基于兩個相關(guān)群體的玉米7個主要 農(nóng)藝性狀遺傳分析和QTL定位

趙小強,方鵬,彭云玲,張金文,曾文靜,任斌,高巧紅

(甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室,甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

玉米(Zeamays)作為高效的C4糧食作物, 蘊藏著巨大的產(chǎn)量潛力, 并在保障全球糧食安全中發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而, 玉米易受多種生物和非生物逆境脅迫的制約, 其嚴重影響玉米正常的生長發(fā)育及代謝過程, 最終導(dǎo)致玉米嚴重減產(chǎn)。株高、穗位高和穗位比對提高玉米的抗倒伏、抗逆性及增加玉米的種植密度, 進而改善植株光合作用等方面具有重要的影響[1-3]。葉片是玉米光合作用的主要源器官, 葉面積和葉形系數(shù)是衡量光合產(chǎn)物和群體冠層結(jié)構(gòu)的重要農(nóng)藝性狀, 對于產(chǎn)量形成具有重要的作用[4-5]。雄穗分枝數(shù)和散粉-吐絲時間間隔(ASI)是揭示玉米抗旱性大小、授粉能力強弱和產(chǎn)量高低的重要農(nóng)藝性狀, 而且Lambert等[6]、劉偉華等[7]和Zhao等[8]研究表明雄穗較小的玉米, 其群體下部的透光性增強, 雄穗生長對養(yǎng)分的消耗減少, 因而能夠顯著提高玉米產(chǎn)量。因此, 在高產(chǎn)育種實踐和生產(chǎn)上, 深入剖析這些農(nóng)藝性狀的遺傳機理, 有針對性地制定育種方案, 進而提高玉米育種進程具有重要的指導(dǎo)意義。

玉米的這7個農(nóng)藝性狀是典型的數(shù)量遺傳性狀, 其受多個微效基因的調(diào)控, 同時易受環(huán)境的影響, 而借助分子標記技術(shù)鑒定調(diào)控這些農(nóng)藝性狀的基因組區(qū)域為進一步深入剖析其遺傳機理提供了準確而可靠的手段。目前, 關(guān)于玉米這7個農(nóng)藝性狀QTLs定位的研究國內(nèi)外已有報道[2-3,8-19]。就這些檢測到的QTLs位點而言, 由于不同學(xué)者所用的材料遺傳背景、群體結(jié)構(gòu)、群體大小、檢測環(huán)境及QTL定位方法不同等原因, 導(dǎo)致研究結(jié)果不盡相同。而不同遺傳背景的材料往往帶有不同的影響這些農(nóng)藝性狀的基因或QTLs信息。因此, 在更為豐富的遺傳背景下檢測更多調(diào)控這些農(nóng)藝性狀的QTLs位點, 不僅能夠全面澄清目標性狀的遺傳機制, 而且能為相應(yīng)性狀QTL精細定位、QTG(quantitative trait gene)與候選基因的確定與分離提供有益參考?；谝陨峡紤], 本研究以TS141為共同父本, 與廊黃、昌7-2 為母本分別雜交后構(gòu)建了2套F2群體為試材, 通過對其株高、穗位高、穗位比、葉面積、葉形系數(shù)、ASI和雄穗分枝數(shù)等7個主要農(nóng)藝性狀QTLs定位及位點效應(yīng)分析, 以期挖掘和鑒定不同遺傳背景下穩(wěn)定表達的QTL(stable QTL, sQTL), 為相應(yīng)性狀QTL精細定位及玉米高產(chǎn)分子標記輔助選擇(marker-assisted selection,MAS)育種鑒定提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用的試驗材料參照本課題組前期的試驗結(jié)果[8,20-21], 選擇了各農(nóng)藝性狀間均有較大差異的自交系TS141(共同父本)與廊黃/昌7-2(母本)雜交, 組配了2個F1雜交種(廊黃×TS141和昌7-2×TS141), 下年種植2個F1雜交種, 花前從F1中分別選擇長勢整體一致的2個單株嚴格套袋自交授粉分別獲得了含有202(LTpop)和218(CTpop)個單株的F2作圖及定位群體。其中自交系TS141屬于Reid系, 廊黃和昌7-2屬于四平頭系[8,22-23]。

1.2 田間試驗及數(shù)據(jù)處理

將3個供試親本、2個F1雜交種及2個F2群體于2013年4月15日播種于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)平?jīng)鲇衩子N站(北緯106.93°, 東經(jīng)35.43°; 海拔1204 m)。試驗行長6 m, 每行30株, 行距0.6 m, 種植密度為55580株·hm-2。玉米生育期內(nèi)(4-9月)試驗點平均溫度為16.8 ℃, 平均降水量為68.1 mm, 其他管理同一般大田。田間選擇長勢均勻一致的親本(10株)、F1雜交種(10株)和F2群體的每一單株, 并參照Yang等[24]和Wu等[25]的方法, 待玉米抽雄吐絲時統(tǒng)計散粉-吐絲時間間隔(anthesis-silking interval, ASI)?；ê?5 d統(tǒng)計玉米的株高(plant height, PH)、穗位高(ear height, EH)、雄穗分枝數(shù)(tassel branch number, TBN), 并計算:

