不同水分環(huán)境下玉米葉形相關(guān)性狀與SSR標記的關(guān)聯(lián)分析*

鐘 源, 趙小強, 李文麗

不同水分環(huán)境下玉米葉形相關(guān)性狀與SSR標記的關(guān)聯(lián)分析*

鐘 源, 趙小強**, 李文麗

(甘肅農(nóng)業(yè)大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室 蘭州 730070)

玉米的葉形結(jié)構(gòu)與其抗旱性緊密相關(guān), 挖掘不同水分環(huán)境下調(diào)控玉米葉形相關(guān)性狀的顯著關(guān)聯(lián)分子標記位點, 可為揭示玉米葉形結(jié)構(gòu)的分子遺傳機理、克隆相關(guān)調(diào)控基因并進行抗旱理想株型育種提供參考。本研究在不同水分環(huán)境下分析187份玉米自交系葉長、葉寬、葉夾角、葉向值、葉面積、葉形系數(shù)及葉片卷曲度等7個葉形相關(guān)性狀的變化, 采用SSR標記對這些材料進行全基因組掃描并分析其遺傳多樣性, 采用一般線性模型(GLM)尋找不同水分環(huán)境下與玉米7個葉形相關(guān)性狀關(guān)聯(lián)的分子標記。結(jié)果表明: 1)干旱環(huán)境下187份玉米自交系的葉長、葉寬、葉夾角、葉面積均顯著降低, 而葉向值、葉形系數(shù)及葉片卷曲度均明顯升高, 且干旱環(huán)境下這7個葉形相關(guān)性狀的變異比率為30.53%~198.31%。2)145對SSR標記共檢測出652個等位變異, 變異范圍在2~13個; 多態(tài)性信息量(PIC)變異范圍為0.201~0.966, 平均0.478。采用UPGMA聚類及群體遺傳結(jié)構(gòu)分析均將供試材料分為旅大紅骨(LRC)、唐四平頭(TSPT)、蘭卡斯特(Lan)、P及瑞德(Reid)等5大類群。3)采用GLM模型, 在不同水分環(huán)境下共檢測到15個SSR標記與玉米的7個葉形相關(guān)性狀在<0.01水平下關(guān)聯(lián), 各標記對表型的解釋率為2.25%~27.30%, 72.97%的標記可在干旱環(huán)境下被檢測到; 其中umc1124、umc2363、umc2214、umc1742、phi331888、umc1378、bnlg1863、umc2134和umc1345標記同時與不同水分環(huán)境下的多個葉形相關(guān)性狀連鎖, 表現(xiàn)出明顯的“一因多效”現(xiàn)象。這些研究結(jié)果將為玉米葉形結(jié)構(gòu)的遺傳改良及抗旱理想株型分子標記輔助選擇育種提供參考。

玉米; 葉形結(jié)構(gòu); 干旱; 遺傳結(jié)構(gòu); 關(guān)聯(lián)分析

玉米()是集糧食、飼料及生物質(zhì)能源為一體的多用途C4作物, 其在穩(wěn)定國家糧食安全、促進畜牧業(yè)發(fā)展及改善人民生活水平等方面扮演著重要角色。干旱是限制玉米增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)最為重要的非生物逆境脅迫因素之一。Zhao等[1]報道, 近30 a來干旱導致全球玉米減產(chǎn)39.3%。因此, 提高玉米的抗旱性并培育優(yōu)良抗旱新品種是解決玉米安全生產(chǎn)的有效育種策略。葉片不僅是玉米進行光合作用的重要組織源, 而且是玉米感知干旱、溫度等外界壓力信號及與環(huán)境進行水分、氣體交換的重要器官[2-5], 與玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)緊密相關(guān)。葉長、葉寬、葉夾角、葉向值、葉面積、葉形系數(shù)及葉片卷曲度等玉米葉形結(jié)構(gòu)是屬于多個微效基因共同調(diào)控的典型數(shù)量遺傳性狀, 受環(huán)境效應的影響較大[6]。Zhao等[1]、Zhao等[2]、Ribaut等[7]、Bennetzen等[8]和趙小強等[9]研究揭示, 干旱缺水時不同株型玉米的葉形結(jié)構(gòu)、氣孔形態(tài)、葉片的各種生理代謝及光合特性均會發(fā)生適應性的改變, 其葉長、葉寬、葉夾角及葉面積均顯著減小, 葉形系數(shù)和葉向值均會顯著增大; 葉片上/下表皮氣孔個數(shù)會增多, 氣孔長度和寬度均會變小; 葉片的葉綠素a、b、a+b含量及葉綠素a/b會顯著降低, 葉片的氣孔導度、凈光合速率、葉片溫度、蒸騰速率和RuBPCase活性均會明顯減小, 胞間CO2濃度會明顯升高, 玉米的這些葉形結(jié)構(gòu)的適應性變化共同構(gòu)成了玉米的株型抗旱機制。

