玉米穗三葉葉寬QTL定位及Meta分析

張瑩瑩，楊 青，代資舉，王 艷，王新濤

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物設(shè)計(jì)中心，河南 鄭州 450002)

葉片是影響植株構(gòu)型的重要因素，同時(shí)也是植株進(jìn)行光合作用的主要器官。合理的葉片結(jié)構(gòu)有利于植株葉片的合理分布，從而影響植株的株型結(jié)構(gòu)以及光合效率[1-3]。葉寬是影響葉片形態(tài)的主要因素，對(duì)植株的光合能力有著重要影響。一方面，較窄的葉片有利于透光，但會(huì)影響自身對(duì)于光的吸收；另一方面，葉片較寬又會(huì)影響下層葉片對(duì)于光的吸收，從而降低整體的光合效率[4]。因此，研究玉米葉寬形成的分子機(jī)制，對(duì)于玉米植株株型改良以及光合效率提高有著重要意義。

玉米葉寬是由多基因控制的數(shù)量性狀，目前國內(nèi)外研究者通過QTL定位方法，利用不同的遺傳群體材料對(duì)葉寬進(jìn)行遺傳分析，在10條染色體上均定位到與葉寬相關(guān)的QTL[5-16]。REYMOND等[5]利用F-2與Io構(gòu)建的145個(gè)重組自交系(RIL)群體對(duì)玉米葉寬進(jìn)行QTL定位，檢測到9個(gè)與葉寬有關(guān)的QTL。鄭祖平等[6]利用Mo17與黃早四為親本構(gòu)建的RIL群體在不同供氮水平下檢測到2個(gè)與玉米穗位葉葉寬相關(guān)的QTL，且位于第5號(hào)染色體的QTL為主效QTL，可解釋17.32%的表型變異。KU等[7-8]利用分別由Yu82和Shen137以及Yu82和Yu87-1為親本構(gòu)建的2套F2:3群體，共檢測到9個(gè)與葉寬相關(guān)的QTL，可解釋表型變異率為4.86%～20.40%。LIU等[9]利用以S-951和Q319為親本構(gòu)建的RIL群體和IF2群體對(duì)玉米葉寬進(jìn)行QTL定位，在3個(gè)不同環(huán)境下檢測到47個(gè)QTL，可解釋表型變異率為3.5%～17.0%，其中檢測到14個(gè)與穗三葉葉寬有關(guān)的QTL，可解釋表型變異率為5.4%～13.4%。

玉米果穗葉及其上下兩葉合稱為穗三葉，其葉面積最大，功能期最長，與玉米籽粒形成時(shí)期較為一致，對(duì)玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量形成有著重要影響，而葉寬又是影響葉片形態(tài)的主要因素[17-18]。因此，研究穗三葉葉寬的遺傳機(jī)制可以為玉米株型的遺傳改良提供理論依據(jù)。國內(nèi)外研究人員發(fā)現(xiàn)了許多與玉米穗三葉葉寬有關(guān)的QTL[5-16]，但不同研究中QTL數(shù)目以及位置存在差異，且目前有關(guān)玉米穗三葉葉寬的Meta-QTL分析還鮮有報(bào)道。Meta分析可利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)不同來源的QTL進(jìn)行整合分析，縮小QTL置信區(qū)間，發(fā)掘穩(wěn)定的QTL位點(diǎn)?；诖耍狙芯恳杂衩鬃越幌掂?8和D863F為親本，構(gòu)建了包含241個(gè)家系的RIL群體，利用215對(duì)SSR標(biāo)記構(gòu)建遺傳圖譜，在3個(gè)不同環(huán)境下對(duì)玉米穗三葉葉寬進(jìn)行QTL分析，檢測穩(wěn)定表達(dá)的QTL位點(diǎn)，之后整合不同遺傳群體定位到的有關(guān)玉米穗三葉葉寬的QTL，通過Meta-QTL分析，發(fā)掘控制玉米穗三葉葉寬的一致性QTL(mQTL)，為下一步玉米穗三葉葉寬主效QTL的精細(xì)定位和優(yōu)良株型育種提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

