玉米雄穗分化及相關(guān)QTL的研究進(jìn)展

高 媛，涂 亮，王安貴，郭向陽(yáng)，劉鵬飛，祝云芳，陳澤輝，吳 迅*

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025; 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 旱糧研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006)

玉米為禾本科、一年生的雌雄同株的異花授粉植物，起源于中美洲，由大芻草經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期馴化而成[1]，在16世紀(jì)時(shí)傳入我國(guó)，通常表現(xiàn)為莖強(qiáng)壯，植株高大。玉米在我國(guó)各地均有種植，“鐮刀彎地區(qū)”是我國(guó)玉米主產(chǎn)區(qū)，主要分為東北地區(qū)、西南地區(qū)以及華南地區(qū)。玉米是我國(guó)重要的糧食作物，同時(shí)也是飼料、能源作物之一。玉米雄穗相關(guān)性狀作為雄穗大小的衡量指標(biāo)，與籽粒產(chǎn)量的形成有十分密切的聯(lián)系。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加、生活水平的提高，人們對(duì)糧食作物的需求量不斷增加，對(duì)品質(zhì)要求也越來(lái)越高。因此，為滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)文化需求，通過(guò)玉米雄穗相關(guān)性狀的遺傳改良實(shí)現(xiàn)玉米的提質(zhì)增產(chǎn)。雄穗屬于典型的、復(fù)雜的數(shù)量性狀，位于植株的頂端，受多個(gè)微效等位基因共同控制，也易受遺傳背景和環(huán)境條件的影響[2-4]。不同研究者利用不同環(huán)境下的不同玉米親本材料，對(duì)玉米雄穗相關(guān)性狀進(jìn)行QTL定位，在玉米的10條染色體上均定位成功。雄穗在進(jìn)行育種和種子生產(chǎn)時(shí)，被證明是重要的農(nóng)藝性狀之一。玉米雄穗分枝數(shù)也決定著產(chǎn)量的高低，但研究者們對(duì)玉米雄穗分枝數(shù)的基因研究報(bào)道相對(duì)較少。因此，通過(guò)綜述玉米雄穗發(fā)育及雄穗相關(guān)性狀的QTL定位，利用新技術(shù)和新方法進(jìn)一步解析玉米雄穗發(fā)育的遺傳基礎(chǔ)，為玉米育種的遺傳改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 玉米雄穗性狀

1.1 玉米雄穗的形態(tài)特征

雄穗俗稱(chēng)天花，屬圓錐花序，是生長(zhǎng)在莖稈頂部的雄性花蕊。雄穗由直立較粗的花序軸與較細(xì)的分枝組成，品種不同，雄穗分枝數(shù)也各不相同?；ㄐ蜉S周?chē)嘈谐蓪?duì)小穗，而分枝上僅著生2行成對(duì)小穗。每個(gè)節(jié)上各著生2個(gè)小穗(有柄和無(wú)柄)，分別位于上下方。小穗基部的兩側(cè)各著生1片護(hù)穎，護(hù)穎間著生2朵雄花，每朵花均由1片內(nèi)外穎(稃)和3個(gè)雄蕊組成[5]。

1.2 玉米雄穗的分化過(guò)程

穗分化的各個(gè)時(shí)期對(duì)玉米產(chǎn)量的形成均很重要，是玉米產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，主要分為生長(zhǎng)錐未伸長(zhǎng)期、生長(zhǎng)錐伸長(zhǎng)期、小穗分化期、小花分化期和性器官發(fā)育形成期共5個(gè)時(shí)期[6]。其中，小穗分化期被證明是雄穗分枝形成的關(guān)鍵時(shí)期，主要表現(xiàn)為莖的生長(zhǎng)點(diǎn)繼續(xù)伸長(zhǎng)，基部出現(xiàn)分枝突起，突起先發(fā)育成雄穗分枝，后分化為成對(duì)排列的小穗。中部出現(xiàn)小穗原基，后分化成2個(gè)大小不同的小穗突起，大的在上，有柄；小的在下，無(wú)柄。此時(shí)期延續(xù)5～7 d，葉齡指數(shù)40左右，可見(jiàn)葉11～13片，展開(kāi)葉7.4～9.6片[7]。

