中国主要玉米自交系遗传多样性分析

中国主要玉米自交系遗传多样性分析

（文献综述）

玉米育种的首选技术路线是利用杂种优势（张世煌，2001）。因此系统研究种质的遗传多样性，进而划分杂种优势群、构建杂种优势模式，一直是国内外玉米育种研究的热点。这一研究不但有利于克服组配杂交组合的盲目性、提高育种效率，同时对于拓宽种质资源和克服种质的遗传脆弱性也十分重要。在全面了解种质间遗传关系的基础上，合理准确地划分杂种优势群和构建杂种优势模式，可以为自交系选育 (尤其是二环选系 )、群体合成与改良、杂交种选配及育种研究管理等工作提供理论基础（谢俊贤，2001）。

1 国内外玉米种质研究现状

1.1 杂种优势群和杂种优势模式

杂种优势群（Heterosis group）是指遗传基础广阔，遗传变异丰富，具有较多的有利基因，较高的一般配合力（GCA），种性优良的育种基础群体。是在自然选择和人工选择作用下经过反复重组种质互渗而形成的活基因库。从中可不断分离筛选出高配合力的优良自交系（李竞雄，1983；刘纪麟，1991）。

杂种优势模式（Heterosis pattern）是指两个不同杂种优势群之间具有较高的基因互作效应，具有较高的特殊配合力（SCA），相互配对成为产生强优势的模式。从配对的两个优势群分别选出的优良自交系之间，出现强优势杂交种的几率也相应较高（李竞雄，1983；刘纪麟，1991）。

划分杂种优势群和构建杂种优势模式是玉米种质分析的主要内容，也是玉米育种中关键性的基础工作。

1.2 国外的研究现状

杂种优势理论应用于玉米生产始于20世纪30年代，美国最早根据远缘优势的原理划分出两个杂种优势群，并据此构建出第一对杂种优势模式Lancaster×Reid，这已成为经典模式被广泛应用于玉米育种工作中（刘纪麟，1991）。随着研究的深入，美国的种质基础清晰地分为依阿华坚杆综合种（BSSS）、Reid黄马牙（Reid-YD）和Lancaster（LCS）三个种质系统（Melchinger et al，1991）。为了便于生产上应用，在经过遗传关系和杂种优势关系的分析后，BSSS种质逐渐划归入Reid种质系统。经过数十年来种质的不断变化和丰富，美国的杂种优势模式也演变为Reid×Non-Reid。近年来美国逐渐意识到引入新种质的必要性，不断加强了对外来种质，尤其是热带种质的利用，使得这部分种质的比重不断加大。根据种质分析的结果，育种者们又提出了Reid-Tuxpeno×Non-Reid-non-Tuxpeno这一

对杂种优势模式系列（Alignment），预计将在今后美国玉米育种研究中发挥巨大的作用（Hallauer，2003）。

除此以外，欧洲的早熟硬粒种质和美国玉米带马齿种质，热带地区的ETO类群和Tuxpeno类群也是较著名的种质系统，相对应的杂种优势模式（硬粒型×美国马齿型、Tuxpeno×ETO）也也成为当地玉米杂交种组配的主流（Smith et al，1989；Dubreuil et al，1996；彭泽斌等，1998；Vasal，1999）。综合来看，在这些玉米生产较发达的国家和地区，大都有基础广泛并且血缘清晰的杂种优势类群作为其育种工作的基础，相对应的杂种优势模式简明高效，便于实际操作和应用。同时，这也为种质的扩增、改良工作提供了便利的基础。所以这些地区的玉米育种和生产能够长盛不衰，始终保持着比较高的效率。

