适应撒哈拉以南非洲的早、超早熟玉米种质的遗传多样性和群体结构

背景

在育种计划中评估和有效利用遗传多样性对于可持续的遗传改良和快速适应不断变化的育种目标至关重要。在过去的二十年里,早期的商业化,更早成熟品种导致玉米的迅速扩张到不同的农业的撒哈拉沙漠以南的非洲地区(SSA)的玉米已成为农业经济的重要组成部分,在粮食和营养安全发挥了至关重要的作用。本研究旨在了解国际热带农业研究所玉米改良计划(iata - mip)从3个窄基玉米和27个宽基玉米群体中选育的439个早、超早玉米自交系的群体结构和遗传变异。这些自交系使用分布在玉米基因组中均匀的9642个基于dartseq的单核苷酸多态性(SNP)标记进行基因分型。

结果

40.8%的SNP标记信息丰富，多态信息含量(PIC)大于0.25。次要等位基因频率为0.015 ~ 0.500,PIC为0.029 ~ 0.375。结构、邻域连接系统发育树和主坐标分析(PCoA)将自交系分为四个主要类群，这些类群与自交系的选择历史、祖先和核色基本一致，但遗传结构复杂。基于结构分析的线的分组模式与PCoA的结果一致，表明有更多的亚居群(K = 10)。一般来说，根据SNP标记将自交系划分为杂种优势组是合理可靠的，并且与之前鉴定的试验人员根据配合力研究确定的杂种优势组一致。

结论

完全了解潜在的异性群体是难以根据分子标记的方式描绘的。因此，需要涉及代表性测试仪对抗异性群体的计划交叉来细化现有的异性群体。预计本集合的自交系可以为人口改善，混合动力车和潜力发展的新的有益等位基因有助于加强未来的育种计划。本研究的结果将有助于在SSA中制定遗传增强和可持续玉米生产的育种策略。

在20世纪，植物科学的进步，特别是遗传学与统计学的结合，通过育种对农作物包括主要粮食作物的基因组进行了系统的重组，从而提高了选择农学上需要的基因型的进展。这使得粮食生产得到了前所未有的改善，预计粮食生产将继续在世界粮食安全中发挥重要作用[1，2］．尽管这些繁殖努力实现了集约化农业的需求，但它已被假设选择性育种可能导致作物植物的遗传基础，这可能会严重危害未来的作物改善努力[3.］．

绿色革命主要使发展中国家所在的大陆受益，在此之后，人们对粮食作物遗传多样性重要性的认识有所提高[4，5］．在过去的5年代，国际农业研究（CGIAR）育种者的协商小组一直在积极促进全世界授权作物的遗传基础，特别是在第三世界，通过向其国家合作伙伴提供精英遗传资料［6，7］．育种者根据育种目标将新的遗传多样性注入基础种群已经成为一种常规做法[8］．然而，这一努力并没有导致大田作物的多样性，包括主要谷物如玉米，水稻和小麦[明显变化3.］．

在谷类粮食作物中，玉米可能是包括西非和中非(WCA)在内的SSA地区粮食和经济安全最重要的作物，占该次区域谷类生产总土地面积的约四分之一[9，10，11］．然而，在该次区域，玉米被认为是一种多用途作物，主要作为人类的主要粮食作物，以及家禽饲料和畜牧业的原料[12，13］．在努力促进SSA的早期和早期玉米品种的生产，特别是在WCA，IITA与国际玉米和小麦改善中心（CIMMYT）和1987年与WCA的国家农业研究机构（NARIS）进行了启动系统的研究努力，利用玉米研究网络（WeCaman）下的耐湿压力相结合的源人群[14］．从那时起，其他有益的特征如致电/耐受玉米条纹病毒（MSV），寄生术到str，低氮和增强的营养品质(如优质蛋白质和维生素A原)也已通过IITA-MIP渗入早玉米和超早玉米[15］．

在玉米育种中，来自类似的异性群体的种质和具有所需的农艺特征的种质通常是介等。因此，单独保留不同异解基团的基因型，以确保发育群体是异丙。通过这种策略，从不同群体产生的自紊乱通常是异水的交叉，从而产生高效的杂种。例如，在群体之间的交叉中A和B之间，如果得到的f₁表现优于两个父母群体的平均值，然后是f₁表现为中亲本杂种优势。相比之下，如果F₁优于优良亲本，即表现出较好的亲本杂种优势。在任何一种情况下，育种者都可以从选择感兴趣性状的遗传增强中获得进步。从窄和/或宽基础群体中获得的自交系也应该表现出杂种优势，作为高特异性配合力的证据。这些自交系可以作为亲本用于商品杂交育种。这些概念在iata - mip项目中被广泛应用，开发了3个窄源和27个宽源群体，这些群体经过了几个改进周期，然后提取了几个耐多逆境的自交系进行杂交发展。这些自交系表现出不同程度的抗性和/或耐受性美国hermonthica，低n以及干旱胁迫。其中一些线是在不同农业生态区的SSA中发布的混合动力车的父母[16］．

