利用大芻草滲入系群體定位玉米株高和穗位高QTL

柳志華，肖仁杰，徐瑩，羅紅兵,2，黃成,2*

利用大芻草滲入系群體定位玉米株高和穗位高QTL

柳志華1，肖仁杰1，徐瑩1，羅紅兵1,2，黃成1,2*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省玉米工程技術研究中心，湖南 長沙 410128)

利用玉米自交系W22與大芻草雜交衍生得到的包含866個家系的滲入系群體，結合均勻覆蓋玉米全基因組的19 838個SNP分子標記，采用R/qtl的多QTL模型對玉米株高和穗位高進行高精度的QTL定位分析。結果表明：玉米株高和穗位高存在廣泛的遺傳變異，屬于典型的數(shù)量性狀，由微效多基因控制；共檢測到4個控制株高的QTL，分別位于第1、5和8染色體上，單個株高QTL表型貢獻率變幅為2.33%～4.85%，加性效應的變幅為2.33～6.01 cm；共檢測到10個控制穗位高的QTL，分別位于第1、2、3、5、6、7和8染色體上，單個穗位高QTL表型貢獻率的變幅為1.77%～6.15%，加性效應的變幅為1.75～6.25 cm。

玉米；大芻草滲入系；株高；穗位高；QTL定位

株高和穗位高是構成玉米理想株型的2個重要農(nóng)藝性狀。研究表明，株高和穗位高過高，會降低種植密度、抗倒伏性和收獲指數(shù)；過低，則影響田間通透性，提高病蟲害感染率，降低生物產(chǎn)量[1]。進一步解析玉米株高和穗位高的遺傳基礎，對選育具有理想株型且高產(chǎn)的玉米品種具有重要意義。

玉米株高和穗位高是典型的數(shù)量性狀，由微效多基因控制。隨著測序成本的逐漸降低和分子標記技術的快速發(fā)展，國內(nèi)外研究者利用連鎖群體和關聯(lián)群體對玉米株高和穗位高開展了大量的定位研究[2–7]，并檢測到許多控制玉米株高和穗位高的數(shù)量性狀基因座(quantitative trait locus，QTL)和關聯(lián)位點，但僅有少數(shù)基因被克隆。主要在玉米莖尖表達，提高的表達，促進GA1的積累，增加細胞長度和節(jié)間長，表現(xiàn)出更高的株高[8]。[9]、[10]、[11]、[12]和[13]可通過赤霉素途徑調(diào)控玉米株高。[14]和[15]是調(diào)控玉米生長素極性運輸?shù)年P鍵基因，與野生型相比，的突變體植株和的過表達植株均顯著降低了株高和穗位高。盡管目前對玉米株高和穗位高的研究較多，但利用玉米–大芻草滲入系群體解析玉米株高和穗位高遺傳基礎的研究還鮮有報道。

本研究中，利用包含866個家系的玉米–大芻草滲入系群體，結合均勻覆蓋全基因組的19 838個SNP分子標記，對玉米株高和穗位高進行高精度的QTL定位分析，旨在為進一步克隆玉米株高和穗位高QTL和分子標記輔助選擇育種提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　材料

以玉米自交系W22作為受體親本和輪回親本，以大芻草(ssp.)作為供體親本，通過雜交1次、回交2次和自交3次衍生而成BC2S3滲入系群體，共包含866個家系。該群體已經(jīng)利用GBS(genotyping-by-sequencing)簡化基因組測序技術獲得了均勻覆蓋玉米全基因組的19 838個SNP分子標記。

1.2　方法

1.2.1試驗設計

2019年春季在湖南省瀏陽市(28.2°N, 113.6°E)國家農(nóng)作物品種區(qū)域試驗站種植BC2S3滲入系群體。田間試驗采用擴增式不完全隨機區(qū)組設計。每個小區(qū)種植2行，每行種植15株，株距25 cm。每壟種植2個家系。壟高15 cm，壟寬70 cm，溝寬30 cm。田間管理同當?shù)厣a(chǎn)管理。

1.2.2表型調(diào)查

散粉10 d后調(diào)查株高和穗位高，每個家系從第3株開始，連續(xù)調(diào)查8個單株。株高即從地面至植株頂葉葉環(huán)的高度。穗位高即從地面至最上部雌穗著生節(jié)的高度。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

