基于SNP標(biāo)記的玉米雄穗主要性狀QTL定位分析

賈 波，崔 敏，謝慶春，嚴(yán)衛(wèi)古，印志同*

(1.江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 淮安 223001；2.揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；3.江蘇省區(qū)域現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 淮安 223300)

【研究意義】雄穗性狀是玉米生長(zhǎng)發(fā)育過程中重要的農(nóng)藝性狀[1-2]，雌雄穗之間存在著一定的競(jìng)爭(zhēng)，較小的雄穗有利于減少植株養(yǎng)分消耗，增加群體通風(fēng)透光性，提高光合作用效率，進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量[3-4]。美國(guó)先鋒公司近年來玉米品種的雄穗呈現(xiàn)著逐漸減小的趨勢(shì)。劉元芝等[5]研究表明，在不追施氮肥的條件下，雄穗分枝數(shù)和雄穗重量與籽粒產(chǎn)量間呈顯著負(fù)相關(guān)；在追施氮肥的條件下，雄穗分枝數(shù)與籽粒產(chǎn)量間呈顯著負(fù)相關(guān)。但是從保存玉米種質(zhì)資源、提高雜交制種產(chǎn)量以及保證逆境條件下高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)等角度考慮，又需要雄穗具有足夠的小穗數(shù)和花粉量，以滿足植株授粉的需要[6]。因此，合理的雄穗結(jié)構(gòu)對(duì)于玉米生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。【前人研究進(jìn)展】近年來，科研人員對(duì)玉米雄穗性狀的遺傳特性展開了多方面研究?；羰似絒7]研究表明，除分枝數(shù)符合加性、顯性遺傳模型外，其余性狀的遺傳均可配合加性、顯性、上位性模型。豐光等研究認(rèn)為，玉米雄穗分枝性狀遺傳為多基因數(shù)量性狀控制，且符合加性-顯性-上位性多基因遺傳模型，顯性效應(yīng)起主要作用，多基因遺傳力較高。湯華等[8]利用豫玉22構(gòu)建的266個(gè)玉米F2∶3家系為材料，檢測(cè)到9個(gè)雄穗分枝數(shù)QTL，有5個(gè)QTL在兩地同時(shí)被檢測(cè)到，分布在1、3、9和10號(hào)染色體上，可解釋表型變異的5.13%～12.01%。Upadyayula 等[9]研究發(fā)現(xiàn)2個(gè)雄穗分枝數(shù)和4個(gè)雄穗重相關(guān)的QTL。劉軍霞等[10]以掖488×Va35-2 構(gòu)建的230個(gè)F2∶3家系為作圖群體，在2個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到7個(gè)雄穗分枝數(shù)QTL和8個(gè)雄穗主軸長(zhǎng)QTL，分別位于第1、2、3、4、5、6、7、9 和10號(hào)染色體上，且單個(gè)QTL的表型貢獻(xiàn)率介于3.38%～17.01%之間。白成銀[11]以玉米單天花突變材料與常規(guī)材料構(gòu)建回交群體及回交家系群體，共檢測(cè)到7個(gè)QTL，分別分布于2、3、5、7染色體上。楊釗釗等[12]以黃早四為共同親本組配的11個(gè)重組自交系群體，對(duì)玉米雄穗一級(jí)分枝數(shù)、雄穗主軸長(zhǎng)和雄穗干重3個(gè)性狀進(jìn)行QTL分析，對(duì)比不同群體結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只檢測(cè)到5個(gè)在3個(gè)群體中穩(wěn)定表達(dá)的一致性QTL及16個(gè)在2個(gè)群體中穩(wěn)定表達(dá)的一致性QTL。雄穗主要性狀是多基因控制的數(shù)量性狀，易受環(huán)境及遺傳材料的影響，不同的研究人員定位結(jié)果往往存在著一定的差異，并且大多數(shù)研究人員構(gòu)建的遺傳連鎖圖譜平均圖距較大，定位的精度不高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)記輔助選擇的要求?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本試驗(yàn)應(yīng)用SNP標(biāo)記構(gòu)建高密度遺傳連鎖圖譜，對(duì)玉米雄穗分枝數(shù)、雄穗長(zhǎng)、雄穗重等雄穗主要性狀進(jìn)行QTL定位?！緮M解決的關(guān)鍵問題】旨在為下一步遺傳研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用Z58和Y915構(gòu)建的192個(gè)F2∶3家系作為作圖群體。