近年來, 數(shù)量遺傳學家先后開發(fā)的加性-顯性-母體遺傳模型(additive-dominant-maternal effect genetic model, ADM)[3]、混合線性加顯模型(mixed additive-dominance model, AD)[10]、主基因+多基因遺傳模型(major genes plus polygenes genetic model, MG+PG)[11]、ABC法[10]、Geoffrey分析法[12]及世代分析法[13]等遺傳模型與分析方法在玉米葉形相關(guān)性狀遺傳機理研究中得到了廣泛應用, 為玉米葉形結(jié)構(gòu)的遺傳改良及理想株型育種奠定了堅實的基礎(chǔ)。加之借助分子標記技術(shù)鑒定不同環(huán)境下調(diào)控玉米葉形相關(guān)性狀的基因/QTL (quantitative trait locus)位點, 為深入解析其葉形結(jié)構(gòu)的遺傳機制提供了可行的手段。Mickelson等[14]利用B73×Mo17發(fā)展了1套RILs (recombinant inbred lines)群體, 通過CIM (composite interval mapping)法在不同生態(tài)環(huán)境下定位到了10個QTLs與葉夾角相關(guān)。Pan等[15]以20份葉形結(jié)構(gòu)差異較大的自交系構(gòu)建1套含有1 887份家系的ROAM (random-open-parent association mapping)群體, 對玉米的葉長、葉寬、葉夾角、穗上葉片數(shù)、穗下葉片數(shù)及總?cè)~數(shù)等進行了QTL、QTL×E (QTL by environment interaction)及GWAS (genome-wide association study)分析。Ku等[5]通過Yu82×Shen137構(gòu)建了1套F2∶3群體, 采用CIM法在兩種生態(tài)環(huán)境下檢測到了15個調(diào)控玉米葉長、葉寬、葉夾角及葉向值的QTLs位點。Zhao等[2]利用Langhuang×TS141和Chang7-2×TS141構(gòu)建了2套F2和2套F2∶3群體, 采用CIM法在9種不同水分環(huán)境下共識別到了29個調(diào)控葉夾角、葉向值、葉長、葉寬、葉面積及葉形系數(shù)的sQTLs (stable QTLs), 并通過meta分析, 檢測到了21個meta-QTLs (mQTLs)和24個調(diào)控玉米葉形結(jié)構(gòu)發(fā)育的候選基因。甚至, Ku等[4]、郭書磊等[6]和Wang等[16]先后整合了多套不同遺傳背景下檢測到的玉米葉長、葉寬、葉夾角及葉向值QTLs信息, 通過meta分析分別識別到了17、73和12個相關(guān)mQTLs, 并預測到了15、44和7個與玉米葉片發(fā)育緊密關(guān)聯(lián)的候選基因。從這些研究不難看出, 通過構(gòu)建定位群體雖然可以找到一些重要QTLs/基因信息, 但是該方法不僅需要花費大量人力和時間, 且由于構(gòu)建的定位群體所采用材料的遺傳背景、群體結(jié)構(gòu)與大小及QTL定位方法不同, 導致QTL定位結(jié)果不盡相同, 嚴重影響了相關(guān)性狀的基因克隆及分子標記輔助選擇(marker-assisted selection, MAS)育種的應用。

基于連鎖不平衡作圖(linkage disequilibrium, LD)的關(guān)聯(lián)分析法(association analysis), 是通過對供試群體候選基因的分子標記進行掃描或檢測, 進而確定相應群體不同遺傳材料間所攜帶的等位基因位點信息并分析等位基因?qū)δ繕诵誀钬暙I大小的一種方法[17]。該方法作為數(shù)量遺傳性狀研究中的重要補充方法, 已被廣泛應用到玉米[18]、小麥()[19]及水稻()[20]等作物重要數(shù)量遺傳性狀等位基因位點挖掘中?；谝陨峡紤], 本研究采用SSR (simple sequence repeats)標記技術(shù)揭示了187份不同玉米自交系的遺傳多樣性, 在不同水分環(huán)境處理下通過對這些自交系的葉長、葉寬、葉夾角、葉向值、葉面積、葉形系數(shù)及葉片卷曲度等葉形相關(guān)性狀進行了田間鑒定, 并采用關(guān)聯(lián)分析法定位不同水分環(huán)境下與玉米葉形相關(guān)性狀緊密連鎖的SSR標記, 以期為玉米葉形相關(guān)抗旱優(yōu)良新品種的MAS育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以黃早四(來源于四平頭雜株)、B73(來源于BSSSC5)、丹340(來源于旅9×有稃玉米的雜交)、齊319(選自美國雜交種P78799)、Mo17(來源于C103×C1187-2)、掖478(來源于沈5003×U8112)等6份玉米雜種優(yōu)勢劃分標準測驗種在內(nèi)的84份國內(nèi)核心玉米種質(zhì)及本試驗自育的103份玉米自交系為試材。這些材料均由甘肅省干旱生境作物學重點實驗室-分子標記輔助選育實驗室提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 田間玉米自交系葉形結(jié)構(gòu)鑒定