利用SAS軟件計算每個家系株高和穗位高的最佳線性無偏估計值(BLUP)；運用R軟件對表型數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，計算變異系數(shù)、偏度、峰度，并分析株高和穗位高的相關性。

1.2.4QTL定位

參照HUANG等[16]的方法，利用R/qtl的多QTL模型進行QTL定位分析。應用Haley–Knott回歸進行QTL簡單區(qū)間定位分析，并采用置換檢驗(permutation test)10 000次的方法確定各性狀QTL的LOD閾值(= 0.05)。將簡單區(qū)間定位得到的QTL模型進行多QTL模型擬合，并利用R/qtl的refineqtl命令優(yōu)化每個QTL的位置。進一步利用addqtl命令檢測基因組是否存在其他顯著改善模型的QTL，如果檢測到新的QTL，則重新擬合多QTL模型和優(yōu)化QTL位置。重復此過程，直至檢測不到新的QTL。最后利用fitqtl命令計算所有QTL解釋的總表型貢獻率及單個QTL的加性效應和表型貢獻率。參照MCCOUCH等[17]在1997年提出的方法進行QTL命名。

2　結果與分析

2.1　株高和穗位高表型值統(tǒng)計分析

運用R軟件對玉米–大芻草滲入系群體的株高和穗位高表型值進行統(tǒng)計分析，結果(表1)表明：滲入系群體的株高和穗位高存在廣泛的遺傳變異，株高和穗位高的變異范圍分別為113.2～192.3 cm和28.0～81.5 cm，變異系數(shù)分別為8.35%和18.85%，穗位高的變異程度大于株高；株高和穗位高的偏度和峰度絕對值均小于1，說明滲入系群體的株高和穗位高表型值均服從正態(tài)分布，呈現(xiàn)典型的數(shù)量性狀遺傳特征，符合QTL定位要求。

表1　株高和穗位高表型值的統(tǒng)計分析結果

2.2　株高和穗位高的頻率分布及相關性分析

頻率分布分析結果(圖1–a，圖1–b)表明，滲入系群體的株高和穗位高表型值均呈現(xiàn)連續(xù)性變異，且頻數(shù)分布圖與正態(tài)分布曲線擬合較好，表明株高和穗位高屬于典型的由多基因控制的數(shù)量性狀。相關性分析結果(圖1–c)表明，株高和穗位高之間存在極顯著的正相關，Pearson相關系數(shù)為0.66(< 0.01)，株高和穗位高的擬合方程為=0.89+109.36，株高和穗位高呈線性的正相關關系，表明株高和穗位高可能具有相似的遺傳基礎，具有部分相同的調(diào)控基因和代謝途徑。

圖1　株高和穗位高的頻率分布及相關性分析結果

2.3　株高和穗位高QTL定位分析

利用R/qtl的多QTL模型對滲入系群體的株高和穗位高進行QTL定位分析，采用置換檢驗10 000次的方法，確定株高和穗位高QTL的LOD閾值(分別為4.22和4.16)，共檢測到14個QTL，分別位于第1、2、3、5、6、7和8染色體上(圖2)。

圖2　株高和穗位高QTL圖譜

2.3.1株高QTL

共檢測到4個玉米株高QTL，分別為、、和，位于第1、5和8染色體上，兩側(cè)分子標記分別為m00824與m01009、m06413與m06822、m25156與m25315、m45071與m45142，單個QTL的LOD峰值為4.77～9.77，加性效應大小為2.33～6.01 cm，表型貢獻率為2.33%～4.85%，且4個QTL的增效等位基因均來自大芻草(表2)。

