玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04精細(xì)定位與遺傳效應(yīng)解析

白 娜 李永祥焦付超 陳 林 李春輝 張登峰 宋燕春 王天宇黎 裕 石云素

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所, 北京 100081

玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04精細(xì)定位與遺傳效應(yīng)解析

白 娜 李永祥*焦付超 陳 林 李春輝 張登峰 宋燕春 王天宇黎 裕 石云素*

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所, 北京 100081

穗行數(shù)是影響玉米產(chǎn)量的重要因素之一, 其遺傳機(jī)制解析和關(guān)鍵基因精細(xì)定位對開展分子育種具有重要的意義。本研究以穗行數(shù)僅有4行的“四路糯系選”和多穗行自交系“農(nóng)531” (18～22行)為親本, 構(gòu)建了高代回交群體和次級定位群體(四路糯選系為供體親本, 農(nóng)531為輪回親本)。通過對不同類型試驗(yàn)群體的多環(huán)境表型鑒定和基因型鑒定, 利用完備區(qū)間作圖法(ICIM)進(jìn)行穗行數(shù)主效 QTL定位分析, 將穗行數(shù)主效位點(diǎn) qKRN5.04定位到第 5染色體136.3～140.0 Mb的區(qū)間之內(nèi); 遺傳效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn), 該位點(diǎn)在不同環(huán)境條件下最大可解釋的表型變異為 21.76%, 效應(yīng)值為0.80～1.76行。通過次級分離群體重組事件分析可將其進(jìn)一步定位到～300 kb區(qū)間內(nèi)。本研究結(jié)果不僅為分子標(biāo)記輔助選擇提供了實(shí)用的InDel標(biāo)記, 而且為玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04的圖位克隆和候選基因挖掘奠定了重要的基礎(chǔ)。

玉米; 穗行數(shù); QTL; 精細(xì)定位

玉米產(chǎn)量是復(fù)雜的數(shù)量性狀, 受微效多基因控 制, 其主要構(gòu)成要素包括單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和百粒重, 而穗粒數(shù)由穗行數(shù)和行粒數(shù)組成。玉米穗行數(shù)具有較高的遺傳力, 且與產(chǎn)量密切相關(guān), 是重要的產(chǎn)量相關(guān)性狀之一[1]。因此, 深入研究玉米穗行數(shù)關(guān)鍵調(diào)控基因及遺傳效應(yīng), 對促進(jìn)玉米高產(chǎn)育種理論與應(yīng)用的發(fā)展具有重要的意義[2]。

近年來, 在玉米穗行數(shù)遺傳基礎(chǔ)研究方面, 借助QTL作圖, 已開展了大量工作。已報(bào)道的研究結(jié)果表明, 玉米穗行數(shù)遺傳區(qū)域主要分布在bin2.03-2.04、bin4.05、bin4.08-4.09、bin5.04、bin7.02-7.03、bin8.05、bin9.03、bin10.03-10.04等染色體區(qū)段[3-5]?；蛲诰蚍矫? 利用人工創(chuàng)制的突變體, 確定了一些重要的玉米穗行數(shù)調(diào)控基因。例如, 當(dāng) barren inflorescence2 (bif2)、barren stalk1 (ba1)、sparse inflorescence1 (spi1)、Barren inflorescence1 (Bif1)、barren stalk1 (ba1)、Suppressor of sessile spikelets1 (Sos1)等基因突變后, 會引起小穗分枝減少, 從而導(dǎo)致穗行數(shù)減少[6-8]。而另一些基因的突變則會引起穗行數(shù)的增加, 這些基因包括FASCIATEDEAR2(FEA2)、td1、ramosa1 (ra1)、ramosa2 (ra2)、branched silkless1 (Bd1)、rgo1、Zfl1、Zfl2等[9-14]。但人工突變體與自然群體中存在的變異類型差別較大, 難以直接應(yīng)用于育種實(shí)踐。在此條件下, 充分挖掘自然群體中的既有變異類型, 基于圖位克隆方法挖掘穗行數(shù)相關(guān)基因, 對解析玉米穗行數(shù)遺傳調(diào)控機(jī)制和開展分子標(biāo)記輔助選擇具有重要參考價(jià)值。

基于分子標(biāo)記輔助選擇, 利用高代回交群體構(gòu)建導(dǎo)入系進(jìn)行QTL分析, 已經(jīng)成為研究數(shù)量性狀遺傳機(jī)制的有效方法。導(dǎo)入系群體遺傳背景基本一致,極大程度地降低了遺傳背景對表型的干擾, 從而有效提高目標(biāo)表型性狀鑒定的準(zhǔn)確性; 同時(shí), 由于導(dǎo)入系含有的外源片段數(shù)較少, 任何表型變化都可認(rèn)為由導(dǎo)入片段而引起[15], 因此, 可實(shí)現(xiàn)主效位點(diǎn)遺傳效應(yīng)的準(zhǔn)確估計(jì)。胡立宗等[16]基于玉米 BC2F2群體, 采用復(fù)合區(qū)間作圖法定位到了3個(gè)穗行數(shù)QTL;李衛(wèi)華等[17]利用單片段代換系群體結(jié)合顯著性檢驗(yàn)的方法檢測到3個(gè)穗行數(shù)QTL; 齊歡歡等[18]利用導(dǎo)入系群體對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)性狀定位, 兩個(gè)環(huán)境下一致性地檢測到2個(gè)穗行數(shù)QTL; Li等[19]利用130個(gè)染色體片段代換系(CSSLs)共檢測到 11個(gè)穗行數(shù)QTL; Tian等[20]利用BC5F2:3把一個(gè)穗行數(shù)的主效QTL qKRN10定位到標(biāo)記ssr1430和umc1077之間。截至目前, 雖然利用自然變異的分離群體定位到一些穗行數(shù)主效 QTL, 但真正實(shí)現(xiàn)克隆的穗行數(shù)主效位點(diǎn)仍然很少, 僅 Liu等[21]利用近等基因系,將一個(gè)穗行數(shù)主效位點(diǎn)KRN4定位到了1.2 kb的區(qū)間內(nèi), 并成功驗(yàn)證水稻的同源基因 Unbranched3 (UB3)是KRN4的關(guān)鍵調(diào)控基因。