試驗于2017年4月中旬至9月下旬在甘肅省農(nóng)業(yè)科學院黃羊麥類作物育種試驗站(37.97oN, 102.63oE, 海拔1 508 m)進行。試驗均設(shè)正常供水(CK, 玉米全生育期內(nèi)只要降水不足就及時供水)及干旱脅迫處理(DS, 玉米大喇叭口前期至花期結(jié)束不供水, 其他生育時期每隔20 d供水1次)[21-23]。每一處理均采用完全隨機區(qū)組設(shè)計, 3次重復。每一自交系設(shè)單行區(qū), 行長5 m, 株距25 cm, 行距40 cm。播前于2017年3月統(tǒng)一整地、施肥并采用平膜覆蓋試驗地, 其他管理同一般大田。2017年該試驗地玉米生育期(4—9月)內(nèi)月平均氣溫為17.8 ℃, 總降水量為169.6 mm?；ê蟮?0 d從每一處理相應自交系中選擇長勢整體一致的10株, 并參照Zhao等[2]和趙小強等[24]方法測定其棒三葉的葉長(leaf length, LL; 葉基至葉頂端的長度)、葉寬(leaf width, LW; 葉片中間展開寬度)、葉夾角(leaf angle, LA; 葉片與莖稈的銳角角度), 并計算其葉面積(leaf size, LS)、葉向值(leaf orientation value, LOV)、葉形系數(shù)(leaf shape coefficient, LSC)及葉片卷曲度(leaf rolling index, LRI), 計算公式為:

[26](2)

[2](3)

式中: LF (length from beginning of ligule to flagging point of leaf, 葉基至葉最高點的長度)為高點長; LCW (width of a leaf in the middle of natural curl)為葉片中間自然卷曲狀態(tài)下的寬度;為3, 代表測定葉片數(shù)。

1.2.2 SSR標記分析

采用CTAB法[28]提取從田間剪取的五葉期玉米幼苗的全基因組DNA, 并用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA質(zhì)量, 紫外分光光度計檢測DNA濃度并稀釋至50 ng?μL?1, ?20 ℃低溫保存?zhèn)湓囼炈琛腗aizeGDB (Maize Genome Database)數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站(http://www.maizegdb.org/)中選取均勻分布于玉米10個連鎖群多態(tài)性較好的SSR標記145對, 并參照鐘源等[28]的方法進行PCR擴增、聚丙烯酰胺凝膠電泳及銀染。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

田間不同水分環(huán)境處理下測定的187份玉米自交系的葉形相關(guān)性狀數(shù)據(jù)均采用統(tǒng)計軟件IBM SPSS 19.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)進行描述性統(tǒng)計分析、聯(lián)合方差分析及Pearson相關(guān)分析。SSR擴增產(chǎn)物構(gòu)建0、1矩陣, 并以A、B、C等不同大寫字母記錄基因型。SSR位點的多態(tài)性信息量(polymorphism information content value, PIC)按以下公式計算:

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分環(huán)境下參試玉米自交系葉形相關(guān)性狀的表型鑒定

在正常供水下, 187份玉米自交系的7個葉形相關(guān)性狀的變異系數(shù)介于13.21%(葉寬)~59.23%(葉片卷曲度); 而干旱脅迫處理下, 這些玉米自交系的7個葉形相關(guān)性狀的變異系數(shù)介于9.62%(葉長)~ 28.22%(葉夾角)(表1)。說明玉米自交系的7個葉形相關(guān)性狀在不同水分處理下均存在豐富的遺傳變異。方差分析表明, 187份玉米自交系的7個葉形相關(guān)性狀在自交系間均達到<0.01或<0.05水平差異顯著(表2)。說明玉米的這些葉形結(jié)構(gòu)受自交系自身遺傳特性的調(diào)控, 因此, 育種中可以重點改良玉米的這些葉形結(jié)構(gòu), 進而達到改良玉米株型的目的。這7個葉形相關(guān)性狀在水分處理間及自交系與水分處理互作間差異均極顯著(<0.01)或顯著(<0.05), 且在干旱脅迫處理下, 這些玉米自交系的葉長、葉寬、葉夾角、葉面積均顯著降低, 而葉向值、葉形系數(shù)及葉片卷曲度均顯著增大, 且這7個葉形相關(guān)性狀的變異比率介于30.53%(葉片卷曲度)~198.31%(葉夾角)(表1和表2)。表明玉米為了避免水分環(huán)境對其造成的傷害, 植株的葉長、葉寬、葉夾角、葉向值、葉面積、葉形系數(shù)及葉片卷曲度等葉形結(jié)構(gòu)明顯地發(fā)生適應性的改變, 且這些性狀還顯著受基因型與環(huán)境互作效應的共同調(diào)控。此外, 在兩種水分環(huán)境下, 187份玉米自交系7個葉形相關(guān)性狀的偏度和峰度均基本介于?1.0~1.0(表1)。表明玉米的這些葉形相關(guān)性狀呈典型的數(shù)量遺傳特性, 因此可以對其進行QTL定位或關(guān)聯(lián)分析。

2.2 參試玉米自交系葉形相關(guān)性狀的相關(guān)性分析

187份玉米自交系的7個葉形相關(guān)性狀間Pearson相關(guān)分析結(jié)果(表3)表明, 葉長與葉面積、葉形系數(shù)及葉寬間均極顯著正相關(guān)(<0.01), 與葉夾角、葉向值及葉片卷曲度間均顯著負相關(guān)(<0.05); 葉寬與葉面積間極顯著正相關(guān), 與葉形系數(shù)、葉片卷曲度、葉夾角及葉向值間極顯著(<0.01)或顯著(<0.05)負相關(guān); 葉夾角與葉向值、葉面積及葉形系數(shù)間均極顯著(<0.01)或顯著(<0.05)負相關(guān); 葉向值與葉面積間極顯著負相關(guān)(<0.01); 葉面積與葉形系數(shù)和葉片卷曲度間顯著負相關(guān); 葉形系數(shù)與葉片卷曲度間顯著(<0.05)正相關(guān)(表3)。說明玉米的這些葉形相關(guān)性狀間彼此關(guān)聯(lián), 其相互協(xié)同或抑制作用共同建成了不同玉米自交系特定的葉形結(jié)構(gòu)。