1.2 表型數(shù)據(jù)采集

2016年夏及2017年春分別將Z58和Y915構(gòu)建的192個(gè)F2∶3家系種植于江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)田、揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)。

采用行長(zhǎng)5 m、行距0.6 m、每行20株的隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，2次重復(fù)。在散粉后10 d 調(diào)查雄穗長(zhǎng)和雄穗分枝數(shù)，從每行的第6株起，連續(xù)調(diào)查5株。取下這5株的雄穗，曬干后稱取雄穗重。

1.3 遺傳連鎖圖譜構(gòu)建

應(yīng)用56 110個(gè)SNP標(biāo)記對(duì)Z58×Y915的F2∶3群體進(jìn)行多態(tài)性鑒定，獲得14 283個(gè)多態(tài)性標(biāo)記，通過單倍型分析篩選其中的1736個(gè)SNP標(biāo)記構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，總圖距為1607.9 cM，標(biāo)記間平均距離為0.967 cM。標(biāo)記間的平均距離最大的是第10號(hào)染色體，距離為1.39 cM；標(biāo)記間平均距離最小是第2號(hào)染色體，距離為0.712 cM。

1.4 表型數(shù)據(jù)分析及QTL連鎖分析

表型數(shù)據(jù)分析：本實(shí)驗(yàn)的所有表型數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS16.0進(jìn)行分析處理。應(yīng)用frequences分析功能，得到頻數(shù)分布情況；使用ANOVA進(jìn)行方差分析。QTL連鎖分析：在Icimapping中運(yùn)用復(fù)合區(qū)間作圖法(CIM)，分析檢測(cè)F2∶3群體中玉米雄穗主要性狀的QTL數(shù)目，位置及效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型數(shù)據(jù)分析

本研究調(diào)查了2016年淮安夏播和2017揚(yáng)州春播2種環(huán)境條件下親本Z58、Y915及其F2∶3群體的3個(gè)雄穗主要性狀：雄穗長(zhǎng)(TL)、雄穗分枝數(shù)(TBN)、雄穗重(TW)。從表1可以看出，親本Z58和Y915在雄穗長(zhǎng)、雄穗分枝數(shù)以及雄穗重等性狀間存在著一定的差異，方差分析結(jié)果表明，F(xiàn)2∶3家系的雄穗長(zhǎng)、雄穗分枝數(shù)以及雄穗重在基因型間、基因型與環(huán)境互作間均達(dá)到了顯著或極顯著差異，表明玉米雄穗主要性狀的差異主要是由本身的遺傳因素決定的。圖1所示為2016年淮安、2017年揚(yáng)州2個(gè)環(huán)境條件下，F(xiàn)2∶3群體雄穗主要性狀的次數(shù)分布圖。圖中對(duì)角線顯示各性狀的次數(shù)分布，對(duì)角線上的值表示性狀間的相關(guān)系數(shù)，對(duì)角線下方表示各性狀的散點(diǎn)圖。正態(tài)分布檢驗(yàn)表明，F(xiàn)2∶3家系的雄穗長(zhǎng)、雄穗分枝數(shù)及雄穗重在群體內(nèi)分布比較廣泛，近似符合正態(tài)分布，表現(xiàn)出典型的數(shù)量遺傳特性，可以用于QTL定位分析，通過相關(guān)性檢驗(yàn)分析，可以看出 3個(gè)性狀之間的相關(guān)程度較高，雄穗分枝數(shù)和雄穗長(zhǎng)、雄穗重 2個(gè)性狀在不同的環(huán)境中均存在顯著的相關(guān)，雄穗長(zhǎng)與雄穗重之間相關(guān)性在2個(gè)環(huán)境中存在差異。

表1 玉米雄穗主要性狀的描述性分析，方差分析和遺傳力分析

注：**代表(P<0.01) 水平下差異顯著。

Note∶ ** represent significant difference at 0.01 level.