将杂种优势研究与种质改良工作相结合，CIMMYT（国际玉米小麦改良中心）是成功的典范，自1985年开始，该机构用92份热带自交系，以CML9（Tuxpeno 血缘）和CML21（ETO血缘）为测验种，按特殊配合力将自交系分为两群，再经多次混粉重组成两个广基群体：热带杂种优势群A（THG“A”）和热带杂种优势群B（THG“B”），以这两个群体配对成为杂种优势模式（Vasal et al，1992）。用同样方法，他们将选自亚热带的数十份自交系分为两群，分别重组成亚热带杂种优势群A（STHG“A”）和亚热带杂种优势群B（STHG“B”）（Vasal et al，1992）。这些群体一开始就有清晰的种质来源和遗传差异，在进行种质分析时，可以准确地将不同来源的自交系划入已有的杂种优势群，同时在经相互轮回选择改良后，很容易选出具有高配合力的自交系，提高了配出强优势组合的效率（张世煌，2001）。在这种背景下，CIMMYT 的研究者们在全面分析该机构的玉米种质的同时，又根据实际需要筛选、组建了大量的群体材料，选育了许多自交系材料，极大地丰富了玉米的种质资源（Vasal et al，1992，1999；Marilyn et al，2002）。如今，CIMMYT种质可以清晰地分成基因库、群体、自交系3个层次，而且各种质间杂种优势关系明确（Vasal et al，1994，1999；彭泽斌等，2000）。近十几年来，CIMMYT逐渐加强了针对温带地区的研究，如Beck 等（1990）根据田间试验结果，认为Pob 42和Pool 41两个群体是温带最有潜力的外来种质。Vasal 等（1992）鉴定出适应于温带的2个强优势组合，分别是Pob 46×pob 48和Pob 46×Pool 31，这2个模式均符合ETO×Tuxpeno杂种优势模式。Pollak等(1991)认为Carbbean硬粒×Carbbean 马齿适应性广泛，杂种优势表现突出，有可能成为Lancaster×Reid 的替代模式。

与其他地区的玉米种质比较，CIMMYT种质血缘清晰、层次分明，便于利用；

并且位于热带地区，靠近玉米的多样性中心，遗传基础广泛，开发价值较高。随着各国均注意到拓宽种质基础的重要性，CIMMYT种质受到越来越广泛的重视。

1.3 我国的研究概况

我国对玉米种质的整理工作始于上世纪80年代。吴景锋和曾三省最早根据系谱初步将自交系划分为国内自选系和国外引进系两大类，并认为国内自交系和国外自交系是主要杂种优势模式，“中单2号”、“烟单14”、“丹玉13”等许多优良杂交种都是采用的这种模式。在应用杂交种的初期，我国玉米的种质基础依据材料的来源可以分为获白、Reid、金黄后、Lancaster、旅大红骨、塘四平头和Reid 7个系统。随着单交种的大面积推广，获白和金皇后两个地方种质系统的应用比例逐年下降，到80年代末已从骨干行列中消失（彭泽斌等，1998）。王懿波等在1997年对我国115个主要杂交种的234个亲本自交系进行研究，总结出我国目前生产上应用的主要种质为Reid、Lancaster、塘四平头和旅大红骨4个系统，大致可分为5个杂种优势群9个亚群：改良Reid群、Lancaster群（包括MO17和自330亚群）、塘四平头群、旅大红骨群和其他杂种优势群（包括外杂选、综合种选、SWAN和其他低纬度种质4个亚群）。刘新芝等（1997）、彭泽斌等（1998）采用RAPD分子标记方法，分析了我国目前生产上推广杂交种的15个主要亲本自交系的遗传关系，将其划分为Lancaster、塘四平头、Reid、旅大红骨、PA和自330等六群。

从以上研究结果可以看出，在我国种质研究的初期，由于理论基础薄弱、种质应用混乱、材料间遗传关系复杂，种质分析工作难度较大，育种工作者们往往得出不尽相同的结果。相应地，我国在杂种优势模式方面的研究也不够完善。王懿波在1997年提出10个杂种优势模式，细分出16个子模式。1998年，彭泽斌总结出7个模式。从实用角度来看，这些杂种优势模式过于繁琐，效率不高，难以在实践中发挥指导作用。

近年来，随着理论和方法的不断完善以及研究的不断深入，我国玉米种质研究也进入了一个新阶段。大量的研究结果表明，目前我国玉米种质主要分为6个系统，即四平头、旅大红骨、Lancaster、BSSS（Reid）、PA和PB。（袁力行等，1999；张世煌等，2000；李新海等，2002；李明顺等，2000）。为简化杂种优势模式，育种者们对这6类种质系统作了进一步的整理。在六群中，虽然四平头×旅大红骨也有一定的杂种优势（王懿波等，1997；彭泽斌等，1998）。但它们同为国内种质，遗传关系较近，可以合并为一群，定名为Dom种质（张世煌，2000）。BSSS属于Reid种质（Hallauer，1999；张世煌，2000）。而PA群也偏向于Reid

种质，因此它们的遗传距离很近，可以合并为一群，定名为Reid种质（Zhang，1997，2000；袁力行，2000）。PB群的种质偏向于非Reid（Non-Reid）种质，因而可与Lan种质划为一群，定名为Non-Reid种质，（张世煌，2000）。综合以上结果，我国生产上应用的杂种优势群可以概括为3个群或6个亚群（张世煌，2000）（见表1）：