将自交系划分为杂种优势群体，对于开发优秀杂交种和合成材料的潜在价值以及开发新的杂种优势群体具有重要意义。因此，研究早自交系和超早自交系的遗传变异程度和杂种优势群体具有十分重要的意义。早期和超早期自交系的遗传多样性和杂种优势群体的信息将有助于IITA的杂交计划以及SSA的国家玉米计划。

在过去的二十年里,分子标记的集成到IITA-MIP进一步促进繁殖过程的效率的提高,导致早期快速生成多个压力宽容和更早成熟的玉米品种和混合动力车WCA的增强营养质量的国家(16，17］．这部分是由于分子遗传学技术的显著进步使得分子标记的成本和效率都很低，从而使得基于dna的标记优于生物化学和形态学标记。除了成本效益外，DNA标记的其他优势，如在整个基因组的丰富和均匀分布、相对快速和有效的检测、较低的基因分型错误率和一般中性的等位基因变异对个体的影响，使它们成为育种过程中利用的理想候选者[18］．分子标志物在基于组合能力的基础上的分子标志物中的表征及完善分类[19］．SNP标记分布广泛，是作物植物基因组中最丰富的分子标记，因此使其成为遗传研究中最常用的[20.］．多样性阵列技术（DART）与名为Dartseq™称为Dartseq™的下一代测序平台21，22，23]是最近引进的。这为高通量标记基因分型平台提供了一个很好的选择，由于其性质，是多样性分析的理想选择。DArTseq有几个突出的优势，其中包括不具备对植物基因组测序的预先知识和产生高密度结果的能力，以及利用低成本基因型信息在单一实验中获得数千个独特的全基因组DNA片段的可能性[24，25］．Dartseq方法已被用于区分不同物种的人口研究，多样性研究，种质表征，种质和研究涉及基因组关联的研究[26，27，28］．

有关多样性的信息对于估计由于保护或选择而损失的遗传多样性的数量非常重要[29，30.］．Acquaah [31]指出，从同一群体或不同群体获得的自交系之间的多样性和亲缘关系是决定最佳育种策略以最大限度地发挥其在育种计划中的潜力所必需的。此外，结合系谱信息和遗传距离估计，将自交系放在不同的杂种优势群体中，以防止密切相关的系之间的杂交可能是非常宝贵的[32］．为了设计最合适的产品开发策略，成功利用玉米杂种优势，理解多样性的程度和模式以及基础材料之间的关系是开发新的自交系的关键。以及为杂交发展计划选择优秀自交系组合的试验人员的选择[33］．

为此,几项研究已经开展了在分子水平上确定的多样性IITA-MIP近亲繁殖,包括早期的和更早自交系,但这些研究主要进行了一些分子标记或有限数量的自交系发达在特定时期IITA-MIP [34，35，36］．因此，有必要评估iata - mip提取的白、橙、黄胚乳自交系新旧早熟和超早熟自交系之间的遗传差异和相互关系，以便有效地分配到杂种优势群体，并为杂种发展提供成功的亲本选择。

为了对iata - mip中玉米早、超早自交系进行全面、系统的鉴定，我们收集了439个早、超早自交系，其中包括WCA草原农业生态区国家玉米育种家广泛使用的自交系。为了这项研究，在尼日利亚、加纳和马里收集了一些早熟和超熟杂交品种的标准测试者和亲本。这些自交系是在过去30年的不同育种时期，通过从地方品种和外来种质(包括野生近缘)中引入新性状而形成的Zea Diploperennis.．本研究利用9642个DArTseq SNP标记对这些自交系的遗传多样性和群体结构进行了分析。

SNP标记和多样性分析概述统计

本研究利用18927个SNP对自交系进行达特seq基因分型，其中12,485个SNP标记具有信息性，调用率> .8。随后剔除小等位基因频率< 0.05的标记和单形标记，得到9642个高质量的信息型snp，用于进一步分析。其中，1 ~ 10号染色体上的snp位点分别为1370、1123、987、951、1047、710、734、793、706和622个。9642个SNPs的多样性指数统计表明，平均小等位基因频率(MAF)为0.173，多态信息含量(PIC)为0.206，范围分别为0.015 ~ 0.500和0.029 ~ 0.3751）.平均期望杂合度(0.249)高于观测杂合度(0.059)值。9642个SNP标记中，有3930个(40.8%)标记PIC值大于0.25，具有较高的信息性。

染色体信息性SNP标记分析表明，SNP标记在10号染色体上有622个，在1号染色体上有1370个，平均每条染色体有904个。染色体间基因多样性(GD)、PIC和杂合度值一致，染色体间略有差异。自交系的GD在8号染色体上为0.243，在1号和3号染色体上为0.259,PIC在8号染色体上为0.201，在1号和3号染色体上为0.213，在9号染色体上为0.055，在10号染色体上为0.062。1a). PIC在SNPs之间分布均匀，取值范围在0.1 ~ 0.4之间，而MAF值分布不对称，向较低的值倾斜。超过五分之二(42.8%)的标记MAF值在0.01 ~ 0.10之间(图2)。1b)。