2.3 參試玉米自交系的SSR標記遺傳多樣性分析

選擇均勻分布于玉米10個連鎖群的145對SSR標記對187份玉米自交系進行了全基因組掃描, 共檢測出了652個等位基因, 每對SSR標記檢測出了2~13個, 平均為4.50個, 其中位于Bin 3.05處的標記phi073的等位基因最多檢測出了13個, 而等位基因變異最少的是位于Bin 1.05處的umc2025等13個標記, 均為2個等位基因(表4)。每對SSR標記的多態(tài)性信息量(PIC)的變異范圍介于0.200~0.966, 平均為0.478。其中標記umc1278 (Bin 1.07)的PIC最大, 而標記bnlg1877 (Bin 10.07)的PIC最小(表4)。進一步利用遺傳相似系數(shù)(GS)和UPGMA分析, 參試所有玉米自交系的GS變異范圍為0.610~1.000, 并在GS在0.612時可將187份玉米自交系明顯劃分為5大類群, 即包含丹340等25份材料的旅大紅骨類群(LRC)、黃早四為代表的唐四平頭類群(TSPT)為34份材料、Mo17在內(nèi)的28份蘭卡斯特類群(Lan)材料、包括齊319等38份材料的P群(P)及B73與掖478等62份材料聚成的瑞德類群(Reid)材料(表5)。

表1 不同水分環(huán)境下187份玉米自交系葉形相關(guān)性狀的表型值

LL: 葉長; LW: 葉寬; LA: 葉夾角; LOV: 葉向值; LS: 葉面積; LSC: 葉形系數(shù); LRI: 葉片卷曲度; CK: 正常供水處理; DS: 干旱脅迫處理。LL: leaf length; LW: leaf width; LA: leaf angle; LOV: leaf orientation value; LS: leaf size; LSC: leaf shape coefficient; LRI: leaf rolling index; CK: normal water treatment; DS: drought stress treatment.

表2 不同水分環(huán)境下187份玉米自交系葉形相關(guān)性狀的方差分析(F值)

*或**分別代表<0.05或<0.01水平差異顯著。LL: 葉長; LW: 葉寬; LA: 葉夾角; LOV: 葉向值; LS: 葉面積; LSC: 葉形系數(shù); LRI: 葉片卷曲度。* or ** indicate significant difference at<0.05 or<0.01 levels, respectively. LL: leaf length; LW: leaf width; LA: leaf angle; LOV: leaf orientation value; LS: leaf size; LSC: leaf shape coefficient; LRI: leaf rolling index.

表3 187份玉米自交系葉形相關(guān)性狀的相關(guān)分析

*或**分別代表<0.05或<0.01水平顯著相關(guān)。LL: 葉長; LW: 葉寬; LA: 葉夾角; LOV: 葉向值; LS: 葉面積; LSC: 葉形系數(shù); LRI: 葉片卷曲度。* or ** indicate significant correlation at<0.05 or<0.01 levels, respectively. LL: leaf length; LW: leaf width; LA: leaf angle; LOV: leaf orientation value; LS: leaf size; LSC: leaf shape coefficient; LRI: leaf rolling index.

表4 145對SSR標記在187份玉米自交系中檢測到的等位基因數(shù)及多態(tài)性信息量(PIC)

續(xù)表4

***為不確定堿基; —為缺失。*** means uncertain base; — means missing.

2.4 參試玉米自交系群體的遺傳結(jié)構(gòu)分析

利用Structure 2.3.1軟件對187份玉米自交系進行群體遺傳結(jié)構(gòu)和模型聚類分析。結(jié)果表明當=1~10時, Δ在=5時出現(xiàn)明顯峰值(圖1), 因此可以判定187份玉米自交系可劃分為5大類群。5大類群的遺傳固定指數(shù)均>0.05。說明這5大類群均能獨立成群。對照代表性自交系可知, 這5大類群分別為LRC(紅色)、TSPT(綠色)、Lan(粉色)、P(黃色)及Reid(藍色)類群等(圖2)。這與UPGMA聚類分析大部分材料的分群結(jié)果基本一致。

2.5 不同水分環(huán)境下玉米葉形相關(guān)性狀與SSR標記的關(guān)聯(lián)分析

采用一般線性模型(GLM)對SSR標記位點與不同水分環(huán)境下玉米7個葉形相關(guān)性狀進行了關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果(表6)表明, 共檢測到15對SSR標記與不同水分環(huán)境下玉米的葉長、葉寬、葉夾角、葉向值、葉面積、葉形系數(shù)及葉片卷曲度等葉形相關(guān)性狀在<0.01水平顯著關(guān)聯(lián)。表型變異的解釋率介于2.25%(位于Bin 10.03處的標記umc1345與干旱脅迫下的葉形系數(shù)相關(guān))~27.30%(位于Bin 1.01處的bnlg149位點與正常供水環(huán)境下的葉夾角連鎖), 其主要位于第1、2、3、4、5、7、8、9及10號染色體上。除bnlg149 (Bin 1.01)與葉夾角、umc2376 (Bin 3.01)與葉片卷曲度、bnlg1621a (Bin 4.06)與葉寬、umc2356 (Bin 8.05)與葉面積、umc2218 (Bin 8.08)與葉寬及bnlg1451 (Bin 10.01)與葉向值等性狀相關(guān)外, 其余9對SSR標記均與2~7個葉形相關(guān)性狀間同時關(guān)聯(lián)。