A Reid BSSS B73

PA 掖478

B Non-Reid Lan Mo17

PB 齐319

D DOM 四平头黄早四

杂种优势模式则可以概括为2个主模式和4个子模式（见表2），这些模式都属于国内×国外种质，而且也基本符合马齿型×硬粒型的规律。

A×D PA×四平头郑单58×昌7-2 黄淮海

U8112×黄早四黄淮海

掖478×515 黄淮海

掖478×502 黄淮海

PA×旅大红骨掖478×丹340 华北、西北和春播区B×D Lan×四平头Mo17×黄早四东北

吉853×Mo17 东北

Lan×旅大红骨Mo17×自330 华北、西北和春播区

综合以上研究结果不难看出，我国玉米生产的种质基础十分狭窄，而且存在亲缘关系复杂的问题，因而我国玉米种质的应用难度较大，育种工作后劲不足。无疑，在对现有的种质进行整理的基础上改良现有种质和引进外来种质是解决这一不利因素的有效途径。

在各类外来种质中，CIMMYT种质以其突出的优越性而成为我国种质引入的首选。陈彦惠（1999）分析了我国改良群体与CIMMYT种质配合力，进行了划分杂种优势群和杂种优势模式的尝试。李新海（2000）鉴定出3个在我国具有潜在利用价值的CIMMYT群体：Tuxpeno，Stay Green和P500；并且发现两份强优势组合群体Pob 43和Pob 21，这些材料经过多轮改良已基本适应我国南方及河南等地区的生态条件。袁力行（2001）用SSR分子标记方法将部分CIMMYT自交系与国内种质进行分析，初步探讨了二者之间的联系。邓凌玮（2003）对13个国内群体和14个CIMMYT群体进行了配合力分析，初步明确了它们与国内四大种质之间的杂种优势关系。

虽然我国已取得了一定的成就，但总的来看，我国种质基础狭窄的局面依然没有太大的改观。玉米种质的整理和改良工作还处于起步阶段，还需要更多的系统研究。

2 划分杂种优势群的主要研究方法

2.1 主要方法概述

评价种质、划分杂种优势类群常用的方法有系谱法（亲缘关系法）、形态学分析法、数量遗传学方法（配合力分析和杂种优势分析）、生理生化指标法（同功酶法）和DNA分子标记法等。

系谱法较准确，但随着育种手段的不断丰富以及二环系和多元复合种质的广泛应用，玉米种质日趋复杂，要得到明确的系谱也越来越困难。自330的划分就是一个典型的例子，按系谱记录，它应属于Lancaster种质，但近年分子标记的分析结果却表明，它与旅大红骨的关系更近。由此可见，在今后的研究中，单纯依靠系谱来划群将越来越困难。

形态学方法易于操作，便于观察和记录数据。但受环境影响较大，同时不能提供足够的遗传信息，因此不能准确反映材料之间的遗传关系（周洪生，1993），一些研究已经证实，利用该方法划分杂种优势群的结果与自交系的血缘也无必然的联系，准确性较差（郑永战等，1996；席章营等，1997）。

应用数量遗传学方法（配合力分析和杂种优势分析）划分杂种优势类群直接有效，同时还可预测最强的优势类群模式，正确指导杂交组合组配和种质改良。目前应用最广泛的遗传交配设计方法有双列杂交设计和NC-Ⅱ设计。双列杂交法非常有效，但其可靠性取决供试材料遗传基础的广泛性与代表性，并且工作量大，当面对大量的材料时，难以完成。NC-Ⅱ设计可以显著减小工作量，但其准确性依赖于测验种的代表性。目前较多采用的技术路线是先用双列杂交法对少量典型材料作精细的配合力分析并划分个杂种优势群，从而筛选出标准测验种，然后再用

这套标准测验种对大量未知系谱的材料进行杂种优势群划分。总的看来，数量遗传学方法周期长，工作量大，而且当试验材料过多时，可操作性较差。

同功酶法在分析遗传背景较复杂的材料时也并不是行之有效的方法，原因如下：（1）有些同工酶是基因表达后的产物，谱带类型不符合等位基因分离的规则。（2）有些同工酶具有组织特异性或受环境影响较大。（3）同工酶位点少，多态性低。育种工作者已经通过试验证实同工酶技术不十分适合作遗传多样性分析（Lefor-buson et al，1991；扬太兴等，1995）。