本研究基礎(chǔ)材料為四路糯選系和農(nóng)531。四路糯是起源于云南勐海、西雙版納等地的一個(gè)原始地方品種, 具有多分蘗、多果穗、少穗行、半有稃等一系列玉米原始性狀特征; 農(nóng)531是一個(gè)多穗行數(shù)玉米自交系, 最高可達(dá)22行。以上2份材料的穗行數(shù)性狀差異極其顯著。在本實(shí)驗(yàn)室前期的研究工作中, 利用穗行數(shù)只有4行的四路糯選系和多穗行親本農(nóng)531為親本, 構(gòu)建了 F2:3家系分離群體, 借助多環(huán)境表型數(shù)據(jù)和基因型數(shù)據(jù), 在基因組范圍內(nèi)共定位到5個(gè)穗行數(shù)主效QTL。其中, 位于第5染色體上的主效位點(diǎn) qKRN5.04單環(huán)境下最大可以解釋13.55%的表型變異, 聯(lián)合環(huán)境分析可以解釋9.83%的表型變異[22], 且該位點(diǎn)位于 bin5.04穗行數(shù) QTL富集區(qū)段之內(nèi)。因此, 本研究以該位點(diǎn)為關(guān)鍵目標(biāo)區(qū)段, 借助分子標(biāo)記輔助選擇, 通過構(gòu)建一系列高代回交群體和大規(guī)模次級分離群體, 進(jìn)行穗行數(shù)主效位點(diǎn) qKRN5.04的精細(xì)定位和遺傳效應(yīng)分析, 以期為該位點(diǎn)的圖位克隆和候選基因挖掘提供參考和支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以四路糯選系為供體親本, 農(nóng) 531為輪回親本,從 BC1代開始, 借助分子標(biāo)記輔助選擇, 篩選僅包含qKRN5.04導(dǎo)入的單株(去掉含有其他穗行數(shù)主效位點(diǎn)的基因型), 并通過連續(xù)的回交和自交, 獲得了主效位點(diǎn)定位的相關(guān)試驗(yàn)群體(圖1)。

1.2 田間試驗(yàn)

2014年夏, 在北京昌平(BJ, 116.20°N, 40.22°E)和河北石家莊(SJZ, 114.26°N, 38.03°E)同時(shí)種植BC3F2和BC4F2群體, 進(jìn)行單株分離群體的表型和基因型鑒定, 并全部自交以獲得 BC3F3和 BC4F3群體的種子。當(dāng)年冬天, 在海南三亞(HN, 109.30°N, 18.15°E), 根據(jù)北京和河北石家莊 QTL定位結(jié)果,一方面, 挑選主效區(qū)段純合型的 BC3F2和 BC4F2自交后代的種子, 進(jìn)行基于 BC3F2:3和 BC4F2:3家系的表型評價(jià), 同時(shí)種植目標(biāo)區(qū)段雜合的BC3F3和BC4F3分離群體, 進(jìn)行表型和基因型鑒定, 并全部自交以獲得BC3F4和BC4F4分離群體; 另一方面, 種植目標(biāo)區(qū)段雜合的 BC5F2群體, 進(jìn)行單株表型和基因型鑒定, 并全部自交, 用于主效位點(diǎn)的進(jìn)一步驗(yàn)證和精細(xì)定位群體的構(gòu)建; 2015年, 在北京昌平種植BC3F4、BC4F4和 BC5F3群體, 以獲得更多的交換單株, 用于 QTL效應(yīng)檢測和重組事件分析, 完成主效位點(diǎn)qKRN5.04精細(xì)定位。單行種植試驗(yàn)群體, 1次重復(fù), 行長3.0 m, 行距0.6 m, 每行定植12株。各試驗(yàn)點(diǎn)田間管理與當(dāng)?shù)卮筇锕芾硐嗤? 成熟后收獲,以玉米穗軸中部穗行數(shù)為準(zhǔn)調(diào)查表型。

圖1 qKRN5.04主效位點(diǎn)定位試驗(yàn)材料Fig. 1 Plant materials used for the mapping of qKRN5.04