人口结构分析

利用STRUCTURE、Neighbour-Joining系统发育树和PCoA等不同的互补方法来获取自交系面板的群体结构信息。LnP(D)值从K = 1持续增大到K = 12;但在K = 4之前存在拐点，在K = 10之后拐点明显(图4)。2最高的)。K模型的ΔK升高(K = 10)，但K＝图4个还具有高的ΔK值（图2b)。基于K = 4和k = 10的软件结构中的混合物模型，使用9642 SNP标记分别将439次近交系的玉米近交系的血液近交系分别分为四个和十个次级群体（图。2C和D）。引入不同的分配阈值（0.9,0.8,0.7或0.6）导致未分配的自交系数量更大（附加文件1：图S1）。尽管如此，面板中的13.1和15.5％的近交系表现出少于60％的概率，并且分别被认为是k = 4和k = 10的混合物。在面板中的这些混合线中，发现31个自扰是k = 4和k = 10的常见（附加文件2:表S1)。

Neighbor-joining (NJ)方法将所有439个自交系划分为4个簇(C₁到C.₄)，进一步重新分组为两个主要簇(A和B)(图。3.）.为了便于比较，在K = 4和K = 10的情况下，树的每个分枝都用相同的颜色显示，各自的子种群分别用罗马数字(I到IV)和数字数字(1到10)表示(图)。3.总的来说，基于PCoA的自交系分组也符合nj聚类和基于模型的群体划分，将品系分组为不同的亚群体(图1)。3.和4）.PCoA解释了前两轴自交系中20.59%的SNP变异。二维散点图显示，PCoA 1和PCoA 2分别占总变异量的11.30和9.46%，表明存在四种主要组(图2)。4一种）。

尽管在K = 4和10时nj聚类和结构分析不一致(图。3.），PCOA清楚地分化了子群 - I（SP-I;红色; k = 4;包括与簇C对应的76个近距离₁分为两组（1和9）并支持在K = 10获得的近交系的小组的群体结构（图。4）.此外，后交通动脉指示的组1和组9人口帧内结构的水平（图实质差异。4d）。k = 10的结构分析显示第1组，如6.83％（红色;由30个近晶组成），其中含有来自包括Tzee-Y POP STR 106的各种种质源的黄色，橙色和白色胚乳内核线的近交系数的近交系数。2009年TZE OR1 DT STR（拥有Zea Diploperennis.背景),以及天生的从正常的白色胚乳等种质资源中提取TZEE-W流行STR, TZEE-W流行x LD S6和TZE-W流行STR。六个测试人员组成早熟橙色(TZEIOR 108),和更早成熟黄色(TZdEEI 7和TZdEEI 12)以及白色胚乳内核测试人员(TZdEEI 50,TZEEI 13和TZEEI 21也与自交系分在组1(附加文件)2:表S1)。48个自交系构成组9(深棕色的颜色)代表10.93%的天生的小组从橙色/黄色内核胚乳,广泛的人群TZEE-Y流行有限公司TZEE-Y SR×1368 STR, 2009 DT STR和TZEE-Y流行STR老子0或106,或双亲的人口(TZEI 17 x TZEI 11)。唯一的例外是由该群体发展而来的自交系TZdEEI 71。3.和4；额外的文件2:表S1)。将早熟桔核胚乳自交系TZEIOR 129和超早熟黄核胚乳自交系TZEEI 79和81置于9组。

第一坐标轴(PCoA1)描述了亚群体II (SP-II;绿色颜色;K = 4;111个自交系)对应C₂（NJ聚类），另一个集群。Furthermore, the STRUCTURE analysis at K = 10 suggested that SP-II comprised group 7 (orange colour; consisting of 71 inbred lines) and group 10 (oak colour; consisting of 37 lines) representing 16.2 and 9.8% of the panel of 436 inbred lines, respectively. However, both groups were not well separated by the first three coordinates of the PCoA indicating their proximity at the genetic level (Fig.4）.集团7由白色和橙色/黄色内核自交系源自不同的遗传背景,如白色的胚乳内核bi-parental交叉TZEI 1 x TZEI 2,黄色胚乳内核bi-parental十字架TZEI 17 x TZEI 11 TZEI 11 x TZEI 8,基于广泛的橙色/黄色胚乳人口,老子Comp5-Y和2009年TZEE 1 STR和广泛的白色胚乳内核数量TZEE-W流行有限公司WEC STR, TZE-W流行x LD, TZE-W流行×1368 STR和TZE-W流行STR有限公司两个更早成熟橙色内核天生的测试人员,TZEEIOR来自2009年109年和197年TZEEIOR TZEE 1 STR也属于组7。第10组由主要从双亲本群体中提取的黄色核自交系TZEI 11 × TZEI 8和一些自交系包括从宽基础群体中提取的黄色胚乳测试仪TZEI 23, TZEI - y Pop STR(附加文件)2:表S1)。