DNA分子标记法是随着分子生物学技术的发展，特别是在上世纪末人类基因组计划（简称HGI）研究的推动下，逐步发展起来了一种新的遗传标记方法。与以前常用的遗传标记（如形态标记、生化标记等）相比，分子标记具有较显著的优越性：（1）分子标记法直接检测DNA的结构变异，这不仅不受季节、环境的限制，同时也使得DNA水平上的基因型方差的比较成为可能；（2）数量多，遍及整个基因组，使得试验数据完整可靠，信息量大；（3）多态性信息丰富，自然存在许多变异，不必创造特殊的遗传材料；（4）“中性”标记，不影响目的基因表达；（5）许多分子标记表现为共显性，可鉴别个体基因型是纯合还是杂合，客观真实地提供遗传信息（贾继增，1996）；（6）减少工作量，缩短研究时间，可免除其它方法中为消除外界影响而设置的重复和对照，省时省工，提高效率。（7）检测手段简单快捷，易于实现自动化，开发成本和使用成本低。

系谱法、形态学分析法、数量遗传学方法等常规方法都广泛应用于玉米杂种优势群的划分研究中，并且取得了许多成果，对玉米育种工作起到了推动作用。但是，常规的研究方法所用的遗传标记都有不同程度的局限性，均不能明确人工选择和遗传漂移的作用，加之系谱的不完整（李新海等，1999），所以研究结果经常互不一致。随着研究的不断深入，常规方法的局限性越来越突出。而分子标记的应用为为玉米遗传多样性研究注入了新的活力，显示了巨大的开发潜力。故虽然其发展不过二十余年，但就目前而言，该技术已趋成熟，并且已取得了很丰富的研究成果，特别是在玉米杂种优势研究中尤显突出（王天宇等，2000）。

2.2 分子标记方法的种类

依据对DNA多态性的检测手段，当前分子标记方法大致可以分为四类：（1）基于DNA-DNA分子杂交技术的分子标记；（2）基于PCR技术的分子标记——这类标记又分为随机引物（或半随机引物）扩增和特异位点扩增两大类；（3）基于PCR与限制性内切酶技术结合的分子标记；（4）基于单核苷酸多态性的分子标记。而遗传多样性研究中主要以第一、二类标记为主。较常用的主要有RFLP 、RAPD、AFLP和SSR四种标记。

（1）RFLP标记(限制性片段长度多态性)

RFLP是发现最早、应用较为广泛、具有代表性的一种标记技术。这是一项利用放射性同位素(常用32P)或非放射性物质(如地高辛)标记探针，与转移于支持膜上的总基因组DNA(经限制性内切酶消化)杂交，通过限制性酶切片段的大小，来检测不同遗传位点等位变异的一种技术（方暄均，2000）。该技术首先应用于人类基因组研究（Botstein et al，1980），后在植物基因组研究中得到广泛应用（Beckman&Soller,1983）。以玉米为代表的一些作物因已有覆盖整个基因组的克隆，故进行多态性分析十分便利。由于有大量的酶和探针可供选配，所以PFLP的标记数量相当多，且具有广泛性。RFLP标记具有共显性、信息完整、重复性和稳定性好等优点，但其对材料和技术的要求较高，需要对探针进行同位素标记，对人体有害，即使应用非放射性的Southern杂交，相对于其它的分子标记来说仍较耗时费力。

（2）RAPD标记(随机扩增片段多态性)

RAPD是以基因组DNA为模板，以一个随机的寡聚核苷酸序列（通常为10个碱基对）引物通过PCR扩增反应，产生不连续的DNA产物，用以检测DNA序列的多态性。该方法的主要优点是简单易行，需要的DNA量极少（5-25ng），无放射性，周期短，可在对物种没有任何分子生物学研究基础的情况下，对其进行指纹图谱构建，遗传多样性及遗传连锁图谱等方面的研究。但RAPD是显性标记，不能区分杂合和纯合基因型，而且由于采用的引物Tm值较低，扩增结果易受外界调件的影响，重复性较低，每个标记提供的信息量较少。

（3）AFLP标记(扩增片段长度多态性)

是由欧洲生物技术公司Keygene的Zabeau等于1994年发明的分子标记技术，并已申请了专利。这种技术结合了限制性酶切和PCR扩增，故同时具备RFLP和RAPD的优点。基本原理是植物基因组DNA经限制性内切酶双酶切后形成分子量大小不等的随机限制性片段，然后将特定的接头连接在这些DNA片段的两端，形成一个带接头的特异片段，再通过接头序列和PCR引物的识别进行PCR扩增，最终通过聚丙烯酰胺电泳分子筛的作用将这些特异的限制性片段分离开来，显示出扩增性片段多态性。AFLP的优点是受环境影响小，无复等位效应，DNA用量少，灵敏度高。缺点是成本高，操作技术复杂。

（4）SSR标记(简单序列重复)