1.3 分子標(biāo)記篩選及基因型鑒定

基因型鑒定的分子標(biāo)記, 一部分來自 MaizeGDB (http://www.maizegdb.org/)公布的SSR標(biāo)記, 該部分標(biāo)記主要用于單片段主效QTL (qKRN5.04)導(dǎo)入片段的分子標(biāo)記輔助選擇。同時(shí), 為了提高作圖精度, 實(shí)現(xiàn)主效位點(diǎn)精細(xì)定位, 利用 Illumina HiSeq 2000測序平臺, 進(jìn)行親本四路糯和農(nóng)531深度測序(20X),利用 Primer5.0設(shè)計(jì)開發(fā)針對 qKRN5.04遺傳區(qū)段的多態(tài)性分子標(biāo)記, 以增加目標(biāo)區(qū)段標(biāo)記密度。

在幼苗長到6片葉取單株新鮮葉片, 采用CTAB法[23]提取植物基因組DNA。利用篩選到的多態(tài)性標(biāo)記, 通過PCR擴(kuò)增、8.0%非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳、0.1% AgNO3染色、甲醛和NaOH顯色, 鑒定所有群體基因型。

1.4 QTL定位及驗(yàn)證

利用 QTL IciMapping V3.3完備區(qū)間作圖法(ICIM, inclusive composite interval mapping), 進(jìn)行QTL檢測, 共進(jìn)行 1000次的排列測驗(yàn)(permutation test)以確定QTL的LOD閾值, 同時(shí)計(jì)算QTL的遺傳效應(yīng)及其對表型的貢獻(xiàn)率[24]。利用SAS9.2進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差分析(Proc ANOVA)、單標(biāo)記分析(Proc GLM)及多重比較(Proc GLM/DUNCAN, α = 0.05)。利用 t測驗(yàn)(Proc TTEST)檢驗(yàn)不同交換類型與受體親本間的表型差異。按Stuber等[25]標(biāo)準(zhǔn)判定基因作用方式, 當(dāng)顯性效應(yīng)值與加性效應(yīng)值比值的絕對值為0～0.2時(shí)認(rèn)為是加性(additive, A), 0.2～0.8為部分顯性(partial dominance, PD), 0.8～1.2 為顯性(dominance, D), 大于1.2為超顯性(over dominance, OD)。利用一般線性模型(GLM)檢測主效位點(diǎn)與環(huán)境間的互作效應(yīng), 模型為Y = G + E + G × E + error, 其中, Y代表家系穗行平均數(shù), G代表家系基因型, E代表環(huán)境, error代表殘差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同高代回交群體及親本的玉米穗行數(shù)多環(huán)境表型變異

四路糯選系在不同環(huán)境下穗行數(shù)穩(wěn)定為 4行,農(nóng)531在14BJ、14SJZ、14HN、15BJ、15SJZ、15XX (河南新鄉(xiāng)) 6個(gè)環(huán)境下穗行數(shù)均值分別為 18.28、18.15、18.38、18.60、17.07和18.02, 變化范圍均值在 17～19行之間; 雙親之間存在極顯著差異。不同環(huán)境下, 不同世代回交群體的穗行數(shù)均值為 15.38～16.81行, 群體內(nèi)部穗行數(shù)表型多樣性高(表1)。

2.2 多態(tài)性標(biāo)記篩選

依據(jù)穗行數(shù)主效位點(diǎn) qKRN5.04在染色體上的物理位置, 篩選多態(tài)性引物并開發(fā)標(biāo)記。首先, 在MaizeGDB上查找SSR引物序列, 篩選多態(tài)性引物;同時(shí)參考親本四路糯和農(nóng)531全基因組重測序結(jié)果,設(shè)計(jì) InDel擴(kuò)增引物, 共計(jì) 230對, 其中篩選到 24對引物擴(kuò)增穩(wěn)定、條帶清晰, 用于高代回交群體的基因型鑒定(部分多態(tài)性引物見表2)。

2.3 玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04的多群體驗(yàn)證與遺傳效應(yīng)分析

利用qKRN5.04區(qū)段內(nèi)的最顯著SSR分子標(biāo)記(基于F2:3群體定位結(jié)果), 進(jìn)行各回交群體的基因型鑒定, 然后結(jié)合表型數(shù)據(jù), 利用單標(biāo)記分析(single marker analysis, SMA)方法, 對 BC3F2、BC4F2、BC3F3、BC4F3、BC5F2等分離群體, 進(jìn)行不同基因型材料間穗行數(shù)的顯著性測驗(yàn)(表3和圖2-A, B, C)。結(jié)果表明, 基因作用方式均呈現(xiàn)部分顯性; 除 2014年海南三亞的 BC3F3群體外, 農(nóng) 531和四路糯基因純合型的穗行數(shù)均達(dá)到顯著性差異。為了減小偶然因素造成的影響, 還進(jìn)行了基于家系表型和基因型的主效位點(diǎn)遺傳效應(yīng)分析。結(jié)果表明, 在2014年海南三亞, 農(nóng)531純合型BC3F2:3家系(N531/N531)和四路糯純合家系(SLN/SLN), 穗行數(shù)均值分別為16.70、15.24, 遺傳效應(yīng)為 1.46行, 且兩種基因型間穗行數(shù)差異達(dá)到極顯著水平(P = 5.40E-09) (圖2-D)。

表1 不同回交群體及其親本的穗行數(shù)Table 1 Kernel row number for parents and backcross populations with qKRN5.04

表2 目標(biāo)區(qū)段內(nèi)開發(fā)的多態(tài)性InDel標(biāo)記Table 2 Polymorphic InDel markers within the target QTL