表2　株高和穗位高QTL定位結果

“△”示大芻草等位基因的顯性效應減少的性狀表型值。

2.3.2穗位高QTL

共檢測到10個玉米穗位高QTL，分別為、、、、、、、、和，位于第1、2、3、5、6、7和8染色體上，兩側(cè)分子標記分別為m00817與m00912、m06496與m06617、m07716與m07838、m08456與m10331、m16893與m17099、m25461與m25542、m28055與m29030、m35223與m35631、m36519與m38032、m43919與m44688，單個QTL的LOD峰值為4.92～16.58，加性效應大小為1.75～6.25 cm，表型貢獻率為1.77%～6.15%，且10個QTL中有9個QTL的增效等位基因來自大芻草，只有的增效等位基因來自玉米自交系W22(表2)。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，位于第1染色體上的株高QTL(35.0～44.0 cM)與穗位高QTL(35.0～39.6 cM)的置信區(qū)間存在重疊，位于第1染色體上的株高QTL(113.3～125.2 cM)與穗位高QTL(117.9～122.3 cM)的置信區(qū)間也存在重疊，且增效等位基因均來自大芻草，表明這2個區(qū)段可能存在緊密連鎖的控制玉米株高和穗位高的不同基因，或是同一基因的一因多效作用。

3　結論與討論

本研究中，玉米株高和穗位高之間存在極顯著的正相關關系，表明株高和穗位高可能具有相似的遺傳基礎，且一般株高較高的植株穗位高也相應較高，這與前人的研究結果相一致[1–2]。QTL定位分析發(fā)現(xiàn)：在第1染色體上的2個區(qū)段均檢測到置信區(qū)間重疊的株高和穗位高QTL，表明這2個區(qū)段可能存在緊密連鎖的控制玉米株高和穗位高的不同基因，或是同一基因的一因多效作用；在第5和8染色體上，同時檢測到了株高和穗位高QTL，但QTL的置信區(qū)間沒有重疊；大部分株高和穗位高QTL的置信區(qū)間沒有重疊，甚至位于不同的染色體上，在玉米第2、3、6和7染色體上僅檢測到穗位高QTL，而沒有檢測到株高QTL。以上結果表明，控制玉米株高和穗位高的基因大多是不同的，即株高和穗位高具有相對獨立的遺傳基礎和不同的遺傳調(diào)控機制；因此，在今后的育種實踐中，可以單獨改良玉米株高和穗位高。

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QTL mapping of plant height and ear height in maize using a teosinte introgression line population

LIU Zhihua1, XIAO Renjie1, XU Ying1, LUO Hongbing1,2, HUANG Cheng1,2*

(1.College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2.Maize Engineering Technology Research Center of Hunan Province, Changsha, Hunan 410128, China)

Using a large population of 866 maize-teosinte introgression lines that has been genotyped into 19,838 SNP markers, we performed a high resolution QTL mapping of the plant height and ear height. The results showed that there are wide genetic variations in plant height and ear height, which belong to typical quantitative traits and are controlled by the genes of small effect. Totally, 4 QTL of the plant height were located on chromosome 1, 5 and 8, and the phenotypic contribution rate and additive effect of each QTL ranged from 2.33% to 4.85% and from 2.33 cm to 6.01 cm, respectively. In addition, 10 QTL of the ear height were located on chromosome 1, 2, 3, 5, 6, 7 and 8, and the phenotypic contribution rate and additive effect of each QTL ranged from 1.77% to 6.15% and from 1.75 cm to 6.25 cm, respectively.

maize; teosinte introgression line; plant height; ear height; QTL mapping

S513.01

A

1007-1032(2020)04-0381-05

10.13331/j.cnki.jhau.2020.04.001

柳志華，肖仁杰，徐瑩，羅紅兵，黃成．利用大芻草滲入系群體定位玉米株高和穗位高QTL [J]．湖南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)，2020，46(4)：381–385．

LIU Z H, XIAO R J, XU Y, LUO H B, HUANG C. QTL mapping of plant height and ear height in maize using a teosinte introgression line population[J]. Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences), 2020, 46(4): 381–385.

http://xb.hunau.edu.cn

2019–10–17

2019–11–27

國家重點研發(fā)計劃(2016YFD0101803)；國家自然科學基金項目(31801319)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目(18B117)

柳志華(1993—)，女，甘肅平?jīng)鋈耍T士研究生，主要從事玉米種質(zhì)創(chuàng)新與利用研究，liuzhihua317@stu.hunau.edu.cn；

，黃成，博士，講師，主要從事玉米遺傳學及功能基因組學研究，hc66@hunau.edu.cn

責任編輯：毛友純

英文編輯：柳正