C_3.(NJ-cluster)的自交系数量最多，由SP-III和SP-IV亚居群组成₄自交系数最少的杂种占多数，自交系较少。这表明当考虑K值为4时，NJ-聚类和STRUCTURE分析的结果不一致(图4)。3.a). SP-IV/组3的STRUCTURE (K = 4和K = 10)和PCoA的聚类模式具有很高的相似性(图3)。3.和4）.该亚群体包括从TZEI 1 × TZEI 2、TZEI - w Pop STR 108、TZEI - w Pop STR 108和TZEI - w Pop STR 104中提取的自交系的15.3%，包括从TZEI - w Pop STR 104中提取的早熟白胚乳核测试仪(TZdEI 100) (Additional file)2:表S1)。类似地，一些自交系代表SP-III(蓝色)，但与C中的SP-1成员分组₁PCoA也明显分化，进一步支持STRUCTURE分析在K = 10时发现的新组6(图6)。4）.6组自交系(银栎，13个自交系占自交系总数的2.96%)除阈值较低的自交系TZdEEI 13(0.6)来源于TZE - y Pop STR外，均为橙色胚乳核，来源于2009年TZE OR1 DT STR群体．

有趣的是，在第3群(C_3.)在K = 4时被STRUCTURE分析归类为外加剂，当K值被认为是10时，形成了新的组2(附加文件2:表S1)。尽管如此，PCoA仍能明显区分2组(图。4B-D;绿色）但显示他们与第6组的邻近建议这些群体非常相似。代表近交系32.05％的第2组还与来自2009年TEE1DTS的多种近交系数，一种广泛的橙色胚乳内核，干旱耐受性和str抗性种群。Although, NJ clustering partitioned the SP-III (blue colour) of the inbred lines panel at K = 4 into three clusters including some inbreds in C₁SP-I(无花果。3.a)， PCoA没有很好地将线分为不同的组(4、5、8)，除了组6的线在K = 10时被结构分析清楚地分开(图10)。4B-D）。第8组（由75种自交系组成的棕色）构成了近交系数的最高比例（17.08％），并从基于广泛的人群中提取，特别是从基于广泛的早期橙色人口2009 TZE OR1 DTSTR以及早期橙色人口（2009 TZEE OR1 STR）和诸如普通的白色胚乳早期（TZE-W POP STR 105和TZE-W POP STR 107）和早期白细胞分子群（Tzee-WPOP STR 104和TZEE-W POP STR 105））。三个测试人员包括早期橙色（T Zeeior 30和Tzeeior 250）和早期白细胞近交系，Tzdei 352拥有Striga Hermonthica抗性，低N和干旱耐受性和衍生自Zea Diploperennis.也对应于第8组。有趣的是，第5组(粉红色)的所有自交系约占自交系总数的2%Zea Diploperennis.背景和起源基础广泛str抗黄早(TZEE-Y Pop STR)和超早(TZEE-Y Pop STR)群体，而第4组(黄色，包含< 1.0%的自交系)只包含4个自交系，提取自不同的遗传背景(附加文件2:表S1)。没有一个测试仪置于第2,5和6组，而五个测试仪（ENT 13，Tzeei 29，Tzeeior 30，Tzei 10和TZE17）的关联概率小于60％，因此被归类为掺合物（附加文件2:表S1)。

杂种优势的表现及其固定仍然是在作物植物中选择的最大化增益的优选选择，并且主要取决于种质基础的遗传多样性。The advent of PCR based markers, greater genome abundance and high reproducibility, have made SSR markers the ‘marker of choice’ but the availability of high-density genotyping technologies have resulted in a shift from SSR makers to SNP markers such as DArT which are amenable to high-throughput technology and are considered as ‘marker in demand’ [18，37］．最近，DArTseq标记平台已经成功地用于量化包括玉米在内的谷物的多样性[36，38，39，40，41，42，43，44］．本研究中SNP数据集的PIC值均值为0.206(范围为0.029-0.375)，与Adu等估算的热带玉米PIC值相当[36的平均值(0.19)和极差(0.01-0.38)，但均低于Wu等人的描述[44Zhang等[45］．在以往的研究中，也有报道称，与温带种质、INERA和CIMMYT种质相比，IITA玉米种质的PIC值较低[46.］．在IATA玉米种质中观察到的低于中度遗传多样性可能归因于IITA采用的育种策略，这些策略在跨早期，早期，中级和晚期成熟组中削减[47.］．我们研究中使用的玉米近额专家组由439份提前和早期玉米自交系组成，这是对当代IITA的遗传变异的良好代表性，早期和早期成熟玉米种质。Badu-Apraku等人报告了之前提前早期成熟热带玉米的先前和早期成熟热带玉米的研究涉及更少：17,22,92和94。［48.]，Akaogu等。［49.], Ifie [35]和阿杜等人。［36),分别。