3 討論

3.1 干旱脅迫對玉米葉形結(jié)構(gòu)的影響

葉片是玉米進行生命活動的基礎(chǔ), 其主要參與玉米的光合作用、蒸騰作用及玉米對各種逆境脅迫的應答響應中, 最終影響玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)。Zhao等[2]以抗旱性差異較強的3份玉米自交系及其構(gòu)建的2個F1雜交種、2套F2及2套F2∶3群體在9種不同水分環(huán)境下分析發(fā)現(xiàn), 干旱脅迫時這些材料的葉長(2.8%~13.4%)、葉寬(11.0%~26.2%)、葉夾角(13.4%~26.3%)、葉面積(18.3%~36.3%)均顯著降低, 而葉向值(4.2%~29.1%)和葉形系數(shù)(3.2%~25.1%)均顯著升高。張振平等[29]通過對7份抗旱能力不同的玉米品種在中度水分脅迫下研究表明, 玉米的葉片卷曲度和葉片衰老指數(shù)與其抗旱性間均呈顯著負相關(guān), 葉向值和葉形系數(shù)與其抗旱性間達到了顯著正相關(guān); 進一步灰色關(guān)聯(lián)度分析揭示, 與葉片卷曲度和葉片衰老指數(shù)相比, 葉形系數(shù)和葉向值在玉米抗旱性中發(fā)揮更為重要的作用。趙小強等[9]研究闡明, 干旱脅迫下玉米通過葉形結(jié)構(gòu)發(fā)生的適應性改變, 調(diào)節(jié)影響葉片的氣孔形態(tài)、各種生理代謝及光合特性, 以減少植株對太陽輻射的接收、降低植株的葉片溫度及蒸騰散失, 提高植株的水分利用效率、改善植株的生理代謝, 最終達到改善玉米抗旱性的目的。本研究也得到了高度一致的結(jié)果, 即在花期干旱脅迫處理下, 187份玉米自交系的7個葉形相關(guān)性狀在水分處理間差異均達極顯著水平。說明不同水分環(huán)境均會顯著影響玉米葉形結(jié)構(gòu)的塑造, 進而影響后期玉米籽粒的發(fā)育及產(chǎn)量的形成。進一步分析發(fā)現(xiàn), 與對照正常供水環(huán)境相比, 干旱脅迫后187份玉米自交系的葉長、葉寬、葉夾角、葉面積平均降低了6.56%、7.16%、7.32%和7.97%, 而葉向值、葉形系數(shù)及葉片卷曲度平均升高了4.34%、6.16%和32.16%, 且干旱脅迫下這7個葉形相關(guān)性狀的變異比率為30.53%~198.31%。這與趙小強等[9]在玉米、Yang等[27]和Isidro等[30]在小麥、Sohrabi等[31]在水稻、張飛等[32]在高粱()、朱宗河等[33]在油菜()及Masarirambi等[34]在馬鈴薯()上的研究相類似。因此, 植物的葉形結(jié)構(gòu)與其抗旱性緊密相關(guān), 特別是在玉米上, 以上7個葉形相關(guān)性狀均可作為玉米抗旱性鑒定的重要參考指標。

表5 187份玉米自交系UPGMA聚類分析

字體加粗的材料為相應雜種優(yōu)勢類群的標準測驗種。The bolded materials are the standard test species for the corresponding heterosis groups.

圖1 187份玉米自交系的群體遺傳結(jié)構(gòu)分析的ΔK值隨K值變化曲線

: 群體個數(shù)The number of population.

圖2 基于SSR標記的187份玉米自交系群體遺傳結(jié)構(gòu)

LRC: 旅大紅骨類群; TSPT: 唐四平頭類群; Lan: 蘭卡斯特類群; P: P群; Reid: 瑞德類群; 不同顏色代表不同類群, 顏色多少表示該類群的概率。LRC: luda red cob group; TSPT: tangsipingtou group; Lan: lancaster group; P: P group; Reid: Reid group; Different colors indicate the corresponding groups, areas of colors indicate probability of the corresponding groups.

表6 不同水分環(huán)境下與玉米葉形性狀相關(guān)的SSR標記及其對表型變異的解釋率(P<0.01)

LL: 葉長; LW: 葉寬; LA: 葉夾角; LOV: 葉向值; LS: 葉面積; LSC: 葉形系數(shù); LRI: 葉片卷曲度。CK: 正常供水處理; DS: 干旱脅迫處理。LL: leaf length; LW: leaf width; LA: leaf angle; LOV: leaf orientation value; LS: leaf size; LSC: leaf shape coefficient; LRI: leaf rolling index. CK: normal water treatment; DS: drought stress treatment.