SSR是一种真核生物基因组中普遍存在的重复序列，由几个核苷酸为基本重复单位组成的长达几十个核苷酸的串联重复序列，分布的随机性更强，能提供更多的遗传信息。每个SSR两端的序列多是相对保守的单拷贝序列，可以根据其两

端序列设计特异引物进行扩增，即而得到因简单序列重复单元数不同而引起的扩增位点上的多态性。试验证明，SSR可检测的多态性频率比RFLP要高得多（袁力行等，2000；Prasad et al，2000；Song et al，2002）。开发SSR引物程序复杂，代价比较昂贵。但是，目前MAIZEDB数据库已经公布了近1800对已在染色体上定位的SSR引物，有效解决了引物的使用问题。由于SSR更为稳定，又是共显性标记，绝大部分为单拷贝且已在染色体上定位，故对它的应用已越来越广泛，已渐有替代RFLP之势。随着相关研究的不断深入和技术体系的不断完善，SSR 技术将会在玉米遗传多样性研究、基因标记、定位研究中发挥越来越重要的作用。

综上所述，不同的分子标记各有优缺点（见表1），但就分析植物遗传多样性的要求来看，SSR标记以其丰富的多态性，较好的稳定性，便于操作和成本低廉而显示了更大的优越性。

表3 分子标记方法比较

项目RFLP RAPD SSR AFLP

原理限制性酶解

Southern杂交随机PCR

扩增

特异PCR

扩增

限制性酶解结合

PCR扩增

基因组分布低拷贝编码序列整个基因组整个基因组整个基因组

多态性来源单碱基突变，

插入与缺失单碱基突变，插

入与缺失

简单重复序列长

度变化

单碱基突变，

插入与缺失

探针/引物类型gDNA或cDNA

特异多拷贝探针9-10bp随机引物14-16bp特异引

物

16-20bp特异引

物

数量多很多多多

多态性程度中等中等高中等

遗传特点共显性显性共显性共显性或显性

位点检测频率1-2 5-20 1 30-100

DNA质量及用量高，2-10微克低，10-25ng 低，50-100ng 高，1-2微克

使用同位素通常用不用不用通常用

技术难度高中等低中等

耗时多少少中等

成本高低中等中等

3 分子标记技术在玉米杂种优势研究中的应用

分子标记可以直接揭示DNA水平的差异，从而使对杂种优势这一复杂的生命现象的研究深入到分子水平，大大促进了该领域的发展。下面就国内外应用分子

标记在杂种优势研究中的进展作一简要介绍。

3.1 分子标记在杂种优势类群划分中的应用及进展

分子标记按遗传方式可分为共显性标记（如RFLP和SSR）和显性标记（如AFLP和RAPD）两大类。无论是显性标记还是非显性标记都是以条带形式表现的。如果是共显性标记（每个条带代表一个标记位点的一个等位基因），可以通过这些条带确定多位点等位基因频率的差异来测算遗传距离（GD）。而对于显性标记（每个标记位点表现为条带的有或无，即条带与标记位点的等位基因间的对应关系不明确），则通过个体间不相配的条带比例来确定遗传距离（Nei et al，1978；Rogers，1972；Goodman & Stuber，1983；Melchinger et al，2000）。

3.1.2 国外的研究进展

在各种DNA分子标记中，RFLP最早应用于玉米的遗传多样性分析，Smith 等（1989）比较了分子标记与同功酶法的效率，他用醇溶蛋白和同功酶对61份法国材料和88份美国材料进行分析，有将近一半的材料无法分开，其后，他又用80个RFLP探针对亲源关系较近材料进行了分析，结果成功地进行了评价和划分。这充分证明了DNA分子标记比同功酶标记提供更多的多态性信息，得到的结果也更加准确。Smith等（1990）和Dudley等（1991）用RFLP标记划分杂种优势类群，同时与系谱分析比较，二者结果基本一致，相关值达极显著水平，有的高达0.9，充分说明了RFLP分子标记研究玉米遗传背景的准确性是极高的。众多的研究（Lee et al.，1989；Melchinger et al，1990；Messmer et al.，1991；Livini et al.，1992）也都表明，应用RFLP标记可以真实地界定自交系的遗传基础，有效地对玉米种质进行评估及划分。