表3 玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04的多群體驗(yàn)證和遺傳效應(yīng)分析Table 3 Effect validation and genetic analysis of multiple populations for major locus qKRN5.04 on kernel row number

圖2 玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04在不同環(huán)境條件下的遺傳效應(yīng)比較分析Fig. 2 Genetic effect comparisons for kernel row number related major QTL (qKRN5.04) under different environmentsA, B分別代表2014年北京和河北石家莊環(huán)境下的主效位點(diǎn)qKRN5.04在BC3F2和BC4F2群體內(nèi)的遺傳效應(yīng)比較; C代表2014年北京和河北石家莊2個(gè)環(huán)境下(群體合并計(jì)算) qKRN5.04的遺傳效應(yīng)比較; D代表2014年海南三亞環(huán)境下不同基因型BC3F2:3家系間的穗行數(shù)差異比較, **在代表水平P＜0.01差異極顯著; N531、SLN分別是農(nóng)531和四路糯選系的縮寫。A, B represent the genetic effects analysis of qKRN5.04 (BC3F2and BC4F2population) in 2014 Beijing and 2014 Shijiazhuang, respectively; C represents the genetic effects analysis of qKRN5.04 in 2014 Beijing and 2014 Shijiazhuang (total populations); D represents the KRN comparison of different genotypes of BC3F2:3family in 2014 Hainan, ** represents significant difference at P＜0.01; N531 and SLN are the abbreviation of Nong 531 and Silunuo, respectively.

2.4 基于多個(gè)高代回交群體的玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04定位分析

在2014北京, 用BC3F2和BC4F2群體可同時(shí)將qKRN5.04定位在 136.3～138.5 Mb的染色體區(qū)段之內(nèi), LOD值分別達(dá) 37.56和 16.68, 可以分別解釋21.76%和8.68%的表型變異(表4和圖3-A)。在2014石家莊, 利用同樣的BC3F2和BC4F2定位群體, 可以在緊密相鄰的區(qū)域范圍之內(nèi), 將該 QTL定位于138.5～140.0 Mb之內(nèi), 可以解釋的表型變異分別為15.29%和6.44% (表4和圖3-B)。遺傳效應(yīng)分析表明,減效等位變異同樣來自供體親本四路糯, 效應(yīng)值為0.80～1.76行。2015年, 在北京還種植了 BC3F4、BC4F4、BC5F3分離群體, 其中用 BC3F4和 BC5F3群體可同時(shí)將 qKRN5.04定位至相同染色體的139.7～140.0 Mb區(qū)段之內(nèi)。同時(shí)發(fā)現(xiàn), 在不同環(huán)境下該主效位點(diǎn)的基因作用方式以加性和部分顯性為主?？傊? 本研究定位結(jié)果與前期基于F2:3分離群體結(jié)果高度一致, 表明該位點(diǎn)能夠在多個(gè)高代回交群體穩(wěn)定地表達(dá), 為重要的玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)。

利用一般線性模型分析主效位點(diǎn)與環(huán)境的互作效應(yīng)(71個(gè)BC3F2:3家系、30個(gè)BC3F3:4家系和56個(gè)BC4F3:4家系, 同時(shí)種植于北京、河北石家莊和河南新鄉(xiāng) 3個(gè)環(huán)境), 沒有檢測到顯著的互作效應(yīng), 表明qKRN5.04能夠在不同環(huán)境中穩(wěn)定表達(dá)。

表4 不同回交群體玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04的多環(huán)境定位分析Table 4 QTL mapping for qKRN5.04 using multiple backcross population in different environments

圖3 不同環(huán)境條件下BC3F2和BC4F2群體的玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04定位Fig. 3 QTL mapping of qKRN5.04 using BC3F2and BC4F2populations in different environments圖A和B分別代表qKRN5.04在2014年北京和2014年石家莊的定位結(jié)果。A and B represent the QTL mapping for qKRN5.04 under Beijing and Shijiazhuang in 2014, respectively.

2.5 玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04的精細(xì)定位

在利用多個(gè)回交群體進(jìn)行主效QTL驗(yàn)證定位的工作基礎(chǔ)之上, 還進(jìn)一步構(gòu)建了包含 398個(gè)單株的BC5F3群體, 結(jié)合標(biāo)記加密, 可將該主效位點(diǎn)定位至3.8 Mb的染色體區(qū)段之內(nèi)(umc1060-N5M5) (圖4-C)。在此基礎(chǔ)上, 通過目標(biāo)區(qū)段內(nèi)多態(tài)性標(biāo)記的進(jìn)一步加密, 進(jìn)行了不同重組類型與輪回親本間的表型差異分析, 以實(shí)現(xiàn)穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04的精細(xì)定位(圖4)。在umc1060-N5M5區(qū)段內(nèi), 可進(jìn)一步篩選出3個(gè)多態(tài)性標(biāo)記, 可將BC5F3群體分為12種重組類型(圖4-D)。以受體親本農(nóng)531為對照(P2), 進(jìn)行了各重組類型與對照組的t檢驗(yàn)分析, 結(jié)果表明, 標(biāo)記區(qū)段 N5M98-N5M136內(nèi)含四路糯等位基因的重組類型(R1、R6-R8), 其穗行數(shù)顯著高于受體親本類型(P2), 標(biāo)記N5M98-N5M136之間含農(nóng)531等位基因的交換類型(R2-R5, R9-R12), 穗行數(shù)與受體親本類型之間無顯著差異(圖4-D)。因此, 推測調(diào)控玉米穗行數(shù)的關(guān)鍵基因位點(diǎn)位于標(biāo)記 N5M98-N5M136之間約300 kb的區(qū)間之內(nèi)。