3.2 玉米自交系遺傳多樣性及其葉形相關(guān)性狀間的變異分析

玉米自交系彼此間的遺傳基礎(chǔ)狹窄一直是困擾重大突破性玉米優(yōu)良新品種選育的關(guān)鍵因素之一。因此, 從分子水平及表型上全面剖析玉米自交系間的遺傳多樣性, 并比較親本自交系間的親緣遠近, 對于有目的地組配優(yōu)良雜交組合及選育出優(yōu)良新品種具有十分重要的指導意義。目前, 國內(nèi)外學者已運用SSR標記技術(shù)對不同來源玉米自交系的遺傳多樣性及雜種優(yōu)勢類群進行了廣泛研究, 認為SSR標記的遺傳距離與雜種優(yōu)勢的表現(xiàn)呈顯著正相關(guān), 但由于自交系的類型及來源不同導致其雜種優(yōu)勢類群劃分結(jié)果不盡一致[28,35]。本研究采用均勻分布于玉米10個連鎖群的145對SSR標記對國內(nèi)84份核心自交系及本課題組近年來自育的103份自交系總計187份材料進行了遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu)分析, 結(jié)果表明, 187份玉米自交系的GS介于0.610~1.000, 并采用UPGMA聚類法當GS在0.612時可將187份玉米自交系明顯劃分為LRC、TSPT、Lan、P及Reid等5大類群, 且這與本研究采用Structure 2.3.1軟件群體遺傳結(jié)構(gòu)分析結(jié)果基本相一致。Wu等[36]采用MaizeSNP50 BeadChip芯片(包含56 110個SNP標記)也將367份中國玉米育種自交系劃分成了LRC、TSPT、Lan、P及Reid等類群。此外, 本研究分析還表明, 187份玉米自交系在2種水分環(huán)境下7個葉形相關(guān)性狀的變異系數(shù)介于9.62%~59.23%。說明玉米這187份自交系的遺傳多樣性較大, 在7個葉形相關(guān)性狀間均存在豐富的遺傳變異。

3.3 玉米自交系葉形相關(guān)性狀與SSR標記的關(guān)聯(lián)分析

Ingvarsson等[37]指出關(guān)聯(lián)分析可根據(jù)作物自然群體(自交系)長期演化過程中積累的重組信息, 進而檢測出群體內(nèi)處于非隨機狀態(tài)的標記或候選基因的變異與目標性狀顯著性關(guān)聯(lián)的頻率, 并能對目標性狀基因進行精細定位。與QTL定位相比, 該方法可有效避免作圖群體構(gòu)建過程中費時費力等缺點。因此, 本研究采用GLM模型對2種水分環(huán)境下187份玉米自交系的7個葉形相關(guān)性狀進行了關(guān)聯(lián)分析, 在葉長(5對)、葉寬(6對)、葉夾角(5對)、葉向值(5對)、葉面積(7對)、葉形系數(shù)(5對)及葉片卷曲度(4對)間檢測到了15對關(guān)聯(lián)的SSR標記, 其主要分布于除第6染色體以外的其余9號染色體上, 單個關(guān)聯(lián)SSR標記的表型變異貢獻率為2.25%~27.30%。在所有找到的關(guān)聯(lián)SSR標記中, 大約72.97%的關(guān)聯(lián)SSR標記可在干旱脅迫環(huán)境下被檢測到。因此, 干旱脅迫下檢測到的與玉米7個葉形相關(guān)性狀相關(guān)的SSR標記為今后玉米葉形相關(guān)抗旱分子遺傳機理的解析及抗旱MAS育種奠定基礎(chǔ)。此外, Tuberosa等[38]認為由于不同性狀間存在共同的遺傳機制, 因此“一因多效”或是控制不同性狀的基因普遍呈緊密連鎖的現(xiàn)象, 而在本研究中總共檢測到了9個SSR標記(umc1124、umc2363、umc2214、umc1742、phi331888、umc1378、bnlg1863、umc2134和umc1345)同時與多個玉米葉形相關(guān)性狀連鎖, 且這與本研究7個葉形相關(guān)性狀間的Pearson相關(guān)分析的結(jié)果高度一致, 即單個葉形相關(guān)性狀與其余4~6個葉形相關(guān)性狀呈顯著或極顯著正/負相關(guān)。說明玉米染色體的這些SSR標記位點共同調(diào)控著玉米的7個葉形相關(guān)性狀的遺傳。