雄穗分枝數(shù)是植株頂端雄花序所有分枝的總數(shù)，雄穗分枝數(shù)與玉米的種子繁殖能力有關(guān)[8]。GERALDI等[9]研究發(fā)現(xiàn)，玉米雄穗分枝數(shù)與玉米籽粒產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。但在種子生產(chǎn)過(guò)程中，為提高制種產(chǎn)量，降低制種成本，雙親中的父本植株應(yīng)有較大的雄穗[10]。大小適中的雄穗可作為玉米的理想株型，較大的雄穗會(huì)影響株型的冠層結(jié)構(gòu)[11]，降低通透性[12]。研究表明：耐旱性與雄穗分枝數(shù)之間有顯著相關(guān)性，這可能是玉米耐旱性群體在育種及改良過(guò)程中間接導(dǎo)致分枝數(shù)減少的原因[13-14]。DUVICK等[15]研究表明，美國(guó)先鋒雜交種在20年間雄穗降低了36%。因此，玉米小穗分化期決定著雄穗分枝的數(shù)目，在育種過(guò)程中起重要作用。

2 玉米雄穗分枝數(shù)的QTL研究

2.1 玉米雄穗分枝數(shù)的遺傳分析

霍仕平[16]采用數(shù)量遺傳學(xué)方法對(duì)6個(gè)不同世代的玉米雄穗相關(guān)性狀進(jìn)行遺傳分析表明，雄穗分枝數(shù)符合加性、顯性遺傳，認(rèn)為在選擇雄穗時(shí)，對(duì)分枝數(shù)進(jìn)行早代選擇是比較有效的。孫振等[17]對(duì)多個(gè)玉米材料的雄穗相關(guān)性狀進(jìn)行遺傳分析表明，不同氮環(huán)境下的雄穗分枝數(shù)性狀存在顯著的基因型和基因型×氮水平的互作差異，廣義遺傳力為0.52～0.86，F(xiàn)1代有中親遺傳和超顯性遺傳的優(yōu)點(diǎn)，并表現(xiàn)出正向雜種優(yōu)勢(shì)。王迪[18]在聯(lián)合環(huán)境下對(duì)2個(gè)群體的雄穗分枝數(shù)及雄穗重進(jìn)行遺傳分析表明，2個(gè)群體中雄穗分枝數(shù)的遺傳力均較高，并在3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中基本呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。楊釗釗等[19]通過(guò)對(duì)11個(gè)RIL群體及其親本的雄穗性狀進(jìn)行遺傳分析表明，在不同環(huán)境下，雄穗性狀有明顯差異；相同環(huán)境不同群體間的表型值也達(dá)顯著差異。雄穗分枝數(shù)的遺傳力為0.92～0.96，在3個(gè)雄穗相關(guān)性狀中最高，相關(guān)性分析表明，雄穗一級(jí)分枝數(shù)在遺傳上相對(duì)獨(dú)立。

玉米雄穗分枝數(shù)是復(fù)雜的數(shù)量性狀，因品種不同，分枝個(gè)數(shù)也存在一定的差異。通過(guò)對(duì)雄穗分枝數(shù)性狀進(jìn)行遺傳分析，可為該性狀在育種過(guò)程中提供更有價(jià)值的理論參考。

2.2 玉米雄穗相關(guān)性狀的QTL定位

2.2.1 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展，玉米10條染色體上均鑒定出了控制玉米雄穗分枝數(shù)的QTL，并對(duì)雄穗分枝數(shù)性狀的QTL進(jìn)行整合(表1)。