3 討論

本研究的目標(biāo)區(qū)段qKRN5.04初定位于81～150 Mb約69 Mb的區(qū)間, 最大可以解釋13.55%的表型變異[22]。該定位結(jié)果與之前很多研究得出的結(jié)果區(qū)段重疊。例如, Yan等[5]、譚巍巍等[26]利用F2:3家系在第5染色體上分別定位到穗行數(shù)QTL rn5 (80.8～151.6 Mb)、QTL qKRE1-5-2 (80.4～142.3 Mb); 呂學(xué)高等[27]利用大小為 400的 F2群體, 也在 bin5.04檢測到1個(gè)穗行數(shù)主效QTL RN3, 位于標(biāo)記bnlg1660-phil09188之間, 貢獻(xiàn)率為 15.1%。周強(qiáng)等[3]通過meta-QTL分析, 在第5染色體定位到4個(gè)穗行數(shù)一致性QTL區(qū)間, 其中包括本研究的qKRN5.04區(qū)段。以上證據(jù)表明, qKRN5.04所在區(qū)段對玉米穗行數(shù)調(diào)控具有重要作用, 可作為穗行數(shù)遺傳基礎(chǔ)研究和候選基因挖掘的重要熱點(diǎn)區(qū)域。

圖4 穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04的精細(xì)定位Fig. 4 Fine mapping of major QTL qKRN5.04 for kernel row numbera表示主效位點(diǎn)初定位區(qū)段, b和c分別表示BC5F2和BC5F3群體的定位結(jié)果, d表示親本和12種重組類型, 表格表示每種重組類型相應(yīng)的穗行數(shù)和單株個(gè)數(shù), 黑色和白色分別代表來自“四路糯”(P1)和來自“農(nóng)531”(P2)的染色體片段,**表示在0.01水平顯著,*表示在0.05水平顯著。a shows bin5.04 of Chr.5; b shows qKRN5.04 in BC5F2, and c shows qKRN5.04 in BC5F3, d indicates nine recombinant types (R1-R12) and two parents, and the table shows their corresponding kernel row number, with numbers of individuals for each recombinant on the right. Black and white bars indicate chromosomal segments from SLN (P1) and N531 (P2), respectively.**and*mean significant difference at the P ＜ 0.01 and 0.05, respectively.

基因型與環(huán)境的互作對數(shù)量性狀遺傳定位具有重要的影響[28], 甚至可導(dǎo)致定位結(jié)果的偏差。但整體上, 主效QTL位點(diǎn)更容易在不同環(huán)境中被穩(wěn)定地檢測到[29]。本研究中, 在2014年北京, 利用BC3F2和 BC4F2群體, 可同時(shí)將 qKRN5.04定位在 136.3～138.5 Mb之間; 在石家莊, 利用相同群體, 可將該位點(diǎn)定位在138.5～140.0 Mb之間, 與北京試驗(yàn)點(diǎn)定位區(qū)間緊密相鄰。另外, 無法檢測到顯著的主效位點(diǎn)與環(huán)境間的互作效應(yīng)。進(jìn)一步表明, qKRN5.04能夠在不同環(huán)境中穩(wěn)定表達(dá), 為環(huán)境不敏感型玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)。

初定位的區(qū)間較大, 不利于候選基因的挖掘和圖位克隆, 利用回交構(gòu)建導(dǎo)入系等次級作圖群體是數(shù)量性狀主效位點(diǎn)挖掘基因的有效策略之一[30]。導(dǎo)入系的獨(dú)特優(yōu)勢在于, 除特定的染色體片段來源于供體外, 其他遺傳組成與受體完全相同, 消除了遺傳背景的干擾, 固此可通過對導(dǎo)入系與表型性狀的顯著性分析把目標(biāo)性狀基因或QTL定位于較小的區(qū)段內(nèi), 實(shí)現(xiàn)精細(xì)定位[31]。Zhang等[32]利用導(dǎo)入系BC4F3將控制穗粒數(shù)的主效位點(diǎn)qKN縮小到480 kb的范圍內(nèi)。Teng等[33]用單片段導(dǎo)入系(SIL)將株高主效位點(diǎn)qPH3.1定位到12.6 kb區(qū)間內(nèi)。Liu等[21]利用近等基因系將控制穗行數(shù)的主效位點(diǎn) KRN4縮小到1.2 kb的區(qū)間內(nèi)。本研究在已有初定位基礎(chǔ)上, 利用分子標(biāo)記輔助選擇構(gòu)建了針對主效區(qū)段的多個(gè)高代回交群體和次級分離群體, 在準(zhǔn)確驗(yàn)證原有定位結(jié)果的同時(shí), 利用重組事件分析將玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04定位到約300 kb的染色體區(qū)段之內(nèi),為下一步的候選基因挖掘提供了重要的工作支持。