在此基础上，育种家们对不同地域的材料和自交系进行了研究。Melchinger 等（1991）对32个自交系进行了RFLP分析后，把它们划分为依阿华坚杆综合种（BSSS）、瑞德黄马牙（BYD）和兰卡斯特（LSC）三群，这与生产上利用的杂种优势群相一致，有效地将部分来源不清的材料进行了归类。Mumm等（1994）利用46个RFLP探针酶组合将美国生产上常用的148个玉米自交系划分为LSC和BSSS两大群（LSC和BSSS），11个亚群，系统评价了美国玉米的种质基础。Dubreuil 等（1996）利用63个RFLP探针酶组合对欧洲和北美的116个常用自交系进行研究，将其划分为马齿型和硬粒型两大类型，12个亚群，明确了欧美种质的分布情况，同时探讨了所用标记数目与划群结果的关系。这些研究使当地的种质资料趋于完善，为以后的育种工作提供了极有价值的参照依据。

继RFLP之后，RAPD以其简便快捷、低成本、无污染等特点也被广泛应用于遗传多样性研究。Hahn等（1995）用54个RAPD引物对57个欧洲早熟自交系进

行评估，结果与系谱基本一致，同时他还对RAPD与RFLP进行了比较，发现二者存在较显著的相关，从而证实RAPD技术可应用性。

此后，AFLP技术也相继产生并在玉米杂种优势研究中得到了应用。Ajmone （1999）利用6个AFLP引物组合研究13个玉米自交系的遗传变异，构建了DNA 指纹图谱，并讨论了利用AFLP标记预测杂种优势的可能性。结果证实，该方法的高多态性非常适用于玉米的遗传多样性研究。

比较RFLP和RAPD等标记而言，SSR标记技术出现较晚，但是该方法操作简便，稳定性好，多态性高，优点十分突出，故一经问世即得到广泛的应用。Smith 等（1997）用131个SSR位点对58个自交系进行分析，其结果与RFLP分析和系谱分析一致，通过综合比较，他们认为SSR比RFLP技术更优越。Senior等（1998）用70个SSR位点对94个美国优良自交系进行分析，聚类分析的结果与系谱一致，划分成的9组与生产上杂种优势群一一对应；而且用5个SSR位点即可建立每个自交系不同的指纹图谱，显示了该分子标记技术的优越性。Marilyn（2002）等最近利用从85对SSR引物对CIMMYT的7个群体和57个自交系的遗传多样性进行了研究，成功地将不同来源的自交系划入CIMMYT已有的杂种优势群。

Pejic等（1998）比较了四种DNA分子标记系统（RFLP、RAPD、SSR、AFLP）的相对效率，共分析了33个玉米自交系，结果显示SSR和AFLP提供的多态性信息更高，更适合研究遗传多样性。

3.1.2 我国的研究进展

我国在该领域的研究起步较晚，最早见于报道的是刘新芝（1997）在双列杂交分析的基础上应用RAPD对15个我国骨干自交系划进行了分析，结果与系谱分析和双列杂交分析基本一致，初步明确了我国的种质基础。其后，彭泽斌（1998）也得到了相同的结论，进一步验证了利用RAPD对我国玉米育种材料进行评价的可行性。此外，赵姝华（1998）、赵久然（1998）也利用RAPD技术对我国部分自交系进行了分析并构建指纹图谱，也都得到了较满意的结果。

在此之后，研究者们开始尝试应用其他效率更高的标记技术，李新海等（1999）利用43对SSR引物对我国21个主要玉米自交系的遗传变异进行了研究，结果与系谱基本吻合，同时根据田间数据证实分群后的产量与相似系数的相关性远大于分群前，且群间产量优势远大于群内，这充分表明，利用SSR标记可以合理有效地进行玉米自交系遗传变异分析并用于杂种优势群划分。李明顺（2000）应用SSR 对46份温带和亚热带玉米自交系进行了分析，也成功划分了杂种优势群，初步了解了温带和亚热带玉米自交的遗传关系。吴敏生（1999）利用AFLP研究了17个优良自交系，结果也与系谱及田间试验结果基本一致。

袁力行（2000）又用RFLP、SSR、AFLP、RAPD等4种DNA分子标记方法对我国29个玉米自交系进行了研究，并对4种标记方法的效率进行了比较。研究结果证明用DNA分子标记可以准确地分析我国玉米育种材料的种质基础，同时还结合田间试验结果将我国玉米自交系划分为五大群，初步明确了我国的种质基础，为育种研究提供了极有价值的的参考资料。

