玉米株高和穗位高的QTL定位

尤詩婷，鄧 策，李會敏，呂 蒙，李志敏，劉惠芬

(1.天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300380； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

玉米的株型結(jié)構(gòu)是影響產(chǎn)量的重要因素。株高和穗位高過高會降低種植密度、抗倒伏性、生物產(chǎn)量，過低則不利于光合產(chǎn)物至穗部的有效運轉(zhuǎn)[1]。因此，研究株高和穗位高的遺傳機(jī)制，對于株高和穗位高適中玉米品種的選育及產(chǎn)量的提高具有重要意義。

隨著分子標(biāo)記的快速發(fā)展，在分子水平上剖析株高和穗位高的遺傳機(jī)制取得了很大進(jìn)展[2-3]。近年來，研究者們使用不同的群體類型、標(biāo)記密度和作圖方法定位了很多玉米株高和穗位高QTL(數(shù)量性狀位點)，并克隆出了一些主效QTL基因[4-9]。李浩川等[10]利用鄭單958為基礎(chǔ)材料構(gòu)建了包含161個家系的DH(雙單倍體)群體，利用107個SSR(簡單重復(fù)序列)標(biāo)記，采用CIM(復(fù)合區(qū)間作圖)法分別檢測到7個株高、11個穗位高的QTL，分別解釋了6.77%～21.31%、5.09%～17.12%的表型變異。胡德升等[11]利用玉米單片段代換系測交群體，通過SSR標(biāo)記在2個環(huán)境下分別定位了16個株高QTL和13個穗位高QTL。張寧等[12]利用B73×Zheng 58構(gòu)建了包含165個玉米單株的F3:4群體，利用189個SSR標(biāo)記共定位到5個株高QTL和6個穗位高QTL。殷鵬程[13]構(gòu)建了包含465個玉米單株的F2分離群體及其F2：3群體，利用1 052對SSR標(biāo)記，采用CIM法共定位了5個株高QTL和3個穗位高QTL；5個株高QTL解釋了3.30%～22.22%的表型變異，3個穗位高QTL解釋了8.47%～22.22%的表型變異。LI等[14]構(gòu)建了玉米F2:3群體和RIL(重組自交系)群體，利用SNP(單核苷酸多態(tài)性)標(biāo)記，采用CIM法，共檢測到6個株高QTL和15個穗位高QTL，Bin1.05、Bin5.04～5.05、Bin6.04～6.05區(qū)域為株高和穗位高共有QTL區(qū)域。何坤輝等[15]利用191個SSR標(biāo)記，采用ICIM(完備區(qū)間作圖)法，對玉米F7群體進(jìn)行QTL定位，共檢測到10個株高QTL、8個穗位高QTL。PAN等[16]構(gòu)建了包含1 887個玉米單株的ROAM(Random-open-parent association mapping)群體，利用56 110個SNP標(biāo)記，采用JLM(聯(lián)合連鎖作圖)法檢測到86個控制株高的QTL和96個控制穗位高的QTL，其中，1個新的株高QTLqPH3被進(jìn)一步精細(xì)定位至600 kb區(qū)間，包含3個候選基因。前人對玉米株高和穗位高的研究大多使用SSR標(biāo)記構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，所構(gòu)建的連鎖圖譜標(biāo)記密度低，定位的QTL區(qū)間大[10-13,15]，只能用于QTL初步定位。而利用高密度SNP標(biāo)記構(gòu)建的連鎖圖譜，提高了作圖分辨率，能對QTL進(jìn)行精細(xì)定位，還能對候選基因進(jìn)行鑒定，但在玉米株高和穗位高QTL定位方面的研究較少[3,14,16-20]，且未見使用BC2F5回交作圖群體的QTL 定位研究。為此，本研究使用2個BC2F5回交作圖群體，利用高密度SNP連鎖圖譜，采用ICIM法對株高和穗位高QTL進(jìn)行分析，以期挖掘出新的株高、穗位高QTL，為玉米株高和穗位高QTL精細(xì)定位、相關(guān)候選基因克隆奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