在本研究定位到的～300 kb區(qū)間之內(nèi), 以玉米B73基因組為參考, 發(fā)現(xiàn)該區(qū)段內(nèi)共存在10個(gè)基因,其中7個(gè)能夠在玉米雌穗中得以表達(dá), 但僅有2個(gè)基因有功能注釋, 分別為 GRMZM2G300841和GRMZM2G060253。序列分析發(fā)現(xiàn), GRMZM2G 300841在擬南芥中的同源基因是 At3g24315, 即編碼磷脂酰肌醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(PITPs)的成員之一SEC20轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。研究發(fā)現(xiàn) AtSec20在擬南芥花器官中高強(qiáng)度地特異表達(dá)[34-35]。GRMZM2G060253在擬南芥中存在同源基因At4g23800, 編碼HMG轉(zhuǎn)錄因子。研究表明, HMG轉(zhuǎn)錄因子具有保守的HMG-box結(jié)構(gòu)域, 該結(jié)構(gòu)域與生物生殖發(fā)育關(guān)系密切, 且有證據(jù)表明該基因與玉米雌雄花序發(fā)育具有一定的關(guān)系[36]。另外一個(gè)基因GRMZM5G897364功能尚未驗(yàn)證,但是表達(dá)譜分析發(fā)現(xiàn), 該基因在發(fā)育的玉米雌穗中表達(dá)量最高[35]?？傊? 依據(jù)目前定位結(jié)果尚不足以確定候選基因, 仍需依據(jù)交換事件分析進(jìn)一步縮小目標(biāo)區(qū)段, 在此基礎(chǔ)上克隆基因, 并通過轉(zhuǎn)基因及互補(bǔ)試驗(yàn)驗(yàn)證功能, 挖掘并深入分析玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn)qKRN5.04的關(guān)鍵調(diào)控基因。

4 結(jié)論

以“四路糯”選系和“農(nóng)531”分別為供體親本和輪回親本, 針對玉米穗行數(shù)主效位點(diǎn) qKRN5.04, 構(gòu)建多個(gè)高代回交群體, 將其定位到第5染色體的136.3～140.0 Mb區(qū)間之內(nèi)。同時(shí), 通過次級分離群體重組事件分析, 將其進(jìn)一步縮小到約300 kb的染色體區(qū)間范圍內(nèi), 從而為目標(biāo)位點(diǎn)的圖位克隆提供了重要的工作基礎(chǔ)。

[1] Li J Z, Zhang Z W, Li Y L, Wang Q L, Zhou Y G. QTL consistency and meta-analysis for grain yield components in three generations in maize. Theor Appl Genet, 2011, 122: 771-782

[2] 李成璞, 白葦, 翟立紅, 陶勇生, 張祖新. 玉米穗行數(shù)QTL及其互作分析. 植物遺傳資源學(xué)報(bào), 2011, 12: 965-970

Li C P, Bai W, Zhai L H, Tao Y S, Zhang Z X. Identifying and interaction assay of QTL for row number per ear of maize. J Plant Genet Resour, 2011, 12: 965-970 (in Chinese with English abstract)

[3] 周強(qiáng), 王平喜, 程備久, 朱蘇文, 謝傳曉. 玉米穗行數(shù)性狀QTL的元分析. 玉米科學(xué), 2014, 22(2): 35-40

Zhou Q, Wang P X, Cheng B J, Zhu S W, Xie C X. Meta-analysis of QTL for ear row number in maize. J Maize Sci, 2014, 22(2): 35-40 (in Chinese with English abstract)

[4] 譚巍巍, 李永祥, 王陽, 劉成, 劉志齋, 彭勃, 王迪, 張巖, 孫寶成, 石云素, 宋燕春, 楊德光, 王天宇, 黎裕. 在干旱和正常水分條件下玉米穗部性狀 QTL分析. 作物學(xué)報(bào), 2011, 37: 235-248

Tan W W, Li Y X, Wang Y, Liu C, Liu Z Z, Peng B, Wang D, Zhang Y, Sun B C, Shi Y S, Song Y C, Yang D G, Wang T Y, Li Y. QTL mapping of ear traits of maize under different water regimes. Acta Agron Sin, 2011, 37: 235-248 (in Chinese with English abstract)

[5] Yan J B, Tang H, Huang Y Q, Zheng Y L, Li J S. Quantitative trait loci mapping and epistatic analysis for grain yield and yield components using molecular markers with an elite maize hybrid. Euphytica, 2006, 149: 121-131

[6] Barazesh S, McSteen P. Barren inflorescence1 functions in organogenesis during vegetative and inflorescence development in maize. Genetics, 2008, 179: 389-401

[7] Barazesh S, Nowbakht C, McSteen P. Sparse inflorescence1, Barren inflorescence1 and Barren stalk1 promote cell elongation in maize inflorescence development. Genetics, 2009, 182: 403-406

[8] Wu X T, Skirpan A, McSteen P. Suppressor of sessile spikelets1 functions in the ramosa pathway controlling meristem determinacy in maize. Plant Physiol, 2009, 149: 205-219

[9] Taguchi-Shiobara F, Yuan Z, Hake S, Jackson D. The fasciated ear2 gene encodes a leucine-rich repeat receptor-like protein that regulates shoot meristem proliferation in maize. Genes Dev, 2001, 15: 2755-2766

[10] Vollbrecht E, Springer P S, Goh L, Buckler E S, Martienssen R. Architecture of floral branch systems in maize and related grasses. Nature, 2005, 436: 1119-1126