以玉米自交系鄭58和D863F為親本，從F2代后采用單粒傳法連續(xù)自交至F7代，構(gòu)建含有241個(gè)家系的RIL群體。

1.2 田間試驗(yàn)及表型數(shù)據(jù)測定

1.3 遺傳圖譜的構(gòu)建

運(yùn)用CTAB法[19]提取鄭58和D863F及其群體的基因組DNA，篩選出均勻覆蓋玉米10條染色體的SSR標(biāo)記，并進(jìn)行多態(tài)性篩選，選出親本間有差異的SSR標(biāo)記215對(duì)，利用這些SSR標(biāo)記對(duì)群體以及親本DNA進(jìn)行分析。利用JoinMap 4.0軟件進(jìn)行遺傳圖譜繪制。

1.4 QTL定位方法

運(yùn)用QTL IciMapping 4.0軟件的完備區(qū)間作圖法[20]對(duì)3個(gè)環(huán)境下的穗三葉葉寬進(jìn)行QTL檢測。按照軟件默認(rèn)值設(shè)置參數(shù)，LOD閾值為2.5，QTL顯著性閾值為P<0.01水平，通過1 000次排列檢測確定。QTL命名方式為q-性狀命名-環(huán)境-所在染色體，其中，原陽、西平、樂東3個(gè)環(huán)境分別用1、2、3來表示。若1個(gè)染色體上存在多個(gè)QTL位點(diǎn)，則在染色體后加數(shù)字1、2、3等加以區(qū)分。

1.5 玉米穗三葉葉寬的Meta分析

從已發(fā)表文獻(xiàn)中收集與玉米穗三葉葉寬有關(guān)的QTL信息[6,9-14]，主要包括作圖群體類型、群體大小、QTL數(shù)目、QTL位置、LOD值、置信區(qū)間以及貢獻(xiàn)率等。以IBM2 2008 Neighbors為參考圖譜，對(duì)不同來源的穗三葉葉寬QTL進(jìn)行整合，對(duì)置信區(qū)間未知的QTL，根據(jù)DARVASI等[21]的公式推斷其95%置信區(qū)間。

C.I.=530/(N×R2)

(1)

C.I.=163/(N×R2)

(2)

其中，C.I.為置信區(qū)間，N代表作圖群體大小，R2代表貢獻(xiàn)率，公式(1)適用于回交和F2作圖群體，公式(2)適用于RIL作圖群體。之后利用BioMercator 4.2軟件將所收集的圖譜與參考圖譜進(jìn)行比對(duì)，對(duì)QTL進(jìn)行整理。mQTL命名規(guī)則為m-QTL-性狀-所在染色體。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同環(huán)境下玉米穗三葉葉寬表型數(shù)據(jù)分析

對(duì)原陽、西平、樂東3個(gè)環(huán)境下的玉米親本及RIL群體的穗三葉葉寬進(jìn)行測量并分析，結(jié)果(表1)顯示，3個(gè)環(huán)境下，鄭58和D863F的穗三葉葉寬均存在極顯著差異，D863F的穗三葉葉寬(9.7～11.4 cm)均高于鄭58(7.0～7.9 cm)。在RIL群體中，穗三葉葉寬(5.20～11.93 cm)存在明顯的超親分離，且在3個(gè)環(huán)境下，玉米穗三葉葉寬在群體中表現(xiàn)出連續(xù)變異(圖1—3)，基本符合正態(tài)分布，屬于典型的數(shù)量性狀遺傳特點(diǎn)，適宜于QTL定位研究。

表1 不同環(huán)境下玉米穗三葉葉寬表型值的描述統(tǒng)計(jì)

注：**表示t測驗(yàn)0.01水平上差異極顯著。

Note：**mean significantly different at 0.01 probability level by usingt-test.

圖1 原陽環(huán)境下RILs群體穗三葉的葉寬分布

圖2 西平環(huán)境下RILs群體穗三葉的葉寬分布

圖3 樂東環(huán)境下RILs群體穗三葉的葉寬分布

對(duì)3個(gè)環(huán)境下玉米R(shí)IL群體的穗下葉、穗位葉、穗上葉的葉寬數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(表2)發(fā)現(xiàn)，穗下葉、穗位葉、穗上葉葉寬在家系、環(huán)境以及家系×環(huán)境互作下的差異水平均達(dá)到極顯著水平，且均具有較高的廣義遺傳力，分別為93.69%、93.37%、92.83%。

表2 不同環(huán)境下玉米穗三葉葉寬的方差分析

注：**表示在0.01水平上差異極顯著。

Note：**mean significantly different at 0.01 probability level.