穗位比(panicle aspect ratio, PAR)： PAR=EH/PH 穗葉的葉面積(leaf area, LA)： LA=0.75×LL×LW 穗葉的葉形系數(shù)(leaf shape coefficient, LSC)： LSC=LL/LW

式中: LL為測定穗葉的葉長；LW為測定穗葉的葉寬。9月底待玉米成熟后收獲并自然風(fēng)干, 室內(nèi)考種考察單穗重(ear weight, EW)。參照Zhao等[8]的方法衡量相應(yīng)7個農(nóng)藝性狀的雜種優(yōu)勢大小, 即:

F1雜種優(yōu)勢指數(shù)(F1heterosis index, HI)： HI=F1/MP×100% 相對雜種優(yōu)勢(relative heterosis, RH)： RH=(F1-MP)/F1×100% 中親優(yōu)勢(mid-parent heterosis, MH)： MH=(F1-MP)/MP×100% 超親優(yōu)勢(over-parent heterosis, OH)： OH=(F1-PH)/PH×100% F2優(yōu)勢降低率(F2advantage reduction rate, ARR)： ARR=(F2-F1)/F1×100%

式中: MP為雙親平均值；PH為高值親本。利用IBM SPSS 19.0軟件統(tǒng)計分析F2群體相應(yīng)性狀的均值、偏度、峰度和Pearson相關(guān)系數(shù)。參照楊光宇等[26]的方法估算相應(yīng)7個農(nóng)藝性狀的遺傳力(Heritability, H2), 即:

H2=100-(1/4VP1+1/2VF1+1/4VP2)/VF2×100%

式中: VF1、VP1、VP2和VF2分別為F1雜交種、親本P1、親本P2和F2群體的方差。參照Fu等[27]的方法構(gòu)建單穗重與7個農(nóng)藝性狀間的逐步回歸方程。

1.3 SSR標記分析和圖譜構(gòu)建

分別取廊黃、昌7-2、TS141、F1雜交種和F2群體單株的幼苗葉片, 采用Saghai-Maroof等[28]提出的CTAB法提取玉米幼苗葉片的全基因組DNA。從玉米基因組數(shù)據(jù)庫(Maize Genome Database)網(wǎng)站(http://www.maizegdb.org)上選取均勻分布于玉米10個連鎖群的872對SSR (simple sequence repeat)標記, 由上海生工生物有限公司合成。參照彭云玲等[29]的方法進行PCR擴增、電泳、銀染, 對這872對SSR標記進行親本間多態(tài)性標記的篩選, 再將篩選出的多態(tài)性SSR標記在F2群體間進行全基因組掃描, 采集相應(yīng)群體的標記帶型。所有F2單株的帶型按Mendel分離比例作卡方(χ2)檢測, 判斷是否存在偏分離。采用JoinMap?4.0軟件(http://www.kyazma.nl/index.php/mc.JoinMap/sc.Evaluate/)構(gòu)建2套F2群體的分子遺傳連鎖圖譜, 選用“Kosambi”函數(shù)計算圖距(centimorgan, cM)。

1.4 相應(yīng)性狀QTLs檢測

結(jié)合F2群體分子標記帶型和農(nóng)藝性狀表型數(shù)據(jù), 采用Windows QTLs Cartographer 2.5軟件(http://ststgen.ncsu.edu/qtlcart/WQTLcart.htm)進行相應(yīng)農(nóng)藝性狀的QTLs的檢測。采用復(fù)合區(qū)間作圖法(composite interval mapping, CIM)中的Zmapqtl程序模塊Model6, 每隔2 cM對基因組掃描一次, 窗口大小設(shè)定為10 cM, 通過1000次隨機抽樣確定LOD(LOD>3.0)閾值[30]。參照Stuber等[31]的方法估算基因的作用方式: |d/a|=|顯性效應(yīng)值/加性效應(yīng)值|；A(加性效應(yīng)), |d/a|=0.00～0.20；PD(部分顯性), |d/a|=0.21～0.80；D(顯性效應(yīng)), |d/a|=0.81～1.20；OD(超顯性效應(yīng)), |d/a|>1.20。參照McCouch等[32]的方法進行QTL命名, 即“q+性狀英文縮寫+染色體英文縮寫+QTL個數(shù)”。根據(jù)Tuberosa等[33]和Zhao等[8]的標準檢測sQTL, 即在不同群體或環(huán)境間檢測到同一性狀的QTL, 標記區(qū)間相同或置信區(qū)間(confidence interval, CI)重疊(距離<20 cM), 則被認定為一個sQTL。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同世代7個農(nóng)藝性狀的表型鑒定