人口结构对于解释遗传建筑的异质性并主要受到空间和基因交换隔离的影响很重要[50.］．以9642个DArT标记为基础，采用不同的互补方法研究了439个自交系的群体结构和亲缘关系模式。3.和4）.结果表明，基于群体结构分析和PCoA方法的聚类模式比Neighbor-Joining聚类方法更可靠。这些发现与Semagn等人的报告一致[30.］．然而，STRUCTURE和PCoA方法之间的一致出乎意料，因为PCoA总结了基于种群结构的预定义组之间的差异。相反，NJ-cluster在组数和基因型分配方面与STRUCTURE分析的一致性较低(图2)。3.）.然而，聚类方法容易产生歧义，因为单个距离矩阵和聚类算法可能会产生多个其他聚类[30.，46.，51.］．用PCOA获得的分组模式的相似性表明，尽管副群体/组的数量和大小差异，所获得的分组合理可靠（图。4）.

自20世纪90年代末以来，当强调玉米育种对WCA地区的杂交发展的强调玉米育种时，已经努力将众多IITA早期和早期玉米近交系分类为异性群体不同的方法，包括测量性状的表型数据，组合多种性状和分子标记的能力效应，但仍然没有完全建立单胞质群体[15，47.，52.，53.］．Akinwale等人[47.]基于所选早期白色和黄色玉米自交系的组合能力分析，建议四到五个异性群体，并得出结论，使用仅组合能力研究的信息分组自扰会可能导致由于G X E的相互作用而导致矛盾的结果导致在不同研究中的不同异性组中相同的近交系的分类，因为它在很大程度上依赖于产量，这是具有高影响环境影响的多基因特征。

在本研究中，使用了不同的多变量方法将IITA-MIP早自交系和超早自交系分组为4个主要簇，但对现有信息的仔细检查清楚地表明，亚居群的数量更多。我们的结果显示了清晰的群体分层，这与自交系的祖先、选择历史和内核颜色一致。3.和4；额外的文件3.:表S2)。例如NJ-clustering、结构分析和PCoA方法分组所有的自交系提取两早期广泛的人群(TZE-W流行STR 108和TZE-W流行STR 104)到一个组(SP-IV和子总体中3 K = 4和10个,分别)以及从其他血统来源(TZEE-W流行STR 108,TZEI 1 × TZEI 2和TZEE-W Pop STR 104)，具有白色胚乳核str特征抗性特点（表2；图。3.和4）.通过重组Pool 16 DT、Pool 16 sequoia C .，形成早熟种群TZE-W Pop₂， DR-W Pool BC₁F₁而Tzee-W流行的中间成熟的近额5012，而Tzee-W流行是卓越的超早期白品种中的二阵列中的重组的早期人口，池27×Gua 314 Bc₁，POP 30×GUA 314 BC₁， TZEE-W SR × Gua公元前314年₁和Tzee-W SR BC₅［54.］．近交，TZEI 1和TZEI 2还含有TZE-W流行背景的种质，改善str阻力。TZE-W Pop STR和TZEE-W Pop STR的近交系分组是预期的，因为str抗性特性被纳入这些人群中str抗中熟自交系TZi 3 (1368str) [55.，56.］．5组(2、5、6、9和10)自交系的籽粒为黄色/橙色，其余5组(1、4、7和8)自交系为白色和黄色/橙色2:表S1)。所有近交线，包括一些含有基因的测试仪Zea Diploperennis.结果表明:1、3、5、8和9 5个类群，2和6个类群的自交系均来自同一来源，2009 TZE OR1 DT STR，而其他组包含来自不同系谱来源的自交系，表明在自交系提取的种群或种群池中存在丰富的多样性[35，51.］．例如,集群的内在来源于橙色/黄色胚乳广泛的人口(2009 DT老子0)和bi-parental人口(TZEI 17 x TZEI 11) 9组和大部分的自交系黄胚乳广泛的人口(TZE-Y流行STR公司)和bi-parental人口(TZEI 11 x TZEI 8)在10组显示一些常见属性(图。3.B和无花果。4；额外的文件2:表S1)。值得注意的是，这些自扰从TZE-Y POP DT STR和TZE Comp5-Y DT群体中提取，改善了干旱耐受性，并具有DR-Y池BC₂F₂、KU 1414和TZi 28(9499)作为抗旱性的来源[57.，58.］．TZEE-Y Pop是由CSP-SR BC5、TZEE-Y SR BC5、CSP × Local Raytiri和TZEE-Y群体组成的超早黄色胚乳宽基群体，而TZE-Y Pop STR则是早期黄色胚乳宽基群体，具有抗性str并通过重组DR-Y池BC2F2，KU1414和中间成熟的黄色胚乳线9499来开发干旱和耐受性。57.］．同样，TZE-COMP 5是通过穿过TZESR-WC3至10的早期成熟的群体str抗性自交系[59.］．因此，与温带种质相比，热带玉米种质缺乏明确的杂种优势模式，主要是由于早期玉米育种侧重于开发广泛的群体和基因库[16，33］．这可能进一步解释了IAITA早期成熟玉米种质中低至中等多样性的原因，因为选择压力更加针对固定良好的等位基因频率，以获得成熟期（早期到早期），生物（MSV和抵抗力str)和非生物(对干旱的耐受性)胁迫通过轮回选择。因此，当前玉米自交系的复杂聚类模式并非意外，群体和群体的混合遗传构成可能是由不同基础群体的自交系聚类造成的。然而，这使得在分子水平上将自交系划分为不同的杂种优势群体的任务变得困难。这证实了早期研究人员的发现，即分子标记显示热带玉米存在复杂的群体结构，包括CIMMYT玉米株系(CMLs)，研究人员无法将它们归类为互补的杂种优势模式[30.，33，46.，51.］．