2.2 玉米R(shí)IL群體遺傳圖譜的構(gòu)建

對(duì)親本鄭58和D863F進(jìn)行多態(tài)性SSR標(biāo)記篩選，共鑒定出有差異性的標(biāo)記215對(duì)。構(gòu)建遺傳圖譜全長為1 832.35 cM，平均圖距為8.52 cM，其中第8號(hào)染色體標(biāo)記密度最高，平均遺傳距離為8.13 cM(圖4)。

圖4 玉米R(shí)ILs群體遺傳圖譜

2.3 不同環(huán)境下玉米穗三葉葉寬QTL定位結(jié)果

在3個(gè)不同環(huán)境條件下，檢測到與穗三葉葉寬有關(guān)的QTL共17個(gè)，分別位于5、6、8號(hào)染色體上，除6號(hào)染色體上檢測到的qFirLW2-6增效基因來源于鄭58，其余QTL的增效基因均來自于D863F。原陽、西平、樂東3個(gè)環(huán)境下分別檢測到5、7、5個(gè)與穗三葉葉寬有關(guān)的QTL，單個(gè)QTL可解釋表型變異率為5.30%～12.77%，表明穗三葉葉寬是受多基因控制的數(shù)量性狀(表3)。

表3 玉米R(shí)ILs群體穗三葉葉寬的QTL分析結(jié)果

3個(gè)環(huán)境下，均于8號(hào)染色體bnlg1056—bnlg1131區(qū)間內(nèi)檢測到與穗上葉葉寬有關(guān)的QTL，可解釋表型變異率為9.93%～12.77%；同時(shí)，在該位點(diǎn)也檢測到與穗下葉葉寬及穗位葉葉寬有關(guān)的QTL，可解釋表型變異率為10.53%～12.34%，表明該位點(diǎn)是一個(gè)控制穗三葉葉寬的主效QTL。在5號(hào)染色體umc2216—umc2201和8號(hào)染色體umc1882—umc1959區(qū)間內(nèi)，同時(shí)在原陽和西平2個(gè)環(huán)境下檢測到與穗下葉葉寬有關(guān)的QTL，可解釋表型變異率7.40%～8.43%；且在西平環(huán)境下，5號(hào)染色體umc2216—umc2201區(qū)間和8號(hào)染色體umc1882—umc1959區(qū)間內(nèi)還檢測到與穗位葉葉寬有關(guān)的QTL，可解釋表型變異率分別為9.27%、8.35%。另外，在樂東環(huán)境下，5號(hào)染色體umc1253—bnlg1006區(qū)間，檢測到與穗下葉葉寬、穗位葉葉寬有關(guān)的QTL，可解釋表型變異率分別為8.84%、11.27%。其余位點(diǎn)則是在單環(huán)境下檢測到的單QTL位點(diǎn)，解釋表型變異率為5.30%～5.89%。

2.4 玉米穗三葉葉寬的QTL映射及Meta分析

收集整合文獻(xiàn)報(bào)道的控制玉米穗三葉葉寬的119個(gè)QTL，將其同本研究定位到的17個(gè)QTL共同映射到整合圖譜上，共計(jì)獲得20個(gè)mQTL(表4)，置信區(qū)間為3.61～33.83 cM。除10號(hào)染色體外，在1—9號(hào)染色體上均獲得了mQTL，其中，在 1、3、4號(hào)染色體上均獲得了3個(gè)QTL，在2、5、6、8、9號(hào)染色體上均獲得2個(gè)mQTL，7號(hào)染色體上獲得1個(gè)QTL。每個(gè)mQTL包含2個(gè)及以上的不同QTL。結(jié)合表3可以看出，本研究檢測到的5號(hào)染色體上的qThiLW2-5位于mQTL5-1區(qū)段內(nèi)，6號(hào)染色體上的qFirLW2-6位于mQTL6-1區(qū)段內(nèi)，8號(hào)染色體上的qFirLW1-8、qFirLW2-8、qSecLW2-8位于mQTL8-1區(qū)段內(nèi)。