2.2 QTL定位分析

在2016年夏淮安及2017年春揚(yáng)州2個(gè)環(huán)境條件下，共檢測(cè)到15個(gè)與TL性狀連鎖的QTL位點(diǎn)，分別位于第1、3、4、5、6、7、8號(hào)染色體上，可解釋表型變異的0.66 %～22.58 %，在染色體 bin 值1.09、3.09位置，2個(gè)環(huán)境中均穩(wěn)定檢測(cè)到與TL連鎖的QTL位點(diǎn)；共檢測(cè)到12個(gè)與TBN性狀連鎖的QTL位點(diǎn)，分別位于第1、2、3、5、6、7、9號(hào)染色體上，可解釋表型變異的3.05 %～23.80 %，在染色體bin值2.08、3.09位置，2個(gè)環(huán)境中均穩(wěn)定檢測(cè)到與TBN連鎖的QTL位點(diǎn)；共檢測(cè)到9個(gè)與TW性狀連鎖的QTL位點(diǎn)，分別位于第1、3、4、6、7、9號(hào)染色體上，可解釋表型變異的4.52 %～27.55 %，在染色體bin值3.09、9.05位置，2個(gè)環(huán)境中均穩(wěn)定檢測(cè)到與TW連鎖的QTL位點(diǎn)。在染色體3.09位置，2個(gè)環(huán)境中均檢測(cè)到與TL、TBN、TW連鎖的位點(diǎn)，該位點(diǎn)是否存在一因多效，有待于進(jìn)一步研究驗(yàn)證(表2)。

3 討 論

鑒于雄穗主要性狀在玉米生長(zhǎng)發(fā)育過程中的重要作用，研究人員對(duì)其遺傳特性展開了較多地研究。楊釗釗[12]等研究發(fā)現(xiàn)，玉米雄穗分枝數(shù)和雄穗主軸長(zhǎng)的廣義遺傳力分別介于92 %～96 %和85 %～95 %。劉軍霞等[10]研究表明在2個(gè)環(huán)境下雄穗分枝數(shù)和雄穗主軸長(zhǎng)的廣義遺傳力同樣都較大，分別為78.65 %和81.09 %。本研究中F2∶3家系的雄穗長(zhǎng)、雄穗分枝數(shù)、雄穗重遺傳力也較大，分別為69 %、67 %、61 %，因此選擇玉米雄穗優(yōu)良性狀時(shí)，要特別注重對(duì)基礎(chǔ)材料的早代選擇。

***, 代表P<0.001水平下差異顯著；**, 代表P<0.01水平下差異顯著；*, 代表P<0.05水平下差異顯著***, significant at P<0.001; **, significant at P<0.01; *, significant at P<0.05圖1 不同環(huán)境條件下F2∶3群體雄穗主要性狀的次數(shù)分布Fig.1 Frequency distribution of tassel traits in F2∶3 population under two different environments

