西南玉米杂种优势模式解析：基于群体结构与遗传多样性的现代育种策略创新

《BMC Plant Biology》：Unveiling the heterosis pattern of modern maize breeding in Southwest China through population structure and genetic diversity analysis

编辑推荐：本研究针对西南复杂生态区玉米育种难题，通过全基因组测序分析100份四川玉米骨干自交系的5,261,175个SNPs，揭示4个杂种优势群的分化特征（Fst=0.21-0.44），发现G1×G3等4种优势组合模式在产量性状中呈现显著BLUE值，首次阐明有害突变(dSNPs)杂合度与杂种优势的相关性，为西南生态区玉米精准育种提供分子设计策略。

　　

玉米作为全球最重要的粮食作物之一，其杂种优势利用是提高产量的关键途径。然而，在中国西南复杂生态区，地形多变、土壤贫瘠等环境因素给玉米生产带来严峻挑战。四川作为该区域的核心产区，2021年玉米种植面积达184.9万公顷，但现有育种体系缺乏针对本地生态条件的杂种优势模式指导。传统育种依赖经验性杂交组合测试，效率低下且难以解析遗传本质。随着基因组学发展，全基因组关联分析为杂种优势机制研究开辟新途径，但关于西南玉米种质资源中遗传分化与杂种优势关系的系统性研究仍属空白。

绵阳市农业科学研究院联合四川省农业科学院等机构的研究团队在《BMC Plant Biology》发表最新成果，通过对100份四川玉米骨干自交系进行全基因组重测序（平均深度12.7×），鉴定5,261,175个高质量SNPs，结合900个NCII杂交组合的10个产量性状表型数据，首次系统解析了西南生态区玉米杂种优势的遗传基础。研究采用ADMIXTURE群体结构分析、XP-CLR选择清除分析和BLUE模型等创新方法，发现Tropic-local与Improved-local亚群间存在显著遗传分化（π=6.07×10^-4-6.61×10^-4），G2×G3杂交组合在穗直径等性状上表现出最高特殊配合力(SCA)。研究还首次报道了有害SNPs(dSNPs)杂合度与杂种优势表型的相关性，为分子设计育种提供了新靶点。

关键技术方法包括：（1）100份自交系CTAB法DNA提取与Illumina NovaSeq 6000平台测序；（2）BWA比对B73参考基因组与GATK变异检测；（3）ADMIXTURE群体结构分析与PCA验证；（4）XP-CLR选择清除分析鉴定受选择区域；（5）900个杂交组合在绵阳/崇州两地的随机区组设计表型鉴定；（6）DPS软件计算GCA/SCA效应值；（7）SIFT4G预测有害突变。

群体结构与遗传多样性分析显示，100份自交系可分为Tropic-local A、Improved-tropic、Tropic-local B和Improved-local四个亚群，F_st值0.21-0.44表明显著遗传分化。XP-CLR分析发现Tropic-local亚群在茉莉酸信号通路基因富集，而Improved-local亚群在发育调控基因受选择，反映不同的育种选择方向。

杂种优势模式评估发现，G1×G3、G1×G4、G2×G3和G3×G4四种组合在穗重(EW)等产量性状上表现最优，其中G2×G3组合的SCA效应值最高。商业品种川单99（ZNC442×SCML0849）的成功培育验证了该分类体系的实用性。

有害突变分析鉴定6,746个dSNPs，发现亚群间杂交组合的dSNPs杂合度显著高于亚群内组合。在G2×G4模式中，dSNPs杂合度与百粒重(HKW)等性状表型值呈现显著正相关，支持"隐性有害突变互补"的杂种优势假说。

该研究首次绘制了西南玉米杂种优势的基因组图谱，提出的四群分类体系为杂交组合选配提供了分子依据。发现的有害突变调控网络为解析杂种优势机制开辟新视角。研究建立的"本地种质×热带种质"杂交模式已成功培育多个审定品种，显著提升了西南地区玉米育种效率。未来可通过整合基因组预测与表型组学，进一步优化杂种优势利用策略，这对保障山区粮食安全具有重要意义。