表4 玉米穗三葉葉寬mQTL及其相關(guān)信息

3 結(jié)論與討論

葉寬是復(fù)雜的數(shù)量性狀，遺傳背景、群體類型以及試驗(yàn)環(huán)境的差異會(huì)造成其QTL定位結(jié)果的不同。本研究通過由穗三葉葉寬存在顯著差異的親本鄭58和D863F及其構(gòu)建的RIL群體對(duì)玉米穗三葉葉寬進(jìn)行QTL定位，共計(jì)定位到17個(gè)與葉寬有關(guān)的QTL，其中有3個(gè)QTL在2個(gè)及以上環(huán)境均能檢測到，分別位于5、8號(hào)染色體上。利用IBM2 2008 Neighbors圖譜對(duì)不同遺傳群體、不同環(huán)境條件以及不同的標(biāo)記定位到的玉米穗三葉葉寬相關(guān)QTL進(jìn)行整合分析，獲得相同或鄰近染色體位置的mQTL。其中，mQTL5-1、mQTL6-1、mQTL8-1三個(gè)mQTL均含有本研究所定位到的QTL位點(diǎn)。

與前人研究結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，在5號(hào)染色體umc1680—phi101區(qū)間內(nèi)定位到qThiLW2-5與LIU等[9]通過IF2和RIL群體檢測到的結(jié)果一致，在本研究的元分析結(jié)果中也得到驗(yàn)證；LIU等[9]的研究還表明，該位點(diǎn)與玉米穗上葉葉寬也有關(guān)聯(lián)，證明該位點(diǎn)很可能存在控制玉米葉寬的基因。另外，在5號(hào)染色體umc1253—bnlg1006區(qū)間內(nèi)定位到的qFirLW3-5、qSecLW3-5與WANG等[15]的研究結(jié)果一致。在8號(hào)染色體umc1882—umc1959區(qū)間內(nèi)定位到的與穗下葉、穗位葉有關(guān)的qFirLW1-8、qFirLW2-8、qSecLW2-8與GUO等[11]的研究結(jié)果一致，在元分析結(jié)果中得到驗(yàn)證，位于mQTL8-1區(qū)間內(nèi)。

本研究在2個(gè)環(huán)境下均定位到5號(hào)染色體umc2216—umc2201區(qū)間內(nèi)存在1個(gè)與穗下葉葉寬的有關(guān)的QTL位點(diǎn)，該位點(diǎn)也與穗位葉葉寬有關(guān)，郭書磊等[22]對(duì)不同研究檢測到的QTL進(jìn)行Meta-QTL分析，發(fā)現(xiàn)該位點(diǎn)存在1個(gè)與葉形有關(guān)的mQTL，并且經(jīng)過候選基因分析發(fā)現(xiàn)，該位點(diǎn)區(qū)域內(nèi)含有1個(gè)GRF1基因。研究表明，玉米GRF家族是一類轉(zhuǎn)錄激活因子，能夠調(diào)控不同組織器官的發(fā)育，從而影響植株的形態(tài)建成。GRF1過量表達(dá)能夠?qū)е氯~片變大，而GRF10過表達(dá)會(huì)導(dǎo)致葉片變小、變窄[23]。KIM等[24]、HORIGUCHI等[25]研究表明，GRF家族過表達(dá)能夠通過調(diào)控細(xì)胞分裂和膨大來調(diào)控葉片的形態(tài)大小。推測GRF家族可能參與玉米穗三葉的形態(tài)發(fā)育。本研究在8號(hào)染色體bnlg1056—bnlg1131區(qū)間內(nèi)檢測到與穗三葉葉寬均有關(guān)的QTL位點(diǎn)，且在3個(gè)環(huán)境下均檢測到，證明該位點(diǎn)是一個(gè)可以穩(wěn)定表達(dá)的遺傳位點(diǎn)。ZHAO等[26]通過全基因組關(guān)聯(lián)分析在該區(qū)段內(nèi)同樣發(fā)現(xiàn)了控制葉寬的顯著性位點(diǎn)，通過對(duì)該區(qū)段的候選基因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了1個(gè)與磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶有關(guān)的基因，其與C4植物光合作用中二氧化碳的固定反應(yīng)有關(guān)。本研究為揭示玉米穗三葉葉寬的遺傳機(jī)制以及玉米的優(yōu)良株型育種提供了理論依據(jù)。