7個農(nóng)藝性狀表型鑒定結(jié)果表明, 除親本廊黃與TS141間穗位比、昌7-2與TS141間葉形系數(shù)差異不顯著外, 親本間其余農(nóng)藝性狀差異顯著(P<0.01或P<0.05), 且父本TS141的株高、穗位高、葉面積、ASI和雄穗分枝數(shù)等明顯大于母本廊黃/昌7-2(表1和表2), 說明親本間存在較大的遺傳基礎(chǔ), 其雜交后代可以進行數(shù)量性狀遺傳分析。與雙親相比, 2個F1雜交種的株高、穗位高、葉面積、葉形系數(shù)和雄穗分枝數(shù)顯著大于高值親本(P<0.01或P<0.05), 表現(xiàn)為明顯的正向超親優(yōu)勢, 而2個F1雜交種的穗位比和ASI均介于雙親之間, 且趨向于低值親本, 表現(xiàn)為中親優(yōu)勢。F1雜種優(yōu)勢指數(shù)和相對雜種優(yōu)勢在7個性狀間表現(xiàn)一致均為: 株高(175.5%和43.0%)>穗位高(160.3%和37.6%)>雄穗分枝數(shù)(158.4%和36.8%)>葉面積(148.0%和31.9%)>葉形系數(shù)(118.5%和15.6%)>ASI(99.7%和-0.4%)>穗位比(94.4%和-6.3%), 而F2優(yōu)勢降低率在7個性狀間表現(xiàn)為: 葉面積(-42.4%)>株高(-21.0%)>穗位高(-18.9%)>雄穗分枝數(shù)(-9.0%)>ASI(-8.9%)>葉形系數(shù)(-7.7%)>穗位比(-5.7%)(表1和表2，圖1)。2套F2群體7個農(nóng)藝性狀的遺傳力均較大, 其平均遺傳力介于60.8%(葉形系數(shù))～89.4%(株高)(圖1), 說明玉米的這7個農(nóng)藝性狀均受遺傳特性的影響較大。另外, 2套F2群體7個農(nóng)藝性狀的偏度和峰度均介于-1.0～1.0(表1和表2), 符合正態(tài)分布, 表現(xiàn)為典型數(shù)量遺傳特性, 因此這些性狀適合進行QTLs分析。

表1 F2群體LTpop7個農(nóng)藝性狀的表型值Table 1 Performance value of seven agronomic traits in the F2 population (LTpop)

注: 同一農(nóng)藝性狀不同大寫或小寫字母分別表示F1雜交種與親本間在0.01或0.05水平差異顯著。PH:株高; EH: 穗位高; PAR: 穗位比; LA: 葉面積; LSC: 葉形系數(shù); ASI: 散粉-吐絲時間間隔; TBN: 雄穗分枝數(shù)。CV: 變異系數(shù)。下同。

Note: Different capital or lowercase letters in the same agronomic trait between in F1hybrid and parents indicated significant difference at 0.01 or 0.05 level, respectively. PH: Plant height; EH: Ear height; PAR: Panicle aspect ratio; LA: Leaf area; LSC: Leaf shape coefficient; ASI: Anthesis-silking interval; TBN: Tassel branch number. CV: Coefficient of variance. The same below.

表2 F2群體CTpop7個農(nóng)藝性狀的表型值Table 2 Performance value of seven agronomic traits in the F2 population (CTpop)

圖1 玉米7個農(nóng)藝性狀雜種優(yōu)勢和遺傳力分析Fig. 1 Heterosis and heritability analysis of the seven agronomic traits in maize

2.2 F2群體性狀間的相關(guān)性分析

2套F2群體相關(guān)性狀間進行了相關(guān)性分析(表3)。就農(nóng)藝性狀間相關(guān)性而言, 除ASI與株高、葉面積和葉形系數(shù)間, 雄穗分枝數(shù)與穗位比和葉形系數(shù)間相關(guān)性不顯著外, 其余農(nóng)藝性狀間彼此都呈顯著正或負相關(guān)(P<0.01或P<0.05), 且彼此間的相關(guān)系數(shù)不同, 說明玉米的形態(tài)建成是各農(nóng)藝性狀協(xié)同作用的結(jié)果。就單穗重與農(nóng)藝性狀間相關(guān)性而言, 除單穗重與ASI呈顯著負相關(guān)(P<0.01)外, 單穗重與其余農(nóng)藝性狀間都呈顯著正相關(guān)(P<0.01或P<0.05), 且彼此間相關(guān)系數(shù)不同, 說明各農(nóng)藝性狀顯著影響玉米單穗重的形成, 且各農(nóng)藝性狀對單穗重的影響不同, 其平均影響程度依次為穗位高(r=0.537)>株高(r=0.536)>ASI(r=-0.468)>穗位比(r=0.403)>葉面積(r=0.171)>雄穗分枝數(shù)(r=0.140)>葉形系數(shù)(r=0.134)。