[11] Clermont Y, Bortiri E. Ramosa2 encodes a lateral organ boundary domain protein that determines the fate of stem cells in branch meristems of maize. Plant Cell, 2006, 18: 574-585

[12] Chuck G, Muszynski M, Kellogg E, Hake S, Schmidt R J. The control of spikelet meristem identity by the branched silkless1 gene in maize. Science, 2002, 298: 1238-1241

[13] Kaplinsky N J, Freeling M. Combinatorial control of meristem identity in maize inflorescences. Development, 2003, 130: 1149-1158

[14] Bomblies K, Wang R L, Ambrose B A, Schmidt R J, Meeley R B, Doebley J. Duplicate FLORICAULA/LEAFY homologs Zfl1 and Zfl2 control inflorescence architecture and flower patterning in maize. Development, 2003, 130: 2385-2395

[15] 周紅菊, 穆俊祥, 趙勝杰, 余四斌. 水稻高世代回交導(dǎo)入系耐鹽性的遺傳研究. 分子植物育種, 2005, 3: 716-720

Zhou H J, Mu J X, Zhao S J, Yu S B. Genetic analyses of salt tolerance in an advanced backcross population of rice. Mol Plant Breed, 2005, 3: 716-720 (in Chinese with English abstract)

[16] 胡利宗, 劉均革, 郭晉杰, 趙永鋒, 祝麗英, 宋占權(quán), 陳景堂.基于玉米BC2F2群體的穗部性狀QTL分析. 華北農(nóng)學(xué)報(bào), 2010, 25(4): 73-77

Hu L Z, Liu J G, Guo J J, Zhao Y F, Zhu L Y, Song Z Q, Chen J T. QTL analysis of ear traits based on BC2F2population in maize (Zea may L.). Acta Agr Boreali-Sin, 2010, 25(4): 73-77 (in Chinese with English abstract)

[17] 李衛(wèi)華, 王洪秋, 袁亮, 張向歌, 謝慧玲, 胡彥民, 湯繼華. 利用單片段代換系群體定位玉米穗部性狀的 QTL. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 47: 143-146

Li W H, Wang H Q, Yuan L, Zhang X G, Xie H L, Hu Y M, Tang J H. Mapping of the QTL for ear related traits using a series of single segment substitution lines in maize. J Henan Agric Univ, 2013, 47: 143-146 (in Chinese with English abstract)

[18] 齊歡歡, 段利超, 胡偉, 黃娟, 馮陽, 黃亞群, 祝麗英, 張祖新,岳兵. 利用導(dǎo)入系群體對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行定位分析. 玉米科學(xué), 2013, 21(4): 24-27

Qi H H, Duan L C, Hu W, Huang J, Feng Y, Huang Y Q, Zhu L Y, Zhang Z X, Yue B. Identification of significant loci for yield and yield-related traits in maize with introgression lines. J Maize Sci, 2013, 21(4): 24-27 (in Chinese with English abstract)

[19] Li F, Jia H T, Liu L, Zhang C X, Liu Z J, Zhang Z X. Quantitative trait loci mapping for kernel row number using chromosome segment substitution lines in maize. Genet Mol Res, 2014, 13: 1707-1716

[20] Tian B H, Wang J H, Wang G Y. Confirmation of a major QTL on chromosome 10 for maize kernel row number in different environments. Plant Breed, 2014, 133: 184-188

[21] Liu L, Du Y F, Shen X M, Li M F, Sun W, Huang J, Liu Z L, Tao Y S Zheng Y L, Yan J B, Zhang Z X. KRN4 controls quantitative variation in maize kernel row number. PLoS Genet, 2015, 11(11): e1005670

[22] 焦付超, 李永祥, 陳林, 劉志齋, 石云素, 宋燕春, 張登峰, 黎裕, 王天宇. 特異玉米種質(zhì)四路糯的穗行數(shù)遺傳解析. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47: 1256-1264

Jiao F C, Li Y X, Chen L, Liu Z Z, Shi Y S, Song Y C, Zhang D F, Li Y, Wang T Y. Genetic dissection for kernel row number in the specific maize germplasm four-rowed waxy corn. Sci Agric Sin, 2014, 47: 1256-1264 (in Chinese with English abstract)

[23] Chen D H, Ronald P C. A rapid DNA min preparation method suitable for AFLP and other PCR applications. Plant Mol Biol Rep, 1999, 17: 53-57

[24] Li H, Ye G J, Wang J K. A modified algorithm for the improvement of composite interval mapping. Genetics, 2007, 175: 361-374

[25] Stuber C W, Edwards M D. Wendel J F. Molecular marker facilitated investigations of quantitative trait loci in maize: II. Factors influencing yield and its component traits. Crop Sci, 1987, 27: 639-648

[26] 譚巍巍, 王陽, 李永祥, 劉成, 劉志齋, 彭勃, 王迪, 張巖, 孫寶成, 石云素, 宋燕春, 楊德光, 王天宇, 黎裕. 不同環(huán)境下多個(gè)玉米穗部性狀的 QTL分析. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 44: 233-244

Tan W W, Wang Y, Li Y X, Liu C, Liu Z Z, Peng B, Wang D, Zhang Y, Sun B C, Shi Y S, Song Y C, Yang D G, Wang T Y, Li Y. QTL analysis of ear traits in maize across multiple environments. Sci Agric Sin, 2011, 44: 233-244 (in Chinese with English abstract)