了解试验人员之间的遗传关系以及他们对其他自交系进行分组的效率，对于杂交育种计划的成功是非常重要的。因此，植物育种家不断地研究自交系测试器，以确定它们在分组其他自交系时的效率。在过去的20年里，IITA的早期和超早期玉米改良计划已经确定了一些有前途的试验品，但关于它们特定的杂种优势群体的精确信息仍未完全确定[16］．与之前的报道一致，属于同一杂种优势组的两名自交系测试者TZdEEI 12和TZdEEI 7被归为1组，而属于7组的TZEEIOR 109和TZEEIOR 197也属于类似的杂种优势组(附加文件)2和4:表S1和S3)。

基于本研究结果，IITA-MIP育种家可以制定SSA早、超早玉米遗传改良的育种策略。本研究确定的有代表性的对照杂种优势群体的杂交组合可以用来改良IITA-MIP中现有的杂种优势群体。本研究结果可为今后在iata - mip地区进行群体改良和高产杂交种的选育提供重要指导，以实现SSA地区不同农业生态条件下玉米产量的最大化。例如，本研究将玉米自交系划分为不同的杂种优势群体，以期促进具有抗旱性/耐受性(如干旱、低氮和干旱)的优良杂种、合成杂种、库和育种群体的发展Striga Hermonthica)，以及提高热带玉米的营养品质，包括PVA和优质蛋白质水平。此外，从DArT-SNP标记的遗传距离(GD)估计值中获得的信息可以通过防止相关品系之间的杂交评价来最小化IITA-MIP的检测成本，并帮助消除性能较差的杂交[60.］．此外，分子分析结果可与IITA-MIP种质的形态学和农艺检验相结合，提供互补信息，提高遗传多样性分析的分辨率[61.］．最后，不同的亲本的组合的识别将有利于分离具有最大的遗传变异性的后代以进一步选择的创建[62.以及Thompson等人提出的来自不同种质资源的有利等位基因渗入现有育种群体的研究[63.］．

Iita-MIP的策略是根据使用线X测试仪交配设计，北卡罗来纳州设计II（NCD II），北卡罗来纳州设计II（NCD II），北卡罗来纳州设计II（NCD II），北卡罗来纳州设计II（NCD II），北卡罗来纳州设计II（NCD II），北卡罗来纳州设计II（NCD II），北卡罗来纳州设计II（NCD II），北卡罗来纳州设计II（NCD II），建立一对异性群体，每个策略都是为不同的成熟类别建立不同的成熟类。和分组方法，如谷物产量的SCA效应，基于谷物产量（HSGCA），基于一般组合能力效应多种性状（HGCAMT）和DNA标志物的常规组合效应的异解率。目前，已经在Iita-MIP中建立了一对异丙醛基团，用于开发白色正常胚乳杂种以及早期和早期成熟类的白色QPM杂交种（附加文件5：图S2）。同样，我们有一对靶向显影黄色和橙色正常胚乳以及黄QPM，以及早期和早期成熟度的橙色QPM杂交种。在实践中，对于每个成熟阶级和胚乳进行成功的实际玉米育种计划，理想的是有两个异丙菌。因此，本研究中鉴定的四个异药组可能对IAITA-MIP的目前战略决定构成了一个重大挑战，将程序中的近交系分类成最多三个称为A，B和C的异解组（混合组）。异性群体的数量和选择是任意决定，育种程序可以具有两个或更多的异药组。然而，使用两组不同的异性基团，指定为A和B的每个组内的亚组，用于不同的成熟类，并且胚乳颜色将有助于杂交群体的管理并从选择中加速遗传收益。尽管如此，如果我们的计划采用这种策略，则需要解决几种挑战，以确保在常规A和B杂交群体之外的混合组C中准确分类无价性近额线。因此，我们的目标是将本研究中鉴定的异细胞素分解为A和B类。这可以通过将Elite近亲与混合遗传背景与现有的异丙类基团A和B对准与已知的异解基团和分子标记的测试仪的田间评估对准，使得精英血交背景与现有的异丙酸盐群A和B对准来实现。在额外的文件中介绍了在IA-MIP中开发商业杂种中使用的本研究中源自本研究中的一些自交系的异细胞分裂组6：表S4和附加文件7:图S3。自交系分为杂种优势组A和b。为了确定根据SNP标记将自交系划分为杂种优势组是否合理可靠，本研究利用SNP标记对IITA-MIP中已选育成商业杂交种的自交系进行分组。然后将基于SNP标记的分组与基于配种设计和分组方法(如产量SCA、HSGCA和HGCAMT)的分组进行比较。选用早期白、黄、橙胚乳自交系，采用SNP标记将其分为A组和B组的杂种优势群体分别约为64个和56%。同样，用SNP标记将超早白、黄、橙胚乳自交系划分为A和B杂种优势组的比例分别接近71%和50%。本研究结果表明，基于配种设计/经典分组方法的自交系的分组与SNP标记的分组密切相关。然而，在IITA-MIP超早育种计划中，有必要对杂种优势群体进行不断的改良，以确保从选择中获得持续和充分的遗传收益。最后，需要指出的是，如附加文件中所述，仅早熟和超早熟群体就有多达24个杂种优势群体是不现实的5图S2，因此必须制定一项战略，以优先考虑在IITA-MIP超早和早期育种计划中易于管理和具有成本效益的杂种优势群体数量。