分子标记技术的应用，为玉米育种研究注入了新的活力。分子标记与田间试验具有互补性，将二者结合并以系谱为参照，可以得到较全面的信息，更好地为杂交育种和种质改良工作提供参考。中国农科院作物育种与栽培研究所AMBIONET中国实验室以此为根据实施了一套以分子标记为主，结合双列杂交和NC-II设计的技术路线，进行玉米自交系的杂种优势群划分的研究工作。通过对我国160个玉米自交系的分析结果，证明目前我国玉米种质主要分为5个系统，即四平头、旅大红骨、Lancaster、BSSS（Reid）和PN。同时鉴定出与之相对应的5个标准测验种，分别是黄早四、丹340、MO17、B73和掖478（袁力行等，1999；张世煌等，2000；李新海等，2002；李明顺等，2000）。李新海等（2002）利用SSR技术鉴定出PB群，并确定以齐319作为PB群测验种，完善了我国种质的结构。以上研究使我国种质的框架渐渐明确，为今后深入探讨我国的种质基础及其与外来种质的遗传关系提供了基础和保障。

3.2 DNA分子标记在杂种优势预测中的应用及进展

对杂种优势进行预测一直是玉米遗传学家和育种工作者努力的目标。多年来，人们应用各种方法探索预测杂种优势的有效途径。90年代以前，人们通常采用传统的田间试验方法但却难以得到理想的结果。随着DNA分子标记技术的出现和发展，育种工作者又找到了新的研究手段。然而，尽管DNA分子标记已经大量应用到杂种优势群的划分研究，但其是否能够对杂种优势进行预测却一直没有定论。

有一些研究认为DNA分子标记是一种预测杂种优势的有效方法（Lee等，1989；Smith等，1990；Stuber等，1992）。如Smith等（1990）用257个RFLP 探针酶组合分析37个玉米自交系及100个F1杂种，结果遗传距离与F1杂种产量和产量优势相关性显著，可以预测杂种优势。彭泽斌等就玉米F1产量、杂种优势及双亲特殊配合力与RAPD遗传距离进行相关性分析。结果表明RAPD遗传距离与组合F1产量、中亲优势值和双亲的特殊配合力存在着极显著的正相关，从而认为RAPD方法可以用于杂种优势预测。

但另外一些研究结果却显示DNA分子标记在杂种优势预测中的作用是有限的。如Melchinger等（1992）对来源于欧洲种质的6个马齿型和6个硬粒型自交系进行RFLP研究发现，若分析完整数据，遗传距离与F1杂种优势显著相关，若

单独针对马齿型与硬粒型的杂交组合所得到的相关系数就要低于硬粒型与硬粒型的杂交组合的相关系数。这表明，利用DNA分子标记杂种优势预测结果在很大程度上依赖于材料的类型及世代。此后，Boppenmaier等（1993）对12个马齿型和15个硬粒型自交系进行RFLP研究发现，在硬粒型与硬粒型的杂交组合中，遗传距离与F1产量和杂种优势的相关性显著，但在马齿型与硬粒型的杂交组合中则相关性不显著。Ajmone与Marsau（1998）利用RFLP和AFLP比较研究时也得到了类似的结果。Dudley（1992）用RFLP对产量进行预测发现遗传距离与产量不相关或相关较弱。这些研究的结果都说明了DNA分子标记只能为杂种优势预测研究提供新的手段，但并不是解决问题的关键，对于复杂的遗传现象，还需要更加全面、深入的研究。

当前在玉米杂种优势预测研究中较为一致的看法是：在亲缘关系较近的组合中，DNA分子标记遗传距离与杂种优势呈高度相关，而在亲缘关系远的组合中则相关程度较弱）。杂种优势是非常复杂的生物学现象，是生物本身内在因素与各种外在因素共同作用的结果。袁力行（1999）总结前人的研究结果，认为分子标记的遗传距离与杂种优势有无相关性及其相关程度主要取决于3个因素：

（1）研究材料的遗传差异程度

众多研究表明，在亲缘关系较近的组合中，DNA分子标记遗传距离与杂种优势呈高度相关，而在亲缘关系远的组合中则相关程度较弱（Ragot et al，1993；黄长玲等，1994），Tsaftaris et al，1995）。

（2）与杂种优势相关的阳性标记的检测程度

只有阳性标记的比例增加，才能提高F1杂合性与杂种优势的相关性，进而才能分析二者之间的联系（Zheng et al，1994，1995；Smith et al，1990）。

（3）研究所针对的性状不同

Zheng等（1995）和Smith等（1990）均发现针对不同性状研究杂种优势，所得结果也不同，认为可能是与不同性状相关的阳性标记所占比例不同的缘故。

杂种优势是复杂的生物学现象，对该领域的研究至今仍停留在假说水平上。分子标记技术的应用使得从分子水平研究杂种优势成为可能。随着玉米高密度遗传图谱的建立，各标记位点在染色体上的位置和遗传行为都将明确。当这项研究趋于完善时，选择与和杂种优势相关的数量性状位点紧密连锁的分子标记进行分析，将使阐明杂种优势机理成为可能，进而实现以分子标记预测杂种优势。