表1 玉米雄穗分枝數(shù)性狀QTL信息整合

王迪等[20]以黃早四為共同親本的F2:3群體為材料，結(jié)合2年多點(diǎn)的表型鑒定對(duì)多種環(huán)境下的玉米雄穗相關(guān)性狀進(jìn)行QTL定位，共檢測(cè)到40個(gè)雄穗分枝數(shù)性狀的QTL(Q/H群體23個(gè)，Y/H群體17個(gè))，其中包括5個(gè)主效QTL，并在Q/H群體中確定了2個(gè)重要的QTL，即位于bin7.01的Qqtpbn7-1和位于bin7.02的Qqtw7-2。檢測(cè)到11個(gè)雄穗重性狀的QTL：Q/H群體9個(gè)，Y/H群體2個(gè)。王召輝等[21]對(duì)MU6×SDM和Mo17×SDM構(gòu)建的F2∶3群體進(jìn)行雄穗分枝數(shù)的QTL定位，在2個(gè)群體中，各檢測(cè)到1個(gè)和3個(gè)QTL。在Mo/S群體中檢測(cè)到2個(gè)主效QTL：MN-2a和MN-4a，各解釋表型變異的10.85%和10.36%。

楊釗釗等[22]以黃早四為共同親本材料構(gòu)建了11個(gè)不同組合的RIL群體，采用完備區(qū)間作圖法，在單環(huán)境和多個(gè)不同環(huán)境下對(duì)玉米雄穗相關(guān)性狀進(jìn)行QTL定位，在單環(huán)境下，11個(gè)群體中共檢測(cè)到雄穗一級(jí)分枝數(shù)、主軸長(zhǎng)、雄穗干重的QTL分別為79個(gè)、84個(gè)和88個(gè)；在多環(huán)境下，共檢測(cè)到15個(gè)能夠穩(wěn)定表達(dá)的“環(huán)境鈍感”主效QTL。在染色體bin3.04區(qū)域，齊319和旅28群體均定位到1個(gè)主效QTL，其平均貢獻(xiàn)率分別為17.4%和14.4%。白成銀等[23]以3237×1212的玉米回交群體為材料，通過(guò)SSR標(biāo)記構(gòu)建遺傳圖譜，進(jìn)行玉米雄穗相關(guān)性狀的QTL定位，共檢測(cè)到7個(gè)QTL，其中，控制雄穗分枝數(shù)的4個(gè)QTL位于第2、3、5、7條染色體上，可解釋10.96%～24.75%的表型變異。

張媛等[24]對(duì)親本為甜玉米材料的F2、F2∶3群體的雄穗分枝數(shù)進(jìn)行QTL定位表明，在F2群體中共檢測(cè)到6個(gè)QTL，其中4個(gè)QTL的表型貢獻(xiàn)率均大于10%，為主效QTL；在F2∶3群體中共檢測(cè)到8個(gè)QTL，僅有1個(gè)QTL的表型貢獻(xiàn)率大于10%。CHEN等[25]通過(guò)昌7-2×787的F2群體為材料，運(yùn)用GBS技術(shù)構(gòu)建一個(gè)超高密度的遺傳圖譜，進(jìn)行雄穗相關(guān)性狀的QTL定位，共檢測(cè)到10個(gè)QTL，其中，表型效應(yīng)最大的qTBN4和qTBN7，各解釋6.2%和6.3%的表型變異，參考基因組定位的遺傳距離為6.1 Mb和1.6 Mb。