作圖群體為2個玉米BC2F5群體，它們是以優(yōu)良自交系B73為共同親本，分別與矮稈自交系K22和TY2經(jīng)過2次回交和5次自交構(gòu)建而成，分別由89個和95個株系構(gòu)成。以K22和B73構(gòu)建的BC2F5群體命名為KBBC2F5群體，以TY2和B73構(gòu)建的BC2F5群體命名為TBBC2F5群體。

1.2 田間試驗設(shè)計和表型鑒定

試驗于2016—2017年，分別在吉林省榆樹市和河南省長葛市2個地點同時進(jìn)行。田間試驗采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，單行區(qū)，行長4 m，行距0.66 m，株距0.25 m，2次重復(fù)。田間管理措施與當(dāng)?shù)匾恢隆Ｉ⒎?0 d后，每個家系取中間5個單株，調(diào)查株高和穗位高。以地面至雄穗頂端的高度為株高，地面至最上部果穗著生節(jié)的高度為穗位高。

1.3 連鎖圖譜的構(gòu)建和QTL作圖

苗期，取親本和家系的幼嫩葉片，采用CTAB法提取DNA。使用9.4k SNP芯片對群體和親本基因型進(jìn)行測序。在獲得SNP標(biāo)記信息后，篩選有多態(tài)性的SNP標(biāo)記，刪除雜合度高(>10%)、缺失率高(>10%)的SNP標(biāo)記。B73親本的基因型為“2”，其他親本的基因型為“0”，雜合基因型為“-1”。使用IciMapping 4.0軟件(http://www.isbreeding.net/software.html)中的MAP功能構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，使用BIP功能采用ICIM法進(jìn)行株高和穗位高QTL作圖。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2 結(jié)果與分析

2.1 不同環(huán)境下玉米親本及BC2F5群體的株高和穗位高及其遺傳力分析

由表1可知，親本B73的株高和穗位高與K22、TY2差異較大，后代株高和穗位高存在廣泛的變異。對峰度和偏度進(jìn)行分析可知，表型數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)分布。對于KBBC2F5群體，榆樹和長葛2個環(huán)境下株高的遺傳力分別為0.80和0.84，綜合兩試驗點分析，其遺傳力為0.54；榆樹和長葛2個環(huán)境下穗位高的遺傳力分別為0.63和0.74，綜合兩試驗點分析，其遺傳力為0.43。對于TBBC2F5群體，榆樹和長葛2個環(huán)境下株高的遺傳力分別為0.85和 0.74，綜合兩試驗點分析，其遺傳力為0.55；榆樹和長葛2個環(huán)境下穗位高的遺傳力分別為0.88和0.61，綜合兩試驗點分析，其遺傳力為0.55?？梢姡旮吆退胛桓叩倪z傳力均較高，說明遺傳變異是由基因控制的。

表1 玉米親本、BC2F5群體的株高和穗位高及其遺傳力Tab.1 Plant height and ear height of maize parent and BC2F5 population and their heritability

注：PH指株高(Plant height)，EH指穗位高(Ear height)，下同。

Note：PH indicates plant height,EH indicates ear height,the same below.

2.2 不同環(huán)境下玉米BC2F5群體株高和穗位高的方差分析

由表2可知，基因型對KBBC2F5和TBBC2F5群體的株高和穗位高的影響均達(dá)到極顯著水平，說明2個性狀受基因控制；環(huán)境、基因型×環(huán)境對株高和穗位高的影響也均達(dá)到極顯著水平，說明2個性狀均受環(huán)境及基因型與環(huán)境之間互作的影響。

表2 不同環(huán)境下玉米BC2F5群體株高和穗位高的方差分析Tab.2 Analysis of variance for plant height and ear height of maize under different environments

續(xù)表2 不同環(huán)境下玉米BC2F5群體株高和穗位高的方差分析Tab.2(Continued) Analysis of variance for plant height and ear height of maize under different environments

注：**表示在0.01水平下極顯著。

Note：**indicates significance at the level of 0.01.