表3 F2群體(LTpop和CTpop)相關(guān)性狀的Pearson相關(guān)性分析Table 3 Pearson correlation analysis for related traits in two F2 populations (LTpop and CTpop)

注: LTpop/CTpop群體兩個性狀間的相關(guān)系數(shù)標有*或**分別表示在0.05或0.01水平相關(guān)性顯著。r201,0.05=0.138,r201,0.01=0.181,r217,0.05=0.119,r217,0.01=0.144。EW:單穗重。

Note: The correlation coefficient in LTpop/CTpop population followed by * or ** were significant correlation at 0.05 or 0.01 level, respectively.r201,0.05=0.138,r201,0.01=0.181,r217,0.05=0.119,r217,0.01=0.144. EW:Ear weight.

2.3 F2群體單穗重與農(nóng)藝性狀間的逐步回歸分析

根據(jù)3個親本、2個F1雜交種及2套F2群體的原始數(shù)據(jù), 對單穗重(因變量Y)與7個農(nóng)藝性狀(自變量Xi)建立多元線性回歸方程:

Y=-0.105***-16.041X1***+35.631X2***-2923.617X3***+0.331X4***+153.185X5***-2.243X6***(R2=1.000***,F=1.729×10-12***)。

其中X1～X6依次為株高、穗位高、穗位比、葉面積、葉形系數(shù)和ASI, 方程中X系數(shù)為偏回歸系數(shù), 它表示X每增加一個單位, 單穗重Y增加量。對回歸方程的F檢測結(jié)果表明該方程達到P<0.001顯著水平, 因此該方程能夠直觀地反映單穗重與各農(nóng)藝性狀間的回歸關(guān)系, 且與相關(guān)分析結(jié)果基本一致。

2.4 F2群體分子遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建

以LTpop的202個F2單株為作圖群體, 用213對在雙親廊黃與TS141間的多態(tài)性SSR標記對LTpop群體進行全基因組掃描, χ2分析發(fā)現(xiàn)202對SSR標記符合1∶2∶1分離比例, 并用此202對SSR標記進行連鎖分析, 除umc2582、umc2505和umc2048等未進入連鎖群外, 其余199對SSR標記共分成10個連鎖群,
圖譜全長1542.5 cM, 標記間平均間距為7.8 cM(圖2)。類似的以CTpop的218個F2單株為作圖群體, 用217對在雙親昌7-2與TS141間的多態(tài)性SSR標記對CTpop群體進行全基因組掃描, χ2分析發(fā)現(xiàn)207對SSR標記符合1∶2∶1分離比例, 并用此207對SSR標記進行連鎖分析, 除umc1356和umc2575未進入連鎖群外, 其余205對SSR標記共分成10個連鎖群,
圖譜全長1648.8 cM, 標記間平均間距為8.0 cM(圖3)。構(gòu)建的2套圖譜與IBM2 2008 Neighbors frame 6(http://www.maizegdb.org/data_center/map)參考圖譜相比, 標記順序與參考圖譜高度一致, 因此其適合用于QTLs檢測。

2.5 F2群體7個農(nóng)藝性狀QTLs檢測

對于玉米的7個農(nóng)藝性狀, 利用CIM法在2套F2群體間總共檢測到了56個QTLs位點, 其中LTpop群體間檢測到了27個QTLs位點, CTpop群體間檢測到了29個QTLs位點, 其分布于玉米的10個連鎖群中, 單個QTL可解釋表型變異的4.22%(LTpop的qTBN-Ch.1-1)～15.74%(LTpop的qASI-Ch.6-1)(圖2和圖3,表4和表5)。就2套F2群體而言, 檢測到了11個株高的QTLs位點, 其中18.2%、54.5%和27.3%的株高QTLs分別受加性(A)、部分顯性(PD)和顯性(D)效應(yīng)調(diào)控。檢測到了10個穗位高的QTLs位點, 其中50.0%、40.0%和10.0%的穗位高QTLs受PD、D和超顯性(OD)效應(yīng)調(diào)控。檢測到了9個穗位比QTLs位點, 其中33.3%、22.2%和44.5%的穗位比QTLs受A、PD和D效應(yīng)調(diào)控。檢測到了4個葉面積的QTLs位點, 其中25.0%和75.0%的葉面積QTLs受PD和D效應(yīng)調(diào)控。檢測到了5個葉形系數(shù)的QTLs位點, 其中40.0%和60.0%的葉形系數(shù)QTLs受D和OD效應(yīng)調(diào)控。檢測到了9個ASI的QTLs位點, 其中33.3%、22.2%和44.5%的ASI的QTLs受A、D和OD效應(yīng)調(diào)控。檢測到了8個雄穗分枝數(shù)的QTLs位點, 其中25.0%、37.5%和37.5%的雄穗分枝數(shù)QTLs受A、PD和OD效應(yīng)調(diào)控(圖4)。