吳迅等[26]基于中國(guó)NAM群體，共鑒定出28個(gè)雄穗分枝數(shù)相關(guān)的QTL，可解釋表型變異的73.03%，其中12個(gè)QTL與單個(gè)重組自交系群體的定位一致，可解釋表型變異的平均值為10.19%；基于美國(guó)NAM群體，共鑒定出35個(gè)雄穂分枝數(shù)相關(guān)的QTL，其中29個(gè)QTL與單群體的定位一致，可解釋表型變異的平均值為10.73%。一致性分析發(fā)現(xiàn)，在2個(gè)群體中同時(shí)檢測(cè)到13個(gè)雄穗分枝數(shù)相關(guān)的QTL。在基因組范圍內(nèi)，共定位到125個(gè)雄穗相關(guān)性狀的QTL。劉軍霞等[27]以掖488×Va35-2構(gòu)建F2∶3群體，運(yùn)用復(fù)合區(qū)間作圖法在不同環(huán)境下的進(jìn)行雄穗相關(guān)性狀的QTL定位與遺傳分析表明，在單個(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，位于第1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、9號(hào)和10號(hào)染色體，單個(gè)QTL的表型貢獻(xiàn)率范圍為3.38%～17.01%，僅有第8染色體上未定位到；在2個(gè)環(huán)境下，同時(shí)檢測(cè)到8個(gè)穩(wěn)定表達(dá)的QTL(4個(gè)雄穗分枝數(shù)的QTL位點(diǎn):bin3.04的qTBN-Ch.3-1，bin5.04的qTBN-Ch.5-1，bin7.02的qTBN-Ch.7-1，bin9.01-9.02的qTBN-Ch.9-1)。代資舉等[28]以鄭58×昌7-2構(gòu)建了188個(gè)不同組合的重組自交系群體，通過(guò)288個(gè)多態(tài)性分子標(biāo)記(SNP)構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，進(jìn)行玉米雄穗分枝數(shù)性狀的QTL定位，共檢測(cè)到5個(gè)一致性主效QTL，各位于5條不同染色體上。通過(guò)連續(xù)回交及分子標(biāo)記輔助育種(MAS)構(gòu)建了位于bin5.05區(qū)域的主效QTL-qTBN5近等基因系(NIL)，將其定位在13.2 Mb區(qū)間內(nèi)，為玉米雄穗分枝數(shù)主效基因的精細(xì)定位及分子育種奠定基礎(chǔ)。

賈波等[29]通過(guò)RA×M5P構(gòu)建205個(gè)家系的重組自交系群體，在2個(gè)環(huán)境下，運(yùn)用復(fù)合區(qū)間作圖法，對(duì)玉米雄穗分枝數(shù)進(jìn)行QTL定位。共檢測(cè)到5個(gè)QTL，分別位于第1、2、3、9號(hào)染色體上，可解釋3.66%～8.41%的表型變異。在2個(gè)環(huán)境中均能穩(wěn)定檢測(cè)到染色體bin1.04、bin9.03區(qū)域。這些不同環(huán)境下穩(wěn)定檢測(cè)到的雄穗性狀QTL位點(diǎn)可以為進(jìn)一步的遺傳研究提供理論基礎(chǔ)。田然等[30]以掖478為遺傳背景、齊319為供體親本的染色體片段導(dǎo)入系CL103為父本，與背景親本回交并自交構(gòu)建含955個(gè)單株的F2分離群體，利用完備區(qū)間作圖法對(duì)控制玉米雄穗分枝數(shù)的主效QTL進(jìn)行精細(xì)定位，最終將qTBN7精細(xì)定位在第7染色體物理位置110088645～110160101 bp區(qū)域內(nèi)，LOD值為25.06，可解釋11.47%的表型變異，該區(qū)間包含14個(gè)候選基因，包括已報(bào)道的控制玉米雄穗分枝數(shù)的基因ramosa1(ra1)。

2.2.2 國(guó)外研究進(jìn)展 UPADYAYULA等[10]利用回交1代群體，在第4、7號(hào)染色體上檢測(cè)到1個(gè)控制雄穗分枝數(shù)的QTL，各解釋11.7%和7.9%的表型變異。HAMMAD等[31]利用K12466/1×K47/2-2-1-3-3-1-1-1構(gòu)建F2:3群體，共檢測(cè)到5個(gè)雄穗分枝數(shù)相關(guān)的QTL，可解釋14.73%的表型變異。BERKE等[32]利用染色體片段導(dǎo)入系群體檢測(cè)到7個(gè)雄穗分枝數(shù)相關(guān)的QTL，均位于第5染色體上。BROWN等[4]利用5 000份重組自交系群體組成的(NAM)群體，檢測(cè)到39個(gè)雄穗分枝數(shù)相關(guān)的QTL。MICKELSON等[33]通過(guò) B73×Mo17構(gòu)建RIL群體，共檢測(cè)到6個(gè)雄穗分枝數(shù)相關(guān)的QTL，位于第2號(hào)染色體umc53a位置附近的QTL的表型貢獻(xiàn)率為19.2%，3個(gè)雄穗分枝角度相關(guān)的QTL，可解釋表型變異的35.6%。UPADYAYULA等[34]用1個(gè)群體檢測(cè)到2個(gè)雄穗分枝數(shù)相關(guān)的QTL，分別位于bin7.02位置和bin9.02位置。