表2 不同環(huán)境條件下檢測(cè)到的雄穗性狀QTL

QTL定位方面，本研究在淮安、揚(yáng)州 2 個(gè)環(huán)境條件下共檢測(cè)到15個(gè)與雄穗長(zhǎng)(TL)性狀連鎖的QTL位點(diǎn)，位于染色體bin值1.04、1.09、3.04、3.05、3.09、4.01、4.09、5.01、6.01、7.00、8.05、8.06位置，可解釋表型變異的0.66 %～22.58 %，其中淮安環(huán)境條件下檢測(cè)到的染色體bin值8.06位置的2個(gè)QTL位點(diǎn)效應(yīng)值較大，可分別解釋表型變異的10.26 %、22.58 %。TL性狀QTL定位分析前人研究較多，高世斌[13]在染色體bin值2.05～2.06、6.06～6.07、2.05～2.07、4.10、10.01～10.02位置檢測(cè)到與TL連鎖的位點(diǎn)；楊釗釗[12]在11個(gè)群體中檢測(cè)到與TL性狀連鎖的環(huán)境鈍感的主效QTL位點(diǎn)位于染色體bin值1.06、2.04位置；劉軍霞[10]在不同環(huán)境下F2∶3家系中檢測(cè)到的與TL連鎖的位點(diǎn)位于染色體bin值2.04、3.04、6.05、7.02、9.01、10.01、10.03位置。比較發(fā)現(xiàn)，劉軍霞[10]在3.04位置檢測(cè)到的位點(diǎn)與本研究結(jié)果比較一致，其他研究人員的結(jié)論與本研究差異較大。雄穗分枝數(shù)(TBN)方面，本研究在2個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到12個(gè)與之連鎖的QTL位點(diǎn)，位于染色體bin值1.07、2.01、2.08、3.08、3.09、5.03、6.01、7.04、9.00、9.07位置，可解釋表型變異的3.05 %～23.80 %，其中淮安環(huán)境下在染色體bin值3.09、5.03位置、揚(yáng)州環(huán)境下染色體bin值3.09位置檢測(cè)到的位點(diǎn)效益值較大，可分別解釋表型變異的12.87 %、11.83 %、23.80 %。Mickelson[14]在染色體bin值2.02、2.05、2.07、3.04位置檢測(cè)到與TBN連鎖的QTL位點(diǎn)；Edward S.Buckler定位預(yù)測(cè)的位點(diǎn)位于染色體 bin 值2.04、3.04位置；高世斌[13]定位的TBN位點(diǎn)位于染色體bin值2.05～2.06、6.06～6.07、2.05～2.07、4.10、10.01～10.02位置；白成銀[11]通過構(gòu)建單天花突變材料與常規(guī)材料的回交群體及回交家系群體，檢測(cè)到與TBN連鎖的位點(diǎn)位于染色體bin值2.04、3.06、5.04、7.02位置；王迪等[15]構(gòu)建Q/H群體在6個(gè)環(huán)境下檢測(cè)到的TBN性狀QTL位點(diǎn)數(shù)目比較多，分布位于1、2、3、4、6、7、8、10號(hào)染色體上。其中王迪[15]檢測(cè)到的Qqtpbn2-1、Qqtpbn3-32個(gè)位點(diǎn)分別位于染色體bin值2.08、3.09位置與本試驗(yàn)研究結(jié)果比較一致，其他研究人員的結(jié)論與本試驗(yàn)差異較大。雄穗重方面，本研究定位的位點(diǎn)位于染色體bin值1.07、3.03、3.09、4.01、4.08、6.00、9.05位置，可解釋表型變異的4.52 %～27.55 %，其中揚(yáng)州環(huán)境下染色體bin值3.09、9.05位置檢測(cè)到位點(diǎn)效益值比較大，可分別解釋表型變異的12.16 %、27.55 %。對(duì)于雄穗重的QTL定位研究相對(duì)較少，王迪[15]在Q/H群體中檢測(cè)的位點(diǎn)位于染色體bin值1.02、1.04、1.08、1.11、6.00、7.01、7.02、7.03、9.00、10.04位置，與本試驗(yàn)研究結(jié)果差異較大。

綜上所述，不同研究人員因遺傳材料、群體類型、種植環(huán)境等因素的影響，雄穗主要性狀的QTL定位結(jié)果存在著較大的差異。怎樣整合不同研究人員試驗(yàn)結(jié)論，解析雄穗性狀的遺傳機(jī)理，并應(yīng)用于育種實(shí)踐，仍需要進(jìn)一步研究探索。