2.3 玉米BC2F5群體遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建

由表3可知，對于KBBC2F5群體，群體大小為89株，遺傳連鎖圖譜長度為1 993.12 cM，SNP標(biāo)記數(shù)為985個，相鄰標(biāo)記間的平均距離為2.02 cM。對于TBBC2F5群體，群體大小為95株，遺傳連鎖圖譜長度為2 226.90 cM，SNP標(biāo)記數(shù)為1 096個，相鄰標(biāo)記間的平均距離為2.03 cM。

表3 玉米BC2F5群體遺傳連鎖圖譜信息 Tab.3 Genetic linkage map information of maize BC2F5 population

2.4 玉米BC2F5群體株高和穗位高的QTL定位與效應(yīng)分析

由表4可知，在2個BC2F5群體中共檢測到6個控制株高的QTL、7個控制穗位高的QTL。對于株高，在KBBC2F5群體中檢測到2個影響株高的QTL，分別位于第2、9染色體，表型貢獻(xiàn)率分別為19.41%、13.60%，QTL的加性效應(yīng)均來自親本K22；在TBBC2F5群體中檢測到4個影響株高的QTL，分別位于第2、6、10染色體，單個QTL表型貢獻(xiàn)率在8.36%～29.55%，3個QTL的加性效應(yīng)均來自親本TY2，其中，位于第2染色體Bin2.03～2.04區(qū)的QTLqPH2-2在2個環(huán)境下均被檢測到(圖1)，表型貢獻(xiàn)率為29.55%，加性效應(yīng)來自TY2親本，是控制株高的主效QTL。由表4可知，對于穗位高，在KBBC2F5群體中共檢測到4個影響穗位高的QTL，分別位于第2、6染色體，單個QTL表型貢獻(xiàn)率在10.47%～33.28%，其中，3個QTL的加性效應(yīng)來自親本K22，1個QTL的加性效應(yīng)來自親本B73。在TBBC2F5群體中共檢測到3個影響穗位高的QTL，分別位于第2、3染色體，單個QTL表型貢獻(xiàn)率在8.75%～31.86%。其中，2個QTL的加性效應(yīng)來自親本TY2，1個QTL的加性效應(yīng)來自親本B73，位于第2染色體Bin2.03～2.04區(qū)的QTLqEH2-5在2個環(huán)境下均被檢測到(圖1)，表型貢獻(xiàn)率為31.86%，其加性效應(yīng)來自親本TY2，是控制穗位高的主效QTL。

表4 玉米BC2F5群體株高和穗位高QTL Tab.4 QTLs for plant height and ear height detected in maize BC2F5 population

續(xù)表4 玉米BC2F5群體株高和穗位高QTL Tab.4(Continued) QTL for plant height and ear height detected in maize BC2F5 population

圖1 玉米BC2F5群體在2個環(huán)境下株高和穗位高QTL的分布Fig.1 QTL distribution of plant height and ear height of maize BC2F5 population under two environments

3 結(jié)論與討論

本研究在玉米第2、3、6、9、10染色體上共檢測到6個影響株高的QTL和7個影響穗位高的QTL，單個QTL的表型貢獻(xiàn)率分別為8.36%～29.55%、8.75%～33.28%，其中，在第2染色體上分別檢測到1個穩(wěn)定的株高QTL(qPH2-2)和1個穩(wěn)定的穗位高QTL(qEH2-5)。本研究與前人研究結(jié)果相比，檢測到的控制株高的QTLqPH2-1與于永濤等[21]定位的株高QTL區(qū)間相同，均位于第2染色體Bin2.03區(qū)；株高QTLqPH6-1、qPH6-2與VELDBOOM等[22]的結(jié)果一致，均位于第6染色體Bin6.05區(qū)；控制穗位高的QTLqEH3-2與LIMA等[23]和WEI等[24]的結(jié)果一致，均位于第3染色體Bin3.09區(qū)。值得注意的是，2個穩(wěn)定的QTLqPH2-2、qEH2-5(均位于第2染色體Bin2.03～2.04區(qū))與前人定位結(jié)果不同，可以認(rèn)為是控制株高、穗位高性狀的新位點。本研究鑒定了與株高、穗位高位點連鎖的分子標(biāo)記，為開發(fā)株高、穗位高功能標(biāo)記和進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇育種奠定了基礎(chǔ)。