前人的研究報(bào)道對(duì)于深度解析玉米雄穗性狀變異的遺傳基礎(chǔ)，以及快速改良玉米雄穗性狀提供了大量的科學(xué)支撐。但比較發(fā)現(xiàn)，不同研究報(bào)道結(jié)果之間存在部分研究結(jié)果的一致性，但大部分研究者因?yàn)樗玫牟牧?、?biāo)記類(lèi)型和數(shù)量的不同，其定位結(jié)果也存在一定的差異。一定程度上揭示了不同材料之間的重組差異，也反應(yīng)出不同的標(biāo)記類(lèi)型和數(shù)量，其檢測(cè)的分辨率差異。因此，結(jié)合高通量的基因型鑒定策略、新的QTL統(tǒng)計(jì)模型和精準(zhǔn)表型評(píng)價(jià)手段等，深入發(fā)掘不同來(lái)源玉米種質(zhì)內(nèi)蘊(yùn)藏的控制雄穗性狀變異的關(guān)鍵遺傳區(qū)段和基因，對(duì)高效改良玉米雄穗相關(guān)性狀具有十分重要的理論意義和實(shí)踐利用價(jià)值。

3 展望

目前，玉米育種的重點(diǎn)方向之一是選育雄穗大小適中、適宜當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的品種。玉米雄穗分枝數(shù)是復(fù)雜的數(shù)量遺傳性狀，其 QTL定位易受親本、群體的密度和類(lèi)型及環(huán)境因素等影響。迄今為止，控制玉米雄穗分枝數(shù)性狀的基因研究報(bào)道相對(duì)較少，前人針對(duì)不同材料的研究結(jié)果表明：不同材料間雄穗分枝數(shù)差異明顯，從而遺傳結(jié)果也不完全相同。不同的研究者利用不同親本、標(biāo)記類(lèi)型和數(shù)量的差異，在玉米10條染色體上均定位出了控制玉米雄穗分枝數(shù)性狀的QTL。因此，通過(guò)對(duì)玉米雄穗相關(guān)性狀基因的定位，研究玉米雄穗相關(guān)性狀的候選基因的遺傳基礎(chǔ)及效應(yīng)，發(fā)掘具有優(yōu)勢(shì)的雄穗性狀的玉米新基因資源，為玉米籽粒產(chǎn)量和株型相關(guān)性狀的遺傳改良提供理論依據(jù)。

隨著科學(xué)技術(shù)及現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展，少數(shù)研究者通過(guò)構(gòu)建SNP遺傳連鎖圖譜[35-36]，檢測(cè)到一些控制雄穗相關(guān)性狀的QTL，但受群體、標(biāo)記類(lèi)型和數(shù)目影響，QTL鑒定的區(qū)間較大，新的穩(wěn)定QTL位點(diǎn)仍有待挖掘。近年來(lái)發(fā)展的GBS技術(shù)能夠大大提高QTL定位的準(zhǔn)確性，并且縮小了定位區(qū)間，避免了傳統(tǒng)的基因型鑒別方法的不足，對(duì)QTL的定位起到了重要作用[34]。同時(shí)，結(jié)合連鎖分析和全基因組關(guān)聯(lián)分析策略，可以保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性，同時(shí)還能提高檢測(cè)結(jié)果的分辨率，鑒定出更多的重組事件。近些年新發(fā)展的技術(shù)和方法的應(yīng)用將為玉米雄穗相關(guān)性狀基因座的精細(xì)定位和候選基因的圖位克隆提供更豐富的理論支持，有效促進(jìn)玉米雄穗發(fā)育研究。