本研究为早期和超早期玉米自交系的遗传变异和群体结构提供了有用的信息，这些自交系广泛适应不同的SSA农业生态。利用达特seq技术，多元方法确定了四个不同的群体，这些群体通常与血统、选择历史和品种的内核颜色一致，但表明遗传结构的复杂模式。我们的结果表明，互补方法的应用在预测群体的存在和根据分子标记将基因型划分到不同的群体中是非常有效的。作为一种额外的工具，分子标记对于将自交系初步分配到离散杂种优势群体尚未建立的预期群体中是有用的。尽管如此，将试验人员分组到每个潜在的杂种优势组可能有助于减少实际田间杂交的数量，这些实际田间杂交需要通过有限数量的田间杂交评估来验证这些自交系的分组。最后，我们的研究表明，在尼日利亚、加纳和马里等国，对SSA玉米生长条件具有良好适应性的IITA早自交系和超早自交系之间存在高度多样性。因此，在过去的十年中，IITA-MIP采用了分子方法来完善遗传多样性和配合力研究，这导致杂交玉米产量以相对更快和更便宜的速度提高。

植物材料

本研究使用了广泛适应SSA农业气候条件的439个不同玉米自交系(附加文件)3.:表S2)。这包括种质自交系436（342早期和94超早期）和三个自交系由IITA和CIMMYT开发玉米分别育种计划。这些自交系从27基础广泛和鉴定根据几年的多地点的评价为适应SSA地区的不同农业生态来自异国情调和地方种质来源三个窄基源种群（见表开发2）.面板中的一些自交系代表了在不同WCA国家发布的几种未突出的多重应力/耐高力/耐高采烈的商业玉米OPVS和杂种的来源。例如，早期玉米杂交（IFE-MaizehyB5），以及四次早期成熟的杂交种（Sammaz 41，Sammaz 42，Sammaz 46和Sammaz 47）在尼日利亚释放;七种杂种，包括四种早期（Obotantim，Nakabom，Csir-Komnaaya和Csir-Wang-basig）和三次早期（Kunjor-Wari，Csir-similenu和Csir-DeNbea）在加纳发布的杂交种植;四个早期成熟的商业杂交种指定为Dilika，Sanu，Apraku和Tamalaka在马里发布。此外，该专家面板还包括Iita-MIP中的一些常用的测试仪，如早期成熟的白色QPM近亲（Tzeeqi 7），早期黄色近亲测试仪（ENT 13，Tzei 10，Tzei 17，Tzei 23），早期成熟橙色近交测试仪（TEIIOR 25，TZEI 124，TEEIOR 108和TZEIOR 129）和早期白色近亲测试仪（TZEI 100，TZEI 7，TZEI 18，TZDEI 352 TZE19和TZDEI 100）和早期成熟的橙色测试仪（TZDEEI 7，Tzdeei 12，Tzeeior 30，Tzeeior 97和Tzeeior 197），早期黄色近亲测试仪（Tzeei 79和Tzeei 81）和早期白色近亲测试仪（Tzdeei 50，Tzeei 21，Tzeei 13和Tzeei 29）。