4 本研究的目的和意义

当前，我国的玉米育种研究进展缓慢，其主要原因是种质资源匮乏（张世煌等，2001）。我国不是玉米的起源中心，种质基础本就十分狭窄，自从上世纪六、七十

年代大面积推广杂交种以来后，生产上应用的玉米种质更是集中于少数产量性状表现好的种质。根据前人的调查结果（吴景锋，1992；王懿波等，1997；张世煌等，2000），目前我国在生产上应用的骨干自交系主要来自于四个系统：国内的四平头种质和旅大红骨种质，来自美国的Reid种质和Lancaster种质。自1978年以后，这四个系统在生产上占据了主导地位。在我国现今的主栽品种的种质中，四大系统约占90%以上的比例，各系统的衍生系均达到几十种，在10万公顷以上的杂交种亲本中，缘于这四个系统的材料一直占有68%—80%左右的比例。长期以来，玉米育种中大量应用的骨干自交系仅局限于黄早四、MO17、E28、丹340、掖478、自330等五、六个材料（张世煌等，2000）。80年代以后，来自于美国先锋公司的PN种质广泛应用于生产，但从整体上来看，我国生产上的玉米种质基础依旧十分狭窄（彭泽斌等，1998；王懿波等，1997）。狭窄的遗传基础一方面限制了优良基因的利用，降低进一步开发杂种优势潜力的可能性，使育种工作缺乏后劲；另一方面削弱农业系统抵御自然灾害的能力，客观上为病虫害大面积爆发创造了条件。面临这种情况，有必要系统地对我国的玉米种质进行评价和分析，一方面能够深入了解国内的主要种质的遗传背景和相关信息，进而合理准确地划分杂种优势类群，使今后的育种工作实现规范化，提高育种效率，加快育种研究的进程；二是可以认识各种质材料的遗传基础及其与外来种质（尤其是来自于热带、亚热带，靠近玉米起源中心，遗传基础较广阔的种质）的关系，从而有的放矢地开发地方种质和引入外来种质，使得玉米种质的扩增、改良有据可行，避免资源的无谓浪费。

在考虑外来种质的引进时，CIMMYT（国际玉米小麦改良中心）种质以其突出的优越性而渐渐为育种者所重视，成为我国种质引入的首选。该机构的玉米种质资源血缘清晰、层次分明，便于利用；并且这些种质材料位于热带地区，靠近玉米的多样性中心，遗传基础广泛，开发价值较高。近年来我国已对CIMMYT种质和我国种质之间的联系进行了大量的研究，取得了相当的进展，也引进了不少种质材料，但总的来看，热带种质在我国的利用情况还不十分理想。该项工作还处于起步阶段，要想对两类种质信息有一个全面的掌握，从而有针对性地进行种质扩增和改良，还需要更多的系统研究。

分子标记技术可以较好地克服常规方法的不足，为评价材料的遗传多样性提供了较理想的工具（Melchinger，1990）。在各种标记类型中，SSR标记以其特异性强，重复性好，多态性丰富，操作简便，成本低等诸多优点更为众多研究者所提倡，已逐渐成为研究玉米种质遗传多样性的主要手段（Smith et al，1994；Senior et al，1994；李新海，1999；袁力行，2000）。另外，绝大多数的SSR引物已在染色体上

定位，相当一部分SSR位点是非中性标记，与染色体上的一些功能区段紧密连锁。通过对这些位点的分析，可以将分子标记所得的数据与材料的性状表现和实际情况相结合，使研究结果更有参考意义。

本研究在前人研究基础上，采用中国农科院作物育种与栽培研究所AMBIONET中国实验室杂种优势群研究的技术路线，选用AMBIONET网上公布的核心SSR引物，结合我国6个标准测验种及CIMMYT的6个标准测验种，对我国76份主要玉米自交系进行遗传多样性研究。主要目的有三：第一，研究我国主要玉米自交系的遗传多样性，分析其遗传背景和亲缘关系，以6个国内自交系测验种进行杂种优势类群划分，判定各材料的归属，系统评价我国玉米的种质基础；第二，分析6个CIMMYT亚洲玉米网测验种与我国主要玉米自交系之间的相互关系，同时进行聚类分析，探讨利用相应外来种质的可行性，为热带种质的引进和改良提供参考依据；第三，通过上述的实验数据和研究结果，探讨将我国种质的分析结果与CIMMYT接轨的可行性，提出不同时间、不同实验室数据整和技术，为今后的种质交流和改良工作提供参考。

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