圖2 LTpop群體構(gòu)建的遺傳連鎖圖譜及7個農(nóng)藝性狀QTLs定位Fig.2 Genetic linkage map construction and QTLs mapping for seven agronomic traits in LTpop

經(jīng)比較分析, 以上檢測到的56個QTLs位點中有11個影響不同農(nóng)藝性狀的QTLs位點位于染色體上8個相同標記和Bin(Bin1.00～1.01、Bin2.02、Bin4.06、Bin4.09、Bin5.06～5.07、Bin6.05、Bin8.05、Bin10.01～10.02)區(qū)間, 為“一因多效”位點(圖2和圖3), 說明調(diào)控農(nóng)藝性狀的QTLs位點常存在于相同的染色體區(qū)域, 因此, 不同農(nóng)藝性狀的QTLs位點普遍存在緊密連鎖的現(xiàn)象。另外, 2套F2群體間總共檢測到了12個sQTLs位點, 其分別是位于Bin1.07(umc1278～bnlg1025)調(diào)控株高、Bin1.08～1.10(mmc0041～phi308707)調(diào)控葉面積、1621a～umc2027)同時調(diào)控穗位高和穗位比、Bin4.09(umc2287～umc2360)同時調(diào)控ASI和雄穗分枝數(shù)、Bin6.05(umc2040～bnlg1174a)調(diào)控ASI、Bin7.00(umc2177～umc1378)調(diào)控雄穗分枝數(shù)、Bin8.08(umc1005～umc2218)調(diào)控穗位比, Bin10.01～10.02(bnlg1451～umc1337)同時調(diào)控株高和穗位比的sQTLs位點(表4和表5)。

圖3 CTpop群體構(gòu)建的遺傳連鎖圖譜及7個農(nóng)藝性狀QTLs定位Fig.3 Genetic linkage map construction and QTLs mapping for seven agronomic traits in CTpop

Bin2.02(umc1823～umc2363)調(diào)控ASI、Bin4.06(bnlg

圖4 F2群體(LTpop和CTpop)7個農(nóng)藝 性狀QTLs效應(yīng)分析Fig.4 QTLs effects analysis of seven agronomic traits in two F2 populations (LTpop and CTpop)

3 討論

株高、穗位高、穗位比、葉面積、葉形系數(shù)、ASI和雄穗分枝數(shù)等不僅是影響玉米生產(chǎn)潛力的重要農(nóng)藝性狀, 而且其與玉米的生態(tài)適應(yīng)性、抗倒性及耐密植能力緊密相關(guān), 綜合這些農(nóng)藝性狀優(yōu)劣對玉米高產(chǎn)育種具有重要意義, 因此, 深入研究這些農(nóng)藝性狀的遺傳機理已成為近年來學(xué)者專注的熱點。首先是選擇育種上具有代表性的優(yōu)良種質(zhì)材料組配雜交組合, 進而構(gòu)建作圖定位群體進行相應(yīng)研究。昌7-2屬于典型的四平頭系種質(zhì), 其配合力高、綜合農(nóng)藝性狀優(yōu)良, 自育成以來用其已選育出了安玉五號、鄭單958和濟單8號等一系列國審優(yōu)良玉米新品種, 為保障我國玉米安全生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。廊黃與昌7-2的表型類似、親緣關(guān)系較近, 其株型緊湊、花粉量大、果穗較小, 屬于四平頭系統(tǒng)[8, 20-21, 23]。TS141為Reid系種質(zhì), 其植株高大、株型平展、早熟、果穗較大[8, 20-21, 23]?；谝陨峡紤], 本研究選用了TS141為父本, 分別與昌7-2和廊黃為母本雜交, 組配了2套F2群體, 綜合探討了玉米7個農(nóng)藝性狀的雜種優(yōu)勢大小及分子遺傳機理。

表4 F2群體LTpop 7個農(nóng)藝性狀的QTLs檢測Table 4 QTLs detection for seven agronomic traits in the F2 population (LTpop)

注: 加性效應(yīng)正值表示來自母本的等位基因起增效作用, 反之, 表示來自父本的等位基因起增效作用。LOD: 似然函數(shù)比值對數(shù)值；A: 加性效應(yīng)； PD: 部分顯性效應(yīng)； D: 顯性效應(yīng)； OD: 超顯性效應(yīng)。PVE: QTL的表型貢獻率。下同。

Note: Positive value of the additive effect indicated that female parent carried the allele for an increase in the traits, while negative value of the additive effect indicated that male parent contributed the allele for an increase in the trait. LOD: Logarithm of odds; A: Additive effect; PD: Partial dominance effect; D: Dominance effect; OD: Over-dominance effect. PVE: Phenotypic variance explained by the QTL. The same below.