样品制备及DNA分离

为了提取基因组DNA，每个自交系在种植后3周采集8至10株幼苗的叶子样本，并按照Adu等人的描述将其保存在深冰箱(−80°C)中，冷冻干燥并地面。[36］．在标准DART过程下提取来自每个样品的总基因组DNA [36］．在一个96孔板中，94个样品被放置，每个板按照DArT的说明被密封。最后，所有的培养皿都保存在一个运输箱中，并发送到墨西哥CIMMYT农业遗传分析服务(SAGA)设施的DArT P/L平台。

达特seq基因分型、数据过滤和统计分析

利用达特seq技术对439个自交系进行了宽基因组基因分型[21，40］．在严格的质量控制过程中，包括调用率、数据重现性(重复样本的约20%)和单形标记去除率等参数，共获得18,927个单形标记。利用PLINK 1.9软件再次筛选分子标记，剔除缺失数据大于20%的分子标记。此外，方差接近0的SNPs和罕见的小于5%小等位基因频率(MAF)的SNPs也被从数据集中剔除，最终数据集包含9642个达特seq信息性SNPs。

遗传多样性参数，包括MAF，基因多样性，观察到的和预期的杂合性无偏估计（H统计分析_o和H_e)， PIC值使用PowerMarker V3.25软件计算[64.］．

遗传结构分析

为了揭示玉米自交系面板的遗传结构，将9642个DArTseq标记全部导入到贝叶斯马尔可夫链蒙特卡罗软件structure V2.3.4中[65.］．在混合物方法中，使用从k = 1-20变化的子群的数量，以及使用迭代和燃烧的五次模拟和设置为10,000的次数，没有关于个人来源的先前信息[19］．对于本面板内的最适当的k值，使用Evanno变换方法，这是有用和更好描述的数据，并与其它的k值[也表现出低的交叉验证误差66.］．根据Evanno ΔK方法，将STRUCTURE得到的结果在STRUCTURE Harvester中实现，以确定最合适的k值。将隶属概率≥0.60的自交系分配到相应的子群体中，而小于0.60的自交系视为混合。

为了通过结构分析确认对亚种群的近交分配，通过将全套数据算入达尔文软件来研究人口系统发育[58.，67.通过运行30,000个引导程序，使用邻接（NJ）树功能。系统发育树是在Figtree版本1.4.3软件中构建的[68.］．在NJ系统发育树的每个聚类中，自交系用不同的颜色突出显示，与STRUCTURE分析的结果相对应。最后，利用DARwin软件进行主坐标分析(PCoA) [69.，以直观的方式显示自交系群内和群间的遗传分化规律，并分别补充了结构分析和树状图所揭示的多样性和聚类规律。

目前研究中使用的DArTseq数据集已储存在CIMMYT Dataverse (https://hdl.handle.net/11529/10548533）.

PCOA：

主坐标分析

NJ:

邻居加入（NJ）

SSA:

撒哈拉以南非洲

MAF：

轻微的等位基因频率

DArTseq:

分集阵列技术测序

IITA:

国际热带农业研究所

国际玉米和小麦改良中心:

国际玉米和小麦改善中心

WCA：

西非和中非

CGIAR:

国际农业研究咨询小组

鼻孔:

国家农业研究所

WECAMAN:

西非和中非玉米合作研究网络

SAFGRAD:

半干旱粮食研究与开发

MIP:

玉米改进计划

SNP：

单核苷酸多态性

图片:

多态信息含量

GD:

基因多样性

作者感谢IITA玉米改良计划和伊巴丹生物科学中心的工作人员，尼日利亚提供技术援助。

这项工作是由比尔和梅林达·盖茨基金会[OPP1134248]支持。这项研究是通过比尔和梅琳达·盖茨基金会的胁迫玉米种质非洲（国家烟草专卖局）项目下的资金支持下进行的。然而，供资机构在研究和收集，分析，解释数据和稿件的编写设计没有发挥作用。

从属关系

1. 国际热带农业研究所(IITA)， PMB 5320, Oyo Rd, Ibadan, 200001，尼日利亚

   Baffour Badu-Apraku, Ana Luísa Garcia-Oliveira, Samuel Adeyemi Adewale和Melaku Gedil

2. 国际玉米和小麦改良中心(CIMMYT)，墨西哥Texcoco México-Veracruz Km. 45 El Batán, 56237

   Ana Luísa Garcia-Oliveira, César Daniel Petroli和Sarah Hearne

贡献

BBA开发了本研究中使用的早期和超早期自交系。BBA和MG构思、设计了本研究，并在此基础上选择自交系进行多样性研究。CP和SH提供基因分型服务，并负责数据输入。ALGO和CP分析数据，ALGO, BBA和SAA解释数据并起草手稿。BBA, MG, CP, SAA, SH和ALGO对手稿进行了修改。所有作者都同意投稿。

相应的作者

对应于Baffour巴杜-Apraku或AnaLuísaGarcia-Oliveira．

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版

不适用。

相互竞争的利益

作者宣称，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可以被解释为潜在的利益冲突。

出版商的注意事项

施普林格《自然》杂志对已出版的地图和机构附属机构的管辖权要求保持中立。

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