[27] 呂學(xué)高, 蔡一林, 陳天青, 徐德林, 王偉林, 劉志齋, 王久光.玉米穗部性狀 QTL定位. 西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2008, 30(2): 64-70

Lyu X G, Cai Y L, Chen T Q, Xu D L, Wang W L, Liu Z Z, Wang J G. QTL mapping for ear traits in maize (Zea mays L.). J Southwest Univ (Nat Sci Edn), 2008, 30(2): 64-70 (in Chinese with English abstract)

[28] Zhuang J Y, Lin H X, Lu J, Qian H R, Hittalmani S, Huang N, Zheng K L. Analysis of QTL × environment interaction for yield components and plant height in rice. Theor Appl Genet, 1997, 95: 799-808

[29] Fulton T. RFLP mapping of the rice genome. In: Rice Genetics: II. Proceedings of the Second International Rice Genetics Symposium, 14-18 May 1990. 2015. pp 435-442

[30] 毛傳澡, 程式華. 水稻農(nóng)藝性狀 QTL定位精確性及其影響因素的分析. 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào), 1999, 7: 386-394

Mao C Z, Cheng S H. Analysis of accuracy and influence factor in QTL mapping about agronomic traits in rice (Oryza sativa L.). J Agric Biol, 1999, 7: 386-394 (in Chinese with English abstract) [31] Howell P M, Lydiate D J, Marshall D F. Towards developing intervarietal substitution lines in Brassica napus using marker-assisted selection. Genome, 1996, 39: 348-358

[32] Zhang G D, Wang X P, Wang B, Tian Y C, Li M, Nie Y X, Peng Q C, Wang Z L. Fine mapping a major QTL for kernel number per row under different phosphorus regimes in maize (Zea mays L.). Theor Appl Genet, 2013, 126: 1545-1553

[33] Teng F, Zhai L H, Liu R X, Bai W, Wang L Q, Huo D G, Tao Y S, Zheng Y L, Zhang Z X. ZmGA3ox2, a candidate gene for a major QTL, qPH3.1, for plant height in maize. Plant J, 2013, 73: 405-416

[34] Heyndrickx K S, Klaas V. Systematic identification of functional plant modules through the integration of complementary data sources. Plant Physiol, 2012, 159: 884-901

[35] Bolduc N, Yilmaz A, Mejia-Guerra M K, Morohashi K, O’Connor D, Grotewold E, Hake S. Unraveling the KNOTTED1 regulatory network in maize meristems. Genes Dev, 2012, 26: 1685-1690

[36] 牛林海, 楊國棟. 玉米HMG全長cDNA的克隆及其分析. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2002, 33: 239-241

Niu L H, Yang G D. Cloning and expression analysis of a full-length cDNA clone in maize. J Shandong Agric Univ (Nat Sci), 2002, 33: 239-241 (in Chinese with English abstract)

Fine Mapping and Genetic Effect Analysis of qKRN5.04, a Major QTL Associated with Kernel Row Number in Maize

BAI Na, LI Yong-Xiang*, JIAO Fu-Chao, CHEN Lin, LI Chun-Hui, ZHANG Deng-Feng, SONG Yan-Chun, WANG Tian-Yu, LI Yu, and SHI Yun-Su*

Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

Kernel row number (KRN) is one of the important factors of maize yield. The genetic basis dissection and fine mapping of crucial gene would be greatly beneficial to maize molecular breeding. In present study, series of advanced backcross population and secondary segregation population were developed from a backcross of the derived line of Silunuo (four kernel rows, as the donor parent) and Nong 531 (18-22 kernel rows, as the recurrent parent). The QTL mapping for KRN was conducted by the inclusive complete interval mapping (ICIM) method in multiple environments. And a major KRN QTL, qKRN5.04, was mapped to the interval of 136.3-140.0 Mb on chromosome 5, with the largest phenotypic variation of 21.76% and the effect value of 0.80-1.76 row. Furthermore, according to recombinant analysis of secondary population, qKRN5.04 was fine mapped to the region of about 300 kb, which provided both practical InDel markers for marker-assisted selection and sufficient supports for the map-based cloning and candidate gene mining of the target locus.

Maize; Kernel row number (KRN); Quantitative trait locus (QTL); Fine mapping

10.3724/SP.J.1006.2017.00063

本研究由國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng), 作物種質(zhì)資源保護(hù)與利用專項(xiàng)(201303007, 2015NWB030-04), 國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD01B02-3), 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91335206)和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目資助。

This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest, the Special Fund for Protection and Utilization of Crop Germplasm Resources (201303007, 2015NWB030-04), the National Key Technology Support Program of China (2013BAD01B02-3), the National Natural Science Foundation of China (91335206), and the Agricultural Science and Technology Innovation Program of Chinese Academy of Agricultural Sciences.

*通訊作者(Corresponding authors): 李永祥, E-mail: liyongxiang@caas.cn; 石云素, E-mail: shiyunsu@caas.cn

聯(lián)系方式: E-mail: baina0919@sina.cn

稿日期): 2016-04-05; Accepted(接受日期): 2016-06-20; Published online(

日期): 2016-07-28.

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160728.0816.008.html