表5 F2群體CTpop 7個農(nóng)藝性狀的QTLs檢測Table 5 QTLs detection for seven agronomic traits in the F2 population (CTpop)

本研究雜種優(yōu)勢結(jié)果表明2個F1雜交種的株高、穗位高、葉面積、葉形系數(shù)和雄穗分枝數(shù)呈明顯的正向超親優(yōu)勢, 其值顯著大于高值親本, 而穗位比和ASI表現(xiàn)為明顯的中親優(yōu)勢, 其值介于雙親之間, 且趨向于低值親本。2個F1雜交種的F1雜種優(yōu)勢指數(shù)和相對雜種優(yōu)勢在7個性狀間表現(xiàn)一致均為: 株高>穗位高>雄穗分枝數(shù)>葉面積>葉形系數(shù)>ASI>穗位比, 而F1自交后, 其F2群體7個性狀的雜種優(yōu)勢明顯衰退, 其F2優(yōu)勢降低率表現(xiàn)為: 葉面積>株高>穗位高>雄穗分枝數(shù)>ASI>葉形系數(shù)>穗位比。這與司書麗等[34]、魏鋒等[35]、Dong等[3]的研究結(jié)果相一致。司書麗等[34]采用80個雜交組配及其親本研究揭示株高、穗位高、穗位比、葉面積、葉形系數(shù)和雄穗分枝數(shù)等與母本的相關(guān)性較大, 而與父本的相關(guān)性較??；另外, F1雜種優(yōu)勢較大的株高、葉面積等性狀的親子相關(guān)表現(xiàn)不受雜種優(yōu)勢大小的影響。魏鋒等[35]以16個自交系及其組配的8個F1雜交種為試材, 相關(guān)研究表明F1雜交種的株高、穗位高、穗位比、雄穗分枝數(shù)和葉面積等性狀與母本均呈顯著正相關(guān), 而其與父本的相關(guān)系數(shù)均未達到顯著水平；F1雜交種的株高、穗位高、雄穗分枝數(shù)和葉面積在F1代雜種優(yōu)勢較大, 其超親優(yōu)勢和中親優(yōu)勢均較高, 而穗位比僅表現(xiàn)為較弱的中親優(yōu)勢。Dong等[3]在3個生態(tài)環(huán)境下對相關(guān)性狀研究表明玉米F1雜交種的株高、穗位高、葉面積和雄穗分枝數(shù)表現(xiàn)為正向超親優(yōu)勢, 其值分別為22.8%、15.8%、46.6%和21.9%, 而穗位比表現(xiàn)為中親優(yōu)勢, 且趨于低值親本, 其值為-3.1%；另外, 這5個農(nóng)藝性狀的F1雜種優(yōu)勢指數(shù)和相對雜種優(yōu)勢表現(xiàn)一致均為: 株高>穗位高>雄穗分枝數(shù)>葉面積>穗位比。因此, 要選育具有優(yōu)良特性的玉米新品種時需要注重基礎(chǔ)材料的選擇, 同時還需注意對母本、中親和高親的選擇, 還需兼顧雜種優(yōu)勢及其優(yōu)勢的衰退, 進而提高育種選擇效率, 最終獲得高產(chǎn)、適應(yīng)性廣及密植性高的玉米新品種。

本研究相關(guān)性分析表明, 除個別農(nóng)藝性狀間的相關(guān)系數(shù)未達到顯著水平外, 其余農(nóng)藝性狀間的相關(guān)系數(shù)均較大, 彼此間呈顯著的正或負相關(guān)；單穗重與ASI呈顯著負相關(guān)外, 其與其余6個農(nóng)藝性狀間均呈顯著正相關(guān), 彼此間的相關(guān)系數(shù)依次為: 穗位高>株高>ASI>穗位比>葉面積>雄穗分枝數(shù)>葉形系數(shù)。說明玉米的形態(tài)建成是各農(nóng)藝性狀間協(xié)同作用的結(jié)果, 且其顯著影響玉米產(chǎn)量的形成, 因此在提高玉米產(chǎn)量時應(yīng)均衡協(xié)調(diào)各農(nóng)藝性狀, 尤其是協(xié)調(diào)穗位高與葉形系數(shù)間的關(guān)系。這與王雅萍[36]和Fu等[27]的結(jié)果一致。另外, 本研究還利用親本、F1雜交種及F2群體的原始數(shù)據(jù)構(gòu)建了單穗重與7個農(nóng)藝性狀間的最優(yōu)多元線性回歸方程, 雄穗分枝數(shù)未進入此方程, 其能夠直觀地反映單穗重與其余6個農(nóng)藝性狀間的回歸關(guān)系, 并與相關(guān)分析結(jié)果基本一致。