其中, 位于Bin 2.02處的umc2363同時與2種水分環(huán)境下的葉長、葉夾角、葉片卷曲度及正常供水環(huán)境下的葉面積間相關(guān), 解釋的表型變異為2.42%~4.11%。趙小強[10]采用2套F2∶3群體也在umc2363附近找到了多個干旱脅迫環(huán)境下調(diào)控葉夾角的主效QTL, 其受基因加性遺傳效應的控制。于多個正常供水和干旱脅迫下, Zhao等[2]也在Bin 2.02的umc2363-umc2403區(qū)間也檢測到了1個調(diào)控葉夾角的sQTL, 其可解釋6.81%~19.53%的葉夾角變異。進一步采用mQTL分析, Zhao等[2]還在該區(qū)域的umc2363-umc1227區(qū)域內(nèi)檢測到了1個同時調(diào)控葉夾角、葉向值及葉寬的mQTL2-1和1個調(diào)控玉米葉耳和葉舌發(fā)育及葉片直立生長的()候選基因。標記umc2214(Bin 2.09)同時與2種水分環(huán)境下的葉長、葉寬、葉面積及葉形系數(shù)間相連鎖, 表型變異的解釋率為2.42%~3.41%。Zhao等[2]也在umc2184-umc2214區(qū)間內(nèi)挖掘到了1個調(diào)控玉米葉長的mQTL2-3。Li等[39]還在此區(qū)域的233.55~236.61 Mb處預測到了1個調(diào)控葉長的()候選基因; 甚至, 采用圖位克隆的方法, Bolduc等[40]證實了調(diào)控玉米葉片的形成。phi331888 (Bin 5.04)位點同時與2種水分環(huán)境下的葉長、葉寬、葉夾角、葉向值及正常供水環(huán)境下的葉面積、葉形系數(shù)、葉片卷曲度相連鎖, 解釋的表型變異為2.39%~4.52%。Ku等[5]也在Bin 5.04的bnlg1287附近同時定位到了1個同時調(diào)控葉夾角和葉向值的QTL, 受基因部分顯性遺傳效應的調(diào)控, 表型貢獻率分別為9.7%和9.8%。同時劉鵬飛等[41]在Bin 5.04處的umc1171附近挖掘到1個調(diào)控葉夾角的QTL, 其受基因加性遺傳效應的調(diào)控, 表型貢獻率為7.4%。在Bin 7.00 (umc1378)處同時與2種水分環(huán)境下的葉長、葉夾角、葉向值、葉面積及正常供水環(huán)境下的葉寬相關(guān), 解釋的表型變異為2.53%~4.20%。劉鵬飛等[41]在umc1378-umc1545區(qū)間檢測到了1個調(diào)控葉夾角的QTL, 其受基因部分顯性遺傳效應的調(diào)控, 可解釋3.3%的葉夾角變異。在umc2177-umc378-umc1426 (Bin 7.00)區(qū)間Zhao等[2]在4套F2和F2∶3群體的6種不同水分環(huán)境下同時檢測到1個調(diào)控葉夾角和葉向值的sQTL。甚至, 趙小強[10]對umc1378-umc2177區(qū)間同時調(diào)控玉米葉夾角和葉向值的主效QTL進行精細定位和親本間Illumina HiSeq 2500重測序后, 最終在該主效QTL區(qū)間挖掘到了1個調(diào)控玉米葉片發(fā)育的()基因; 有趣的是, 郭書磊等[6]也在此區(qū)域檢測到了1個調(diào)控葉寬的mQTL, 并找到了和候選基因, 其中是1個的基因并對葉片基部-末端軸向的形成中起調(diào)控作用[42], 而是1個基因, 該基因能夠上調(diào)分生組織中家族基因的表達, 進而保持葉片細胞分裂活性和抑制葉片中和家族基因, 進而促進葉片近軸組織的分化發(fā)育[43]。bnlg1863 (Bin 8.03)位點同時與2種水分環(huán)境下的葉面積及干旱脅迫下的葉片卷曲度相關(guān)聯(lián), 解釋的表型變異為9.44%~22.17%。在Bin 8.03~8.04的umc1904-umc1460區(qū)域劉鵬飛等[41]在1套F2群體上識別到了1個調(diào)控葉夾角的QTL, 其受基因加性遺傳效應的調(diào)控, 解釋的表型貢獻率為7.1%。趙小強[10]在Bin 8.03處的umc1530-bnlg1863、bnlg1863-umc2075、umc2075-bnlg162區(qū)間分別檢測到多個水分環(huán)境下同時調(diào)控玉米葉長、葉面積及葉向值的QTL/sQTL。甚至, Zhao等[2]還在bnlg1863-umc1302區(qū)間上檢測到了1個同時調(diào)控葉夾角、葉長、葉面積及葉形系數(shù)的mQTL, 并挖掘到了1個負向調(diào)控葉原基發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子()[44]。umc2134 (Bin 9.05)標記同時與2種水分環(huán)境下的葉形系數(shù)及正常供水下的葉向值相關(guān)聯(lián), 解釋的表型變異為3.18%~7.86%。Zhao等[2]在Bin 9.05 (bnlg1270a-umc1231)處識別到了1個同時調(diào)控葉寬、葉向值及葉面積的mQTL, 并挖掘出了()基因, 該基因作為一種ADP/ATP載體, 在玉米葉基部分生組織發(fā)育中積累。表明Bin 2.02、Bin 2.09、Bin 5.04、Bin 7.00、Bin 8.03及Bin 9.05等附近是調(diào)控玉米多個葉形相關(guān)性狀的重要“一因多效”或富集位點, 且這些區(qū)域存在一些重要調(diào)控基因, 為不同水分環(huán)境下玉米葉片結(jié)構(gòu)的塑造發(fā)揮重要的積極效應。此外, 本研究還找到了3個新的SSR標記位點與不同水分環(huán)境下的玉米的葉形相關(guān)性狀在<0.01水平下關(guān)聯(lián), 分別是位于Bin 1.05 (umc1124)處同時與2種水分環(huán)境下的葉夾角及正常供水環(huán)境下的葉向值, 位于umc1742 (Bin 3.04)處同時與正常供水環(huán)境下的葉長、葉寬及葉形系數(shù), 及位于umc1345 (Bin 10.03)位點與2種水分環(huán)境下的葉面積和葉形系數(shù)間相連鎖SSR標記, 這3個連鎖標記可為不同水分環(huán)境下調(diào)控玉米葉形相關(guān)性狀QTL/基因挖掘提供新信息。

