yàn)棣羞x擇出來的top 5%區(qū)域,右側(cè)橘色區(qū)域?yàn)镕st所選擇top 5%區(qū)域,中間紅色和紫色區(qū)域?yàn)镕st和π的交集,即為候選的位點(diǎn)。lg(π ratio) and Fst values, corresponding to the frequency distribution chart above and on the right, the point plot in the middle represents the corresponding ratio of Fst to π in different windows. The green and red areas at the top are the top 5% areas selected by π, and the orange area on the right is the top 5% area selected by Fst, and the red and purple areas in the middle are the intersection of Fst and π, which are the candidate loci.圖9 類群A和B的差異基因組區(qū)域Fig.9 Different genomic regions between group A and B

3 結(jié)論與討論

本研究采用GBS簡化基因組測序技術(shù)對收集自大涼山26個(gè)縣(市)的360份玉米地方品種進(jìn)行了基因分型,獲得了大量的SNP分子標(biāo)記,經(jīng)過SNP calling并過濾,共獲得124 342個(gè)SNP位點(diǎn)、32 063個(gè)InDel位點(diǎn)(其中插入15 738個(gè)位點(diǎn)、缺失16 325個(gè)位點(diǎn)),總共檢測到156 405個(gè)變異位點(diǎn)?；讷@得的124 342個(gè)SNP位點(diǎn),系統(tǒng)進(jìn)化樹聚類分析和PCA主成分分析將群體分成A和B兩大類群,類群間遺傳分化明顯(Fst大于0.462 2),類群A的核苷酸多樣性高于類群B。玉米地方品種在經(jīng)歷了長時(shí)間的人工選擇和對大涼山地區(qū)的氣候環(huán)境產(chǎn)生高度適應(yīng)性后,類群間已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的遺傳差異,形成了獨(dú)立的遺傳背景,且在進(jìn)化過程中受到的選擇強(qiáng)度較大,推測可能是由于長期的自然選擇和人工選育造成的。這些數(shù)據(jù)將為大涼山玉米地方品種的表型差異和復(fù)雜性狀的遺傳分析提供重要的遺傳基礎(chǔ)依據(jù)。研究結(jié)果將為本區(qū)域玉米重要目標(biāo)性狀基因挖掘、農(nóng)藝性狀QTL定位以及玉米新品系、新品種培育提供重要支持。

玉米種質(zhì)類群的劃分問題一直存有爭議。我國玉米種質(zhì)資源類群劃分研究始于20世紀(jì)50年代中后期,主要為瑞德群、蘭卡斯特群、塘四平頭群和旅大紅骨群4個(gè)類群。殷洪達(dá)等[25]根據(jù)1年2點(diǎn)產(chǎn)量和相關(guān)性狀的配合力與雜種優(yōu)勢表現(xiàn),將40份中晚熟、耐密、抗病自交系分為Reid、Lancaster、塘四平頭和旅大紅骨4個(gè)雜種優(yōu)勢群。呂學(xué)高等[26]利用40個(gè)SSR分子標(biāo)記將浙江省90份玉米地方種質(zhì)資源劃分為塘四平頭、Reid、旅大紅骨和Lancaster等類群。吳承來等[27]利用112對SSR標(biāo)記將我國97個(gè)玉米自交系劃分為PB、Reid、塘四平頭和旅大紅骨4個(gè)類群。類群多而復(fù)雜并不利于提高育種效率。張世煌等[28]認(rèn)為雜種優(yōu)勢群的劃分應(yīng)盡量向兩群靠攏,并最終歸納為兩個(gè)雜種優(yōu)勢群,故他提出了兩群劃分策略。本研究通過GBS測序技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育與群體結(jié)構(gòu)分析,把360份大涼山玉米地方品種分為兩大支系9個(gè)亞群,這與Mumm等[29]利用46個(gè)RFLP標(biāo)記將148個(gè)美國常用自交系劃分為Lancaster Sure Crop(LSC)和Iowa Stiff Stalk Synthetic(BSSS)兩大類群11個(gè)亞群,孫友位等[30]利用70個(gè)SSR分子標(biāo)記將85份早熟玉米自交系劃分A(Reid、熱帶種質(zhì)、旅大紅骨)和B(Lancaster、塘四平頭、農(nóng)家種)兩大類群6個(gè)亞群,張偉瑋等[31]利用43個(gè)SSR標(biāo)記將56份玉米自交系劃分為SS(旅大紅骨、PA、Reid)和NSS(PB、四平頭、Lancaster)兩大種質(zhì)5個(gè)亞群,王文斌等[32]利用2 846個(gè)高質(zhì)量SNP標(biāo)記將陜西31份玉米自交系劃分為A(丹340、掖478等)和B(Mo17、黃早四等)兩個(gè)類群,吳迅[33]利用56 110個(gè)SNP標(biāo)記將367玉米自交系分為外引種質(zhì)和本地種質(zhì)兩大類群5個(gè)亞群(瑞德、蘭卡斯特、塘四平頭、溫?zé)酙和P群)是基本一致的。本研究的系統(tǒng)進(jìn)化樹結(jié)果支持玉米雜優(yōu)類群的兩群學(xué)說,但類群間是否具有育種上的雜交組配優(yōu)勢,還需要對具體材料的配合力進(jìn)行分析。本研究的群體結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步將兩大類群分成9個(gè)亞群,與上述前人研究結(jié)果不同,這可能與研究材料本身的血緣有很大關(guān)系,導(dǎo)致分析所用的數(shù)據(jù)集不同而呈現(xiàn)差異。