本研究對2套F2群體QTLs定位及位點效應(yīng)分析結(jié)果表明, 在2套F2群體間總共檢測到了56個QTLs位點, 其分布于玉米的10個連鎖群體中, 單個QTL的表型貢獻率介于4.22%～15.74%。這些QTLs位點中, 株高、穗位比、ASI和雄穗分枝數(shù)均受加性和非加性效應(yīng)的調(diào)控, 而穗位高、葉面積和葉形系數(shù)均受非加性效應(yīng)的調(diào)控。Zhang等[9]、張志明等[37]、Fu等[27]、李賢唐等[12]、Wei等[38]和Zhao等[8]對這7個農(nóng)藝性狀QTLs效應(yīng)分析后同樣得到了類似的結(jié)果。因此, 在改良玉米的株高、穗位比、ASI和雄穗分枝數(shù)時需要考慮加性效應(yīng)、非加性效應(yīng)、一般配合力和特殊配合力等的影響, 而在改良穗位高、葉面積和葉形系數(shù)時要特別注意非加性效應(yīng)和特殊配合力。Tuberosa等[33]認為由于不同性狀間存在共同的遺傳機制, 因此“一因多效”或是控制不同性狀的基因普遍呈緊密連鎖的現(xiàn)象。本研究在2套F2群體間總共檢測到了8個“一因多效”QTLs位點, 其分別位于Bin1.00～1.01、Bin2.02、Bin4.06、Bin4.09、Bin5.06～5.07、Bin6.05、Bin8.05和Bin10.01～10.02區(qū)間, 這與相關(guān)分析的結(jié)果一致, 說明玉米染色體的這8個Bin區(qū)間共同調(diào)控著玉米多個農(nóng)藝性狀的遺傳。