4 結(jié)論

干旱脅迫環(huán)境下不同玉米自交系的葉長、葉寬、葉夾角和葉面積顯著降低, 而葉向值、葉形系數(shù)和葉片卷曲度明顯升高, 且干旱脅迫后玉米自交系的葉長(52.60%)、葉寬(76.46%)、葉夾角(198.31%)、葉向值(118.62%)、葉面積(65.27%)、葉形系數(shù)(66.57%)及葉片卷曲度(30.53%)間的變異比率間差異顯著, 這7個葉形性狀與玉米的抗旱性緊密相關(guān), 可作為玉米抗旱性鑒定的重要參考指標。采用均勻覆蓋玉米全基因組的145對SSR標記可將供試玉米自交系劃分為LRC、TSPT、Lan、P及Reid等5大類群, 其遺傳多樣性較大, PIC介于0.200~0.966。進一步通過GLM分析在2種水分環(huán)境下總共檢測到了15個SSR標記與玉米的7個葉形性狀相關(guān)聯(lián), 其中9個標記同時與2種水分環(huán)境下的多個葉形相關(guān)性狀連鎖, 表現(xiàn)出明顯的“一因多效”現(xiàn)象。

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Association analysis of SSR markers with leaf morphology in maize () under diverse watering regimes*

ZHONG Yuan, ZHAO Xiaoqiang**, LI Wenli

(Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

The leaf morphology of maize () is closely related to its drought resistance. The molecular markers correlated with leaf morphology traits under different watering regimes may provide insights into the genetic mechanisms and identify the breeding varieties. In this study, changes in the leaf length (LL), leaf width (LW), leaf angle (LA), leaf orientation value (LOV), leaf size (LS), leaf shape coefficient (LSC), and leaf rolling index (LRI) of 187 maize inbred lines were analyzed under different watering regimes. A genome-wide scan and the genetic diversity were analyzed with simple-sequence repeat (SSR) markers, and the associations between the markers and the leaf morphological traits were assessed via a general linear model (GLM). The results showed that: 1) the coefficients of variation for the leaf morphological traits of the 187 inbred lines were 13.21%?59.23% and 9.62%?28.22% under normal water and dry conditions, respectively, indicating abundant genetic variation. There were significant differences in the seven leaf morphological traits, so the leaf morphology was adjusted by the hereditary character of the inbred line. LL, LW, LA, and LS decreased significantly under drought stress, whereas LOV, LSC, and LRI increased, and the variance rate of the seven traits was 30.53%?198.31%. 2) A total of 652 alleles were detected using 145 SSR markers. The polymorphism information content (PIC) ranged from 0.201 to 0.966, with an average of 0.478. The tested materials were divided into five groups based on unweighted pair group method with arithmetic mean clustering and population structure; the Luda red cob group, Tangsipingtou group, Lancaster group, P group, and Reid group. 3) A total of 15 SSR markers were associated with seven leaf morphologies under different watering regimes (GLM,<0.01), and the amount of explained phenotypic variance was 2.25%?27.30%. Approximately 72.97% of the SSR markers were detected under drought conditions. The umc1124, umc2363, umc1742, phi331888, umc1378, bnlg1863, umc2134, and umc1345 markers were simultaneously associated with multiple leaf morphologies under different watering regimes, indicating pleiotropy. These results provide useful information for the genetic improvement of leaf morphology and marker-assisted selection breeding programs for maize drought resistance and optimization.

Maize; Leaf morphology; Drought; Genetic structure; Association analysis

, E-mail: zhaoxq3324@163.com

Jun. 27, 2020;

Aug. 19, 2020

S513.035.2

10.13930/j.cnki.cjea.200507

鐘源, 趙小強, 李文麗. 不同水分環(huán)境下玉米葉形相關(guān)性狀與SSR標記的關(guān)聯(lián)分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2020, 28(11): 1726-1738

ZHONG Y, ZHAO X Q, LI W L. Association analysis of SSR markers with leaf morphology in maize () under diverse watering regimes[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(11): 1726-1738

* 甘肅農(nóng)業(yè)大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室開放基金(GSCS-2019-8, GSCS-2020-5)、甘肅農(nóng)業(yè)大學科技創(chuàng)新基金-公招博士科研啟動基金(GAU-KYQD-2018-19, GAU-KYQD-2018-12)、甘肅省高等學校創(chuàng)新能力提升項目(2019A-052, 2019A-054)、國家自然科學基金項目(32060486)和蘭州青綠儀器技術(shù)有限公司橫向項目(WT20191025)資助

趙小強, 主要研究方向為現(xiàn)代生物技術(shù)及其在作物遺傳育種中的應用。E-mail: zhaoxq3324@163.com

鐘源, 主要從事生物化學與分子生物學研究。E-mail: zhongy@gsau.edu.cn

2020-06-27

2020-08-19

* This study was supported by the Open Fund of Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop Science, Gansu Agricultural University, China (GSCS-2019-8, GSCS-2020-5), the Scientific Research Start-up Funds for Openly-recruited Doctors of Science and Technology Innovation Funds of Gansu Agricultural University, China (GAU-KYQD-2018-19, GAU-KYQD-2018-12), the Developmental Funds of Innovation Capacity in Higher Education of Gansu Province, China (2019A-052, 2019A-054), National Natural Science Foundation of China (32060486) and the Transverse Project of Lanzhou Qinglü Instrument and Technology Company, China (WT20191025).