大涼山地處西南高原,是玉米傳播到中國后較早的種植區(qū)之一。境內(nèi)大山密布,交通極不方便。在海拔1 800～2 800 m的山地和山谷旱地之間,因雜交種難以適應(yīng)其獨(dú)特的地方性氣候和生態(tài)條件,至今依然保留了較多的地方品種資源。這些品種由于長期所處氣候、生態(tài)條件的差異,形成了各自鮮明的特點(diǎn),如抗旱、抗寒、耐貧瘠、抗病等,籽粒顏色豐富多彩(紅色、白色、紫色、黃色等),其中蘊(yùn)含了復(fù)雜多樣的基因資源,使其成為我國玉米地方種質(zhì)最為豐富的地區(qū)。此外,由于相對落后的文化、交通和經(jīng)濟(jì)條件,使得該區(qū)域內(nèi)種質(zhì)資源交流較少,同時(shí)外來種質(zhì)也難以適應(yīng)局部小氣候,進(jìn)一步導(dǎo)致種質(zhì)交流和遺傳滲透遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他玉米生態(tài)區(qū),從而使得該區(qū)域玉米地方種質(zhì)資源能夠得到很好的保存和利用,遺傳多樣性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他玉米生態(tài)區(qū)。大涼山的玉米發(fā)展離不開地方特有玉米種質(zhì)資源的挖掘,尤其是耐寒、耐旱和耐瘠群體、白粒適口玉米等自交系材料或群體的改良和擴(kuò)增工作。本研究中,通過選擇信號分析在大涼山地方玉米品種群體中發(fā)現(xiàn)96個(gè)基因組區(qū)域受到選擇,檢測到受選擇區(qū)域的418個(gè)候選基因,部分基因已被證明與玉米的抗寒、抗旱和抗病等有關(guān)。楊宇昕等[34]利用群體分化指數(shù)和群體間擴(kuò)展單倍型純合度(cross population extended haplotype homozygosity, XP-EHH)法分析溫帶和熱帶玉米群體間的選擇信號分布情況,選擇Fst和XP-EHH值的top 1%為閾值,分別鑒定到557和1 913個(gè)候選基因,多個(gè)候選基因與玉米的開花調(diào)控密切相關(guān),包括ZmCCT9、COLl、GRMZM2G387528。周玲等[35]基于187份種質(zhì)資源材料的全基因組重測序數(shù)據(jù)開發(fā)了120 583個(gè)高質(zhì)量SNP標(biāo)記,通過整合選擇信號檢測和GWAS分析結(jié)果,共識別出與1 153個(gè)候選位點(diǎn)緊密連鎖的324個(gè)候選基因,涉及氮化合物代謝、葉酸代謝、糖酵解、發(fā)育過程的負(fù)調(diào)控與轉(zhuǎn)錄調(diào)控等重要生物學(xué)途徑。

西南山地玉米區(qū)是我國三大玉米主產(chǎn)區(qū)之一,全區(qū)玉米種植面積500萬hm2左右,約占全國玉米生產(chǎn)面積的1/5[36]。該區(qū)地形地貌十分復(fù)雜,山地丘陵和高原土地總面積占90%以上,從海拔250 m河谷平壩直至2 500 m的高山均有玉米種植。生態(tài)條件區(qū)域差異很大,垂直分布明顯,農(nóng)業(yè)立體性強(qiáng)。長期以來,西南地區(qū)玉米育種使用的自交系絕大多數(shù)為二環(huán)系,主要選育來自美國玉米帶雜交種和我國北方玉米優(yōu)良雜交種,種質(zhì)基礎(chǔ)極為狹窄,導(dǎo)致所選育的雜交種產(chǎn)量沒有突破、穩(wěn)定性差,抗病性、適應(yīng)性不強(qiáng)。這主要是由于急功近利的商業(yè)育種熱衷于抄近道,追求多(育種材料多)、短(組配時(shí)間短)、快(上市品種快),盲目跟風(fēng)育種,卻未能靜下心來認(rèn)真研究本土種質(zhì)。西南地區(qū)類似大涼山這樣的山地玉米生態(tài)區(qū)還有很多,區(qū)內(nèi)地形地貌復(fù)雜,生態(tài)條件多種多樣,種植玉米歷史悠久,加之長期以來部分區(qū)域交通不便造成相對閉塞,形成了許多適應(yīng)性強(qiáng)、獨(dú)具特色的玉米地方種質(zhì)資源。這部分地方玉米種質(zhì)資源具有很大的開發(fā)利用潛力,目前存在的主要問題是鑒定、篩選和研究利用嚴(yán)重滯后。因此,對于西南玉米雜交育種,面對多種多樣的雜交種類型需求,必須把種質(zhì)資源的拓展與創(chuàng)新作為今后重要的攻關(guān)方向;建議加強(qiáng)對本土地方玉米優(yōu)良種質(zhì)的評價(jià)與遺傳多樣性研究,從特異抗逆基因的發(fā)掘與利用著手,簡化雜優(yōu)模式,分類合成與改良育種群體。