大量研究已經(jīng)證明, 不同遺傳背景及生態(tài)環(huán)境下調(diào)控玉米同一性狀的QTLs位點可能存在差異。而利用多定位群體能夠挖掘出不同遺傳背景下穩(wěn)定表達的sQTLs, 其可為QTL的精細位點、發(fā)現(xiàn)QTG及克隆候選基因提供有益信息。因此, 本研究以TS141為共同父本, 與廊黃、昌7-2雜交, 分別構(gòu)建了2套F2定位群體(LTpop和CTpop), 經(jīng)QTLs定位后總共挖掘到了12個sQTLs位點。其中11個sQTLs位點與前人研究結(jié)果一致, 如位于umc1278～bnlg1025(Bin1.07)區(qū)間存在1個調(diào)控株高的sQTL位點, 在LTpop和CTpop群體間的累積表型貢獻率為16.80%, 基因作用方式均為部分顯性。Tang等[39]在Bin1.07的umc2151～bnlg1556區(qū)間也檢測到了1個調(diào)控株高的主效QTL, 可以解釋表型貢獻的24.53%；Melchinger等[40]和Lubberstedt等[41]同樣在Bin1.07的umc23a～umc58區(qū)間也檢測到了多個調(diào)控株高的QTLs位點。另外, 利用圖位克隆已在此區(qū)間獲得了一個調(diào)控玉米株高的關(guān)鍵基因D8[39]。位于mmc0041～phi308707(Bin1.08～1.10)區(qū)間同時存在1個調(diào)控葉面積的sQTL位點, 累積表型貢獻率為14.11%, 基因作用方式均為顯性效應(yīng)。低氮處理下, 在Bin1.07～1.08的umc1245～umc2029區(qū)間, Cai等[14]檢測到了1個調(diào)控葉面積的主效QTL, 基因的表型貢獻率為10.2%。Tang等[39]在Bin1.09的bnlg1643～bnlg1597區(qū)間檢測到了1個調(diào)控葉片數(shù)的QTL, 表型貢獻率為6.54%。許誠等[17]在Bin1.08的umc1013～dupssr12～umc2047區(qū)間檢測到了1個調(diào)控玉米葉面積的QTL位點, 表型貢獻率為9.27%。另外, 在此Bin1.08～1.10區(qū)間存在一個調(diào)控玉米葉發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)控基因Kn1-DL[42]。位于umc1823～umc2363(Bin2.02)區(qū)間存在1個調(diào)控ASI的sQTL位點, 累積表型貢獻率為17.18%, 基因作用方式均為超顯性。在干旱和正常灌水條件下, 在Bin2.02處的umc1518附近, 張吉民等[43]同時定位到了1個吐絲期、1個散粉期及1個ASI的QTL位點, 3個QTLs的基因作用方式均為超顯性, 其分別可解釋表型貢獻的8.1%、11.1%和8.8%。位于bnlg1621a～umc2027(Bin4.06)區(qū)間同時存在1個調(diào)控穗位高和穗位比的sQTL位點, 累積表型貢獻率分別為16.04%和14.13%, 基因作用方式以部分顯性效應(yīng)為主。楊曉軍等[2]同樣在bnlg1621附近檢測到了1個調(diào)控穗位高的QTL位點, 表型貢獻率為3.01%, 基因作用方式為加性效應(yīng)。Nikolic等[13]和許誠等[17]在相同區(qū)域同樣檢測到了多個調(diào)控株高的QTLs位點。位于umc2040～bnlg1174a(Bin4.09)區(qū)間同時存在1個調(diào)控ASI和雄穗分枝數(shù)的sQTL位點, 累積表型貢獻率分別為20.68%和15.56%, 在2個性狀間基因作用方式分別為顯性和部分顯性效應(yīng)。Zhao等[8]利用meta-QTL分析在Bin4.09的umc2287～umc1101區(qū)間挖掘到了1個調(diào)控雄穗分枝數(shù)的meta-QTL位點, 進一步分析確定了1個調(diào)控玉米雄穗發(fā)育的候選基因ZAG3。位于umc2177～umc1378(Bin7.00)區(qū)間存在1個調(diào)控雄穗分枝數(shù)的sQTL位點, 累積表型貢獻率為27.23%, 基因作用方式均為超顯性效應(yīng)。在正常供水和干旱脅迫處理下, Zhao等[8]同樣在umc2177～umc1378區(qū)間檢測到了6個調(diào)控雄穗分枝數(shù)的QTLs位點, 累積表型貢獻率為80.20%, 基因作用方式均為超顯性效應(yīng), 并在此區(qū)間預(yù)測到了1個調(diào)控玉米雄穗發(fā)育的關(guān)鍵基因MADS3。位于umc1005～umc2218(Bin8.08)區(qū)間存在1個調(diào)控穗位比的sQTL位點, 累積表型貢獻率為20.01%, 基因作用方式均為加性效應(yīng)。李賢唐等[12]在Bin8.07～8.08的umc1384～phi015區(qū)間也檢測到了1個調(diào)控穗位比的QTL位點, 可解釋表型變異的2.63%。位于bnlg451～umc337(Bin10.01～10.02)區(qū)間同時存在1個調(diào)控株高和穗位比的sQTL位點, 累積表型貢獻率分別為20.46%和15.07%, 2個性狀間基因作用方式均為顯性效應(yīng)。楊曉軍等[2]也在bnlg1451～phi059區(qū)間檢測到了1個調(diào)控株高的QTL位點, 表型貢獻率為4.86%。說明Bin1.07、Bin1.08～1.10、Bin2.02、Bin4.06、Bin4.09、Bin7.00、Bin8.08和Bin10.01～10.02區(qū)域是調(diào)控玉米株高、穗位高、穗位比、葉面積、ASI和雄穗分枝數(shù)等農(nóng)藝性狀的重要sQTLs位點, 且這些穩(wěn)定表達的sQTLs位點可為今后玉米相關(guān)農(nóng)藝性狀改良的候選染色體區(qū)段, 用于圖位克隆及MAS選擇育種。另外, 本研究還檢測到了1個新的sQTL位點, 位于umc2040～bnlg1174a(Bin6.05)區(qū)間調(diào)控ASI, 累積表型貢獻率為26.87%, 基因作用方式均為加性效應(yīng), 因此該位點可為玉米ASI遺傳機理剖析提供新信息。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明, 玉米的株高、穗位高、葉面積、葉形系數(shù)和雄穗分枝數(shù)呈明顯的正向超親優(yōu)勢, 而穗位比和ASI表現(xiàn)為明顯的中親優(yōu)勢；7個農(nóng)藝性狀的F1雜種優(yōu)勢指數(shù)和相對雜種優(yōu)勢表現(xiàn)一致均為株高>穗位高>雄穗分枝數(shù)>葉面積>葉形系數(shù)>ASI>穗位比, 而F2優(yōu)勢降低率表現(xiàn)為葉面積>株高>穗位高>雄穗分枝數(shù)>ASI>葉形系數(shù)>穗位比。7個農(nóng)藝性狀與單穗重顯著相關(guān), 并利用逐步回歸分析成功構(gòu)建了單穗重與6個農(nóng)藝性狀間(除雄穗分枝數(shù))的最優(yōu)多元線性回歸方程。7個農(nóng)藝性狀在2套F2群體間總共檢測到了56個QTLs位點, 其中株高、穗位比、ASI和雄穗分枝數(shù)均受加性和非加性效應(yīng)的調(diào)控, 而穗位高、葉面積和葉形系數(shù)只受非加性效應(yīng)的調(diào)控；進一步分析, 在2套F2群體中總共檢測到了12個穩(wěn)定表達的sQTLs位點。這些研究結(jié)果可為玉米相關(guān)農(nóng)藝性狀的遺傳改良、育種應(yīng)用、QTL精細定位及基因克隆提供參考。